CH687938A5 - Brenner fuer gasfoermige Brennstoffe mit zylinderfoermigem Brennerrohr. - Google Patents

Description

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Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner für gasförmige Brennstoffe mit einem im wesentlichen zylindrisch ausgebildeten Brennerrohr mit in der Zylinderwandung angeordneten seitlichen Flammenbohrungen und einem endständigen, das Brennerrohr im wesentlichen dicht verschliessenden Abschlussboden sowie eine Gasfeuerung bzw. Gasverbrennungsanlage mit einem Brenner.

Bei Neuentwicklungen von Feuerungsanlagen, insbesondere von Gasfeuerungsanlagen sind Kriterien wie Wirtschaftlichkeit, insbesondere optimaler Wirkungsgrad, und wie Verrringerung der Emissionen von Schadstoffen, insbesondere von Stickoxyden und Kohlenmonoxyd, grundsätzlich zu erfüllende Forderungen.

In diesem Zusammenhang sind seit einigen Jahren sog. zylindrische Brennerkammern bzw. Brennerrohre oder Kolben bekannt, die den genannten Forderungen weitgehendst entgegenkommen, wobei natürlich Faktoren wie Vermischen von Verbrennungsluft mit Brenngasen, Dosierung der Gase, Flammenstabilität, etc. nach wie vor ebenfalls eine wichtige Rolle spielen.

Im Artikel «Entwicklung eines schadstoffarmen Vormischbrenners für den Einsatz in Haushalts-Gasheizkesseln mit zylindrischer Brennkammer», Gas Wärme international, Band 38 (1989), Heft 1, Seiten 28-34, beschreiben die beiden Autoren H. Berg und Th. Janemann derartige zylindrische Brennkammern für gasförmige Brennstoffe.

In der EP 0 218 602 wird ein Brenner mit einem zylindrischen Brennerrohr beschrieben, bei welchem der optimale Betrieb des Brenners mit hohem Wirkungsgrad bei unterschiedlicher Brennerleistung gewährleistet ist, d.h. in diesem europäischen Patent ist ein zylindrischer Brenner mit Reguliermöglichkeit bei optimalem Betrieb offenbart.

Eine wichtige Forderung, wie bereits oben erwähnt, besteht im optimalen Durchmischen der Gase vor dem Zuführen an den Brenner. Diese gute Durchmischung erfolgt in der Regel durch das Anordnen von Lochdüsen, Lochblechen, Leitblechen, statischen Mischern mit gegenläufigen Blenden, Propellern, Tubulatoren, etc., um in einer dem Brennerelement vorgeschalteten Mischkammer hohe Turbulenzen zu erzeugen, welche eine gute Durchmischung von Verbrennungsluft und Brenngasen gewährleisten. Einerseits sind diese konstruktiven Massnahmen zum Teil sehr aufwendig und kompliziert, und zum andern ergeben sich häufig durch die erzwungenen Turbulenzen im Mischraum unerwünschte Vibrationsgeräusche bzw. Schwingungen.

Ein weiteres Problem bei zylindrischen Brennkammern besteht darin, dass das Verbrennungsgasgemisch nicht über den ganzen Rohr- bzw. Kolbenzylindermantel gleichmässig verteilt ist bzw. entlang der Oberfläche des Brennerelementes unterschiedliche Gasdrücke herrschen können, was die Flammenstabilität ungünstig beeinflusst. Insbesondere hat es sich gezeigt, dass am Brenneransatz unmittelbar nach der Mischkammer ein geringerer Gasdruck herrscht, was in dieser Zone des Brenners leicht zu einem sog. Flammenabriss führen kann.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Massnahmen bei rohr- oder zylinderförmigen Brennern bzw. Brennkammern der oben genannten Art vorzuschlagen, um auf einfachste Art eine gute Durchmischung der Verbrennergase zu gewährleisten und um das erwähnte auftreten von örtlichen Flammabrissen am Brenner zu verhindern.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mittels eines Brenners gemäss dem Wortlaut nach Anspruch 1 gelöst.

Erfindungsgemäss wird insbesondere vorgeschlagen, im Innern eines zylindrischen Brennerelementes bzw. Brennerrohres konzentrisch ein Innenrohr anzuordnen mit einem geringeren Durchmesser als das Brennerrohr, wobei der Rohrmantel dieses Innenrohres für den Durchlass der Verbrennungsgase durchlässig ist. Damit die Verbrennungsgase von einer dem Brennerelement vorgeschalteten Mischkammer durch dieses Brennerrohr getrieben werden, ist der zwischen dem Brennerrohr und dem Rohrmantel des Innenrohres gebildete rohrförmige Zwischenraum entgegengesetzt gegenüber derjenigen Brennerrohrstirnseite, die durch einen Abschlussboden am Brenner gebildet wird, weitgehendst gasdicht ausgebildet.

Dieses gasdichte Trennen des genannten, auf der Innenseite des Brennerrohrmantels angeordneten rohrförmigen Zwischenraumes zur Mischkammer hin erfolgt vorzugsweise durch eine ringförmige Randpartie bzw. einen ringförmigen Flansch, der sich vom Innenrohr im Bereich der Verbindung zwischen Mischkammer und Brennerelement nach aussen erstreckt.

Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante weist das innenliegende, im wesentlichen gasdurchlässige Rohr im Bereich der Verbindung von Mischkammer und Brennerrohr eine nach innen vorstehende flanschartige Auskragung auf, wodurch die Durchtrittsöffnung für die gasförmigen Brennstoffe von der Mischkammer in das gasdurchlässige Rohr einen gegenüber dem Rohr reduzierten Durchmesser aufweist. Dadurch bilden sich aufgrund der erhöhten Durchtrittsgeschwindigkeit der gasförmigen Brennstoffe durch diese Durchtrittsöffnung im Bereich hinter der nach innen vorstehenden Auskragung Turbulenzzonen, welche eine weitere Erhöhung der guten Durchmischung der Verbrennungsgase im Inneren des gasdurchlässigen Rohres sicherstellt.

Weitere bevorzugte Ausführungsvarianten des er-findungsgemässen Brenners sind in den abhängigen Ansprüchen 2-8 beansprucht bzw. charakterisiert. In diesem Zusammenhang sei im weiteren auf die bereits erwähnte EP 0 218 602 verwiesen, in welcher eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Brenners für gasförmige Brennstoffe mit einem zylinderartigen Brennerelement beschrieben ist. Entsprechend eignet sich das oben angeführte erfindungs-gemässe Innenrohr für ein Brennerelement für sämtliche in der genannten EP 0 218 602 definierten erfindungsgemässen Brenner, womit der Inhalt dieser europäischen Patentschrift integraler Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist. Die in der

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EP 0 218 602 angeführten Patentansprüche sind somit alle in Kombination mit erfindungsgemäss beanspruchten Brennern der vorliegenden Erfindung ebenfalls Bestandteil der vorliegenden Erfindung.

Die erfindungsgemäss definierten Brenner eignen sich insbesondere für Gasfeuerungen bzw. Gasverbrennungsanlagen.

Die Erfindung wird nun anschliessend beispielsweise und unter Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 im Längsschnitt schematisch dargestellt einen erfindungsgemässen Brenner angebaut an einem Heizkessel;

Fig. 2 ausschnittsweise und in Vergrösserung das rohrförmige Brennerelement mit dem erfindungsgemäss innenliegend angeordneten Innenrohr aus Fig. 1;

Fig. 3 in Perspektive dargestellt das Innenrohr aus Fig. 2;

Fig. 4 eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante des rohrförmigen Brennerelementes mit dem erfindungsgemäss innenliegend angeordneten Innenrohr in zu Fig. 2 analoger Darstellung, und

Fig. 5 einen weiteren erfindungsgemässen Brenner im Längsschnitt, der entsprechend der EP 0 218 602 in Axial- bzw. Längsrichtung verschieblich angeordnet ist.

Ein Gasbrenner 1 ist an einem Heizkessel angebaut, wobei vom Heizkessel bruchstückweise die Brennkammer 2, eine Kesselwandung 3 und ein Teil des Wasserraumes 4 ersichtlich ist. Der Gasbrenner 1 kann beispielsweise mittels Befestigungsflanschen an einen Durchlass 13 der Kesselwandung angeschraubt bzw. befestigt sein.

In die Brennkammer 2 vorstehend ist ein Brennerelement 6 angeordnet, bestehend aus einem Brennerrohr bzw. einer rohrförmigen Brennkammer 8 und einem endständigen Abschlussboden 9. Im Brennerrohr 8 sind Flammenbohrungen 10 vorgesehen für den Durchlass der zu verbrennenden Verbrennungsgase, wobei dadurch die in Fig. 1 schematisch dargestellten Flammen 11 beim Verbrennen der Gase entstehen.

Dem Brennerelement 6 vorgeschaltet ist eine Mischkammer 16, ebenfalls gebildet durch eine rohrförmige Kammerwandung 14, die seitlich am Durchlass 13 anliegt. Der Mischkammer 16 vorgeschaltet ist ein Dosier- bzw. Mischbereich der bekannten Art und beispielsweise gemäss vorab angeführtem Stand der Technik im Artikel der Autoren H. Berg und Th. Janemann oder in der EP 0 218 602 beschrieben, in welchen Mischbereich Verbrennungsluft 18 und ein gasförmiger Brennstoff 19 eingeleitet werden, wobei letzterer durch ein Gasdosierrohr 20 über Dosieröffnungen 21 mit der Verbrennungsluft zusammengeführt wird. Die so vermischten Verbrennungsgase werden über Öffnungen 23 in die Mischkammer 16 geführt.

Um nun eine optimale Vermischung von Verbrennungsluft und dem gasförmigen Brennstoff zu gewährleisten, ist innenliegend zum Brennerelement 6 ein rohrförmiger Einsatz 25 vorgesehen, bestehend aus einem Innenrohr 29 mit kleinerem Durchmesser als derjenige des Brennerrohres 8, mit im Bereich der Verbindung von Brennerelemnt 6 und Mischkammer 16 nach aussen sich erstreckendem ringförmigem Flansch 26 und daranschliessend dicht an der Mischkammerwand 14 anliegender Randpartie 28. Das konzentrisch zum Brennerrohr 8 angeordnete Innenrohr 29 weist seitliche Öffnungen 30 auf für das Durchströmen der Verbrennungsgase in Richtung zu den Flammenbohrungen 10. Gemäss einer beispielsweisen Ausführungsvariante ist der Innenrohrdurchmesser ca. 65-70% des Brennerrohrdurchmessers bzw. des Aussenrohrdurchmes-sers.

Unter Bezug auf Fig. 2 soll nun die Wirkungsweise und der Sinn dieses Einsatzelementes 25 näher beschrieben werden.

Fig. 2 zeigt wiederum im Längsschnitt und ausschnittsweise in Vergrösserung das Brennerelement aus Fig. 1 und ansatzweise die daran anschliessende Mischkammer 16. In Fig. 2 ist nun noch deutlicher das Einsatzelement 25 erkennbar, primär bestehend aus dem perforierten Rohr 29, umfassend die Bohrungen 30 für den Durchlass der Verbrennungsgase zum aussen konzentrisch angeordneten Brennerrohr 8. Das Innenrohr 29 weist an seinem oberen, gegen die Mischkammer 16 gerichteten Ende einen nach aussen gerichteten Rand bzw. ringförmigen Flansch 26 auf, der gegenüber der Mischkammerwand 14 nach oben, eine Randpartie

28 bildend, aufgebogen ist. Diese Randpartie 28 liegt dichtend an der Mischkammerwandung 14 an, was beispielsweise mittels Bildung von Sicken oder durch das Anordnen von Dichtungen bewerkstelligt wird. Der ringförmige Flansch 26 ist ebenfalls gasdicht ausgebildet, sodass über die Randpartie bzw. den Flansch 26 keine Verbrennungsgase aus der Mischkammer 16 in den Raum zwischen Innenrohr

29 und Brennerrohr 8 gelangen können. Vielmehr müssen die Verbrennungsgase zunächst in den Innenraum 32 des Innenrohres 29 gelangen, aus welchem Innenraum 32 die Verbrennungsgase dann durch die Bohrungen 30 in den erwähnten Zwischenraum gelangen, um durch die Flammenbohrungen 10 für das Verbrennen in den Heizraum 2 zu gelangen.

Wie nun in Fig. 2 mittels Pfeilen dargestellt und damit erkennbar, werden die aus der Mischkammer 16 in den Innenraum 32 gelangenden Verbrennungsgase entlang der Kante 31 getrieben, die durch Zusammentreffen der Randpartie 26 und dem Innenrohr 29 gebildet wird. Hinter dieser Kante 31 bilden sich Turbulenzzonen 33, infolge derer die Verbrennungsluft optimal mit dem gasförmigen Brennstoff vermischt wird, womit schliesslich die den Innenraum 32 durch die Bohrungen 30 verlassenden Verbrennungsgase weitgehendst ideale Mischungen darstellen. Weiter wird durch den Strömungsverlauf der Verbrennungsgase gewährleistet, dass im Innenraum 32 weitgehendst gleichmässig verteilte Druckverhältnisse vorherrschen, weshalb entlang des gesamten Innenrohres 29 eine gleich-mässige Druckverteilung herrscht und somit entlang des gesamten Rohres durch die Bohrungen 30 gleichmässig Verbrennungsgase hindurchtreten. Damit ist aber auch gewährleistet, dass im Zwischen5

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räum zwischen dem Innenrohr 29 und dem Brennerrohr 8 eine gleichmässige Druckverteilung vorherrscht, womit die Flammenbildung entlang des gesamten Brennerrohres 8 gleichmässig ist und somit keine Gefahr des Flammenabrisses entstehen kann.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Strömung der Verbrennungsgase von der Mischkammer in und durch das Innenrohr besteht darin, dass diese Verbrennungsgase bis an den Abschlussboden 9 gelangen, womit dessen Kühlung wesentlich besser ist als bei herkömmlichen Brennern ohne das erfindungsgemässe Einsatzelement 25.

In Fig. 3 ist das Einsatzelement 25 aus Fig. 2 in Seitenperspektive dargestellt, wobei deutlich erkennbar wird, dass das Innenrohr 29 beispielsweise durch ein Lochblech gebildet werden kann. Auch deutlich erkennbar wird die ringförmig ausgebildete Kante 31, um welche die Verbrennungsgase strömen, wenn sie von der Mischkammer in den Innenraum 32 gelangen.

In Fig. 4 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante eines erfindungsgemässen Brenners dargestellt, analog der Darstellung von Fig. 2. Der Brenner gemäss Fig. 4 entspricht im wesentlichen dem Brenner, dargestellt in Fig. 2, wobei jedoch das innenliegende, gasdurchlässige Rohr 29 im Bereich der Verbindung zur Mischkammer 16 eine nach innen vorstehende flanschartige Auskragung 27 aufweist, wodurch die Durchtrittsöffnung der Verbrennungsgase von der Mischkammer 16 in den Innenraum 32 verengt wird. Dadurch werden die Verbrennungsgase beim Durchtritt von der Mischkammer in den Innenraum 32 beschleunigt, womit sich in den hinter der Auskragung 26 gebildeten Turbulenzzonen 33 eine gegenüber der Ausführung gemäss Fig. 2 erhöhte Turbulenzbildung ergibt, womit die Verbrennungsgase noch besser durchmischt werden.

In Fig. 5 ist ein weiterer erfindungsgemässer Brenner im Längsschnitt analog der Darstellung von Fig. 1 dargestellt, wobei der Brenner 1 wiederum in einem ansatzweise dargestellten Heizkessel angeordnet ist, umfassend den Heizraum 2 und die Kesselwand 3. Der in Fig. 5 erfindungsgemäss dargestellte Brenner entspricht in wesentlichen Teilen dem Brenner gemäss der EP 0 218 602, welcher Brenner ein Brennerrohr umfasst, das in seiner Längsrichtung verschieblich gelagert ist. Im übrigen sind in Fig. 5 diejenigen Teile mit denselben Referenzzahlen bezeichnet, die denjenigen aus den Fig. 1-4 entsprechen. Wiederum ist dem Brennerrohr vorgelagert eine Mischkammer 16 vorgesehen, in welche Verbrennungsluft und der gasförmige Brennstoff gelangen, wobei letzterer durch ein Gasdosierrohr 20 und Dosieröffnungen in die Verbrennungsluft geführt wird.

Das endständig am Brenner angeordnete Brennerrohr 8 ragt nur teilweise in die Heizkammer 2, wobei derjenige Teil des Brennerrohres, der in die Heizkammer 2 ragt, mit 8b bezeichnet ist, und derjenige Teil des Brennerrohres, der zurückgezogen in Durchlass 13 der Kesselwand 3 angeordnet ist, mit 8a. Da die Flammenbohrungen 10 im Bereich

8a seitlich abgedeckt sind, können somit Verbrennungsgase nur durch die Flammenbohrungen im Bereich 8b hindurchtreten, womit nur in diesem Bereich 8b eine Verbrennung bzw. Flammenbildung möglich ist. Wie in der EP 0 218 602 dargelegt, besteht der Vorteil eines derartigen Brenners darin, dass eine Regelung des Brenners möglich ist, ohne irgendwelche Mischverhältnisse zwischen Verbrennungsluft und gasförmigen Brennstoffen zu verändern, und auch der im Brenner herrschende Druck bleibt im wesentlichen gleich. Damit besteht also die Möglichkeit, dass der Brenner immer auf optimale Verbrennungsbedingungen eingestellt bleibt und trotzdem in seiner Leistung regulierbar ist.

Zusätzlich zur Ausgestaltung des Brenners gemäss der EP 0 218 602 umfasst nun der Brenner gemäss Fig. 5 wiederum ein erfindungsgemässes Einsatzelement 25, das zusammen mit dem Brennerrohr 8 in axialer Längsrichtung verschoben wird. Durch das Einsatzelement 25 und die eingangs nach innen ragende Randpartie 27 wird beim Durchtreten der Verbrennungsgase von der Mischkammer in den Innenraum 32 wiederum gewährleistet, dass durch die hinter dem Rand 27 herrschenden Turbulenzströmungen die Verbrennungsluft optimal mit den Brennstoffen vermischt wird. Auch die übrigen Vorteile wie gleichmässige Druckverteilung im Innenraum, gleichmässiges Durchtreten der Verbrennungsgase durch die Bohrungen 30, gleichmässiges Flammenbild im Bereich 8b des Brennerrohres und die Kühlung des Abschlussbodens 9 sind selbstverständlich auch im Brenner gemäss Fig. 5 gewährleistet.

Auf die detaillierte Beschreibung und Funktionsweise des Brenners gemäss der EP 0 218 602 in Kombination mit dem erfindungsgemässen Einsatzelement 25 wird verzichtet und auf die erwähnte europäische Patentschrift 0 218 602 verwiesen. Der Inhalt dieser europäischen Patentschrift ist somit ebenfalls integraler Bestandteil der vorliegenden Beschreibung.

Bei den in den Fig. 1-5 dargestellten erfindungsgemässen Brennern handelt es sich selbstverständlich nur um Beispiele, die in X-beliebiger Art und Weise abgeändert, modifiziert oder ergänzt werden können. So ist beispielsweise die konstruktive Ausgestaltung des Brenners wie der Zuführung der Verbrennungsluft und des gasförmigen Brennstoffes, die Ausgestaltung der Mischkammer und konstruktive Merkmale des Brennerrohres nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung, und es versteht sich von selbst, dass derartige Konstruktionsdetails jeweils von den Rahmenbedingungen, wie Heizleistung, gewählte Heizkesselgrösse, gewählte gasförmige Brennstoffe, Einsatz des Brenners usw. abhängig sind. Erfindungswesentlich ist primär das Anordnen eines konzentrischen Rohreinsatzes im Innern eines Brennerrohres, das gasdurchlässig ist bzw. Bohrungen aufweist, und dass weiter Mittel vorgesehen sind, um sicherzustellen, dass weitgehendst nahezu sämtliche Verbrennungsgase in den bzw. durch den Innenraum dieses Rohreinsatzes gelangen müssen, bevor sie dem Brennerelement zwecks Verbrennung zugeführt werden.

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Claims (9)

Patentansprüche

1. Brenner für gasförmige Brennstoffe mit einem im wesentlichen zylindrisch ausgebildeten Brennerrohr (8) mit in der Zylinderwandung angeordneten seitlichen Flammenbohrungen (10) und einem endständigen, das Brennerrohr im wesentlichen dicht verschliessenden Abschlussboden (9), dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des Brennerrohres konzentrisch ein Innenrohr (29) angeordnet ist mit einem im wesentlichen gasdurchlässigen Rohrmantel, und dass der rohrförmige Zwischenraum zwischen Brennerrohr und Rohrmantel des Innenrohres wenigstens nahezu gasdicht gegen die dem Abschlussboden entgegengesetzte Rohröffnung des Brennerrohres ausgebildet ist.

2. Brenner nach Anspruch 1, mit einer koaxial und in Verlängerung zum Brennerrohr entgegengesetzt zum Abschlussboden angeordneten Mischkammer (16) für das Mischen von Verbrennungsluft und gasförmigem Brennstoff, dadurch gekennzeichnet, dass das innenliegende konzentrische im wesentlichen gasdurchlässige Rohr (29) im Bereich der Verbindung von Mischkammer (16) und Brennerrohr (8) eine nach aussen gerichtete Randpartie bzw. eine flanschartige Partie (26) umfasst, welche im wesentlichen gasdicht ausgebildet ist, derart, dass aus der Mischkammer (16) zur Brennerrohrzylinderwandung (8) strömendes Gas durch den Mantel des innenliegenden Rohres (29) strömen muss.

3. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung von Innenrohr (29) und der im wesentlichen kreisrunden Randpartie (26) bzw. dem Flansch im wesentlichen kantenartig ausgebildet ist, d.h. Rohr- und Randpartie bzw. Flansch treffen im wesentlichen rechtwinklig eine Kante (31) bildend aufeinander.

4. Brenner nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das innenliegende, im wesentlichen gasdurchlässige Rohr (29) im Bereich der Verbindung von Mischkammer (16) und Brennerrohr (8) eine nach innen vorstehende flanschartige Auskragung (27) aufweist, wodurch die Durchtrittsöffnung für die gasförmigen Brennstoffe von der Mischkammer (16) in das gasdurchlässige Rohr (32) einen gegenüber dem Rohr (29) reduzierten Durchmesser aufweist.

5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Innenrohr (29) im wesentlichen in der ganzen Länge des Brennerrohres (8) erstreckt und an dem das Brennenrohr abschliessenden Abschlussboden (9) im wesentlichen dicht anliegt.

6. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (29) durch ein Lochblech gebildet wird.

7. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des im wesentlichen gasdurchlässigen Innenrohres (29) 65-70% beträgt vom Durchmesser des Brennerrohres (8) bzw. des Aussenrohres.

8. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zylindrische Brennerrohr (8) zusammen mit dem Innenrohr (29) in Axialrichtung längsverschieblich angeordnet ist,

um in eine oder aus einer Heizkammer bewegt zu werden, um die aktive Brennerfläche (8b) am Brennerrohr zu steuern.

9. Gasfeuerung bzw. Gasverbrennungsanlage mit einem Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7.

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