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(11) | EP 0 014 221 A1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
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| (54) | Gasbeheizter Brenner zur Antemperung von Schmelzöfen oder Schmelztiegeln |
| (57) Bei einem gasbeheizten Brenner zur Antemperung von Schmelzöfen oder Schmeltztiegeln
soll zur Erzielung einer kurzen Flamme eine innige Durchmischung von Gas und Luft
erfolgen. Bei einem grossen konstanten Luftdurchsatz soll der Gasstrom in einem grossen
Bereich veränderbar sein, ohne dass die Flamme abhebt oder ausgeblasen wird. Koaxial
in einem Brennergehäuse (10) ist ein Gaszufuhrrohr (14) angeordnet. Am Ende des Gaszufuhrrohres
(14) sitzt ein flachzylindrisches Gehäuse (26). Das Gehäuse (26) ist von drei um 120°
gegeneinander versetzten Kanälen (32) durchsetzt. Auf der Oberseite (30) ist um jeden
dieser Kanäle (32) herum ein Kranz von engen Gasaustrittsöffnungen gebildet. Weiterhin
besitzt das Gehäuse (26) eine zentrale, mit dem Gaszufuhrrohr (14) fluchtende Gassaustrittsöffnung
(44). |
[0001] Die Erfindung betrifft einen gasbeheizten Brenner zur Antemperung von Schmelzöfen oder Schmelztiegeln, enthaltend: ein mantelförmiges Brennergehäuse, welches eine Austrittsöffnung bildet, ein koaxial zu dem Brennergehäuse angeordnetes, an seinem Auslaß durch Drosselmittel gedrosseltes Gaszufuhrrohr, das an seinem Ende einen radial vorstehenden, ringförmigen Ansatz trägt und stromauf von diesem Ansatz seitliche Gasaustrittsöffnungen aufweist, und einen Anschluß an dem der Austrittsöffnung abgewandten Ende des Brennergehäuses zum Anschluß an Luftzufuhrmittel, der mit dem zwischen Gaszufuhrrohr und Brennergehäuse gebildeten Ringraum im wesentlichen ungedrosselt in Verbindung steht.
[0002] Bei einem bekannten Tunnelbrenner dieser Art (US-PS 3 275 057, FR-PS 1 430 591) enthält das rohrförmige Brennergehäuse einen zu einer Austrittsöffnung hin schwach konisch erweiterten Teil, an den sich ein kegelstumpfförmiger, sich zu der Austrittsöffnunc verjüngender Teil anschließt. An diesem letzteren Teil schließt sich wiederum ein die Austrittsöffnung bildendes zylindrisches Endstück an. Das Brennergehäuse ist durch eine Zwischenwand geteilt, die in der Verbindungsebene zwischen dem sich erweiternden und dem sich konisch verjüngenden Teil des Brennergehäuses sitzt und einen zentralen Durchbruch aufweist. Auslaßseitig sitzt an der Zwischenwand koaxial zu dem Brennergehäuse ein Gaszufuhrrohr. Koaxial innerhalb dieses Gaszufuhrrohres sitzt ein Luftführungsrohr, welches den zentralen Durchbruch in der Zwischenwand umgibt. Zwischen dem Gaszufuhrrohr und dem kegelstumpfförmigen Teil des Brennergehäuses ist ein Ringraum gebildet. Am auslaßseitigen Ende des Gaszufuhrrohres sitzt ein Radialflansch, der nach außen in den Ringraum hineinragt und mit dem Brennergehäuse einen drosselnden Austrittsspalt bildet. Das Luftführungsrohr weist ebenfalls an seinem austrittsseitigen Ende einen Radialflansch auf, der mit dem Gaszufuhrrohr ebenfalls einen drosselnen Ringspalt bildet. Zwischen dem Luftführungsrohr und dem Gaszufuhrrohr ist auf diese Weise ein Ringraum gebildet, in den eine Gaszuleitung mündet. In der Zwischenwand sind-außerhalb des Gaszufuhrrohres Durchbrüche vorgesehen, über welche der stromauf von der Zwischenwand liegende Teil des im Brennergehäuse gebildeten Raumes mit dem Ringraum in Verbindung steht, der zwischen dem Gaszufuhrrohr und dem Brennergehäuse gebildet ist. An dem der Austrittsöffnung abgewandten Ende des Brennergehäuses ist ein Anschluß vorgesehen, über den Luftzufuhrmittel, z.B. ein Gebläse angeschlossen werden können.
[0003] Bei diesem bekannten Brenner tritt ein Luftstrom hauptsächlich durch den zentralen Durchbruch der Zwischenwand und durch das Luftzuführungsrohr hindurch in die innerhalb des kegelstumpfförmigen Teiles des Brennergehäuses gebildete Brennkammer. Gas wird gedrosselt über den Ringspalt zugeführt, der zwischen dem Gaszufuhrrohr und dem Radialflansch des Luftzuführungsrohres gebildet ist. Schließlich tritt ein weiterer Luftstrom über die äußeren Durchbrüche der Zwischenwand, die als Beruhigungszone wirkende äußere Ringkammer und den Ringspalt zwischen dem Radialflansch des Gaszufuhrrohres und dem Brennergehäuse in die Brennkammer und wird durch den kegelstumpfförmigen Teil des Brennergehäuses einwärts gelenkt. Eine Vermischung von Gas und Luft soll dabei in dem torusförmigen Bereich stattfinden, der vor dem Gaszufuhrrohr und dem Luftzuführungsrohr um die Längsachse des Tunnelbrenners herum austritt, und von diesem Bereich aus erstreckt sich die Flamme in die Brennkammer, wobei die Flamme mantelförmig ist und einerseits den zentralen Luftstrom umgibt und andererseits von dem äußeren Luftstrom, der zwischen Flamme und Wandung des Brennergehäuses verläuft, umgeben ist.
[0004] Es ist weiterhin bekannt (DE-AS 1 170 101) bei einem Rundbrenner über ein zentrales Rohr Luft, über ein koaxial darum herum angeordnetes Gaszufuhrrohr Gas und über ein weiteres koaxial um das Gaszufuhrrohr herum angeordnetes Rohr Luft zuzuführen, wobei die Luft in dem äußeren Rohr über einen Leitschaufelkranz geleitet wird, so daß dem äußeren Luftmantel ein Drall erteilt wird. Dieser Leitschaufelkranz ist dabei stromauf von der Gasaustrittsöffnung angeordnet und erzeugt lediglich einen Drall der Luft.
[0006] Es ist weiterhin ein Brenner bekannt, bei welchem ein Gaszufuhrrohr koaxial innerhalb eines Brennerrohres angeordnet ist, wobei in das Brennerrohr über einen seitlichen Anschluß Luft einleitbar ist, und zwar in einer solchen Weise, daß dem Luftstrom innerhalb des Brennerrohres um das Gaszufuhrrohr herum ein Drall erteilt wird. Das Brennerrohr erstreckt sich in axialer Richtung etwas über das Gaszufuhrrohr hinaus. Das Gaszufuhrrohr bildet einen seinen gesamten Querschnitt ausfüllenden Gaszufuhrkanal. An seinem Ende bildet das Gaszufuhrrohr eine zentrale, drosselnde Auslaßdüse. Das Gaszufuhrrohr trägt weiterhin einen Radialflansch stromauf von dieser Auslaßdüse. Stromauf von dem Radialflansch sind in dem Gaszufuhrrohr seitliche Gasaustrittsöffnungen vorgesehen. Die Luftströmung staut sich an dem Radialflansch. Durch die drosselnde Auslaßdüse erfolgt ein gewisser Gasstau vor dieser Düse. Gas tritt daher durch die seitlichen Gasaustrittsöffnungen in die stromauf von dem Radialflansch gebildete Beruhigungszone. Das dort gebildete Gas-Luft-Gemisch erzeugt eine Halteflamme, die um den Radialflansch herum brennt und ein Abheben der Flamme bei hoher Gas- und Luftströmungen verhindert. Durch die Halteflamme wird das austretende Gas jeweils sofort gezündet.
[0007] Tunnelbrenner der eingangs genannten Art werden benutzt zur Antemperung von Schmelzöfen. Dabei geht es um folgendes:
Schmelzöfen, z.B. für Glasschmelzen, sind mit einer feuerfesten Auskleidung versehen. Diese feuerfeste Auskleidung besteht aus feuerfesten Steinen, die zur Auskleidung des Schmelzofens aneinandergesetzt werden. Die Steine müssen dann in einem Antemperungsprozeß langsam auf die Betriebstemperatur der Glasschmelze aufgeheizt werden, wobei ein Sinterungsprozeß stattfindet, bei welchem sich die Steine zu einer durchgehenden Auskleidung miteinander verbinden. Dieser Antemperungsprozeß, der mehrere Tage dauert, erfordert eine langsame und genau kontrollierte Temperaturerhöhung praktisch von warmer Zimmertemperatur bis zu der endgültigen Betriebstemperatur, wobei einige bestimmte Temperaturen, bei denen der Sinterungsprozeß stattfindet, nach einem vorgegebenen Programm über längere Zeit gehalten werden. Das bedeutet, daß der Brenner zunächst mit einem sehr großen Luftüberschuß betrieben werden muß, so daß die Luftmenge mit der Verbrennungswärme der zunächst relativ dazu kleinen Gasmenge nur wenig erwärmt wird. Im Verlaufe des Antemperungsprozesses wird dann die Gasmenge kontrolliert auf die der Luftmenge entsprechenden Menge erhöht. Dabei wird mit recht hohen Luftmengen gearbeitet, damit durch die Verwirbelung der heißen Luft in dem Schmelzofen oder Schmelztiegel eine gleichmäßige Erwärmung des Schmelzofens oder Schmelztiegels stattfindet.
[0008] Man muß anstreben, daß das Gas in einer relativ kurzen Flamme möglich vollständig verbrannt wird. Flamme ist dabei die Zone, in welcher eine chemische Reaktion zwischen dem Gas und der Verbrennungsluft stattfindet. Wenn durch ungenügende Vermischung von Gas und Luft das Gas nicht vollständig verbrannt wird, dann kann sich in dem Schmelzofen oder Schmelztiegel unverbranntes Gas ansammeln und zu einer Verpuffung führen. Das kann auch geschehen, wenn die Flamme so lang ist, daß sie sich bis zu der gegenüberliegenden Wandung des Schmelzofens oder Schmelztiegels erstreckt. Außerdem würde in einem solchen Falle die Erwärmung ungleichmäßig. Die Flamme sollte nur innerhalb einer in dem Brennergehäuse gebildeten Brennkammer brennen, während aus der Austrittsöffnung des Brennergehäuses nur heiße Luft und Abgase austreten.
[0009] Das ist sehr schwer zu erreichen, da, wie gesagt, ein hoher Durchsatz von Gas und Luft stattfindet, wobei der hohe Luftdurchsatz auf jeden Fall gegeben ist.
[0010] Die Gasmenge wird in sehr weiten Grenzen reguliert. Dabei darf die Flamme nicht zu lang werden. Sie darf auch nicht abheben oder erlöschen.
[0011] Um einen Tunnelbrenner zur Antemperung von Schmelzöfen oder Schmelztiegeln zu schaffen, bei welchem in einer kurzen, innerhalb einer Brennkammer im Brennergehäuse brennenden Flamme eine möglichst vollständige Verbrennung des Gases stattfindet und bei welchem dabei durch Regelung der Gaszufuhr in weiten Grenzen die Temperatur der austretenden großen Luft- und Abgasmengen zwischen "Warmluft" und hohen Betriebstemperaturen veränderbar ist, ist in der europäischen Patentanmeldung 78 10 18 80.9 vom 30.12.1978 ein Tunnelbrenner beschrieben, der gekennzeichnet ist, durch die Kombination der nachstehenden Merkmale:
(a) Das Gaszufuhrrohr bildet einen seinen gesamten Querschnitt ausfüllenden Gaszufuhrkanals und an seinem Ende eine zentrale, drosselnde Auslaßdüse und trägt einen Radialflansch stromauf von dieser Auslaßdüse, und stromauf von dem Radialflansch sind in dem Gaszufuhrrohr seitliche Gasaustrittsöffnungen vorgesehen.
(b) Das Auslaß steht im wesentlichen ungedrosselt mit dem Ringraum zwischen Gaszufuhrrohr und Brennergehäuse in Verbindung.
(c) In der in einem kegelstumpfförmigen Teil des Brennergehäuses zwischen der Auslaßdüse und der Austrittsöffnung gebildeten Brennkammer sind vermischungsfördernde Strömungsleitkörper vorgesehen.
[0012] Durch den Radialflansch am Gaszufuhrrohr wird bei dieser zum Stand der Technik gehörenden Anordnung eine Halteflamme erzeugt, die ein Abheben der Flamme von der Auslaßdüse auch bei hohen Gasgeschwindigkeiten verhindert. Über die zentrale Auslaßdüse tritt ein gerader zentraler Gasstrom aus. Um diesen zentralen Gasstrom herum wird ein starker ungedrosselter Luftstrom erzeugt. Durch vermischungsfördernde Strömungsleitkörper wird sichergestellt, daß innerhalb der Brennkammer eine Verwirbelung und Vermischung von Gas und Luft stattfindet und somit innerhalb der Brennkammer die Verbrennungsreaktion vollständig ablaufen kann. Damit wird eine kurze, im wesentlichen innerhalb der Brennkammer gebildete Flamme erzeugt. Aus der Austrittsöffnung tritt ein inniges Gemisch von Luft und Abgasen aus, welches eine gleichmäßige Temperatur entsprechend der Heizleistung des zugeführten und verbrannten Gases besitzt.
[0013] Dieser Brenner erfordert noch eine relativ lange Brennkammer, in welcher die.Vermischung und Verwirbelung von Gas und Luft stattfindet.
[0014] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brenner der eingangs definierten Art so auszubilden, daß durch andere Mittel, also nicht durch Leitschaufeln o.dgl. in der Brennkammer, eine innige Vermischung von Gas und Luft und eine Verbrennung mit kurzer Flamme gewährleistet ist, wobei ebenfalls sichergestellt ist, daß der Brenner über einen großen Bereich des Gasdurchsatzes, also über einen großen Bereich der Heizleistung hinweg, einwandfrei arbeitet.
[0015] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der ringförmige Ansatz von einem am Ende des Gaszufuhrrohres sitzenden, gleichachsig zu diesem angeordneten und radial über das Gaszufuhrrohr vorspringenden, flach-zylindrischen Gehäuse gebildet ist, welches
(a) von einem Kranz rohrförmiger, sich von der Unterseite seitlich des Gaszufuhrrohres zur Oberseite erstreckender Kanäle durchsetzt ist,
(b) auf der Oberseite um jeden dieser Kanäle herum einen Kranz von engen Gasaustrittsöffnungen aufweist und
(c) auf der Oberseite weiterhin eine zentrale, mit dem Gaszufuhrrohr fluchtenden Gasaustrittsöffnung besitzt.
[0016] Es hat sich gezeigt, daß durch eine solche Ausbildung des Brenners die gestellte Aufgabe gelöst werden kann.
[0017] Das dürfte auf folgende Weise zu erklären sein:
das durch die seitlichen Gasaustrittsöffnungen des Gaszufuhrrohres stromauf von dem flach-zylindrischen Gehäuse austretende Gas vermischt sich mit der Luft, die vor dem Gehäuse gestaut wird und durch die Kanäle austritt, welche das flach-zylindrische Gehäuse durchsetzen. Dabei wird schon eine innige Mischung von Gas und Luft erzeugt. Die durch die Kanäle hindurchtretende Gas-Luft-Säule"die gegenüber dem übrigen hohen Luftdurchsatz schon gebremst ist und daher weniger zum Abheben neigt, wird weiterhin durch die Flammen gehalten, die auf den um die Kanäle herum gebildeten Kränzen von engen Gasaustrittsöffnungen brennen. Hier tritt eine weitere Vermischung von Gas und Luft aus. Die zentrale Austrittsöffnung liefert weiterhin einen zentralen Gasstrahl, der einen großen Gasdurchsatz gestattet. Dieser zentrale Gasdurchsatz wird durch die darum herum brennenden Flammen und die zwischen diesen Flammen einwärts gezogene Luft ebenfalls gut mit Luft gemischt, so daß das Gas in einer relativ kurzen Flamme vollständig verbrannt wird. Es ergibt sich so eine Anordnung, bei welcher die Flamme auch bei hohen Heizleistungen, also großem Gasdurchsatz, weder abhebt noch durch die zugeführte Luft ausgeblasen wird. Die verschiedenen Gasaustrittsöffnungen gestatten dabei diesen großen Gasdurchsatz. Bei kleinem Gasdurchsatz sinkt der Druck innerhalb des Gaszufuhrrohres ab. Da der Luftstrom unverändert bleibt und vor dem flach-zylindrischen Gehäuse ein Staudruck entsteht, kehrt sich die Strömung an den seitlichen Gasaustrittsöffnungen bei Unterschreiten eines bestimmten Gasdurchsatzes um. Es strömt dann Luft von außen durch die seitlichen "Gasaustrittsöffnungen" in das Gaszufuhrrohr ein und vermischt sich mit dem Gas schon in dem Gaszufuhrrohr, wodurch auch unter diesen Bedingungen eine einwandfreie brennende Flamme auf der zentralen Gasaustrittsöffnung gewährleistet ist.
[0019] Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert:
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Brenner.
Fig. 2 zeigt in einem Schnitt A-A von Fig. 3 den oberen Teil des Gaszufuhrrohres mit dem flach-zylindrischen Gehäuse.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt B-B von Fig. 2.
Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf den Brenner von Fig. 1 mit der Oberseite des flach-zylindrischen Gehäuses.
[0020] Der Brenner enthält ein mantelförmiges Brennergehäuse 10, welches eine Austrittsöffnung 12 bildet. Koaxial zu dem Brennergehäuse ist ein Gaszufuhrrohr 14 vorgesehen. An dem der Austrittsöffnung 12 abgewandten Ende des Brennergehäuses 10 ist ein Anschluß 16 zum Anschluß 'an (nicht dargestellte) Luftzufuhrmittel vorgesehen. Der Anschluß 16 steht mit dem zwischen Gaszufuhrrohr 14 und Brennergehäuse 10 gebildeten Ringraum 18 im wesentlichen ungedrosselt in Verbindung. Das Gaszufuhrrohr 10 weist an seinem einlaßseitigen Ende einen Krümmer 20 auf und ist dann seitlich aus dem Brennergehäuse 10 herausgeführt.
[0021] Das Gaszufuhrrohr 14 weist an seinem Ende einen radial vorstehenden, ringförmigen Ansatz 22 auf. Stromauf von diesem Ansatz sind in dem Gaszufuhrrohr 14 seitliche Gasaustrittsöffnungen 24 vorgesehen.
[0022] Dieser ringförmige Ansatz 22 wird von einem am Ende des Gaszufugrrohres 14 sitzenden, gleichachsig zu diesem angeordneten und radial über das Gaszufuhrrohr vorspringenden, flach-zylindrischen Gehäuse 26 gebildet. Dieses Gehäuse 26 ist von einem Kranz rohrförmiger, sich von der Unterseite 28 seitlich des Gaszufuhrrohres 14 zur Oberseite 30 erstreckender Kanäle 32,34,36 durchsetzt. Auf der Oberseite 30 weist das Gehäuse 26 um jeden dieser Kanäle 32,34,36 herum je einen Kranz 38,40,42 von engen Gasaustrittsöffnungen auf. Weiterhin besitzt das Gehäuse 26 auf der Oberseite 28 eine zentrale, mit dem Gaszufuhrrohr 14 fluchtende Gasaustrittsöffnung 44. Der Querschnitt der zentralen Gasaustrittsöffnung 44 ist deutlich kleiner als der Querschnitt jedes der das Gehäuse 26 durchsetzenden Kanäle 32,34,36. Bei dem dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse 26 von drei Kanälen 32,34,36 durchsetzt, die um 1200 gegeneinander winkelversetzt um die Achse des Gaszufuhrrohres 14 herum angeordnet ist.
[0023] Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, weist das Brennergehäuse 10 dicht stromab von dem auf dem Gaszufuhrrohr 14 sitzenden, flach-zylindrischen Gehäuse 26 einen kegelstumpfförmig nach innen verlaufenden Abschnitt 46 und sich daran anschließend ein die Austrittsöffnung 12 bildendes zylindrisches Endstück 48 auf. Durch diese Ausbildung des Brennergehäuses 10 wird der durch den Ringraum 18 fließende Luftstrom stromab von dem Gehäuse 26 im Bereich der Flammen einwärtsgelenkt, wodurch die Vermischung der Brenngase mit der Luft weiter verbessert werden.
ein mantelförmiges Brennergehäuse, welches eine Austrittsöffnung bildet,
ein koaxial zu dem Brennergehäuse angeordnetes, an seinem Auslaß durch Drosselmittel gedrosseltes Gaszufuhrrohr, das an seinem Ende einen radial vorstehenden, ringförmigen Ansatz trägt und stromauf von diesem Ansatz seitliche Gasaustrittsöffnungen aufweist, und
einen Anschluß an dem der Austrittsöffnung abgewandten Ende des Brennergehäuses zum
Anschluß an Luftzufuhrmittel, der mit dem zwischen Gaszufuhrrohr und Brennergehäuse
gebildeten Ringraum im wesentlichen ungedrosselt in Verbindung steht,
dadurch gekennzeichnet,
daß der ringförmige Ansatz von einem am Ende des Gaszufuhrrohres (14) sitzenden, gleichachsig
zu diesem angeordneten und radial über das Gaszufuhrrohr (14) vorspringenden, flach-zylindrischen
Gehäuse (26) gebildet ist, welches
(a) von einem Kranz rohrförmig, sich von der Unterseite (28) seitlich des Gaszufuhrrohres (14) zur Oberseite (30) erstreckender Kanäle (32,34,36) durchsetzt ist,
(b) auf der Oberseite (30) um jeden dieser Kanäle (32,34,36) herum einen Kranz (38,40,42) von engen Gasaustrittsöffnungen aufweist und
(c) auf der Oberseite (30) weiterhin eine zentrale, mit dem Gaszufuhrrohr (14) fluchtenden Gasaustrittsöffnung (44) besitzt.