DE8033855U1 - Flammrohr aus hitzebestaendigem werkstoff fuer brenner, insbesondere oelbrenner - Google Patents

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DORNER & HUFNAGEL PATENTANWÄLTE

LANDWEHRSTR. 37 80OO MÜNCHEN Λ
TEL. 0 09/59 07 84

München, den 29. Januar 1981/br Anwaltsaktenz.: 144 - Pat. 23

Dipl. Chem. Helmut Ulrich, Waldhornstraße 27, 8000 München 50

Flammrohr aus hitzebeständigem Werkstoff für Brenner, insbesondere Ölbrenner

Die Neuerung bezieht sich auf ein Flammrohr aus hitzebeständigem Werkstoff für Brenner, insbesondere ölbrenner, mit einer brennerseitigen öffnung und einer in den Flammrohrwänden vorgesehenen Öffnungsanordnung, wobei das Fä\Lmmrohr an seinem der brennerseitigen öffnung gegenüberliegenden Ende geschlossen ist.

Bekannte Flammrohre zur Begrenzung einer Brennerflamme werden durch einen an der Flammrohrinnenwand geführten Luftstrom gekühlt, um eine zu hohe Temperatur des Flammrohrs zu vermeiden.

Andere bekannte Flammrohre, welche verhältnismäßig langgestreckt und an ihrem Ende offen sind, werden durch die Brennerflamme aufgeheizt und dienen zur Verbesserung der Verbrennung.

Flammrohre der eingangs kurz beschriebenen Art bewirken, daß die Brennerflamme sich in Richtung auf die im Flammrohrmantel vorgesehene Öffnungsanordnung ausbreitet, so daß sich innerhalb des Flammrohres bezüglich der Gasströmung Toträume ausbilden, in de- j nen das von der Brennerdüse austretende Gemisch und teilweise |

Verbrennungsprodukte zirkulieren, wodurch eine vollkommene Verbrennung erreicht wird. Die bekannten, aus Metall gefertigten Flammrohre werden dabei im allgemeinen auf Rotglut erhitzt und erzeugen eine an sich bekannte Nachheizung der Brennerflamme durch Strahlung, ohne daß hierzu ein gesondertes Bauteil vorgesehen sein müßte.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß in manchen Fällen der metallische Werkstoff, aus welchem die bekannten Flammrohre bestehen, den auftretenden thermischen Beanspruchungen nicht gewachsen ist, insbesondere, da bei intermittierendem Brennerbetrieb das Flammrohr ständig innerhalb kurzer Zeit auf sehr hohe Temperatur aufgeheizt wird und sich nach Stillsetzung des Brenners sogleich wieder auf vergleichsweise sehr tiefe Temperaturen abkühlen muß, ■ so daß es rasch zu einer Zerstörung des metallischen Flammrohres kommt. ;

Die Lebensdauer des Flammrohrs bekannter Konstruktion kann jedoch nicht in einfacher Weise dadurch erhöht werden, daß eine entsprechend dickere Wandstärke vorgesehen wird, da in diesem Falle das Flammrohr nach Inbetriebsetzung des Brenners erst mit beträchtlicher Zeitverzögerung die gewünschte hohe Temperatur erreicht, derart, daß bis zum Erreichen dieses Betriebszustan- i des eine Verbrennung mit erhöhter Schadstoffemission in Kauf ge- ; nommen werden müßte. Nach Stillsetzung des Brenners und Unterbrechung des durch ihn geführten kühlenden Gemischstromes würde der Brennerkopf durch die vom Flammrohr ausgehende Strahlung noch während einer langen Zeit aufgeheizt und dadurch rasch zerstört.

Durch die Neuerung soll ein Flammrohr aus hitzebeständigem Werk- i stoff für Brenner, insbesondere ölbrenner, so ausgestaltet wer- i den, daß es eine lange Lebensdauer besitzt, eine erhöhte Schadstoffemission in der Zeit unmittelbar nach Inbetriebsetzung des Brenners vermeidet und die Schadstoffemission während des normalen Brennerbetriebes herabsetzt.

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tJi Diese Aufgabe wird neuerungsgemäß dadurch gelöst, daß der

$ hitzebeständige Werkstoff des Flammrohrs ein gutes thermisches

f Isolationsvermögen aufweist, wobei insbesondere die Flammrohr-

fe wände hohes Wärmdämmvermögen besitzen und daß das Flammrohr eine

fe kleine thermische Zeitkonstante besitzt.

Das Flammrohr kann im wesentlichen aus Feuerleichtstein bestehen.

f] Insbesondere ist neuerungsgemäß vorgesehen, das Flammrohr im

wesentlichen aus einem keramischen Filz zu bilden.

P : Ein solches aus Feuerleichtstein oder aus keramischem Filz befe stehendes Flammrohr kann von einem metallischen Stützrahmen oder

einem metallischen Stützgehäuse umgeben sein, doch hat sich gezeigt, daß ein solcher Stützrahmen oder ein Stützgehäuse nicht unbedingt erforderlich ist.

Es ist zwar bekannt, Feuerleichtstein oder keramisches Filzmaterial als Brennkammerauskleidung zu verwenden, doch hat man bisher nicht erkannt, daß diese Werkstoffe bei Verwendung als Material zur Herstellung eines Flammrohrs der hier betrachteten Art zu überraschenden Ergebnissen beim Betrieb des Brenners führen.

Messungen haben gezeigt, daß die hier vorgeschlagenen Flaimr.rohre aus hitzebeständigem Werkstoff guten thermischen Isolationsvermögens bei gleichzeitiger geringer Wärmekapazität und damit niedriger Zeitkonstante des Flammrohrs dazu führen, daß nach Inbetriebsetzung des Brenners beispielsweise innerhalb von drei Sekünden die ordnungsgemäße stabile Betriebstemperatur des Flammrohrs erreicht wird. Auch die Abkühlung nach Stillsetzung des Brenners auf für den Brennerkopf unschädliche Temperaturen er-

' folgt in Sekunden.

Wird weiterhin gemäß einem sehr wichtigen Merkmal der hier vorgeschlagenen Flammrohranordnung dafür Sorge getragen, daß die Brennerdüse und die brennerseitige Flammrohröffnung solchen gegenseitigen Axialabstand haben und so bemessen und geformt sind,

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daß der Brennerstrahl im Bereich der brennerseitigen Flammrohr-Öffnung als Injektor wirksam ist, so wird erreicht, daß dem aus dem Brenner austretenden, insgesamt bereits brennbaren Gemisch noch aus dem das Flammrohr umgebenden Raum Frischluft beigemischt wird, so daß die Temperatur und damit die Abstrahlung der nach innen weisenden Flächen des Flammrohrs begrenzt bleiben. Dies hat die Wirkung, daß trotz des hohen Isolationsvermögens des Flammrohrwerkstoffes die Temperaturen innerhalb des Flammrohrs begrenzt werden können und hohe Temperaturbereiche, welche zu einer erhöhten Stickoxydbildung führen, vermieden werden=

Wird darüberhinaus eine solche Bemessung und gegenseitige Beabstandung der brennerseitigen Öffnung und der Offnungsanordnung der Flammrohrwände gewählt, daß eine aus der Offnungsanordnung in den das Flammrohr umgebenden Raum ausströmende Strömung über diesen Raum teilweise wieder zur brennerseitigen Öffnung aufgrund der Injektorwirkung rückgeführt wird, so ergibt sich in vorteilhafter Weise zusätzlich zu den ZirkulatLonsströmungen im Bereich der Toträume innerhalb des Flammrohrs eine die Verbrennung vervollkommnende Zirkulation, welche teilweise außerhalb des Flammrohrs verläuft.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch ein Flammrohr und eine Teilansicht des zugeordneten Brenners,

Fig. 2 eine schematische perspektivische Ansicht

eines Flammrohrs und des zugeordneten Brenners gemäß einer geringfügig abgewandelten Ausführungsform und

Fig. 3 eine perspektivische schematische Ansicht

eines Flammrohrs und eines Brenners in einer nochmals anderen Ausführungsform.

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Einem Brenner, dessen Kopf in Figur 1 dargestellt und mit 1 bezeichnet ist, wird ein Brennstoff-Luft-Gemisch zugeführt, wie durch den Pfeil P angedeutet. Aus dem Brennerkopf tritt ein Strahl 2 aus und über eine brennerseitige Öffnung 3 in ein Flammrohr 4 ein, wobei die Öffnung 3 in einer scheibenförmigen Stirn- !'* wand 5 des Flammrohres 4 vorgesehen ist. Aus Figur 1 ist ohne j -'^; weiteres ersichtlich, daß die der Öffnung 3 gegenüberliegende ; Wand 6 des Flammrohres 4 geschlossen ist. ^: "

Der Mantel des Flammrohres 4 ist mit einer Öffnungsanordnung 7 in Gestalt axialer Offnungsreihen versehen.

Der aus dem Brennerkopf 1 auftretende Strahl 2 bildet in dem Flammrohr 4 eine Flamme 8, die sich in Richtung auf die Öffnungen der Öffnungsanordnung 7 ausbreitet, wobei jedoch innerhalb des Flammrohrs Toträume 9 bestehen, in denen eine Zirkulation von Frischluft, von Verbrennungsprodukten und von noch nicht vollständig verbrannten Gemischbestandteilen zustande kommt. Hierdurch wird die Verbrennung in an sich bekannter Weise verbessert .

Der Brennerkopf 1 ist gegenüber der brennerseitigen Öffnung 3 des Flammrohrs 4 in axialer Richtung zurückgesetzt. Außerdem sind der Brennerkopf und die Öffnung 3 in ihrem Durchmesser so aufeinander abgestimmt und so bemessen.und gestaltet, daß der Brennerkopf mit der brennerseitigen Öffnung 3 des Flammrohrs ein Injektorsystem bildet, das Frischluft etwa auf den durch die Pfeile F angedeuteten Wegen in die Öffnung 3 hineinzieht, sobald der Strahl 2 aus dem Brennerkopf austritt und in das Flammrohr 4 eintritt. Außer der Frischluft wird jedoch auch ein Teil der die Offnungsanordnung 7 verlassenden Verbrennungsprodukte etwa längs der durch die Pfeile Z angedeuteten Zirkulationswege zu der Öffnung 3 zurückgeführt. Die Injektorwirkung ermöglicht eine Begrenzung der Temperaturen innerhalb des Flammrohrs 4 auf den für eine minimale Schadstoffemission günstigsten Wert.

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Messungen haben gezeigt, daß die hier vorgeschlagene Frischluftbeimengung und Verbrennungsproduktbeimengung aufgrund der Injektorwirkung des Brennerkopfes 1 und der Öffnung 3 i» der Aus wirkung auf die Verhältnisse innerhalb des FlaramroLrs von der bekannten Sekundärluftzuführung bei Flammrohren, etwa für Gasturbinentriebwerke, grundsätzlich verschieden ist. Im letztgenannten Falle bildet die Sekundärluft an der Flammrohrwand eine kühlende Schicht, welche erst in größerem Abstand stromab von der Brennerdüse in den Mischvorgang einbezogen wird, während im Falle des hier vorgeschlagenen Flammrohres durch die Injektorwirkung in Verbindung mit dem an sich bekannten Abschluß des Flammrohrs vermittels der Wand 6 keine solche Kühlschicht an der Flammrohrwand ausbildet. Vielmehr ist überraschenderweise die Temperatur im Flammrohrinnenraum in engen Grenzen gleichmäßig konstant.

Die Wände 5 und 6 und der Auflenraantel des Flammrohrs h bestehen bei der Ausführungsform nach Figur 1 aus keramischen Filz, insbesondere aus verfilzten, mit Binderzusatz versehenen Tonerdesilikatfasern. Ein geeigneter Werkstoff dieser Art besitzt beispielsweise ein Raumgewicht von 0,1 kg/dm und bei einer Mitteltemperatur von etwa 600 C eine Wärmeleitzahl von 0,l4 W/mK.

Das Flammrohr kann auch aus Feuerleichtstein gefertigt sein, dessen Raumgewicht beispielsweise 0,5 kg/dm beträgt und dessen Wärmeleitzahl etwa 0,2 W/mK betragen kann.

Die vorstehend angegebenen Werte sind jedoch nur Beispiele zur Kennzeichnung einer Größenordnung und sind nicht in beschränktem Sinne zu verstehen.

Aus Figur 2 ist entnehmbar, daß die Öffnungsanordnung 7 auch aus Reihen von rechteckigen oder quadratischen Durchbrüchen gebildet sein kann. Anstelle der Offnungsreihen können gemäß Figur 3 auch Schlitze dienen.

Es sei noch auf ein bedeutsames Merkmal der hier vorgeschlagenen Anordnung hingewiesen. Die durch die Injektorwirkung verursachte i Zirkulation entsprechend den Pfeilen Z kann auf optimale Verbrennung des aus dem Brenner austretenden Gemisches einjustiert werden, indem entweder ein starker Brennerstrahl bei entsprechender Ausbildung des Injektorsystems mit kleinen Öffnungen der Öffnungsanordnung 7 kombiniert wird oder indem ein schwacher Bren- jnerstrahl und ein entsprechendes Injektorsystem vergleichsweise weiten Öffnungen der Öffnungsanordnung 7 zugeordnet wird.

Im Betrieb zeigt sich aufgrund der Wahl des Werkstoffes des Flammrohres k und der Wände 5 und 6 innerhalb weniger Sekunden nach Inbetriebsetzung des Brenners eine hohe Oberflächentemperatur der nach innen weisenden Flächen des Flammrohrs und über die Wandstärke des Flammrohrs hinweg ein starkes Temperaturgefälle, welches :nach kürzester Betriebsdauer stabilen und gleichbleibenden Verlauf zur Flammrohraußenseite hin hat.

Die Injektorwirkung zwischen dem Flammrohr und dem Brenner kann so gedrosselt werden, daß zwar die gewünschte Begrenzung der Temperaturen innerhalb des Flammrohrs aufgrund der Zirkulationen Z erreicht wird, die Flamme 8 jedoch mit Frischluftmangel brennt. Dies führt zu einer geringeren Stickoxidbildung bei erhöhter Kohlenmonoxidbildung. Das Kohlenmonoxid kann jedoch außerhalb des Flammrohrs k nachverbrannt werden. Insgesamt wird also ein Betrieb mit geringer Stickoxidbildung und schließlich auch geringer Kohlenmonoxidbildung ermöglicht.

Claims (13)

1. Flammrohr aus hitzebeständigem Werkstoff für Brenner, insbesondere ölbrenner, mit einer brennerseitigen öffnung und einer in den Flammrohrwänden vorgesehenen Öffnungsanordnung, wobei das Flammrohr an seinem der brennerseitigen öffnung gegenüberliegenden Ende geschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der hitzebeständige Werkstoff des Flammrohrs (4) gutes thermisches Isolationsvermögen aufweist und daß das Flammrohr eine kleine thermische Zeitkonstante besitzt.

2. Flammrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flammrohrwände hohes Wärmedämmvermögen besitzen.

3. Flammrohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennerdüse (1) und die brennerseitige Flammrohröffnung (3) solchen gegenseitigen Axialabstand haben und so bemessen und geformt sind, daß der Brennerstrahl (2) im Bereich der brennerseitigen Flammrohröffnung Injektorwirkung hat.

4. Flammrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die brennerseitige öffnung (2) in einer scheibenförmigen Stirnwand (5) des Flammrohrs (4) vorgesehen ist.

5. Flammrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine solche Bemessung und gegenseitige Beabstandung der brennerseitigen öffnung (3) einerseits und der Öffnungsanordnung (7) der Flammrohrwände andererseits, daß eine aus der Öffnungsanordnung in den das Flammrohr umgebenden Raum austretende Strömung über diesen Raum teilweise wieder zur brennerseitigen Öffnung aufgrund der Injektorwirkung rückgeführt (Z) wird.

DORNER & HUFNAGEI, PATENTANWÄLTE

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München, den 26. Aug. 1981 /WtI. Amtl. Aktenz.: G 80 33 855.2 Anmelder: Dipl.Chem.Helmut Ulrich Anwaltsaktenz.: 144 - Pat. 23

6. Flammrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es runden oder ovalen oder rechteckigen Querschnitt besitzt.

7. Flammrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungsanordnung (7) von mindestens einer vorzugsweise in Axialrichtung verlaufenden Lochreihe gebildet ist.

8. Flammrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungsanordnung (7) von mindestens einem vorzugsweise in Axialrichtung verlaufenden Schlitz gebildet ist.

9. Flammrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungsanordnung (7) von der brennerseitigen Öffnung (3) bestimmten Axialabstand besitzt.

10. Flammrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß es im wesentlichen aus Feuerleichtstein besteht.

11. Flammrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß es im wesentlichen aus keramischem Filz besteht.

12. Flammrohr nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß es von einem Stützrahmen oder einem Stützgehäuse umgeben ist.

13. Flammrohr nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Filz aus Tonerdesilikatfasern hergestellt ist.