DE2539993A1

DE2539993A1 - Oelbrenner

Info

Publication number: DE2539993A1
Application number: DE19752539993
Authority: DE
Inventors: Katsuyuki Kawaguchi
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1974-09-06
Filing date: 1975-09-05
Publication date: 1976-03-18
Also published as: US4054028A; JPS5129726A; FR2284089A1; FR2284089B1; GB1486684A; DE2539993C2; CH591656A5

Description

Meissner & Meissner

PATENTANWALTSBÖRO

BERLIN - MÜNCHEN 25Ί9993

PATENTANWÄLTE

DIPL-ING. W. MEISSNER (BLN) DIPL-ING. P. E. MEISSNER (MCHN) DIPL-ΙΝα H.-J. PRESTING (BLN)

1 BERLIN 33, HERBERTSTR. 22

Ihr Zeichen Ihr Schreiben vom Unser Zeichen Berlin, den ~ 0. OLI. ιί« Ο

50-1117

Kabushiki
MITSUBIoHI JUKOGYO i-'KAISHA, Tokyo, Japan

ölbrenner

Die Erfindung bezieht sich auf Öl- oder Gasbrenner, die die Emission von Nitrogenoxiden und Hauch verringern, die sich bei der Ölverbrennung ergeben.

Die Kifcrogenoxide (nachstehend mit "NOx" bezeichnet) und Rauch, die bei der Verbrennung von öl frei werden, können für verschiedene Öffentliche Belästigungen verantwortlich sein. Um den Forderungen der Zeiten zum Verhindern solcher übelstände und zum Umweltschutz zu entsprechen, ist es heut© dringend notwendig, die Emissionen von NOx und Hauch aus öl- oder Gasbrennern zu verringern.

Ein üblicher ölbrenner, wie er in Figur 1 schematisch dargestellt ist, enthält ein Innenrohr 101 und ein das Innenrohr aufnehmendes Außenrohr 102, so daß der Brenn-

— 2 ~ 609812/0774

BORO MÖNCHEN:	TELEX:	TELEQRAMM:	TELEFON:	BANKKONTO:	POSTSCHECKKONTO:
8 MÖNCHEN 22	1-85644	INVENTION	BERLIN	BERLINER BANK Aa	W. MEISSNER, BLN-W
ST. ANNASTR. 11	INVEN d	BERLIN	030/885 80 37	BERLIN 31	12282-109
TEL: 089/223644			030/886 2382	3695718000

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stoff für die Verbrennung vom rechten Ende nach links in der Darstellung in einen ringförmigen Durchgang 103 geliefert wird, der sich zwischen den beiden Rohren befindet. Am Vorderteil des Innenrohres 101 ist ein Brennstoffeinspritzventil 104 angebracht, das von einer Luftöffnung 105 umgeben ist, die mit Wirbelblättern versehen ist. Das Innenrohr 101 ist mit mehreren Luftlöchern 106, 107 versehen.

Der Brennstoff wird unter Druck im allgemeinen mittels eines Konus 110, aus dem Einspritzventil 104 in das Innenrohr gespritzt. Die Verbrennungsluft wird aus dem ringförmigen Durchgang 103 durch das Luftzufuhrloch und die Luftlöcher 106 in das Innenrohr gegeben, damit sie verbrennen kann. Während Luft auch aus den Löchern 107 im hinteren Teil des Innenrohres geliefert wird, wird zur Verdünnung Luft verwendet, die das Gas im Innenrohr bei einer gegebenen Temperatur brennen läßt.

Der beschriebene übliche Brenner besitzt die folgenden Nachteile:

A. Das Mischen von Luft und Brennstoff in der Nähe des öleinspritzkonus 110, das die Rauch- und NOx-Erzeugung beherrscht ist nicht gleichmäßig und eine örtliche Einstellung des Mischungsverhältnisses ist nicht durchführbar.

B. Das Luft-Brennstoff-Verhältnis entspricht nicht den BelastungsSchwankungen und die Rauch- und N0x-Erzeugung ist beim Arbeiten des Brenners bei hohen Belastungen groß.

c. Das ein großes Luftvolumen um den Einspritzkonus her-

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um zwecks Verbrennen einer mageren Lischung bei geringer Verschmutzung geliefert wird, neigt die Verbrennung zur Instabilität mit Zündschwierigkeit und zu häufigem Ausblasen.

D. Die vielen Luftlöcher in mehreren Heihen in der tfandung des Innenrohres begrenzen die zentripetale Durchdringung des Rohres durch Luft, was eine magere Luft-Brennstoffmischung ergibt.

J3. Da die Luftlöcher die in der Y/andung des Innenrohres aufeinanderfolgen, besteht keine eindeutige Unterscheidung zwischen primärer und sekundärer Verbrennungszone und somit kann das Ende der Verschmutzungsregelung nicht erfolgen.

Die Erfindung hat zur .aufgäbe, diese Nachteile des bisherigen Brenners zu beseitigen und einen Brenner anzugeben, der die KOx- und Haucherzeugung regelt und dadurch Luftverschmutzung verhindert.

Diese und andere Gegenstände, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung und der Zeichnung, die Ausführungsbeispiele darstellen. In den Zeichnungen ist:

Figur 1 ein Schnitt durch einen üblichen ölbrenner; Figur 2 ein Schnitt eines Ülbrenners nach der Erfindung;

Figur 3 ein Diagramm der Charakteristiken des Brenners; und die

Fig. 4- bis 7 zeigen Schnitte anderer Ausführungsbeispiele der Erfindung.

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In Figur 2, die das erste Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, nimmt ein Außenrohr 1 ein koaxiales Innenrohr 2 auf, wodurch sich dazwischen ein ringförmiger Raum 2 ergibt. Das Innenrohr besteht aus einem Abschnitt 2a kleineren Durchmessers, einem Abschnitt größeren Durchmessers 2b und einem konischen Verbindungsabschnitt 2c zwischen den Abschnitten mit den verschiedenen Durchmessern·

Am Ende des Außenrohres befindet sich ein Einspritzventil 4-, das sich in einem Endteil des Abschnitts 2a mit kleinerem Durchmesser öffnet. Um das Ventil 4· herum befindet sich ein Wirbler 5 mit Wirbelblättern zum Liefern von Verbrennungsluft zum Innenrohr 2. An der Vorderseite des Wirbiers befindet sich eine Luftkammer 6. Eine Luftregelklappe 7 ist in dem Raum vorgesehen, der die Luftkammer 6 mit dem Ringraum 3 verbindet um die zuzuführende Luftmenge zu regeln. Die Luftklappe 7 wird von der Außenseite des Außenrohres her mittels eines Handgriffs 7a betätigt. Ein Luftzufuhrrohr 8, das an einem Ende mit dem Ringraum 3 über das Außenrohr und am anderen Ende mit einer nicht dargestellten Luftquelle verbunden ist, beliefert den Ringraum 3 mit der notwendigen Luftmenge zur Verbrennung, Verdünnung und Kühlung. Der Wandteil des Abschnitts 2b größeren Durchmessers ist mit mehreren Luftlöchern 9 versehen, von denen Jedes mit einer Tülle 10 umgeben ist, die senkrecht zur Achse des Innenrohres verläuft. In einem Abstand hinter diesen Löchern 9 befindet sich in der Wandung des Innenrohres eine weitere Reihe von Löchern 11 zum Verdünnen der Luft. Die Luftverdünnungslöcher 11 sind ebenfalls mit Tüllen versehen. Der Abschnitt kleineren Durchmessers 2a besitzt keine Luftlöcher.

Die Arbeitsweise des ersten Ausführungsbeispiels der Er-

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findung mit der vorstehend beschriebenen Aufbau ist wie folgt: Zum Anlassen des Brenners wird die Luftregelklappe 7 so eingestellt, daß eine für die Zündung notwendige Luftmenge an den Wirbler 5 gegeben wird, der das Einspritzvertil 4- umgibt. Beim Arbeiten des Brenners unter Last wird die an den Wirbler 5 zu gebende Luftmenge mittels der Klappe 7 eingestellt, und eine reiche Mischung verbrennt im Abschnitt 2a mit dem kleineren Durchmesser des Innenrohres. Der Abschnitt 2a bildet eine primäre Verbrennungszone. Selbstverständlich wird der Brennstoff aus dem Ventil 4- in den Abschnitt 2a mit dem kleineren Durchmesser eingespritzt.

Die Luft die vom Wirbler 5 in den Abschnitt 2a (d.h. in die primäre Verbrennungszone) gegeben wird, wirbelt in der durch Pfeile angedeuteten Sichtung in diesen Abschnitt durch die Ytfirblerblätter. Der Wirbelstrom bewegt sich zum Abschnitt 2b mit dem größeren Durchmesser, in dem der Wirbelwinkel mit abnehmender Strömungsgeschwindigkeit ansteigt, und die Gasverweildauer abläuft, dann geht die Luft aus den Löchern 9 mit durch die Tüllen 10 verstärkter Durchdringung in den Abschnitt 2b mit größerem Durchmesser und das unverbrannte Gas wird mit der Luft durchgemischt und ergibt eine einheitliche Mischung zur vollständigen Verbrennung. Hier entsteht eine sekundäre Verbrennungszone. Das in der sekundären Verbrennungszone vollständig verbrannte Gas strömt weiter, und wird von der durch die Verdünnungsluftlöcher 11 eingeführte Gas verdünnt und gekühlt und schließlich aus dem Brenner ausgestoßen.

Bei schwankender Belastung können ausreichende Verbrennungszustände durch Einstellen der Luftregelklappe 7 durch Konstanthalten des Luft-Brennstoff-Verhältnisses

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in der primären Verbrennungszone gehalten werden.

Gemäß der Erfindung wird, wie bereits erwähnt, die Luftverteilung zwischen der primären und der sekundären Verbrennungszone durch die Luftklappe 7 auf die Luftgeschwindigkeit zur primären Verbrennungszone richtig eingestellt, um das leichte Zünden beim .ablassen und eine äußerste Verbrennungsstabilität sicherzustellen. Die Verbrennungen in den beiden Zonen können unter den Bedingungen des leichten rfählens der Verhinderung der ITOx-Erzeugung erfolgen, wie es in Figur 3 graphisch dargestellt ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die gesamte Luftmenge sich geringfügig von der für die gewöhnliche Verbrennung unterscheidet. Die Xohlenstofferzeugung durch die Verbrennung der reichen Mischung in der primären Verbrennungszone wird durch Verbrennen unter Bedingungen einer mageren Mischung in der * Verbrennungßzone nochmals verbrannt. Auch in der- sekundären Zone wird das Abgas aus der primären Zone verbrannt und dadurch die Erzeugung von ITOx weiter verringert, ohne daß eine besondere Abgas-wiederdurchführeinrichtung vorgesehen ist.

Nach der Erfindung folgt der primären Verbrennungszone für das Brennen unter Bedingungen für reiche Mischungen die sekundäre Zone eines größeren Innendurchmessers. Für die Verbrennung wird Luft den beiden Zonen getrennt zugeführt. Die beiden Zonen sind verschieden unterteilt, so daß die primäre Flamme in einer örtlichen Region für die Vergasung des Brennstoffs endet und in der sekundären Zone die Gasverweildauer abläuft und das Gas gut mit Frischluft gemischt wird. Auf diese V/eise kann das unverbrannte, in der primären Zone gewonnene Gas in der sekun-

*) sekundären 609812/0774

däre vollständig verbrennen, so daß die Emissionen von WOx und Rauch verringert.

Figur 4 zeigt das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung, das dem ersten nach Figur 2 gleicht, mit Ausnahme, daß die Tüllen 14- der Luftlöcher 9 in der Seitenwandung des Innenrohres 2 nicht senkrecht zur Achse des Rohres wie die Tüllen 10 beim ersten Ausführungsbeispiel verlaufen, sondern an der Einspritz- (Vorder-) Seite oder zum Abschnitt 2a kleineren Durchmessers hin geneigt sind. In beiden Figuren sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugsζeichen versehen und deren besondere Beschreibung wird deshalb weggelassen. Die Neigung der Tüllen zum Abschnitt kleineren Durchmessers ergibt einen zusätzlichen Vorteil gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel. Die Luftströme durch diese Tüllen 14 erleichtern das Ausbilden einer heißen Rückströmregion in der Verbrennungsluft und machen die stabilisierte Verbrennung gegenüber dem ersten Beispiel sicherer.

Figur 5 zeigt das dritte Ausführungsbeispiel, der Erfindung, das eine weitere Abänderung des ersten Beispiels nach Figur 2 ist. Dieses enthält eine Prallscheibe 15, die am hinteren Ende des ubschnitts 2a kleineren Durchmessers des Innenrohres 2 neben dem konischen Verbindungsteil 2c befestigt ist und mehrere Bohrungen 16 aufweist.

Die Luftkammer 6 ist hier durch eine Wandung 17 unterteilt, die an der Innenfläche des Außenrohres 1 befestigt ist und eine direkte Verbindung zwischen dem Innenrohr 2 und dem Luftzufuhrrohr 8 herstellt. Die Teilungswandung 17 trennt die Luftzufuhr in zwei Teile, von denen einer durch den Wirbler 5 io das Innenrohr und der andere in den Ringraum 3 strömt. Die Teilungswandung ist mit einem

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oder mehreren Luftlöchern 17a an der oder den Verbindungstellen mit dem Ringraum 3 versehen. Jedes Luftloch 17a steht mit einer Drossel 18 in Eingriff, die durch Betätigen eines Getriebes 19 außerhalb des Aussenrohres zum und vom Luftloch bewegt werden kann. Auf diese Weise können die Geschwindigkeiten der Luftzufuhr zum Ringraum 3 und zum V/irbler 5 ε^ΘΓΘ6^Θ1* werden. Die anderen Teile sind mit denselben Bezugszeichen wie die entsprechenden in Figur 2 versehen, so daß sich eine besondere Beschreibung erübrigt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht die Rückflußregion in der Strömung der brennbaren Mischung durch die Wirkung der Prallscheibe 15 zusammen mit der Vorrichtung beim ersten Ausführungsbeispiel. Ein Teil des heißen Verbrennungsgases strömt in die Rückströmregion zurück und zündet das unverbrannte Gas, um die Verbrennung aufrechtzuerhalten und die Flamme in der Hochgeschwindigkeitsströmung der gasförmigen Mischung hochzuhalten und dabei die Möglichkeit eines Ausblasens zu beseitigen.

Figur 6 zeigt das vierte Ausführungsbeispiel der Erfindung oder eine Abänderung des dritten Ausführungsbeispiels nach Figur 5» bei dem die Tüllen 14- des zweiten Beispiels nach Figur 4- um die Luftlöcher 9 im Innenrohr herum angeordnet und zum Abschnitt 2a kleineren Durchmessers geneigt sind. Eine Beschreibung der anderen Teile in Figur 6, die mit denen nach Figur 5 vergleichbar sind, wird weggelassen, deren Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Außer den bereits betrachteten Merkmalen des ersten Ausführungsbeispiels zeigt dieses vierte Ausführungsbeispiel eine Region hoher Temperatur, die zurück in den

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Strom brennbaren Gases mittels der Prallplatte 5 wie auch durch die Luftdüsen in der umgekehrten Richtung aus den Luftlöchern 9 an ihren Tüllen 14 führt. Auch wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Gases in der sekundären Verbrennungszone hoch ist, kann eine stabilisierte Flamme erhalten werden.

Figur 7 zeigt das fünfte Ausführungsbeispiel der Erfindung, das von dem ersten Beispiel nach Figur 2 im Einstellmechanismus für die dem Y/irbler zuzuführenden Luftmenge abweicht.

Dieses Beispiel enthält zusätzlich einen Zylinder 21, der sich an einem Ende im ^x*ingraum 3 durch die Endwandung des Außenrohres 1 hindurch öffnet. Der Zylinder 21 besitzt an einer Seite eine Öffnung 22 zum "Verbinden mit der Luftkammer 6, die wiederum mit dem Wirbler 5 in Verbindung steht und einen Kolben 23 aufnimmt, der durch eine Feder 24- zum offenen Zylinderende hin vorgespannt ist. Mit dem Kolben 23 ist eine Stange 25 verbunden, die mit einem Getriebe 26 zum Regeln des Hubs des Kolbens 23 von außen her versehen ist. Die Konstruktion ist im übrigen dem ersten Beispiel ähnlich und die Teile in Figur 7 mit den entsprechenden Teilen nach Figur 2 sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so daß deren Beschreibung weggelassen werden kann.

Beim fünften Ausführungsbeispiel ist die Elastizität der Feder 24 im Zylinder 21 so gewählt und eingestellt, daß nur die für die Zündung beim Anlassen notwendige Luftmenge an den Raum um das Einspritzventil 4 herum geliefert wird. Ein Teil der durch das Luftzufuhrrohr 8 in den Ringraum 3 eingeführten Luft wird dann über die öffnung 22 und die Luftkammer 6 an den Wirbler 5 gegeben.

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Nach, dem Zünden steigt der Verbrennungsdruck mit der Zunahme der Verbrennungsbelastung an und drückt den Kolben 23 gleichmäßig nach links, wie aus Figur 7 zu erkennen ist, bis die Öffnung 22 wiet offen ist und die Luftzufuhrgeschwindigkeit zum v/irbler 5 entsprechend hoch ist. Folglich wird ein reiches Luft-Brennstoff -Verhältnis automatisch konstant gehalten und eine stabile Verbrennung sichergestellt.

Die Erfindung ist zwar mit Hilfe von fünf Ausführungsbeispielen beschrieben worden, doch ist sie nicht auf diese beschränkt, sondern es sind mehrere weitere Ausführungen möglich, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. So können beispielweise bei diesen Anwendungen, wie Boiler und andere üfen, in denen der Anteil von überschußluft nicht so hoch ist, die Verdünnungsluftlöcher 11 wegfallen. Der Handgriff 7a, das Getriebe 19 und 26 müssen nicht immer handbetätigt sein, sondern können auch für den Antrieb durch einen Motor oder dergl. eingerichtet sein. Die Erfindung kann bei Dauerbrennöfen, Boilern, Gasturbinen und dergl. verwendet werden, auch kann der Brenner mit einer Vielfalt von flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen arbeiten.

Nach der Erfindung können viele Vorteile erhalten werden. Die größeren davon sind:

a. Da das Verhältnis der Strömungsgeschwindigkeit des WirbellTiftstromes zu dem den Wirbel durchdringenden Luftströmungen aus den Löchern der zylindrischen Wandung eingestellt werden kann, kann auch das Luft-Brennstoff -Verhältnis in der örtlichen Region geregelt werden.

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b. Der wirbelstrom der um das Einspritzventil herum zugefuhrten Luft ist so eingestellt, daß er die Verbrennung einer reichen Liischung (in der primären Verbrennungszone) bewirkt, und die Verbrennungsluft wird von den mit Tüllen versehenen Luftlöchern in der zylindrischen Wandung des Innenrohres unmittelbar hinter der Flamme der rechen in der Verbrennung befindlichen Mischung gegeben, so daß das Luft-Brennstoff-Verhältnis ansteigt und die magere Mischung vollständig verbrannt ist. .iUf diese Weise wird der unverbrannte Teil des reichen Gemisches (in der sekundären Zone) vollständig verbrannt und somit die NOx- und die Rauchemission verringert .

c. Nach der Erfindung werden entweder mit !Tüllen versehene Sückströmluftlöcher für die sekundäre Verbrennungszone für die magere Mischung vorgesehen oder eine Lochscheibe für Verbrennungsstabilisierung wird am hinteren Ende der primären Zone für die reiche Mischung befestigt. Dies erweitert materialmäßig die Grenzen des brennbaren Luft-Brennstoffverhältnisses und verbessert die Brennstabilität.

d. Eine Einrichtung zum Hegeln der Luftzufuhr ist außerhalb der Verbrennungsrohrkonstruktion angebracht und die Strömungsgeschwindigkeit der rund um das Einspritzventil herum gelieferte V/irbelluft ist gemäß den Belastungsänderungen (d.h. in Brennstoffströmungsgeschwindigkeit) eingestellt. Das Luft-Brennstoff-Verhältnis kann somit konstant gehalten werden und das örtliche Luft-Brennstoffverhältnis in der primären Verbrennungszone gut geregelt werden .

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Claims

Patentansprüche:

Öl- oder Gasbrenner mit einem Außen- und einem Innenrohr, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr (2) einen vorderen Abschnitt (2a) kleineren Durchmessers, einen hinteren Abschnitt (2b) größeren Durchmessers und einen konischen Verbindungsabschnitt (2c) zwischen den Abschnitten der verschiedenen Durchmesser besitzt, die alle miteinander ausgerichtet und an einer gemeinsamen Achse verbunden sind, daß ein Brennstoffeinspritzventil (4-) und eine Luftzufuhröffnung (8), die mit V/irbelblättern versehen ist, die das Ventil (4) umgeben, zusammen mit der Luftzufuhröffnung am vorderen Ende des Abschnitts (2b) kleineren Durchmessers des Innenraumes (2) vorgesehen sind, daß die zylindrische V/andung des Abschnitts kleiner Durchmesser nicht zur Luftzufuhr durchbohrt ist, daß weitere Luftzufuhröffnungen (9) im zylindrischen Wandungsteil des Abschnitts (2b) größeren Durchmessers dicht am Abschnitt kleineren Durchmessers angeordnet und mit Tüllen (10) versehen sind, und daß eine Einrichtung an der vorderen Seite des ersten Luftzufuhrlochs (8) die Geschwindigkeit der Luftzufuhr zu dieser öffnung regelt.

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BORO MÖNCHEN: TELEX: TELEQRAMM: TELEFON: BANKKONTO: POSTSCHECKKONTO: 8 MÖNCHEN 22 1-856 44 INVENTION BERLIN BERLINER BANK AQ. W. MEISSNER, BLN-W ST. ANNASTR. 11 INVEN d BERLIN 030/885 00 37 BERLIN 31 122 82 -109 TEL: 089/228644 030/88623 82 3696716000
2. Brenner nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tüllen (14) nach vorn geneigt verlaufen.
3. Brenner nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Innenwandteil des Abschnitts (2b) kleineren Durchmessers dicht am Abschnitt (2b) größeren Durchmessers des Innenrohres (2) eine Prallplatte (15) vorgesehen ist.
4. Brenner nach den vorhergehenden ansprächen, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Hegeln der Geschwindigkeit der Luftzufuhr zur ersten Luftzufuhröffnung (8) einen Zylinder (21) enthält, der den Ringraum (3) zwischen dem Außen- und dem Innenrohr (2) öffnet und daß ein Kolben (23) durch den Luftdruck im ßingraum (3) betätigt wird.

Dipl.-lng. Patei

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