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WO2009047260A2 - Brenner für einen industrieofen - Google Patents

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WO2009047260A2
WO2009047260A2 PCT/EP2008/063441 EP2008063441W WO2009047260A2 WO 2009047260 A2 WO2009047260 A2 WO 2009047260A2 EP 2008063441 W EP2008063441 W EP 2008063441W WO 2009047260 A2 WO2009047260 A2 WO 2009047260A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
combustion chamber
burner
recuperator
head
outlet opening
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2008/063441
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2009047260A3 (de
Inventor
Horst Graf Von Schweinitz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IBS INDUSTRIE-BRENNER-SYSTEME GmbH
Original Assignee
IBS INDUSTRIE-BRENNER-SYSTEME GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by IBS INDUSTRIE-BRENNER-SYSTEME GmbH filed Critical IBS INDUSTRIE-BRENNER-SYSTEME GmbH
Publication of WO2009047260A2 publication Critical patent/WO2009047260A2/de
Publication of WO2009047260A3 publication Critical patent/WO2009047260A3/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details
    • F23D14/66—Preheating the combustion air or gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
    • F23L15/00—Heating of air supplied for combustion
    • F23L15/04—Arrangements of recuperators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/03005—Burners with an internal combustion chamber, e.g. for obtaining an increased heat release, a high speed jet flame or being used for starting the combustion
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery

Definitions

  • the present invention relates to a recuperator burner according to the preamble of claim 1 for an industrial furnace which serves directly or indirectly for heating a workpiece.
  • Such recuperator burners are operated with gaseous or liquid fuels, wherein several firing stages are provided in the burner in order to obtain the required temperatures for heating the workpiece.
  • the fuel via a fuel supply line, also called B renn fabric Ia nze, in the interior of the burner, in particular the combustion chamber, passed.
  • a flame holder is usually provided at the end of the fuel lance.
  • the flame holder extends transversely to a longitudinal direction of the burner and serves to direct the flames of the burner forward.
  • the interior of the combustion chamber serves as a first combustion stage, in which the fuel gas is mixed with a first combustion air and pre-burned.
  • the aforementioned combustion air is also referred to as primary combustion air and is introduced into the interior through the combustion chamber parallel to the fuel (in the fuel lance).
  • the combustion chamber itself has a front end, which is increasingly tapered in cross-section or nozzle-shaped.
  • the pre-combusted within the combustion chamber mixture of primary combustion air and the fuel gas is discharged through an outlet opening in the front end of the combustion chamber and reacts there with additional combustion air, which is also referred to as secondary combustion air.
  • This additional combustion air is passed between the combustion chamber and a recuperator head, which partially surrounds the combustion chamber in the region of the front end.
  • the secondary combustion air is preheated by a hot exhaust gas of the burner, which flows along an outer side of the recuperator head. By preheating the secondary combustion air can then reach the desired combustion temperatures in the second combustion stage.
  • the additional combustion air exits in the region of the front end through a passage, which is arranged close to the outlet opening of the combustion chamber. Subsequently, the pre-combusted mixture from the combustion chamber is post-combusted with the secondary combustion air, which is the second combustion stage.
  • recuperator burners on so-called Mantelstrahlisserohre the workpieces, wherein in the Mantelstrahlisseröhren the hot combustion gases of the burner are passed, it is an indirect heating of the workpiece. It is also conceivable to use the aforementioned recuperator burners for direct heating of a workpiece, wherein the workpieces are arranged within an interior of the industrial furnace and come into contact with the combustion gases of the burner. In this heating of the workpiece is also spoken of the direct heating.
  • recuperator burner in which the existing flame holder is fastened to the fuel lance within the combustion chamber.
  • a lock between the flame holder and the combustion chamber provided to extract the combustion chamber with the fuel I sze in a simple manner via the flame holder from the burner or use.
  • the assembly or disassembly effort of the burner can be significantly reduced.
  • a passage in the form of an annular gap between the combustion chamber and the recuperator head is provided.
  • the gap is only a few millimeters, so that depending on the existing temperature, the recuperator head also bears against the front end of the combustion chamber and thus exerts a pressure on the combustion chamber in the region of the outlet opening or the passage. This results in practice again and again to a destruction of the fuel chamber, which often consists of a ceramic material.
  • the present invention is therefore based on the object to provide a recuperator burner, which has a long service life and allows safe operation of the burner. Furthermore, a destruction in the region of the outlet opening should be largely avoided.
  • a resistance means is present at the outlet opening of the combustion chamber, whereby a heat flow from the combustion chamber in the region of the outlet opening to the recuperator head can be reduced. Since the precombustion of the fuel with the primary combustion air, which may already be preheated, takes place in the combustion chamber, high temperatures are already present in the combustion chamber through the pre-combusted mixture.
  • the recuperator in the outlet opening of the combustion chamber temperature of about 1, 500 0 C while the recuperator is cooled from its inside by a secondary combustion air is preheated by hot waste gases from the recuperator burner to approximately 700 0 C.
  • the hot exhaust gases in turn flow along an outside of the recuperator head, resulting in a further heat flow.
  • the temperatures in the exhaust gas, which surrounds the recuperator head from the outside, are about 1 .200 0 C. Due to the present temperature differences in the front end of the combustion chamber and the different expansion coefficients of the combustion chamber and the recuperator head may cause mechanical stresses, causing the Combustion chamber in the front end, especially in the region of the outlet opening, can be destroyed quickly.
  • thermal resistance means By means of the thermal resistance means according to the invention, it is now possible to reduce a heat flow between the combustion chamber and the recuperator head in the region of the outlet opening of the combustion chamber or of the passage of the recuperator head. Consequently, the resulting mechanical stress in the aforementioned range can also be reduced. It can be ensured here that the recuperator head exerts no pressure and thus no forces on the outlet opening of the combustion chamber. Thus, a safe operation of the burner can be made possible, whereby the operating time can be extended.
  • the combustion chamber comprises a ceramic material, which in particular contains silicon carbide.
  • the recuperator head may contain a high-temperature-resistant metal alloy, which is based in particular on a nickel alloy.
  • a high-temperature-resistant metal alloy which is based in particular on a nickel alloy.
  • the combustion chamber and the recuperator can be constructed rotationally symmetrical, whereby the mentioned gap between the combustion chamber and the recuperator head can be ring-shaped.
  • the gap may also have other shapes.
  • the gap usually has a continuous gap width, which, however, can also vary significantly with expansions.
  • These extensions may be arcuate, semicircular, rectangular, or the like. One or more extensions may form the mentioned gap.
  • the thermal resistance means forms a collar to the outlet opening of the combustion chamber, which is arranged substantially in the passage of the recuperator head.
  • the mentioned collar can have various configurations in which, for example, a wall directed transversely to the longitudinal direction of the burner or a wall directed in parallel is used, which is used as a heat resistance means. It is also conceivable that both a transverse and a parallel wall is provided for the thermal resistance means.
  • the thermal resistance agent is present as an additional component to the burner chamber. This additional component can, for example, via a form-fitting Connection can be arranged at the outlet opening of the burner chamber. Consequently, due to the special geometric configuration, the thermal resistance means formed as a collar can reduce the heat flow between the combustion chamber and the recuperator head.
  • a resistance means may be arranged as an L-shaped extension on an outlet opening of the combustion chamber.
  • This L-shaped extension resembles a stand-up collar and has the advantage that the hot pre-combusted mixture can not follow the abrupt extension of the outlet opening formed by the L-shaped extension of the thermal resistance means.
  • the longitudinally oriented, parallel wall of the thermal resistance means does not come into full contact with the pre-combusted mixture, whereby the transferred heat flow in this area can also be reduced.
  • the thermal resistance means forms a double wall of the outlet opening, wherein on the one hand a transverse wall and a parallel wall are provided as a heat resistance means.
  • This U-shaped flange of the combustion chamber in the region of the outlet opening is similar to a turtle neck and has the additional advantage that the cavity between the two outer walls - the parallel legs of the U - the combustion chamber additionally with a filler material, such as ceramic insulating fiber or the like, can be completed. Thus, the heat flow from the combustion chamber to the recuperator head can be further reduced.
  • heat transfer surfaces may be disposed on the recuperator head to increase a heat flow between the hot exhaust gas of the combustor on an outside of the recuperator head and the additional secondary combustion air on an inside of the recuperator head.
  • the secondary combustion air can continue to heat up, so that overall the performance of the burner is increased.
  • the heat transfer surfaces can even streamlined as protruding Ribs protrude from the outside of the recuperator head. It is also conceivable to provide the inside of the recuperator head with heat transfer surfaces, so that here is a transfer of a larger amount of heat to be heated, secondary combustion air is possible. Care should be taken with the internal heat transfer surfaces that they do not lead to a pressure loss in the secondary combustion air.
  • the hot exhaust of the burner can be used to preheat the primary combustion air.
  • the thermal resistance agent is of the same material and configured in one piece with the combustion chamber.
  • this thermal resistance means forms a continuous continuation of the exhaust port of the combustion chamber.
  • additional component is used as a heat resistance means, which may also be configured of the same material to the combustion chamber.
  • it makes sense to design the thermal resistance material materialindifferent to the combustion chamber, wherein in particular the material of the thermal resistance means has a lower thermal conductivity than the material of the combustion chamber.
  • a positive connection can be provided.
  • a screw or bayonet connection is particularly suitable, as a result of which the heat resistance means can be arranged securely and releasably but detachably at the outlet opening of the combustion chamber.
  • a counter holding means may be provided on the combustion chamber, which cooperates with a holding means on the additional heat resistance means form fit.
  • the holding means on the heat resistance means may be provided as a projection, in particular an external thread, which cooperates with a recess as a counter-holding means, in particular in the form of an internal thread.
  • other mechanical connections between the designed as an additional component heat resistance means and the combustion chamber conceivable as well as a kinematic reversal between the described holding and counter holding means.
  • thermal resistance means designed as an additional component to be adaptable in shape and size to the passage of the recuperator head or to the outlet opening of the combustion chamber.
  • the heat resistance means may comprise a heat shield, which is arranged substantially transversely to the longitudinal direction of the burner.
  • breakthroughs may be provided in the heat shield, which serve to pass the additional, secondary combustion air.
  • the breakthroughs can enforce the heat shield even in the longitudinal direction of the burner.
  • the heat shield it is possible to ensure that the combustion chamber and the recuperator head in the area of the outlet opening or the passage are protected from excessive heat which results from the afterburning of the pre-combusted mixture with the secondary combustion air.
  • the heat shield can also reliably prevent the hot exhaust gases of the burner do not impinge on the burner in the region of the outlet opening or the passage.
  • the entire combustion chamber is arranged reversibly interchangeable by means of a hook closure on the burner, wherein the hook closure a holding means and a Containant means, and the holding means is provided on the combustion chamber.
  • the holding means may for example consist of a bore or a slot which cooperates positively with a counter-holding means.
  • the counter-holding means can then itself consist of a projection which engages in the holding means.
  • FIG. 1 a shows a side view of the components of the recuperator burner which are essential to the invention with a U-shaped heat-resistant means
  • Figure 1 c enlarged detail of a lower edge of the outlet opening
  • FIG. 1 b
  • FIG. 2a shows a side view of a further exemplary embodiment of the combustion chamber and the recuperator head with an L-shaped heat resistance means
  • FIG. 2b is a longitudinal section IIb-IIb through FIG. 2a,
  • FIG. 3a shows a side view of a further exemplary embodiment of a combustion chamber and a recuperator head with a heat resistance means designed as an additional component
  • FIG. 3b shows a longitudinal section IIIb-IIIb through FIG. 3a
  • FIG. 4 a side view of a further exemplary embodiment of a combustion chamber and a recuperator head with a heat resistance means and a heat shield,
  • Figure 5 is a schematic front view of another embodiment with a specially designed gap between a combustion chamber and a recuperator head.
  • FIG. 1 a shows a side view of a combustion chamber 11 and of a recuperator head 12 of a recuperator burner 10.
  • the combustion chamber 1 1 with its front end 1 1.1 partially disposed in the recuperator 12.
  • a fuel line 18 with a flame holder 19 arranged thereon has been shown with broken lines.
  • the fuel Ia nze 18 of the gaseous or liquid fuel Il is introduced into the combustion chamber 1 1.
  • primary combustion air I which flows in parallel to the fuel web Ia 18 and surrounds it. After the fuel Il from the fuel lance 18 enters the combustion chamber n, this mixes with the primary combustion air I and is precombusted within the combustion chamber n.
  • This pre-combusted mixture III exits through an outlet opening 1 1.2 of the combustion chamber n and is mixed with an additional secondary combustion air IV and further burned.
  • the exhaust gas V of the burner 10 is formed.
  • This exhaust gas V can be introduced into a flame tube 22, which is arranged within a jacket radiant heat pipe, or directly into an interior of the industrial furnace.
  • FIG. 1b shows a longitudinal section Ib from FIG. 1a.
  • the operation of the recuperator burner 10 from FIG. 1 b also becomes clear, since here the individual streams of the combustion air I, the fuel II, the pre-combusted mixture III and the additional combustion air IV and the exhaust gas of the burner V are shown schematically as arrows.
  • a flame tube 22, as shown in Figure 1 a shown in dashed lines in Figure 1 b.
  • a tube element 20 and an outer tube element 21 are shown by dashed lines, whereby the supply of the combustion air I, IV is made possible, both of which can be preheated by the exhaust gas V.
  • the primary combustion air I passes through the tubular element 20 z. B. parallel to the fuel Ia nze 18 in the combustion chamber n.
  • the additional secondary combustion air IV is conveyed through the outer tubular element 21 into the recuperator head 12, wherein the secondary combustion air IV is preheated by a first heat flow 50 to approximately 700 ° C. in the recuperator head 12.
  • the recuperator head 12 is heated on its outer side 12.4 by the recirculated exhaust gas V of the burner 10.
  • the existing amount of heat is transferred via the wall of the recuperator 12 to the secondary combustion air IV.
  • the secondary combustion air IV is carried out between an inner side 12.3 of the recuperator head 12 and an outer side 1.4 of the combustion chamber 11 and thus reaches a passage 12.1 which consists of a preferably annular gap 13 between the combustion chamber Combustion chamber 1 1 and the recuperator 12 in the region of the outlet opening 1 1 .2 consists.
  • a passage 12.1 which consists of a preferably annular gap 13 between the combustion chamber Combustion chamber 1 1 and the recuperator 12 in the region of the outlet opening 1 1 .2 consists.
  • Another exemplary embodiment for the gap 13 is shown in FIG.
  • the invention relevant to heat resistance means 15 is arranged.
  • the heat resistance means 15 is in one piece and of the same material to the combustion chamber 1 1 available.
  • the thermal resistance means 15 surrounds the outlet opening 1 1.2 as a U-shaped flanging and is similar to a turtle neck 1 1 .5. It includes the Thermal resistance means 15 on the one hand a transverse to the longitudinal direction 14 directed wall 15.1 and on the other hand, a parallel wall 15.2.
  • FIG. 1 c an enlargement of the lower cut edge of the outlet opening 1 1 .2 of Figure 1 b is shown. Furthermore, an arrow for the second heat flow 51 in the region of the outlet opening 1 1 .2 is also shown schematically in FIG. 1 c. It becomes clear that the amount of heat transferred not only has to overcome the combustion chamber wall in order to reach the recuperator head 12 at this point, but the heat flow must now also overcome the heat resistance means 15, one part flowing directly through the heat resistance means 15 and another part through a clearance must.
  • the aforementioned clearance is formed by the U-shaped flanging of the combustion chamber wall and the parallel wall 15.2 of the thermal resistance means 15.
  • a filling of ceramic insulating fiber can be used to further reduce the heat flow in the region of the outlet opening 1 1.2 between the combustion chamber 1 1 and the recuperator 12.
  • the filling of ceramic insulating fiber can completely fill the annular space, wherein it does not affect the flow of the secondary combustion air IV.
  • FIG. 2 a shows a further exemplary embodiment of the combustion chamber 1 1 and the recuperator head 12 in a side view.
  • an L-shaped thermal resistance means 15 is used as an extension of the outlet opening 1 1 .2, which is similar to a stand-up collar 1 1 .5.
  • the design of the thermal resistance means 15 is clearly visible in the longitudinal section IIb.
  • the combustion chamber 1 1 tapers forward in its cross section and forms a front end 1 1 .1, on which the outlet opening 1 1 .2 is arranged.
  • This front end 1 1.1 is designed nozzle-shaped in order to influence the flow of the pre-combusted mixture III accordingly.
  • the heat resistance means 15 of the same material and in one piece to the combustion chamber 1 1 designed.
  • the thermal resistance means 15 essentially a sudden expansion of Outlet opening 1 1.2, which includes a transverse wall 15.1 and a parallel wall 15.2. Due to the sudden expansion of the outlet opening 1 1 .2, which is formed by the heat resistance means 15, the main stream of the pre-combusted mixture III is discharged from the combustion chamber n without direct contact to the heat resistance means 15, in particular to the parallel wall 15.2.
  • the transmission of the heat flow 51 through the transverse wall 15.1 of the thermal resistance means 15 is additionally made more difficult.
  • FIGS. 3a and 3b show the second basic variant of the thermal resistance means 15.
  • an additional component is used as a thermal resistance means 15, which is arranged from the outside on the outlet opening 1 1.2. It is also conceivable that thermal resistance means 15 also to be arranged inside the outlet opening 1 1 .2, so that the heat resistance means 15 is surrounded by the outlet opening 1 1.2 from the outside.
  • FIG. 3b shows a longitudinal section IMb through FIG. 3a.
  • the thermal resistance means 15 designed as an additional component 15.3 is held reversibly releasably on the outside at the outlet opening 1 1.2 by means of a positive connection 17.
  • the positive connection 17 serves to ensure that the combustion chamber 1 1 and the heat resistance means 15 form a unit which can be pulled together during assembly or disassembly out of the burner 10 or pushed into it.
  • the mentioned positive connection 17 can be formed by a screw or bayonet connection 17.
  • a holding means 17.1 is arranged on the nut-shaped heat resistance means 15.
  • This holding means 17.1 is formed by a projection.
  • the projection cooperates positively with a recess which forms the counter-holding means 17.2 on the outer side 1.4 of the combustion chamber n.
  • the holding means 17.1 may be configured as an external thread, whereas the counter-holding means 17.2 is to be provided as an internal thread.
  • a kinematic reversal between holding means 17.1 and counter-holding means 17.2 take place.
  • the combustion chamber 1 1 has a further holding means 16. 1 which serves for a hook closure 16.
  • This hook closure 16 for example, connects the combustion chamber 1 1 with the tubular element 20 in a form-fitting manner.
  • the holding means 16.1 can be arranged as a hole or hole at the rear end of the combustion chamber 1 1.
  • FIGS. 4a and 4b show an additional embodiment of the invention.
  • the thermal resistance means 15 is provided with an additional heat shield 15.4.
  • the heat resistance means 15 itself forms an additional component 15.3, on which the heat shield 15.4 is arranged in the same material and in one piece.
  • the heat shield 15.4 is itself arranged substantially transversely to the longitudinal direction 14 of the burner 10, wherein in the heat shield 15.4 openings are provided in the longitudinal direction 14 of the burner, which serve for the passage of the secondary combustion air IV.
  • the heat shield 15.4 shields a front side of the recuperator head 12 so that exhaust gases V flowing back do not lead to additional heating of the recuperator head 12 in the region of the passage 12.1.
  • the thermal resistance means 15 with the heat shield 15.4 disposed thereon is likewise connected to the combustion chamber n via a form-locking connection 17.
  • the recuperator head 12 must first be pushed over the front end 1 1.1 of the combustion chamber n, in order to then be able to mount the heat resistance means 15 with the heat shield 15.4.
  • the gap 13 is shown in an exemplary embodiment with a total of four arcuate or semicircular widenings.
  • the gap 13 on the one hand a continuous gap width 13.1 between the combustion chamber 1 1, in particular the front end 1 1 .1, and the recuperator 12 on.
  • This continuous gap width 13.1 may be a few millimeters or micrometers.
  • 13 expansions are provided in the gap. In the present case, exactly four arcuate extensions are provided which have a varying gap width 13.2 between the combustion chamber 11 and the recuperator head 12. As a result of these expansions, the additional combustion air IV can radiate out of the gap 13 in order to subsequently be post-combusted with the pre-combusted mixture III.
  • the pre-combusted mixture II I occurs from the non-circular outlet opening 1 1 .2 of the combustion chamber 1 1 from.
  • a differently configured shape of the gap 13 is conceivable in the z. B. occur more extensions or other such, for example, rectangular extensions are arranged. It is also conceivable that the outlet opening 1 1.2 z. B. rectangular or elliptical, which results in a corresponding gap 13 between the combustion chamber n and the recuperator 12.

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Abstract

Die Erfindung richtet sich auf einen Rekuperator-Brenner (10) für einen Industrieofen, welcher direkt oder indirekt zur Erwärmung eines Werkstückes dient, und der Brenner (10) eine Brennkammer (11) und einen Rekuperatorkopf (12) aufweist, wobei durch die Brennkammer (11) ein gasförmiger oder flüssiger Brennstoff (II) sowie primäre Brennluft (I) einführbar sind, die innerhalb der Brennkammer (11) miteinander vermischt und teilweise durch eine Vorverbrennung verbrannt werden, und die Brennkammer (11) ein sich im Querschnitt verjüngendes, vorderes Ende (11.1) mit einer Auslassöffnung (11.2) für das vorverbrannte Gemisch (III) aus Brennstoff (II) und primäre Brennluft (I) umfasst, und der Rekuperatorkopf (12) die Brennkammer (11) im Bereich des vorderen Endes (11.1) zumindest teilweise umgibt, wobei ein Spalt (13) zwischen der Brennkammer (11) und dem Rekuperatorkopf (12) vorhanden ist, wodurch zusätzliche, sekundäre Brennluft (IV) zuführbar ist, die von einem heißen Abgas (V) des Brenners (10), welches an einer Außenseite (12.4) des Rekuperatorkopfes (12) entlang strömt, vorgewärmt ist, und die zusätzliche Brennluft (IV) im Bereich des vorderen Endes (11.1) durch einen Durchlass (12.1), welcher nahe gelegen zur Auslassöffnung (11.2) der Brennkammer (11) angeordnet ist, austritt, um anschließend mit dem vorverbrannten Gemisch (III) aus der Brennkammer (11) durch eine Nachverbrennung zu reagieren. Dabei sieht die vorliegende Erfindung vor, dass an der Auslassöffnung (11.2) der Brennkammer (11) ein Wärmewiderstandsmittel (15) angeordnet ist, wodurch ein Wärmestrom (51 ) von der Brennkammer (11) im Bereich der Auslassöffnung (11.2) auf den Rekuperatorkopf (12) verringerbar ist.

Description

Brenner für einen Industrieofen
B e s c h r e i b u n g
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rekuperator-Brenner gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 für einen Industrieofen, welcher direkt oder indirekt zur Erwärmung eines Werkstücks dient. Derartige Rekuperator- Brenner werden mit gasförmigen oder flüssigen Brennstoffen betrieben, wobei in dem Brenner mehrere Brennstufen vorgesehen sind, um die erforderlichen Temperaturen zur Erwärmung des Werkstückes zu erhalten. Dabei wird der Brennstoff über eine Brennstoffzufuhrleitung, auch B renn stoff Ia nze genannt, in das Innere des Brenners, insbesondere die Brennkammer, geleitet. Innerhalb der Brennkammer tritt der Brennstoff aus der B renn stoff Ia nze aus, wobei am Ende der Brennstofflanze in der Regel ein Flammenhalter vorgesehen ist. Der Flammenhalter erstreckt sich quer zu einer Längsrichtung des Brenners und dient dazu, die Flammen des Brenners nach vorne zu richten. Das Innere der Brennkammer dient als erste Verbrennungsstufe, in der das Brenngas mit einer ersten Brennluft gemischt und vorverbrannt wird. Die zuvor erwähnte Brennluft wird auch als primäre Brennluft bezeichnet und wird parallel zum Brennstoff (in der Brennstofflanze) in das Innere durch die Brennkammer eingeleitet. Die Brennkammer selbst weist ein vorderes Ende auf, welches sich im Querschnitt zunehmend verjüngt bzw. düsenförmig ausgestaltet ist. Das innerhalb der Brennkammer vorverbrannte Gemisch aus primärer Brennluft und dem Brenngas wird durch eine Auslassöffnung im vorderen Ende der Brennkammer ausgeleitet und reagiert dort mit zusätzlicher Brennluft, die auch als sekundäre Brennluft bezeichnet wird. Diese zusätzliche Brennluft wird zwischen der Brennkammer und einem Rekuperatorkopf durchgeleitet, welcher teilweise die Brennkammer im Bereich des vorderen Endes umgibt. Dabei wird die sekundäre Brennluft von einem heißen Abgas des Brenners, welches an einer Außenseite des Rekuperatorkopfes entlang strömt, vorgewärmt. Durch die Vorwärmung der sekundären Brennluft lassen sich anschließend die gewünschten Verbrennungstemperaturen in der zweiten Verbrennungsstufe erreichen. Die zusätzliche Brennluft tritt im Bereich des vorderen Endes durch einen Durchlass aus, welcher nahe gelegen zur Auslassöffnung der Brennkammer angeordnet ist. Anschließend wird das vorverbrannte Gemisch aus der Brennkammer mit der sekundären Brennluft nachverbrannt, wobei es sich um die zweite Verbrennungsstufe handelt.
Sofern derartige Rekuperator-Brenner über so genannte Mantelstrahlheizrohre die Werkstücke erwärmen, wobei in den Mantelstrahlheizröhren die heißen Verbrennungsgase des Brenners durchgeleitet werden, handelt es sich um eine indirekte Erwärmung des Werkstückes. Ebenfalls ist es denkbar, die erwähnten Rekuperator-Brenner auch zur direkten Erwärmung eines Werkstückes einzusetzen, wobei die Werkstücke innerhalb eines Innenraumes des Industrieofens angeordnet sind und mit den Verbrennungsgasen des Brenners in Kontakt kommen. Bei dieser Erwärmung des Werkstückes wird auch von der direkten Erwärmung geredet.
Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 40 26 605 A1 ein Rekuperator-Brenner bekannt, bei dem der vorhandene Flammenhalter innerhalb der Brennkammer an der Brennstofflanze befestigt ist. Hierbei ist ebenfalls eine Verriegelung zwischen dem Flammenhalter und der Brennkammer vorgesehen, um die Brennkammer mit der Brennstoff I anze auf einfache Art und Weise über den Flammenhalter aus dem Brenner herauszuziehen bzw. einzusetzen. Hierdurch lässt sich der Montage- bzw. Demontageaufwand des Brenners deutlich reduzieren. Auch bei diesem Rekuperator-Brenner ist ein Durchlass in Form eines ringförmigen Spaltes zwischen der Brennkammer und dem Rekuperatorkopf vorgesehen. Dabei beträgt der Spalt nur wenige Millimeter, so dass der Rekuperatorkopf je nach vorhandener Temperatur auch an dem vorderen Ende der Brennkammer anliegt und somit einen Druck auf die Brennkammer im Bereich der Auslassöffnung bzw. des Durchlasses ausübt. Hierdurch kommt es in der Praxis immer wieder zu einer Zerstörung der Brennstoffkammer, die häufig aus einem keramischen Werkstoff besteht.
Dieses Problem tritt auch bei den Rekuperator-Brennern aus der Patentschrift DE 41 38 433 C2 sowie aus der Offenlegungsschrift DE 103 26 951 A1 auf, da hierbei ebenfalls der Spalt zwischen dem Rekuperatorkopf und der Brennkammer am vorderen Ende so gering ist, dass von dem Rekuperatorkopf je nach vorhandener Temperatur ein Druck auf das vordere Ende der Brennkammer ausgeübt wird. Bei dem Brenner aus der Offenlegungsschrift DE 103 26 951 A1 wird das Problem dadurch noch verstärkt, dass der Rekuperatorkopf als insbesondere metallische Gussteil ausgebildet sein kann, welches mit einer keramischen Brennkammer zusammenwirkt. Durch die unterschiedlichen Materialausdehnungskoeffizienten und den im Betrieb vorherrschenden Temperaturen des Brenners kann leicht eine Zerstörung des vorderen Endes der Brennkammer eintreten, die zu einer vorzeitigen Reparatur bzw. einem vorzeitigen Ausfall des Brenners führen kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Rekuperator- Brenner zu schaffen, der über eine lange Betriebsdauer verfügt und einen sicheren Betrieb des Brenners ermöglicht. Des Weiteren soll eine Zerstörung im Bereich der Auslassöffnung weitestgehend vermieden werden. Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die im Hauptanspruch genannten technischen Merkmale erreicht, denen folgende besondere Bedeutung zukommt. Bei der Erfindung ist es vorgesehen, dass an der Auslassöffnung der Brennkammer ein Widerstandsmittel vorhanden ist, wodurch ein Wärmestrom von der Brennkammer im Bereich der Auslassöffnung auf den Rekuperatorkopf verringerbar ist. Da in der Brennkammer die Vorverbrennung des Brennstoffes mit der primären Brennluft, welche bereits vorgewärmt sein kann, stattfindet, sind in der Brennkammer bereits hohe Temperaturen durch das vorverbrannte Gemisch vorhanden. So befinden sich in der Auslassöffnung der Brennkammer Temperaturen von ca. 1 .500 0C wohingegen der Rekuperatorkopf von seiner Innenseite durch eine sekundäre Brennluft gekühlt wird, die durch heiße Abgase des Rekuperator- Brenners auf ca. 700 0C vorgewärmt wird. Die heißen Abgase strömen wiederum an einer Außenseite des Rekuperatorkopfes entlang, wodurch ein weiterer Wärmestrom entsteht. Die Temperaturen in dem Abgas, welches den Rekuperatorkopf von Außen umhüllt, liegen bei ca. 1 .200 0C. Aufgrund der vorliegenden Temperaturunterschiede im vorderen Ende der Brennkammer und dem unterschiedlichen Materialausdehnungskoeffizienten der Brennkammer und des Rekuperatorkopfes kann es zu mechanischen Spannungen kommen, wodurch die Brennkammer im vorderen Ende, insbesondere im Bereich der Auslassöffnung, schnell zerstört werden kann. Durch das erfindungsgemäße Wärmewiderstandsmittel lässt sich nunmehr ein Wärmestrom zwischen der Brennkammer und dem Rekuperatorkopf im Bereich der Auslassöffnung der Brennkammer bzw. des Durchlasses des Rekuperatorkopfes reduzieren. Folglich kann auch die daraus resultierende, mechanische Belastung in dem zuvor genannten Bereich verringert werden. Dabei kann sichergestellt werden, dass der Rekuperatorkopf keinen Druck und damit keine Kräfte auf die Auslassöffnung der Brennkammer ausübt. Somit kann ein sicherer Betrieb des Brenners ermöglicht werden, wodurch sich auch die Betriebsdauer verlängern lässt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen sowie in der nachfolgenden Beschreibung aufgeführt.
Erfindungsgemäß kann es vorgesehen sein, dass die Brennkammer einen keramischen Werkstoff aufweist, der insbesondere Siliziumcarbid enthält. Darüber hinaus kann der Rekuperatorkopf eine hochtemperaturfeste Metalllegierung enthalten, die insbesondere auf einer Nickel-Legierung basiert. Gerade bei der zuvor beschriebenen Werkstoffpaarung für die Brennkammer und den Rekuperatorkopf sind unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten vorhanden, wodurch sich leicht Materialverformungen einstellen, so dass mechanische Spannungen im Bereich der Auslassöffnung zwischen Brennkammer und dem Rekuperatorkopf entstehen können. Ein vorgesehener Spalt zwischen der Brennkammer und dem Rekuperatorkopf, der den Durchlass für die sekundäre Brennluft bildet, kann nicht einfach vergrößert werden. Hierdurch würde sich der Austrittsdruck der sekundären Brennluft verringern und sich damit insgesamt das Brennverhalten verschlechtern. Aus diesem Grund sollte konstruktionstechnisch dafür gesorgt werden, dass der erwähnte Spalt eine kontinuierliche Spaltdicke von wenigen Millimetern aufweist.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass die Brennkammer und der Rekuperatorkopf rotationssymmetrisch aufgebaut sein können, wodurch der erwähnte Spalt zwischen der Brennkammer und dem Rekuperatorkopf ringförmig ausbildet sein kann. Ebenfalls kann der Spalt auch andere Formen aufweisen. So ist es denkbar, dass der Spalt in der Regel über eine kontinuierliche Spaltbreite verfügt, die jedoch bei Ausweitungen auch deutlich variieren kann. Diese Ausweitungen können bogen-, halbkreis-, reckteckförmig oder dergleichen ausgestaltet sein. Dabei können eine oder mehrere Ausweitungen den erwähnten Spalt bilden.
Zweckmäßigerweise bildet das Wärmewiderstandsmittel einen Kragen zur Auslassöffnung der Brennkammer, welcher im Wesentlichen im Durchlass des Rekuperatorkopfes angeordnet ist. Der erwähnte Kragen kann dabei verschiedene Ausgestaltungen aufweisen, in denen beispielsweise eine zur Längsrichtung des Brenners quer gerichtete Wand oder eine parallel gerichtete Wand zum Einsatz kommt, die als Wärmewiderstandsmittel Verwendung findet. Auch ist es denkbar, dass sowohl eine quer gerichtete als auch eine parallele Wand für das Wärmewiderstandsmittel vorgesehen ist. Ebenfalls ist es denkbar, dass das Wärmewiderstandsmittel als ein zusätzliches Bauteil zur Brennerkammer vorhanden ist. Dieses zusätzliche Bauteil kann zum Beispiel über eine formschlüssige Verbindung an der Auslassöffnung der Brennerkammer angeordnet sein. Folglich kann das als Kragen ausgebildete Wärmewiderstandsmittel aufgrund der besonderen geometrischen Ausgestaltung den Wärmestrom zwischen der Brennkammer und dem Rekuperatorkopf verringern.
Dabei sei erwähnt, dass bei einer keramischen Brennkammer fertigungstechnische Grenzen für die geometrische Ausgestaltung gesetzt sind. So kann beispielsweise ein Widerstandsmittel als L-förmiger Fortsatz an einer Auslassöffnung der Brennkammer angeordnet sein. Dieser L-förmige Fortsatz ähnelt einem Stehkragen und hat den Vorteil, dass das heiße vorverbrannte Gemisch nicht der sprunghaften Erweiterung der Auslassöffnung, die durch den L-förmiger Fortsatz des Wärmewiderstandsmittels gebildet ist, folgen kann. Somit kommt die in Längsrichtung ausgerichtete, parallele Wand des Wärmewiderstandsmittels nicht in vollen Kontakt mit dem vorverbrannten Gemisch, wodurch sich der übertragene Wärmestrom in diesem Bereich ebenfalls reduzieren lässt. Weiterhin ist es denkbar, dass das Wärmewiderstandsmittel eine doppelte Wand der Auslassöffnung bildet, wobei einerseits eine quer gerichtete Wand und eine parallele Wand als Wärmewiderstandsmittel vorgesehen sind. Diese U-förmige Umbördelung der Brennkammer im Bereich der Auslassöffnung gleicht einem Rollkragen und weist den zusätzlichen Vorteil auf, dass der Hohlraum zwischen den beiden Außenwänden - den parallelen Schenkeln des U's - der Brennkammer zusätzlich mit einem Füllmaterial, wie zum Beispiel keramischer Isolierfaser oder dergleichen, ausgefüllt werden kann. Somit lässt sich der Wärmestrom von der Brennkammer auf den Rekuperatorkopf weiter verringern.
Um die Wirkungsweise des Rekuperator-Brenners zu verbessern, können Wärmeübertragungsflächen an dem Rekuperatorkopf angeordnet sein, um einen Wärmestrom zwischen dem heißen Abgas des Brenners an einer Außenseite des Rekuperatorkopfes und der zusätzlichen, sekundären Brennluft an einer Innenseite des Rekuperatorkopfes zu erhöhen. Hierdurch lässt sich die sekundäre Brennluft weiter aufheizen, so dass insgesamt die Leistung des Brenners erhöht wird. Die Wärmeübertragungsflächen können selbst strömungsgünstig als herausstehende Rippen aus der Außenseite des Rekuperatorkopfes herausragen. Ebenfalls ist es denkbar, auch die Innenseite des Rekuperatorkopfes mit Wärmeübertragungsflächen zu versehen, damit auch hier eine Übertragung einer größeren Wärmemenge auf die zu erhitzende, sekundäre Brennluft möglich ist. Bei den innen liegenden Wärmeübertragungsflächen ist darauf zu achten, dass diese nicht zu einem Druckverlust in der sekundären Brennluft führen. Ebenfalls kann optional das heiße Abgas des Brenners dazu genutzt werden, auch die primäre Brennluft vorzuwärmen.
Wie bereits zuvor erwähnt wurde, existieren zwei grundsätzliche Varianten für den erfindungswesentlichen Brenner, wobei bei der ersten Variante das Wärmewiderstandsmittel materialeinheitlich und einteilig zur Brennkammer ausgestaltet ist. Somit bildet dieses Wärmewiderstandsmittel eine kontinuierliche Fortsetzung der Auslassöffnung der Brennkammer. Bei der zweiten Ausführungsvariante kommt das bereits erwähnte, zusätzliche Bauteil als Wärmewiderstandsmittel zum Einsatz, welches ebenfalls materialeinheitlich zur Brennkammer ausgestaltet sein kann. Allerdings bietet es sich in diesem Fall an, das Wärmewiderstandsmittel materialindifferent zur Brennkammer auszugestalten, wobei insbesondere das Material des Wärmewiderstandsmittels eine geringere Wärmeleitfähigkeit als das Material der Brennkammer aufweist.
Um das zusätzliche Bauteil, welches das Wärmewiderstandsmittel darstellt, mit der Brennkammer zu verbinden, kann eine formschlüssige Verbindung vorgesehen sein. Hierbei bietet sich insbesondere eine Schrauben- oder Bajonettverbindung an, wodurch das Wärmewiderstandsmittel sicher und fest aber lösbar an der Auslassöffnung der Brennkammer anordbar ist. Zu diesem Zweck kann an der Brennkammer ein Gegenhaltemittel vorgesehen sein, welches mit einem Haltemittel an dem zusätzlichen Wärmewiderstandsmittel formschlüssig zusammenwirkt. Das Haltemittel an dem Wärmewiderstandsmittel kann als ein Vorsprung, insbesondere ein Außengewinde, vorgesehen sein, welches mit einer Vertiefung als Gegenhaltemittel, insbesondere in Form eines Innengewindes, zusammenwirkt. Selbstverständlich sind auch weitere mechanische Verbindungen zwischen dem als zusätzliches Bauteil ausgestalteten Wärmewiderstandsmittel und der Brennkammer denkbar sowie eine kinematische Umkehr zwischen dem beschriebenen Halte- und Gegenhaltemittel.
Ebenfalls ist es denkbar, dass ein als zusätzliches Bauteil ausgestaltetes Wärmewiderstandsmittel in Form und Größe an den Durchlass des Rekuperatorkopfes bzw. an die Auslassöffnung der Brennkammer anpassbar ist. Hierdurch können leicht unterschiedliche Brennkammern mit verschiedenen Rekuperatorköpfen kombiniert werden, wobei das zusätzliche Wärmewiderstandsmittel zur Anpassung im Bereich der Auslassöffnung bzw. des Durchlasses dient.
Durch das als zusätzliches Bauteil ausgestaltete Wärmewiderstandsmittel ist es möglich, bei einem Schaden nur das Wärmewiderstandsmittel auszutauschen, falls dieses z. B. durch einen Druck des Rekuperatorkopfes 12 zerstört worden ist. Alleine durch diese Maßnahme lassen sich deutlich Kosten für die Reparatur des Brenners einsparen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das Wärmewiderstandsmittel ein Hitzeschild aufweisen, welches im Wesentlichen quer zur Längsrichtung des Brenners angeordnet ist. Hierbei können im Hitzeschild Durchbrüche vorgesehen sein, die zur Durchleitung der zusätzlichen, sekundären Brennluft dienen. Die Durchbrüche können selbst in Längsrichtung des Brenners das Hitzeschild durchsetzen. Durch den Einsatz des Hitzeschildes lässt sich bewirken, dass die Brennkammer und der Rekuperatorkopf im Bereich der Auslassöffnung bzw. des Durchlasses vor übermäßiger Hitze geschützt sind, die durch die Nachverbrennung des vorverbrannten Gemisches mit der sekundären Brennluft entsteht. Außerdem kann das Hitzeschild auch sicher verhindern, dass die heißen Abgase des Brenners nicht im Bereich der Auslassöffnung bzw. des Durchlasses auf den Brenner auftreffen.
Bei einer zusätzlichen Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die gesamte Brennkammer mittels eines Hakenverschlusses am Brenner reversibel austauschbar angeordnet ist, wobei der Hakenverschluss ein Haltemittel und ein Gegenhaltemittel aufweist, und das Haltemittel an der Brennkammer vorgesehen ist. Das Haltemittel kann beispielsweise aus einer Bohrung oder einem Langloch bestehen, welches mit einem Gegenhaltemittel formschlüssig zusammenwirkt. Das Gegenhaltemittel kann dann selbst aus einem Vorsprung bestehen, der in das Haltemittel eingreift.
Weitere Maßnahmen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen. In den Zeichnungen ist die Erfindung in vier unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellt. Es zeigen:
Figur 1 a eine Seitenansicht der erfindungswesentlichen Bauteile des Rekuperator-Brenners mit einem U-förmigen Wärmewiderstandsmittel,
Figur 1 b Längsschnitt Ib-Ib durch Figur 1 a mit dargestellter Funktionsweise des
Brenners,
Figur 1 c Ausschnittsvergrößerung einer unteren Kante der Austrittsöffnung aus
Figur 1 b,
Figur 2a Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispieles für die Brennkammer und den Rekuperatorkopf mit einem L-förmigen Wärmewiderstandsmittel,
Figur 2b Längsschnitt Ilb-Ilb durch Figur 2a,
Figur 3a Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispieles für eine Brennkammer und einem Rekuperatorkopf mit einem als zusätzliches Bauteil ausgestalteten Wärmewiderstandsmittel,
Figur 3b Längsschnitt Illb-Illb durch Figur 3a Figur 4a Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispieles für eine Brennkammer und einem Rekuperatorkopf mit einem Wärmewiderstandsmittel sowie einem Hitzeschild,
Figur 4b Längsschnitt IVb-IVb durch Figur 4a, und
Figur 5 schematische Vorderansicht eines weiteren Ausführungsbeispieles mit einem besonderes ausgestalteten Spalt zwischen einer Brennkammer und einem Rekuperatorkopf.
In der Figur 1 a ist eine Seitenansicht einer Brennkammer 1 1 und eines Rekuperatorkopfes 12 eines Rekuperator-Brenners 10 dargestellt. Hierbei ist die Brennkammer 1 1 mit ihrem vorderen Ende 1 1.1 teilweise in dem Rekuperatorkopf 12 angeordnet. Ebenfalls wurde in der Figur 1 a eine Brennstoff Ia nze 18 mit einem daran angeordneten Flammenhalter 19 gestrichelt dargestellt. Durch die Brennstoff Ia nze 18 wird der gasförmige oder flüssige Brennstoff Il in die Brennkammer 1 1 eingeführt. Zusätzlich gelangt in die Brennkammer primäre Brennluft I, welche parallel zur B renn stoff Ia nze 18 strömt und diese umgibt. Nachdem der Brennstoff Il aus der Brennstofflanze 18 in die Brennkammer n eintritt, vermischt sich dieser mit der primären Brennluft I und wird innerhalb der Brennkammer n vorverbrannt. Hierbei bildet sich das vorverbrannte Gemisch III, welches bereits eine Temperatur von ca. 1 .500 0C aufweist. Dieses vorverbrannte Gemisch III tritt durch eine Auslassöffnung 1 1.2 der Brennkammer n aus und wird mit einer zusätzlichen sekundären Brennluft IV vermischt und weiter verbrannt. Bei der Nachverbrennung entsteht das Abgas V des Brenners 10. Dieses Abgas V kann in ein Flammenrohr 22, welches innerhalb eines Mantelstrahlheizrohres angeordnet ist, eingeleitet werden, oder direkt in einen Innenraum des Industrie-Ofens. Bei dem Einsatz von einem Mantelstrahlheizrohr wird das zu erwärmende Werkstück indirekt über die Flammenrohre 22 und das Mantelstrahlheizrohr erhitzt, wobei das Werkstück selber nicht mit den heißen Verbrennungsabgasen V des Brenners 10 in Berührung kommt. Bei der direkten Erwärmung des Werkstückes kommt das Werkstück mit den heißen Verbrennungsabgasen V des Brenners direkt in Kontakt und wird hierdurch erhitzt. In der Figur 1 b ist ein Längsschnitt Ib aus Figur 1 a dargestellt. Ebenfalls wird die Funktionsweise des Rekuperator-Brenners 10 aus der Figur 1 b deutlich, da hier die einzelnen Ströme der Brennluft I, des Brennstoffes II, des vorverbrannten Gemisches III und der zusätzlichen Brennluft IV sowie des Abgases des Brenners V als Pfeile schematisch dargestellt sind. Zusätzlich ist in der Figur 1 b ein Flammenrohr 22, wie in Figur 1 a, gestrichelt dargestellt. Auch ist in der Figur 1 b beispielhaft ein Rohrelement 20 sowie ein Außenrohrelement 21 gestrichelt dargestellt, wodurch die Zufuhr der Brennluft I, IV ermöglicht wird, die beide durch das Abgas V vorgewärmt werden können.
Die primäre Brennluft I gelangt durch das Rohrelement 20 z. B. parallel zur Brennstoff Ia nze 18 in die Brennkammer n . Die zusätzliche sekundäre Brennluft IV wird durch das Außenrohrelement 21 in den Rekuperatorkopf 12 gefördert, wobei die sekundäre Brennluft IV durch einen ersten Wärmestrom 50 auf ca. 700 0C im Rekuperatorkopf 12 vorgewärmt wird. Zu diesem Zweck wird der Rekuperatorkopf 12 an seiner Außenseite 12.4 durch das zurückgeführte Abgas V des Brenners 10 erhitzt. Die dabei vorhandene Wärmemenge wird über die Wand des Rekuperatorkopfes 12 auf die sekundäre Brennluft IV übertragen. Wie deutlich in Figur 1 b zu erkennen ist, wird die sekundäre Brennluft IV zwischen einer Innenseite 12.3 des Rekuperatorkopfes 12 und einer Außenseite 1 1.4 der Brennkammer 1 1 durchgeführt und gelangt so zu einem Durchlass 12.1 , der aus einem vorzugsweise, ringförmigen Spalt 13 zwischen der Brennkammer 1 1 und dem Rekuperatorkopf 12 im Bereich der Auslassöffnung 1 1 .2 besteht. Eine andere, beispielhafte Ausführungsform für den Spalt 13 ist in der Fig. 5 gezeigt.
Im Spalt 13 ist das erfindungsrelevante Wärmewiderstandsmittel 15 angeordnet. In diesem ersten Ausführungsbeispiel aus den Figuren 1 ist das Wärmewiderstandsmittel 15 einteilig und materialeinheitlich zur Brennkammer 1 1 vorhanden. Das Wärmewiderstandsmittel 15 umgibt dabei die Auslassöffnung 1 1.2 wie eine U- förmige Umbördelung und gleicht einem Rollkragen 1 1 .5. Dabei umfasst das Wärmewiderstandsmittel 15 einerseits eine quer zur Längsrichtung 14 gerichtete Wand 15.1 und andererseits eine parallele Wand 15.2.
In der Figur 1 c ist eine Vergrößerung der unteren Schnittkante der Auslassöffnung 1 1 .2 aus Figur 1 b gezeigt. Ferner ist in der Figur 1 c auch ein Pfeil für den zweiten Wärmestrom 51 im Bereich der Auslassöffnung 1 1 .2 schematisch eingezeichnet. Hierbei wird deutlich, dass die übertragene Wärmemenge nicht nur die Brennkammerwand überwinden muss, um an dieser Stelle auch zum Rekuperatorkopf 12 zu gelangen, vielmehr muss der Wärmestrom nunmehr auch das Wärmewiderstandsmittel 15 überwinden, wobei ein Teil direkt durch das Wärmewiderstandsmittel 15 fließt und ein anderer Teil durch einen Freiraum gelangen muss. Der vorerwähnte Freiraum wird durch die U-förmige Umbördelung der Brennkammerwand sowie der parallelen Wand 15.2 des Wärmewiderstandsmittels 15 gebildet. In diesem Freiraum kann beispielsweise eine Füllung aus keramischer Isolierfaser eingesetzt werden, um den Wärmestrom im Bereich der Auslassöffnung 1 1.2 zwischen der Brennkammer 1 1 und dem Rekuperatorkopf 12 weiter zu reduzieren. Die Füllung aus keramischer Isolierfaser kann den ringförmigen Freiraum komplett ausfüllen, wobei sie nicht die Strömung der sekundären Brennluft IV beeinflusst.
In der Figur 2a ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Brennkammer 1 1 und den Rekuperatorkopf 12 in Seitenansicht gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel kommt ein L-förmiges Wärmewiderstandsmittel 15 als Fortsatz der Auslassöffnung 1 1 .2 zum Einsatz, welches einem Stehkragen 1 1 .5 gleicht. In der Figur 2b ist in dem Längsschnitt IIb die Ausgestaltung des Wärmewiderstandsmittels 15 deutlich sichtbar. Dabei verjüngt sich die Brennkammer 1 1 nach vorne in ihrem Querschnitt und bildet ein vorderes Ende 1 1 .1 , an dem die Auslassöffnung 1 1 .2 angeordnet ist. Dieses vordere Ende 1 1.1 ist düsenförmig ausgestaltet, um die Strömung des vorverbrannten Gemisches III entsprechend zu beeinflussen. Auch bei dem Ausführungsbeispiel aus den Figuren 2 ist das Wärmewiderstandsmittel 15 materialeinheitlich und einteilig zur Brennkammer 1 1 ausgestaltet. Hierbei stellt das Wärmewiderstandsmittel 15 im Wesentlichen eine sprunghafte Erweiterung der Auslassöffnung 1 1.2 dar, welches eine quergerichtete Wand 15.1 und eine parallele Wand 15.2 beinhaltet. Durch die sprunghafte Erweiterung der Auslassöffnung 1 1 .2, welche durch das Wärmewiderstandsmittel 15 gebildet wird, wird der Hauptstrom des vorverbrannten Gemisches III ohne direkten Kontakt zum Wärmewiderstandsmittel 15, insbesondere zur parallelen Wand 15.2, aus der Brennkammer n ausgeleitet. Außerdem wird die Übertragung des Wärmestroms 51 durch die quergerichtete Wand 15.1 des Wärmewiderstandsmittels 15 zusätzlich erschwert.
In den Figuren 3a und 3b ist die zweite grundsätzliche Variante des Wärmewiderstandsmittels 15 dargestellt. Hierbei kommt ein zusätzliches Bauteil als Wärmewiderstandsmittel 15 zum Einsatz, welches von außen auf der Auslassöffnung 1 1.2 angeordnet ist. Dabei ist es ebenfalls denkbar, dass Wärmewiderstandsmittel 15 auch innen an der Auslassöffnung 1 1 .2 anzuordnen, so dass das Wärmewiderstandsmittel 15 durch die Auslassöffnung 1 1.2 von außen umgeben wird. Figur 3b stellt einen Längsschnitt IMb durch die Figur 3a dar. Das als zusätzliches Bauteil 15.3 ausgestaltete Wärmewiderstandsmittel 15 ist mittels einer formschlüssigen Verbindung 17 außenseitig an der Auslassöffnung 1 1.2 reversibel lösbar gehalten. Die formschlüssige Verbindung 17 dient dazu, dass die Brennkammer 1 1 und das Wärmewiderstandmittel 15 eine Einheit bilden, die bei einer Montage oder Demontage gemeinsam aus dem Brenner 10 herausgezogen oder hinein geschoben werden kann. Die erwähnte formschlüssige Verbindung 17 kann durch eine Schrauben- oder Bajonettverbindung 17 gebildet werden. Zu diesem Zweck ist an dem mutterförmigen Wärmewiderstandsmittel 15 ein Haltemittel 17.1 angeordnet. Dieses Haltemittel 17.1 wird durch einen Vorsprung gebildet. Der Vorsprung wirkt formschlüssig mit einer Vertiefung zusammen, die das Gegenhaltemittel 17.2 an der Außenseite 1 1.4 der Brennkammer n bildet. Das Haltemittel 17.1 kann als ein Außengewinde ausgestaltet sein, wohingegen das Gegenhaltemittel 17.2 als Innengewinde vorzusehen ist. Selbstverständlich kann auch eine kinematische Umkehr zwischen Haltemittel 17.1 und Gegenhaltemittel 17.2 stattfinden.
Weiter ist aus den Figuren 3a und 3b ersichtlich, dass die Brennkammer 1 1 über ein weiteres Haltemittel 16.1 verfügt, welches für einen Hakenverschluss 16 dient. Dieser Hakenverschluss 16 verbindet beispielsweise die Brennkammer 1 1 mit dem Rohrelement 20 formschlüssig. Das Haltemittel 16.1 kann dabei als Lochbohrung oder Langloch am hinteren Ende der Brennkammer 1 1 angeordnet sein.
In den Figuren 4a und 4b ist ein zusätzliches Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Hierbei ist das Wärmewiderstandsmittel 15 mit einem zusätzlichen Hitzeschild 15.4 versehen. Das Wärmewiderstandsmittel 15 bildet selbst ein zusätzliches Bauteil 15.3, an dem das Hitzeschild 15.4 materialeinheitlich und einteilig angeordnet ist. Das Hitzeschild 15.4 ist selbst im Wesentlichen quer zur Längsrichtung 14 des Brenners 10 angeordnet, wobei im Hitzeschild 15.4 Durchbrüche in Längsrichtung 14 des Brenners vorgesehen sind, die zur Durchleitung der sekundären Brennluft IV dienen. Wie in Figur 4b deutlich zu erkennen ist, schirmt das Hitzeschild 15.4 eine Frontseite des Rekuperatorkopfes 12 ab, so dass rückströmende Abgase V nicht zu einer zusätzlichen Erwärmung des Rekuperatorkopfes 12 im Bereich des Durchlasses 12.1 führen. Das Wärmewiderstandsmittel 15 mit dem daran angeordneten Hitzeschild 15.4 wird ebenfalls über eine formschlüssige Verbindung 17 mit der Brennkammer n verbunden. Bei dieser Anordnung muss zunächst der Rekuperatorkopf 12 über das vordere Ende 1 1.1 der Brennkammer n geschoben werden, um anschließend das Wärmewiderstandsmittel 15 mit dem Hitzeschild 15.4 montieren zu können.
In der Figur 5 ist der Spalt 13 in einer beispielhaften Ausführungsform mit insgesamt vier bogen- bzw. halbkreisförmigen Ausweitungen dargestellt. Wie deutlich zu erkennen ist, weist der Spalt 13 einerseits eine kontinuierliche Spaltbreite 13.1 zwischen der Brennkammer 1 1 , insbesondere dem vorderen Ende 1 1 .1 , und dem Rekuperatorkopf 12 auf. Diese kontinuierliche Spaltbreite 13.1 kann wenige Millimeter oder Mikrometer betragen. Ferner sind im Spalt 13 Ausweitungen vorgesehen. Im vorliegenden Fall sind genau vier bogenförmige Ausweitungen vorgesehen, die eine variierende Spaltbreite 13.2 zwischen der Brennkammer 1 1 und dem Rekuperatorkopf 12 aufweisen. Durch diese Ausweitungen kann die zusätzliche Brennluft IV strahlenförmig aus dem Spalt 13 austreten, um anschließend mit dem vorverbrannten Gemisch III nachverbrannt zu werden. Das vorverbrannte Gemisch II I tritt dabei aus der unrunden Auslassöffnung 1 1 .2 der Brennkammer 1 1 aus. Selbstverständlich ist auch eine anders ausgestaltete Form des Spaltes 13 denkbar, bei der z. B. mehrere Ausweitungen vorkommen oder andersartige beispielsweise rechteckförmig Ausweitungen angeordnet sind. Auch ist es denkbar, dass die Auslassöffnung 1 1.2 z. B. rechteckförmig oder ellipsenförmig ausgestaltet ist, wodurch sich ein entsprechender Spalt 13 zwischen der Brennkammer n und dem Rekuperatorkopf 12 ergibt.
Abschließend ist noch zu erwähnen, dass auch eine beliebige Kombination der zuvor erwähnten technischen Merkmale des Brenners 10 möglich ist, sofern sich diese Kombination nicht explizit ausschließt.
Bezugszeichenliste
10 Rekuperator-Brenner/ Brenner
11 Brennkammer
11 .1 vorderes Ende von 11
11 .2 Auslassöffnung von 11
11 .3 Innenseite von 11
11 .4 Außenseite von 11
11 .5 Kragen
12 Rekuperatorkopf
12 .1 Durchlass von 12
12 .2 Wärmeübertragungsfläche von 12
12 .3 Innenseite von 12
12 .4 Außenseite von 12
13 Spalt zwischen 11 und 12
13 .1 kontinuierliche Spaltbreite
13 .2 variierende Spaltbreite (bogenförmige Ausweitung des Spaltes)
14 Längsrichtung
15 Wärmewiderstandsmittel
15 .1 quergerichtete Wand
15 .2 parallele Wand
15 .3 zusätzliche Bauteil
15 .4 Hitzeschild
16 Hakenverschluss
16 .1 Haltemittel von 16
17 formschlüssige Verbindung zwischen 11 und 15, insbesondere Schrauben- oder Bajonettverbindung
17 .1 Haltemittel von 17
17 .2 Gegenhaltemittel von 17
18 Brennstoff Ia nze
19 Flammenhalter
20 Rohrelement
21 Außenrohrelement
22 Flammenrohr 50 Pfeil für ersten Wärmestrom Q
51 Pfeil für zweiten Wärmestrom Q
I Pfeil für erste Brennluft
II Pfeil für Brennstoff
III Pfeil für vorverbranntes Gemisch
IV Pfeil für zusätzliche Brennluft
V Pfeil für Abgas des Brenners

Claims

Patentansprüche
1. Rekuperator-Brenner (10) für einen Industrieofen, welcher direkt oder indirekt zur Erwärmung eines Werkstückes dient, und der Brenner (10) eine Brennkammer (11) und einen Rekuperatorkopf (12) aufweist, wobei durch die Brennkammer (11) ein gasförmiger oder flüssiger Brennstoff (II) sowie primäre Brennluft (I) einführbar sind, die innerhalb der Brennkammer (11) miteinander vermischt und teilweise durch eine Vorverbrennung verbrannt werden, und die Brennkammer (11) ein sich im Querschnitt verjüngendes, vorderes Ende (11.1) mit einer Auslassöffnung (11.2) für das vorverbrannte Gemisch (III) aus Brennstoff (II) und primäre Brennluft (I) umfasst, und der Rekuperatorkopf (12) die Brennkammer (11) im Bereich des vorderen Endes (11.1) zumindest teilweise umgibt, wobei ein Spalt (13) zwischen der Brennkammer (11) und dem Rekuperatorkopf (12) vorhanden ist, wodurch zusätzliche, sekundäre Brennluft (IV) zuführbar ist, die von einem heißen Abgas (V) des Brenners (10), welches an einer Außenseite (12.4) des Rekuperatorkopfes (12) entlang strömt, vorgewärmt ist, und die zusätzliche Brennluft (IV) im Bereich des vorderen Endes (11.1) durch einen Durchlass (12.1), welcher nahe gelegen zur Auslassöffnung (11.2) der Brennkammer (11) angeordnet ist, austritt, um anschließend mit dem vorverbrannten Gemisch (III) aus der Brennkammer (11) durch eine Nachverbrennung zu reagieren, dadurch gekennzeichnet, dass an der Auslassöffnung (11.2) der Brennkammer (11) ein Wärmewiderstandsmittel (15) vorgesehen ist, wodurch ein Wärmestrom (51) von der Brennkammer (11) im Bereich der Auslassöffnung (11.2) auf den Rekuperatorkopf (12) verringerbar ist.
2. Brenner (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (1 1 ) einen keramischen Werkstoff, insbesondere Siliziumcarbid, aufweist und/oder der Rekuperatorkopf (12) eine hochtemperaturfeste Metall-Legierung enthält, insbesondere in Form einer Nickelbasis-Legierung.
3. Brenner (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (13) zwischen der Brennkammer (1 1 ) und dem Rekuperatorkopf (12) im Durchlass (12.1 ) wenige Millimeter bei einer kontinuierlichen Spaltbreite (13.1 ) beträgt, wobei insbesondere der Spalt (13) auch Ausweitungen aufweist, welche über eine variierende Spaltbreite (13.2) verfügen.
4. Brenner (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmewiderstandsmittel (15) einen Kragen (1 1 .5) zur Auslassöffnung (1 1 .2) der Brennkammer (1 1 ) bildet.
5. Brenner (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmewiderstandsmittel (15) im Wesentlichen eine quer zur Längsrichtung (14) des Brenners (10) ausgerichtete Wand (15.1 ) enthält.
6. Brenner (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmewiderstandsmittel (15) eine parallele Wand (15.2) zur Brennkammerwand im Bereich der Auslassöffnung bildet.
7. Brenner (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rekuperatorkopf (12) Wärmeübertragungsflächen (12.2) aufweist, um einen Wärmestrom (50) zwischen dem heißen Abgas (V) und der zusätzlichen, sekundären Brennluft (IV) an einer Innenseite (12.3) des Rekuperatorkopfs (12) zu erhöhen.
8. Brenner (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (1 1 ) mittels eines Hakenverschlusses (16) am Brenner (10) reversibel austauschbar angeordnet ist, wobei der Hakenverschluss (16) ein Haltemittel (16.1 ) und ein Gegenhaltemittel aufweist, und das Haltemittel (16.1 ) an der Brennkammer (1 1 ) vorgesehen ist.
9. Brenner (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmewiderstandsmittel (15) materialeinheitlich und einteilig zur Brennkammer (1 1 ) ausgestaltet ist.
10. Brenner (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmewiderstandsmittel (15) ein zusätzliches Bauteil (15.3) zur Brennkammer (1 1 ) bildet.
1 1 . Brenner (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmewiderstandsmittel (15) mittels einer formschlüssigen Verbindung (17), insbesondere mittels einer Schrauben- oder Bajonettverbindung, an der Auslassöffnung (1 1 .2) der Brennkammer (1 1 ) anordbar ist.
12. Brenner (10) nach Anspruch 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmewiderstandsmittel (15) materialindifferent zur Brennkammer (1 1 ) ausgestaltet ist, wobei insbesondere das Material des Wärmewiderstandsmittels (15) eine geringere Wärmeleitfähigkeit als das Material der Brennkammer (1 1 ) aufweist.
13. Brenner (10) nach Anspruch 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmewiderstandsmittel (15) in Form und Größe an den Durchlass (12.1 ) des Rekuperatorkopfs (12) bzw. an die Auslassöffnung (1 1 .2) der Brennkammer (1 1 ) anpassbar ist.
4. Brenner (10) nach Anspruch 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmewiderstandsmittel (15) ein Hitzeschild (15.4) aufweist, welches im Wesentlichen quer zur Längsrichtung (14) des Brenners (10) angeordnet ist, wobei im Hitzeschild (15.4) Durchbrüche in Längsrichtung (14) des Brenners (10) vorgesehen sind, die zur Durchleitung der zusätzlichen Brennluft (IV) dienen.
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