(Fr.: brûleur; Du.: Brenner; Eng.: burner), apparaat dat brandstof en luchtzuurstof in dusdanige verhoudingen mengt, dat het mengsel ontstoken kan worden en verder brandt met een warmte- en eventueel lichtgevende vlam. De verbranding met het grootste nuttig effect en de hoogste vlamtemperatuur vindt plaats bij de zgn. stechiometrisch benodigde zuurstof, dus zonder luchtovermaat. In de praktijk zou dan echter onvolledige verbranding optreden wegens plaatselijk luchtgebrek door de niet ideale menging. Men werkt dan ook met een luchtovermaat van 10...40%. Een te grote luchtovermaat koelt de vlam en veroorzaakt onnodig warmteverlies in het rookgas door de afvoer van de verhitte overbodige lucht.
Voor gasvormige brandstoffen is een goede menging van gas en lucht noodzakelijk. Voor vloeibare brandstoffen is verdamping van de vloeistof essentieel; branders voor zwaardere vloeibare brandstoffen zijn meestal voorzien van een inrichting voor verstuiving van de brandstof in zeer fijne druppeltjes die met lucht gemengd verdampen voor zij ontstoken en verbrand worden (voorts zie Verstuiving). Vaste brandstoffen worden meestal gestookt op roosters; stoomketels van bijv. elektriciteitscentrales maken wel gebruik van poederkoolbranders die zeer fijn gemalen kolen met lucht gemengd verstuiven en als een gaswolk verbranden.
Algemene uitvoering.
Een brander bestaat uit eventueel een verstuiver (Eng.: gun), het luchtregister en de branderkeel of -mond (afb. 1). Als gasvormige brandstof wordt verstoven geschiedt dit door een kanaal of buis met openingen waaruit het gas stroomt en zich daarna mengt met lucht. Bij vloeibare brandstof gaat de verdamping sneller naarmate de verstuiving fijner is; de gevormde druppeltjes moeten bij voorkeur < 150 μm zijn.
Het luchtregister heeft tot taak de luchtaanvoer te regelen, door zijn vorm een rotatie aan de lucht te geven die bevorderlijk is voor een stabiele vlam, en de lucht met de brandstof zodanig te mengen met de juiste hoeveelheid lucht, dat ieder brandstofdeeltje omringd wordt door zuurstof. Naarmate de menging beter is kan de luchtovermaat kleiner en de vlamtemperatuur hoger zijn. De keel moet de vlam omsluiten en stabiliseren. Langs de keelwand recirculeren hete verbrandingsgassen die zich met verse lucht mengen en deze verwarmen. De keel zelf wordt verwarmd tot gloeihitte en straalt deze warmte terug naar het brandstof-luchtmengsel, waardoor de verdamping sterk wordt bevorderd, en de ontstekingstemperatuur wordt bereikt.
Brandertypen.
Gasbranders vinden veelvuldige toepassing; kerosine- en lichte gasoliebranders hebben een wereldverbreid toepassingsgebied; stookoliebranders dienen voornamelijk voor industriële doeleinden. Voor branders voor autogeen snijden en lassen zie Autogene metaalbewerking.
Gasbranders komen in een groot aantal soorten voor met zeer verschillende capaciteit. De meest voorkomende bestanddelen van het gebruikte gas zijn: H2, CO, koolwaterstoffen bijv. CH4 en C2H6, en inerte gassen met als belangrijkste verschil de samenstelling en de ermee samenhangende verbrandingswaarde.
Van oudsher zijn in gebruik in huishouding en kleine industrie de branders zonder voormenging (afb. 2) met meestal een lichtgevende vlam. Het gas stroomt met kleine overdruk uit vele kleine openingen van ca. 0,8 mm. Dit type wordt voornamelijk gebruikt in gasgeisers en centrale-verwarmingsketels.
Gasbranders met voormenging gaan terug tot de klassieke bunsenbrander met blauwe hete vlam waaruit diverse typen laboratoriumbranders ontwikkeld zijn (afb. 3). Deze zijn voor elke soort gas geschikt, indien voorzien van regelingen voor de gas- en/of luchttoevoer, zoals bij de téclubrander. Dit type brander heeft een spuitstuk waaruit het gas met grote snelheid stroomt, waardoor primaire lucht en gas zich met elkaar vermengen, en een brandermond of -kop waaruit het mengsel stroomt en verbrandt onder aanvoer van additionele lucht voor volledige verbranding.
Er bestaan algasbranders die op simpele wijze met een schroevedraaier of met verwisselbare mondstukken en branderdeksels geschikt zijn te maken voor verschillende gassoorten.
De huishoudelijke gaskookbrander (afb. 4) is voorzien van een afneembaar dekseltje met openingen aan de zijkant of van een vlakke plaat met spleten of kleine gaten. Vooral de dwarsdoorsnedeoppervlakte van de openingen bepaalt de benodigde luchtovermaat en voorkomt in- of terugslaan van de vlam. Het gevaar van inslaan ontstaat door de ontwikkeling van het giftige koolstofmonoxide CO.
Tot de gasbranders behoren eveneens de branders voor de calorisch zeer rijke gassen propaan C3H8, butaan C4H10 en LPG (liquid petroleum gas), toegepast op plaatsen waar geen distributienet aanwezig is. Een bijzondere groep wordt gevormd door de branders voor ambachtelijk gebruik en de kleine industrie, waarbij de vlam direct op het produkt of werkstuk moet spelen, zoals bij solderen, verfbranden, oppervlakteharden enz.
Industriële toepassingen.
In de industrie zijn branders met een grote capaciteit nodig. Men maakt onderscheid naar menging: branders zonder en met gedeeltelijke of volledige voormenging van gas en lucht; naar toestroming: branders met gas onder druk en atmosferische lucht die een lichtgevende vlam hebben, of branders met injectiewerking (afb. 1) door gas of lucht onder druk, dan wel gas en lucht beide onder druk, zoals bij de parallelstroom- en de kogelbrander. Tot de branders zonder voormenging behoren ook de branders met lichtende vlam van afb. 2 die voor kleinere stoomketels kunnen worden gebruikt. Het gevaar voor terugslaan is groot; zonder bepaalde maatregelen kan alleen veilig worden gewerkt met gasopeningen kleiner dan 3 mm.
Hoge vlamtemperaturen kunnen bereikt worden door het voorverwarmen van de verbrandingslucht, wat bij stoomketels en allerlei industrieovens gebruikelijk is om het nuttig effect van de installatie te vergroten, waarbij anders verloren afvalwarmte van de rookgassen wordt gebruikt. Bij luchtvoorverwarming moeten gas én lucht onder druk worden toegevoerd. Bij de veel gebruikte kogelbrander wordt de lucht tangentieel en het gas centraal aangevoerd (afb. 5).
Kerosine- en lichte-gasoliebranders.
Tot deze groep behoren de petroleumlamp en de petroleumkachel die op grote schaal verbreid (geweest) zijn. Zij zijn voorzien van een pit voor de toevoer van de brandstof en een glazen of metalen schoorsteen voor de trek van lucht.
De petroleumvergasser maakt gebruik van een reservoir onder verhoogde druk (handpomp) waarbij de kerosine in een pijp door de vlam naar een mondstuk wordt gevoerd; de gasstraal zuigt lucht aan en het mengsel verbrandt met een felle korte vlam. Tot dit type behoren de kooktoestellen en de drukpetroleumlamp die met een gloeikousje werkt en een zeer fel wit licht geeft.
De potbrander wordt nog zeer veel toegepast voor verwarming in huizen; de kerosine treedt door het hoogteverschil uit een reservoir met een vlotter in de ijzeren pot en vormt daarin een dun laagje.
Alom toegepast voor de centrale verwarming van gebouwen en kassen zijn de gasoliebranders die uitgerust zijn met roterende verstuivers.
Stookoliebranders met grote capaciteit worden toegepast in de industrie, voor opwekking van elektriciteit, de voortstuwing van schepen enz. Deze stookolieinstallaties zijn technisch ingewikkeld en kostbaar. Ook wegens de steeds hoger wordende brandstofprijzen is het zaak het nuttig effect zo hoog mogelijk op te voeren. Daarvoor zijn speciale uitvoeringen voor verstuiving, luchtregister en branderkeel ontwikkeld.
Verstuiving.
Elke vorm van verstuiving vraagt een bepaalde hoeveelheid energie die kan worden geleverd door de druk van een tweede medium (stoom of lucht), door een aparte energiebron (roterende of centrifugale verstuiving) of door de druk van de brandstof zelf.
Stoom- en luchtverstuivers ofwel injectieverstuivers zijn geschikt voor allerlei brandstoffen, vooral ten aanzien van hun viscositeit. De capaciteit kan over een groot traject worden gevarieerd, en ook het regelbereik van elke afzonderlijke brander is groot. Stoomverstuivers werken bij 2...3 maal de atmosferische druk. De druppeltjes krijgen een diameter van 50...100 μm en de kinematische viscositeit van de olie aan de brander kan variëren van ca. 10...20 mm2 s−1.
Roterende of centrifugale verstuivers zijn lage-drukverstuivers waarbij de brandstof fijn wordt verdeeld door deze te doen uittreden tegen een conische beker, die de grote druppels fijner verdeelt tot de verbrandingslucht de verstuiving en goede menging voltooit (afb. 6).
(Ultra)sone verstuivers zijn een moderne ontwikkeling.
Drukverstuiving wordt meestal in de industrie toegepast voor zware olie die onder hoge druk wordt geperst in een wervelkamer met in het midden een centrale opening (afb. 7). De brandstof beweegt zich in de kamer van buiten naar binnen en zijn tangentiële snelheid neemt toe evenredig met de diameter. De brandstofstraal treedt uit de centrale opening. De verhouding van tangentiële tot axiale snelheid bepaalt de hoek van de verstuivingskegel. De brandstoffilm op de kegelrand wordt aan de rand van de centrale opening in aanraking gebracht met de toestromende verbrandingslucht en in fijnere druppeltjes verder uiteengebroken. Door de druk te verhogen worden de druppeltjes kleiner, de sproeihoek groter en neemt de capaciteit van de brander toe, evenredig met de tweedemachtswortel van de druk.
Een grotere kinematische viscositeit verkleint de sproeihoek; de verstuiving wordt slechter en wordt bij 100 mm2 s−1 zelfs onmogelijk. Een viscositeit van 20 mm2 s−1 geeft de beste resultaten. Doordat de viscositeit afhankelijk is van de temperatuur, kan iedere zware brandstof worden verstookt, mits maar voldoende verhit (70...120 °C voor stookolie, 220 °C voor bitumineuze produkten).
De verstuiverkop bestaat uit een tip voorzien van hardmetaal als wolfraamcarbide tegen erosie, een plug met wervelkamer en tangentiële kanalen en een bevestigingsmoer. Minimaal 7 maal de atmosferische druk is nodig voor een goede verstuiving tot druppels kleiner dan 150 μm. Om een dubbele capaciteit te bereiken is 28 maal de atmosferische druk nodig. Voor een groter capaciteitsbereik, bijv. van 25...100% worden andere soorten verstuivers toegepast, bijv. een retourdrukverstuiver. Daarbij wordt uit de wervelkamer door retouropeningen een deel van de brandstof afhankelijk van de capaciteit teruggevoerd naar de brandstoftank, waarbij de tangentiële snelheid in de wervelkamer blijft behouden.
Luchtregister.
De benodigde hoeveelheid lucht wordt bij de grote industriële branders geregeld door het verstellen van bladen of van een luchtrooster aan de omtrek van het register. De bladen geven aan de lucht een roterende beweging die het mengen van lucht en brandstof bevordert. Bij lage luchtsnelheden, zoals bij natuurlijke trek, is deze menging niet optimaal. De beste oplossing is de luchtstroom in tweeën te verdelen, die aan de periferie van het register met de bladen te regelen en meer naar het centrum de rest van de lucht een tegengestelde rotatie te geven (afb. 8).
Branderkeel.
Deze bestaat uit een ring van vuurvaste steen of beton, waarbinnen het brandstof-luchtmengsel wordt aangestoken en de vlam zich vormt. Deze verhit door straling het vuurvaste materiaal van de keel die deze straling voor een groot deel reflecteert en het brandstof-luchtmengsel verhit tot de ontstekingstemperatuur. De vorm van de keel voltooit de goede menging van lucht en brandstof (afb. 9). Voor een optimale verbranding moet de verstuiverpositie kunnen worden versteld door het bedieningspersoneel.
De beste verbranding wordt meestal bereikt bij grote luchtsnelheden, te bereiken met zuigtrek of met geforceerde trek waarbij een onder- of een bovenwindventilator de verbrandingslucht met de gewenste over- of onderdruk levert (afb. 10); bovendien is men niet meer afhankelijk van de temperatuur van de rookgassen of de hoogte van de schoorsteen.
Voorts zie Verbranding; Verstuiving.