Fliissige Brennstoffe werden heutzutage in grossem Umfange schon deshalb verwendet, weil sie weniger kostspielig als die anderen Brennstoffe bzw. die Elektrizität sind. Auf der anderen Seite werden die für Heizung und Warmwasserversorgung erforderlichen Anlagen hinsichtlich ihres Wärmespeichervermögens immer grösser und es werden daher Brennanlagen gebraucht, welche eine grosse Heizleistung mit geringem Raumbedarf verbinden. Bei Vergrösserung der Heizleistung ergeben sich Probleme hinsichtlich der Erzeugung von Russ, Lärm und toxischer Gase.
Der Brenner, welcher das ausschlaggebende Element einer solchen Brennanlage darstellt, sollte daher einen geringen Raumbedarf und eine grosse Heizleistung aufweisen und den Brennstoff ohne Erzeugung von Russ, Lärm und toxischer Gase verbrennen können.
Die bekannten Brenner dieser Art weisen die folgenden Nachteile auf:
1. Verbrennung bei hoher Belastung
Da der Brenner auf hohe Temperaturen gebracht wird, müssen dessen kritische Teile aus einem hitzebeständigen Werkstoff hergestellt sein. Werden Metalle verwendet, so muss die Brennertemperatur innerhalb gewisser Grenzen gehalten werden und darf keinesfalls über 900 qC ansteigen. Werden jedoch keramische Teile oder feuerfeste Steine verwendet, so kann die Brennertemperatur zwar gesteigert werden, andererseits wird der Brenner aber grösser, und das feuerfeste Material wird durch den ständigen Wechsel von Zünden und Löschen der Flamme beschädigt.
2. Vergasung
Zwecks Vergasung eines flüssigen Brennstoffes muss dieser unter Wärmezufuhr zerstäubt werden. Ferner ist es erforderlich, den Brenner zwecks Verbrennung des zerstäubten Brennstoffes vorzuwärmen, um die Kondensation von Brennstoffdämpfen zu vermeiden. Es gibt verschiedene Möglichkeiten zur Vorwärmung der Brenneranlage, doch hat es sich als schwierig erwiesen, die Brennertemperatur auf einem Niveau zu halten, dass die Zerstäubung flüssigen Brennstoffes gestatten würde; ausserdem ergaben sich durch das Vorwärmen unerwünschte Nebenprodukte, wie Kohlenstoff oder Teer. Bei Verwendung der bisher bekannten Brenner ergeben sich somit beträchtliche Nachteile, wie beispielsweise die Ansammlung von Kohlenstoff, das Verstopfen der Vergasungsleitung und der Düsen. Ausserdem ist das Vorwärmen des Brenners umständlich und zeitraubend.
3. Russbildung
Bei der Verbrennung eines flüssigen Brennstoffes tritt Russbildung auf. Es ist daher ein Nachteil der bekannten Brenner, dass deren thermischer Wirkungsgrad durch die Russbildung gesenkt wird und dass für die Entfernung des Russes ein relativ grosser Arbeitsaufwand erforderlich ist.
4. Geräuschbildung
Die Verbrennung grosser Mengen von Brennstoff in einer kleinen Brennkammer ist von einer starken Geräuschbildung begleitet. Dies ist insbesondere in Privathaushalten ein schwerwiegendes Problem.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die den bekannten Brennern dieser Art anhaftenden Nachteile zu beseitigen.
Der erfindungsgemässe Brenner ist gekennzeichnet durch einen zentrifugal wirkenden Zerstäuber, ein oben offenes, den Zerstäuber umgebendes Brennergehäuse, einen am oberen offenen Ende des Brennergehäuses angeschlossenen zylindrischen Mantel, ein innerhalb des zylindrischen Mantels angeordnetes hitzebeständiges Rohr, wobei zwischen diesem Rohr und dem zylindrischen Mantel ein Gasströmungskanal besteht und innerhalb des Rohres eine Anzahl hitzebeständiger Stäbe im gegenseitigen Abstand so angeordnet sind, dass sie auf dem Umfang eines gedachten Zylinders liegen und in den Gasströmungskanal eine gasförmige Mischung des flüssigen, durch den Zerstäuber zerstäubten Brennstoffes und Luft eingeleitet und beim Durchgang durch das hitzebeständige Rohr und die Zwischenräume zwischen den hitzebeständigen Stäben verbrannt wird.
Der Brenner nach der Erfindung eignet sich sowohl für die Industrie als auch für Privathaushaltungen und dürfte aufgrund seines geringen Platzbedarfes und der damit verbundenen Kosteneinsparungen eine weite Verbreitung finden.
Auf der beiliegenden Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes veranschaulicht.
Fig. list ein Vertikalschnitt einer ersten Ausführungsform eines Brenners mit elektrischer Vorwärmung,
Fig. 2 ist ein Schnitt gemäss der Linie II-II in Fig. 1,
Fig. 3 ist eine Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform des Brenners,
Fig. 4 zeigt im Schnitt und in grösserem Massstab den Vergasungsteil des Brenners gemäss Fig. 3, und
Fig. 5 ist ein Schnitt gemäss der Linie V-V in Fig. 3.
Die Fig. 1 und 2 der Zeichnung zeigen eine Ausführungsform eines Brenners für flüssigen Brennstoff mit elektrischer Vorwärmung.
Der Brenner weist ein zylindrisches Gehäuse 1 auf, das aus einem hitzebeständigen, Wärme übertragenden Zylinder aus hitzebeständigem Glas, einem ähnlichen Material oder einem Metall, beispielsweise Gusseisen, besteht. Koaxial innerhalb des zylindrischen Gehäuses 1 befindet sich ein Strahlungsrohr 2, das aus einem hitzebeständigen Metallgewebe, gelochtem Blech oder Keramik besteht. Innerhalb des Strahlungsrohres 2 sind in gegenseitigem Abstand eine Anzahl hitzebeständiger Stäbe 3 so angeordnet, dass diese auf dem Umfang eines gedachten Zylinders liegen. Diese Stäbe bestehen aus einem porösen, hitzebeständigen Material, das als Katalysator wirkt; entsprechend geformte Stäbe aus Tonerde, Keramik, Glas oder Metall lassen sich hierfür verwenden.
Der zylindrische Mantel 1 bildet mit dem Strahlungsrohr 2 einen Ringkanal 5 für die Mischung des vergasten Brennstoffes und der Luft, der durch einen oberen Deckel 4 verschlossen ist.
Das untere Ende des Strahlungsrohres 2 ist durch eine Bodenplatte 8 verschlossen. Durch Stützplatten 6 und 7 werden die oberen bzw. die unteren Enden der Stäbe 3 abgestützt. Der zylindrische Mantel 1 ist auf dem oberen, offenen Ende eines mit 9 bezeichneten Brennergehäuses montiert.
Die unteren Abschnitte des Strahlungsrohres 2 und der Stäbe 3 ragen in das Brennergehäuse 9 hinein und zwischen dem unteren Abschnitt des Strahlungsrohres 2 und dem Brennergehäuse 9 wird somit eine zur Vergasung des flüssigen Brennstoffes dienende Verdampfungskammer 11 gebildet. Die Aussenwandung des Brennergehäuses 9, welche die Verdampfungskammer 11 umgibt, ist mit einer wärmeisolierenden Hülle 10 versehen.
Ein mit 12 bezeichneter Motor weist eine Welle 31 auf. Auf dem oberen Ende der Motorwelle 31 ist ein Ventilator 13 montiert und oberhalb des Ventilators 13 trägt die Motorwelle ferner eine Schleuderplatte 18. Sowohl der Ventilator 13 als auch die Schleuderplatte 18 sind innerhalb des Brennergehäuses 9 untergebracht. Am unteren Ende der Motorwelle 13 ist ein Pumpenrad 14 angeordnet. Das Pumpenrad 14 befindet sich im Gehäuse 29 einer Pumpe 32, die in die Brennstoffüllung 21 des Brennstofftanks 20 eintaucht. Die Rotationsbewegung des Motors 12 wird über ein nicht dargestelltes Getriebe auf das Pumpenrad 14 übertragen.
Mit 22 ist ein Brennstoff-Hilfstank bezeichnet, der mit dem Haupttank 20 über ein Überlaufrohr 23 in Verbindung steht.
Durch den Hilfstank soll eine gleichmässige Brennstofförderung gewährleistet werden, welche somit unabhängig ist von den Drehzahlschwankungen des Motors, die ihrerseits von den Viskositätsschwankungen des Brennstoffes und Schwankungen der Netzspannung abhängt. Mit 19 ist ein Heizglied bezeichnet, das aus einem Metallgewebe besteht und am unteren Abschnitt des Strahlungsrohres 2 befestigt ist. Dieses Heizglied trennt den die Schleuderplatte 18 umgebenden Raum von der Verdampfungskammer 11. Ein Förderrohr 24 erstreckt sich von der Pumpe 32 zum Hilfstank 22.
Der Hilfstank 22 ist ferner über eine Brennstoffleitung 25 mit der Schleuderplatte 18 verbunden. In die Brennstoffleitung 25 ist ein Mengenregulierventil 26 eingeschaltet, mit dessen Hilfe die Brennstofförderung eingestellt werden kann. Die Figur 1 zeigt ferner einen vor der Einlassöffnung 15 des Brennergehäuses 9 angeordneten Vorwärmer 17, eine Einlass öffnung 33, eine Auslassöffnung 34 für die Verbrennungsgase, eine Einströmöffnung 16 für die Pumpe, einen Filter 28 und ein Ablaufrohr 27.
Beim Einschalten des Motors 12 werden der Vorwärmer 17, der Ventilator 13, die Schleuderplatte 18 und das Pumpenrad
14 in Drehung versetzt. Die an der Einlassöffnung 33 angesaugte Luft wird durch den Vorwärmer 17 vorgeheizt. Die vorgeheizte Luft strömt in das Brennergehäuse 9 und von dort durch das Heizglied 19 in die Verdampfungskammer 11. Der Ringkanal 5 wird somit durch die heisse Luft erhitzt.
Anschliessend wird das Regulierventil 26 geöffnet und der Öffnungsgrad so eingestellt, dass das gewünschte Mischungsverhältnis von Luft und Brennstoff erzielt wird. Der auf die Schleuderplatte 18 auftreffende Brennstoff wird unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft in den heissen Luftstrom geschleudert und versprüht.
Der versprühte Brennstoff mischt sich mit der heissen Luft und kommt mit der heissen Wandung des Brennergehäuses 9 in Berührung. Dadurch wird der Brennstoff in der Verdampfungskammer 11 vergast. Der vergaste Brennstoff und die Luft mischen sich nun und das gasförmige Gemisch strömt in den Kanal 5. Sobald das gasförmige Gemisch durch eine entsprechende nicht dargestellte Vorrichtung im Bereich des Strahlungsrohres 2 gezündet wird, so verbrennt es unter Bildung kleiner Flammen, die an den zahlreichen Poren an der Oberfläche des Strahlungsrohres 2 entstehen, wobei das Strahlungsrohr 2 auf Rotglut erhitzt wird. Das unverbrannte Gas strömt in das Strahlungsrohr 2. Auf der anderen Seite werden die Stäbe 3 durch das auf Rotglut erhitzte Strahlungsrohr 2 ebenfalls auf eine hohe Temperatur gebracht.
Die Stromzufuhr zum Vorwärmer 17 wird bei der Zündung des Gemisches unterbrochen; da sich der untere Bereich des Strahlungsrohres 2 jedoch innerhalb des Brennergehäuses 9 befindet, wird das Brennergehäuse 9 durch die Strahlungswärme des Strahlungsrohres 2 noch genügend erhitzt, und der versprühte Brennstoff wird in ausreichendem Masse vergast.
Sobald dieser Zustand erreicht ist, steigt die Menge des verbrennenden Brennstoffes beträchtlich an.
Das unverbrannte Gas, das durch das Strahlungsrohr 2 nicht verbrannt wurde, wird durch die Stäbe 3 in Turbulenz gebracht und mit der Luft gründlich vermischt. Die Verbrennung des bisher unverbrannten Gases wird daher beschleunigt und das Gas wird somit in der Umgebung und innerhalb des von den Stäben 3 begrenzten Raumes komplett verbrannt. Die Verbrennungsgase werden durch die Auslassöffnung 34 ausgestossen. Dadurch werden die Stäbe 3 auf Rotglut gebracht, so dass deren Temperatur über derjenigen des Strahlungsrohres 2 liegt und sie eine Art Wärmespeicher bilden. Wenn die Stäbe 3 aus einem keramischen Material bestehen, so findet innerhalb dieses Wärmespeichers eine Oxydation statt, wobei keinerlei Geräuschbildung erfolgt, obwohl der Brenner klein ist und eine grosse Wärmemenge erzeugt.
Da das Strahlungsrohr 2 und die Stäbe 3 auf hohe Temperaturen erhitzt werden, ist auch die Umgebungstemperatur in der Verdampfungskammer 11 hoch und auch die Innentemperatur des Brennergehäuses 9 wird durch die Strahlungswärme erhöht. Ferner wird die Temperatur des Heizgliedes 19 auch durch die diesem zugeführte Wärme erhöht. Unter diesen Bedingungen wird der zerstäubte Brennstoff durch das Heizglied 19 aufgeheizt und in Berührung mit dem Brennergehäuse komplett vergast. Ein grosser Anteil von infraroten Strahlen (Wärmestrahlen) werden nun vom Strahlungsrohr 2 ausgesandt und durchdringen das Gehäuse 1, insofern dieses aus einem wärmebeständigen und zur Wärme übertragung geeigneten Material besteht.
Das Strahlungsrohr 2 stellt somit für die Stäbe 3 zum Zeitpunkt der Zündung eine Wärmequelle dar, während es anschliessend dazu dient, die unverbrannten Gase in eine Anzahl feiner Gasströme aufzuteilen und den Stäben 3 zuzuführen. Auch begünstigt es die Zerstäubung des Brennstoffes und bildet eine Infrarot-Strahlungsquelle.
Die Stäbe 3 beschleunigen den Verbrennungsablauf und ermöglichen somit die Verbrennung einer grossen Brennstoffmenge. Wenn die Stäbe 3 auf eine hohe Temperatur gebracht werden, so begünstigen sie die Vergasung des Brennstoffes und bilden eine Infrarot-Strahlungsquelle. In diesem Brenner kann eine grosse Brennstoffmenge in kürzester Zeit vergast werden.
Durch die Beschleunigung des Verbrennungsablaufes wird es somit möglich, die pro Volumeneinheit der Brennkammer und pro Zeiteinheit zu verbrennende Brennstoffmenge zu erhöhen.
Der Brenner kann damit unter hoher Belastung arbeiten.
Da die Stäbe 3 bei der beschriebenen Brennerkonstruktion im Innern des Strahlungsrohres 2 angeordnet sind, kann im Vergleich zu konventionellen Brennern dieser Type etwa die zweifache Brennstoffmenge verbrannt werden. Der Verbrennungsablauf kann erheblich beschleunigt werden, wobei ein grosser Anteil des Brennstoffes auf kleinem Raum verbrannt werden kann und ein Grossteil der Strahlungswärme von hier aus ausgestrahlt wird. Da die unteren Endabschnitte des Strahlungsrohres 2 und der Stäbe 3 innerhalb des Brennergehäuses 9 angeordnet sind, um damit das Innere des Brennergehäuses 9 auf einer hohen Temperatur zu halten, kann ein grosser Anteil des flüssigen Brennstoffes schnell vergast werden, und es ergibt sich eine gute Verbrennung.
Die oben erwähnten, im Zusammenhang mit der Russ- und Geräuschbildung stehenden Probleme können somit bei Verwendung des beschriebenen Brenners einwandfrei gelöst werden.
Eine weitere Ausführungsform des Brenners sei nun anhand der Fig. 3 bis 5 beschrieben. In diesen Figuren sind die im Zusammenhang mit den vorhergehend beschriebenen Figuren erwähnten Bezugszeichen beibehalten worden und nachstehend werden nur die konstruktiven Abweichungen beschrieben. Am unteren offenen Ende des Strahlungsrohres 2 ist ein trogförmiges Brennelement 35 angeordnet, so dass es das Strahlungsrohr 2 abschliesst. Dieses Brennelement weist eine Aussenwand 42 mit einer Anzahl Öffnungen 36 sowie eine Innenwand 37 mit einer Zentralöffnung 38 auf. Eine Schale 40 ist über der Öffnung 38 abnehmbar angeordnet, wobei zwischen der Umfangswand 43 der Schale 40 und der Innenwand 37 des Brennelements 35 ein enger, ringförmiger Spalt verbleibt. In der Umfangswand 43 der Schale 40 sind Öffnungen 39 zum Durchtritt des Brennstoffes vorgesehen.
Die Schleuderplatte 18 ist innerhalb der Schale 40 so angeordnet, dass sie etwas oberhalb der Innenwand 37 des Brennelementes 35 liegt, und das Brennstoff-Zuführungsrohr 25 ist so weit verlängert, dass dessen Ende bis über die Schleuderplatte 18 reicht. Ein elektromagnetisches Ventil 41 mit einem Quecksilberschalter oder einer ähnlichen Vorrichtung ist in der Brennstoff-Zufuhrleitung 25 angeordnet, so dass die Brennstoffzufuhr bei Auftreten einer Erschütterung, beispielsweise einem Erdbeben, durch das elektromagnetische Ventil 41 sofort abgestellt wird. Das erwähnte elektromagnetische Ventil 41 kann auch für das anhand von Fig. 1 beschriebe ne Ausführungsbeispiel verwendet werden. Das in Fig. 1 dargestellte Heizglied 19 ist dagegen bei der hier besprochenen Ausführungsform nicht erforderlich.
Bei der Ausführungsform gemäss den Fig. 3 bis 5 werden der Ventilator 13, die Schleuderplatte 18 und das Pumpenrad 14 beim Einschalten des Motors 12 in Drehung versetzt. Die durch die Einlassöffnung 33 angesaugte Luft strömt durch die Einlassöffnung 15 in das Brennergehäuse 9. Anschliessend wird das Regulierventil 26 geöffnet und der Öffnungsgrad wird so eingestellt, dass sich das gewünschte Mischungsverhältnis von Luft und Brennstoff ergibt. Der auf die Schleuderplatte 18 geförderte Brennstoff wird unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft versprüht. Der versprühte Brennstoff fällt in den Ringspalt zwischen der Innenwand 37 des Brennerelementes 35 und der Umfangswand 43 der Schale 40, erreicht den Boden des Brennerelementes 35 durch die Öffnungen 39 und bewegt sich dann entlang der Innenfläche der Aussenwandung 42 des Brennerelementes 35 nach oben.
Auf der anderen Seite strömt die Luft in das Brennerelement 35 durch die in deren Aussenwand 42 angebrachten Öffnungen 36, erwärmt sich am Brennerelement 35 und mischt sich mit dem versprühten Brennstoff. Sobald die Mischung innerhalb des Brennerelementes 35 durch eine entsprechende nicht dargestellte Vorrichtung gezündet wird, brennt sie, und die Schale 40 wird dadurch aufgeheizt. Der in der Schale 40 befindliche versprühte Brennstoff wird damit vergast. Der vergaste Brennstoff wird mit der durch die zentrale Öffnung 38 des Brennerelementes 35 geförderten Luft gemischt, und das Gemisch strömt in den Kanal 5. Hier verbrennt es unter Bildung von kleinen Flammen, die auf den zahlreichen Poren der Oberfläche des Strahlungsrohres 2 entstehen, wobei das Strahlungsrohr 2 auf Rotglut gebracht wird.
Die Funktion der Stäbe 3 und der anschliessende Verbrennungsablauf entsprechen den Erklärungen bezüglich Fig. 1.
Beim Auftreten einer Erschütterung, beispielsweise eines Erdbebens, und der damit verbundenen Brandgefahr wird das elektromagnetische Ventil 41 durch den Quecksilberschalter geschlossen, und die Verbrennung wird sofort unterbrochen.
Bei beiden beschriebenen Ausführungsformen ist es vorzuziehen, für den zylindrischen Mantel 1 einen Glaszylinder zu verwenden, so dass der Verbrennungsablauf von aussen beobachtet werden kann. Das Strahlungsrohr 2 besteht vorzugsweise aus einem netzförmigen Rohr, so dass er gleichmässig auf Rotglut erhitzt werden kann. Die Stäbe 3 bestehen aus Tonerde, Keramik oder einem sonstigen Material, das sich als Katalysator eignet und damit die bei der Verbrennung auftretende Oxydation begünstigt.
Der beschriebene Brenner besitzt einen sehr geringen Platzbedarf und eine grosse Heizleistung, und die infraroten Strahlen werden durch das Strahlungsrohr 2 und den zylindrischen Mantel 1 nach aussen abgestrahlt. Der thermische Wirkungsgrad des Brenners ist daher hoch. Gleichzeitig besteht auch eine visuelle Heizwirkung, da das rotglühende Strahlungsrohr 2 von aussen sichtbar ist.
Die Eigenschaften des beschriebenen Brenners lassen sich wie folgt zusammenfassen:
1. Der flüssige Brennstoff wird zerstäubt und im gasförmigen Zustand verbrannt.
2. Es ergibt sich ein spontaner Übergang bei der Verbrennung des flüssigen Brennstoffes vom Vorwärmstadium zur Verbrennung im vollkommen vergasten Zustand und dieser Übergang erfolgt ohne Einsatz spezieller Mittel.
3. Dank der speziellen Bauart des Brenners und der Vergasung des flüssigen Brennstoffes ist der Brenner klein und besitzt doch eine grosse Wärmeleistung.
4. Dank der speziellen Bauart des Brenners und der Vergasung des flüssigen Brennstoffes ergibt sich eine vollkommene Verbrennung ohne Verschmutzung der Atmosphäre.
5. In Anbetracht der kleinen Brennerabmessungen und des hohen Wirkungsgrades fällt kein Russ an, da der Brennstoff mit blauer Flamme verbrennt, und
6. in Anbetracht der kleinen Abmessungen des Brenners und des hohen Wirkungsgrades arbeitet dieser so gut wie geräuschlos, da der Brennstoff beim Verbrennen an den Öffnungen des Strahlungsrohres eine grosse Anzahl kleiner Flammen bildet.