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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner für ein Heizgerät, insbesondere
für ein
Kraftfahrzeugheizgerät,
mit einer Brennkammer, der über
eine Düse
Brennstoff zugeführt
werden kann, mit einer in der Brennkammer angeordneten Scheibe und
mit einer der Scheibe zugeordneten Verdampferkammer.
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Die
Druckschrift
DE 102
10 034 A1 zeigt ein mobiles Heizgerät mit einer Brennstoffversorgung. Der
darin offenbarte gattungsgemäße Brenner
ist in den
2a und
2b dargestellt,
wobei
2a den Brenner beim Start und
2b den
Brenner im Normalbetrieb zeigt. Der insgesamt mit
110 bezeichnete
Brenner weist eine Brennkammer
112 sowie eine hier nicht
näher interessierende
Nachbrennkammer
134 auf. In der Brennkammer
112 ist
eine Scheibe in Form einer Prallscheibe
118 angeordnet,
auf der eine Startkammer
120 befestigt ist. In die Startkammer
120 ragt
der Hot-Spot eines Glühstifts
124. Brennstoff
116 wird über eine
Düse
114 zugeführt, die
als Venturi-Düse
ausgebildet ist.
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Die
Venturidüse 114 erzeugt
einen Brennstoffspray 116, dessen Sprühwinkel und Sprayqualität (mittlere
Tropfengröße, Sprayhomogenität) wesentlich
von der Strömungsgeschwindigkeit
(=Luftmassenstrom) in der Düse 114 abhängt.
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Beim
im 2a dargestellten Start ist der Brennluftmassenstrom
im Vergleich zum stationären Brennbetrieb
geringer, um die Flammenausbildung zu begünstigen. Aufgrund der geringen
Strömungsgeschwindigkeit
in der Düse 114 bildet
sich ein Spray 116 mit engem Öffnungswinkel aus. Der Spray
wird in die Startkammer 120 eingedüst und am Hot-Spot des Glühstifts 124 entzündet.
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Im
in 2b dargestellten Normalbetrieb bildet sich aufgrund
der hohen Strömungsgeschwindigkeit
in der Düse 114 ein
Spray 116 mit im Vergleich zum Start großem Öffnungswinkel
und kleinem Tropfendurchmesser aus. Der Brennstoffspray 116 wird auf
die in der Brennkammer 112 angeordnete Prallscheibe 118 gesprüht und auf
deren Oberfläche
verdampft. In die Startkammer 120 wird nur sehr wenig Brennstoff 116 eingedüst.
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Die
Qualität
der Verbrennung hängt
von der Tropfengröße, der
Sprayhomogenität,
der Vermischungsgüte
von Brennstoff und Luft und der Strömungsführung im Brenner ab. Beim Brenner
nach dem Stand der Technik werden einzelne Brennstofftropfen durch
die Luftströmung
an der Prallscheibe vorbeigetragen und gelangen unverbrannt ins
Abgas. Die Folge sind verschlechterte Emissionswerte.
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Die
Druckschrift
DE 101
21 144 A1 zeigt ein Heizgerät mit einem Sekundärbrennbereich.
Der offenbarte Brenner weist in einem Primärbrennbereich eine Prallscheibe
auf, in der eine Startkammer ausgebildet ist. Diese dient der Verbesserung
der Starteigenschaften des Brenners, wohingegen die Prallscheibe
für eine
zusätzliche
Flamm-Stabilisierung sorgt.
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Die
Druckschrift
DE 39
01 126 A1 zeigt einen Brenner zur stöchiometrischen Verbrennung
von flüssigen
oder gasförmigen
Brennstoffen, der in seiner Brennkammer ein Vergasungs- und Führungsglied
aufweist, dessen Form in einer Projektion auf einer Ebene senkrecht
zur Brennerlängsachse
kreisförmig
ist. Dieses Führungsglied
ist im Wesentlichen trichterförmig
ausgebildet, wobei diejenige Seite des Trichter, die den größeren Öffnungsradius
aufweist, der Zerstäuberdüse des Brenners
zugewandt ist. Durch das Vergasungs- und Führungsglied wird die Brennkammer
in mindestens zwei Verbrennungs- und Rezirkulationszonen unterteilt.
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Die
Druckschrift
JP 610
383 17 A zeigt einen Brenner mit einer topfartigen Verdampferkammer.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die gattungsgemäßen Brenner
derart weiterzubilden, dass das Emissionsverhalten verbessert wird.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Der
erfindungsgemäße Brenner
baut auf dem gattungsgemäßen Stand
der Technik dadurch auf, dass die Düse derart ausgelegt ist, dass
sie der Verdampferkammer sowohl beim Start des Heizgerätes als
auch im Normalbetrieb den gesamten Brennstoff zuführt. Dies
gelingt insbesondere dadurch, dass die Düse sowohl beim Start als auch
im Normalbetrieb des Brenners einen Kraftstoffspray mit einem engen Öffnungswinkel
erzeugt. Sowohl beim Start als auch im Normalbetrieb wird praktisch
der gesamte Brennstoff in die Verdampferkammer eingedüst und vollständig verdampft.
Im Gegensatz zum Stand der Technik hat die Scheibe nicht mehr die
Funktion einer Prallscheibe, sondern dient in erster Linie dazu, Wärme in die
Verdampferkammer einzutragen, was später noch näher erläutert wird. Durch die praktisch vollständige Verdampfung
des Brennstoffs gelangen deutlich weniger Brennstofftropfen als
beim Stand der Technik unverbrannt in das Abgas, wodurch das Emissionsverhalten
verbessert wird. Ein weiterer Vorteil dieser Vorgehensweise besteht
darin, dass ein Betrieb des Brenners sowohl bei horizontaler als auch
bei vertikaler Anordnung mit gleicher Verbrennungsqualität möglich ist.
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Bei
bevorzugten Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Brenners
ist vorgesehen, dass die Düse
von einem im Wesentlichen unverdrallten Primärluftstrom durchströmt wird.
Dadurch wird ein Spray mit geringem Öffnungswinkel erzeugt. Der
geringe Öffnungswinkel
ist erforderlich, um den Brennstoff ausschließlich in die Verdampferkammer
einzubringen.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zwischen
der Scheibe und der Verdampferkammer eine gute Wärmeleitfähigkeit sichergestellt ist,
um Wärme
von der durch Brenngase aufgeheizten Scheibe zu der Verdampferkammer
zu übertragen.
Die Verdampferkammer wird einerseits durch den eingedüsten und
verdampfenden Brennstoff stark gekühlt und andererseits durch
die Rauchgase und durch Wärmestrahlung
nur wenig erwärmt. Die
Scheibe wird durch die vorbeiströmenden Rauchgase
stark erwärmt.
Durch die thermische Kopplung von Scheibe und Verdampferkammer wird der
Wärmeeintrag
in die Verdampferkammer erhöht. Die
Temperatur der Verdampferkammer ist dadurch so hoch, dass eine vollständige Verdampfung
des Brennstoffs sichergestellt werden kann.
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In
diesem Zusammenhang kann es vorteilhaft sein, dass die Verdampferkammer
und die Scheibe einstückig
ausgebildet sind. In diesem Fall kann die Schweißverbindung zwischen der Scheibe und
der Kammer entfallen, wobei vorzugsweise die Wärmeleitung zwischen der Scheibe
und der Verdampferkammer durch großzügige Querschnitte maximiert
wird.
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In
diesem Zusammenhang kann es weiterhin sinnvoll sein, dass die Verdampferkammer
und die Scheibe aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit gefertigt sind.
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Zusätzlich oder
alternativ kann in diesem Zusammenhang vorgesehen sein, dass die
Dicke der Scheibe zur Verdampferkammer hin zunimmt. Diese Lösung ist
sinnvoll, da die Scheibe im Normalbetrieb über die gesamte Fläche relativ
gleichmäßig aufgeheizt
wird und der Wärmefluss
in Richtung Verdampferkammer durch die zunehmende Dicke verbessert wird.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Brennkammer
einwandig ist. Diese Lösung
ist möglich,
weil durch die Verdampfung des Brennstoffs in der Verdampferkammer
dieser und durch die thermische Kopplung von Verdampferkammer und
Scheibe auch der Scheibe sehr viel Wärme entzogen wird. Auf eine
Kühlung
der Scheibe mittels Tertiärluft,
wie sie beispielsweise aus der
DE 102 214 95 B4 bekannt ist, kann deshalb
bei der erfindungsgemäßen Lösung verzichtet
werden. Durch eine einwandige Ausgestaltung der Brennkammer werden sowohl
die Materialkosten als auch die Fertigungszeit reduziert. Bei vielen
bekannten Brennern mit doppelwandiger Brennkammer sind die eigentliche Brennkammer
und der Brennerflansch miteinander verschweißt. Bei einem Versagen der
entsprechenden Schweißnaht
erhöht
sich bei derartigen Lösungen
die Tertiärluftmenge,
wobei sich die Primär-
und die Sekundärmenge
verringern. Aufgrund der Umverteilung der drei Teilluftströme verschlechtern
sich die Emissionen bei geringen Undichtigkeiten bereits sehr stark.
Aufgrund der schlechten Emissionen, insbesondere der erhöhten Rußemission,
steigt die Abgastemperatur und der Abgasgegendruck innerhalb kürzester
Zeit sehr stark an. Die Folge kann der Totalausfall des Brenners
sein. Durch eine erfindungsgemäß mögliche einwandige
Ausführung
der Brennkammer entfällt
die problematische Schweißnaht, weshalb
ein Versagen derselben und eine damit verbundene Abgastemperaturerhöhung nicht
mehr möglich
ist. Somit wird die Brennerstandzeit erhöht.
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Bei
bevorzugten Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Brenners
ist weiterhin vorgesehen, dass die Brennkammer zumindest einen Sekundärlufteinlass
aufweist, der derart angeordnet ist, dass eine Mischung von aus
der Verdampferkammer austretendem gasförmigem Brennstoff und Sekundärluft erfolgt.
Die Verbrennung eines gasförmigen Brennstoffs
erfolgt mit wesentlich besseren Emissionswerten als die Verbrennung
eines Brennstoffsprays gemäß dem Stand
der Technik. Die Qualität des
Brennstoffsprays (Tröpfchendurchmesser,
Homogenität,
etc.) hat bei der erfindungsgemäßen Lösung im
Gegensatz zum Stand der Technik einen geringen Einfluss auf die
Verbrennungsqualität,
da vorzugsweise der gesamt Brennstoff in die Verdampferkammer eingedüst und dort
verdampft wird. Vorzugsweise ist der Sekundärlufteinlass derart ausgelegt, dass
aus der Verdampferkammer austretender gasförmiger Brennstoff der Sekundärluft entgegenströmt. Durch
ein derartiges Gegenstromverfahren werden beide Gasströme intensiv
vermischt. Dabei kann durch eine Optimierung von Verdampferkammerdurchmesser
und -höhe
der Ort der Vermischung der beiden Gasströme genau bestimmt werden, wodurch
sich eine gute Stabilität
und eine Reproduzierbarkeit der Emissionswerte ergibt.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen beispielhaft
erläutert.
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Es
zeigen:
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1a eine
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Brenners
im Normalbetrieb;
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1b die
Luftströmungsverhältnisse
des Brenners von 1a im Normalbetrieb;
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2a einen
herkömmlichen
Brenner beim Startbetrieb, wie eingangs erläutert; und
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2b den
Brenner von 2a im Normalbetrieb, wie eingangs
erläutert.
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In
den 1a und 1b ist
ein insgesamt mit 10 bezeichneter Brenner dargestellt,
der eine einwandige Brennkammer 12 und eine hier nicht
näher interessierende
Nachbrennkammer 34 aufweist. Eine nur schematisch angedeutete
Venturi-Düse 14 ist dazu
vorgesehen, Brennstoff 16 in die Brennkammer 12 einzubringen.
Gegenüber
dem Auslass der Düse 14 ist
eine Scheibe 18 angeordnet, die im dargestellten Fall einstückig mit
einer Verdampferkammer 20 ausgebildet ist.
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Die
Verdampferkammer 20 ist dabei derart gegenüber dem
Auslass der Düse 14 angeordnet, dass
sowohl beim Start des Brenners als auch im Normalbetrieb der gesamte
Brennstoff 16 aus der Düse 14 in
die Verdampferkammer 20 gelangt. Der Brennstoff 16 wird
in der Verdampferkammer 20 vollständig verdampft und tritt als
gasförmiger
Brennstoff 28 am Rand der Verdampferkammer 20 aus.
Der gasförmige
Brennstoff 28 wird in einem Mischbereich 36 mit
Sekundärluft 30 vermischt,
die durch einen Sekundärlufteinlass 26 zugeführt wird.
Zum Start des Brenners sind gegebenenfalls in den 1a und 1b nicht
dargestellte, dem Fachmann jedoch bekannte Starteinrichtungen vorgesehen,
wie beispielsweise ein Glühstift.
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In 1b sind
die bevorzugten Luftströmungsverhältnisse
näher dargestellt.
Um den gesamten Brennstoffspray in die Verdampferkammer 20 einzubringen,
wird die durch die Düse 14 strömende Primärluft 22 nicht
oder nur minimal verdrallt. Eine minimale Verdrallung der Primärluft 22 kann
vorteilhaft sein, um die Düse 14 zu
spülen
und die Düsenströmung zu
stabilisieren. Innerhalb der Verdampferkammer 20 wird der
Primärluftstrom 22 beziehungsweise
der mit diesem geförderte
Brennstoffspray derart umgelenkt, dass der verdampfte Brennstoff
am Rand der Verdampferkammer 20 austritt. Über den Sekundärlufteinlass 26 wird
Sekundärluft 30 zugeführt, die
als verdrallte Sekundärluft 32 mit
dem aus der Verdampferkammer austretenden gasförmigen Brennstoff vermischt
wird.
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Durch
den nicht oder nur minimal verdrallten Primärluftstrom ergibt sich noch
ein weiterer Vorteil gegenüber
dem Stand der Technik. Beim Stand der Technik wird die Düsenluft
verdrallt, damit der Brennstoffspray möglichst gut aufgerissen wird.
Durch die Zentrifugalkraft werden auch Brennstofftröpfchen an die
Düsenwandung
geschleudert. Aufgrund der lokal hohen Temperaturen an der Düsenwandung
besteht die Gefahr, dass der die Düsenwandung benetzende Brennstoff
vercrackt und sich Ablagerungen bilden. Die Ablagerungen beeinflussen
die Düsenströmung, die
Verbrennungsqualität
verschlechtert sich. Da die Primärluft
die Düse
erfindungsgemäß zumindest weitgehend
unverdrallt durchströmt,
werden keine Brennstofftropfen an die Düsenwand geschleudert und es
bilden sich keine Ablagerungen in der Düse, welche die Düsenströmung über die
Lebensdauer nachteilig beeinflussen könnten.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den
Ansprüchen
offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch
in beliebiger Kombination für
die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
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- 10
- Brenner
- 12
- Brennkammer
- 14
- Düse
- 16
- Brennstoff
- 18
- Scheibe
- 20
- Verdampferkammer
- 22
- Primärluftstrom
- 26
- Sekundärlufteinlass
- 28
- Brennstoff
- 30
- Sekundärluft
- 32
- Sekundärluft
- 34
- Nachbrennkammer
- 36
- Mischbereich
- 100
- Brenner
gemäß dem Stand
der Technik
- 112
- Brennkammer
- 114
- Düse
- 116
- Brennstoff
- 118
- Prallscheibe
- 120
- Startkammer
- 124
- Glühstift