DE19733226C2 - Vorverdampfender und vorvermischender Brenner für flüssige Brennstoffe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen vorverdampfenden und vorver­ mischenden Brenner für flüssige Brennstoffe nach Anspruch 3 der DE 196 06 560.

Aus der DE 31 34 818 A1 ist ein Vergaser für Brenn- und Kraftstoffe bekannt geworden. Bei diesem Vergaser wird der Brennstoff in einem Whiskerkörper erwärmt, wobei die Flamme der Verbrennung keinen Beitrag zur Erwärmung des Brennstoffes leistet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brenner bereitzustellen, der zum Einen klein baut, zum Anderen mit einer möglichst geringen Energiezufuhr für die Brennstoff­ vorwärmung auskommt.

Diese Aufgabe wird mit einem Brenner gelöst, der die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.

Ein derartiger Brenner weist den Vorteil auf, dass sich, je nach Grad der Luftvorwärmung, nach der Brennstoffzerstäubung eine kolloiddisperse oder molekulardisperse Brennstoffver­ teilung einstellt. Aufgrund der Stabilität des kolloiddispers bzw. molekulardispers verteilten Brennstoffes ist es möglich, die Reaktanten bereits vor der Flamme in einem großvolumigen Bereich zu mischen ohne dass sich die Brennstofftröpfchen an den Mischkammerwänden nieder­ schlagen. Die Mischung der Reaktanten ist daher vollständig räumlich entkoppelt von der Verbrennungsreaktion möglich und nicht wie bei herkömmlichen emissionsreduzierten Ölbrennern (sogenannten Blaubrennern) nur innerhalb einer sehr kleinen, der Flamme vorgelagerten Vergasungszone, die über Rauchgaszirkulation in direktem konvektiven Wärmeaustausch mit der Flamme steht. Die niedrige Temperatur des quasi-homogenen Gemisches des erfindungsgemäßen Brenners erlaubt eine intensive Mischung in einer großvolumigen Mischzone ohne die Gefahr der Selbstzündung. Die Mischung von Brennstoff und Verbrennungsluft ist nun nicht mehr auf die, in der Flamme vorgelagerte Vergasungszone beschränkt. Insbesondere durch den Einsatz einer Rücklaufdüse in Verbindung mit einer extremen Brennstoffvorheizung bei unter Druck stehendem Brennstoff sind kleine Feuerungsleistungen betriebssicher realisierbar. Außerdem wird der große Vorteil erzielt, dass Ablagerungen aus Crackprodukten vermieden werden, da die Brennstoffverdampfung in freier Atmosphäre stattfindet und nicht wie bei Filmverdampfungsbrennern an einer heißen Oberfläche in Anwesenheit von Sauerstoff.

Ein besonderer Vorteil wird darin gesehen, dass der eingangs genannte vorverdampfende und vorvermischende Brenner für flüssige Brennstoffe gemäß der DE 196 06 560 eine Zuführleitung für den Brennstoff, eine Mischzone, in welcher der Brennstoff mit der Verbrennungsluft gemischt wird, ein mit der Zuführleitung verbundenes und in die Mischzone ausmündendes Brennstoffventil sowie eine mit dem Brennstoffventil verbundene Rücklaufleitung aufweist, wobei die Zuführleitung mit einer Heizzone versehen ist, in welcher der zugeführte Brennstoff von einem Reaktionskörper erwärmt wird. Je nach Konstruktion des Brennstoffventils kommt der Rücklaufleitung folgende Bedeutung zu: Bei einer Rücklaufleitung, in der ein großer Teil des zum Brennstoffventils geförderten Ölmassenstrom zur Pumpe oder in den Tank gefördert wird, sind besondere Kühlmaßnahmen wie z. B. ein Luftkühler notwendig. Bei einer Rücklaufleitung, die lediglich als Leckageleitung dient, sind keine besondere Maßnahme zur Abkühlung des sehr geringen Ölmassenstroms notwendig. Beispielsweise reicht bei koaxialer Kombination der Ölzuführleitung und Ölrückführleitung die Kühlwirkung des zugeführten Ölmassenstroms aus. Schließlich sind auch Ausführungsformen bekannt, bei denen eine Rücklaufleitung nicht benötigt wird.

Dabei befindet sich die Heizzone in unmittelbarer Nachbarschaft zum Reaktionskörper, ist jedoch von ihm beabstandet. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Heizzone direkt mit dem Reaktionskörper verbunden. Durch diese Ausgestaltung wird der Brennstoff, wenn er die Heizzone passiert, vom Reaktionskörper, der in der Regel während des Betriebes glüht, erwärmt. Während des Betriebes ist die über eine gesonderte Heizeinrichtung zugeführte Energie daher geringer oder nicht erforderlich. Dabei kann die Erwärmung durch Strahlungsenergie, durch Konvektion oder bei direkter Berührung durch Wärmeübergang erfolgen.

Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Heizzone als Ringkanal ausgebildet. Auf diese Weise wird eine relativ große Oberfläche für den zuströmenden Brennstoff geschaffen, so dass dieser relativ rasch z. B. durch Strahlung erwärmt werden kann. Insbesondere bei einem den Ringkanal umgebenden hülsenförmigen Reaktionskörper steht eine sehr große Fläche für die Erwärmung zur Verfügung.

Bei einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Heizzone als Rohrwendel ausbildet ist. In diese Rohrwendel wird der zu erwärmende Brennstoff geführt, wobei die Rohrwendel direkt vom Reaktionskörper angestrahlt wird.

In der Vorwärmphase vor dem Start des Brenners wird der Brennstoff dadurch aufgewärmt, dass eine elektrische Heizpatrone vorgesehen ist, die mit der Heizzone in Verbindung steht. Insbesondere liegt die Heizzone direkt an der Heizpatrone an, so dass die Wärme der Heizpatrone durch Wärmeleitung auf die Heizzone und von dort auf den Brennstoff übertragen wird. Dabei kann die Heizpatrone als Heizstab oder als Heizwendel ausgebildet sein.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Heizpatrone abschnittsweise mit einem das Brennstoff-Luft- Gemisch führenden Bereich in Verbindung, wobei in Richtung der Gemischaufbereitung eine Flammenrückschlagsicherung vorgesehen ist. Die Heizpatrone dient bei diesem Ausführungsbeispiel zusätzlich als Zündeinrichtung, wobei das Brennstoff-Luft-Gemisch sich an der in der Regel glühenden Mantelfläche des Heizelements entzündet. Separate Zündeinrichtungen sind daher überflüssig.

Um zum einen die Verbrennungsluft vorzuwärmen, zum anderen den Brennstoff vor der Zurückführung in den Tank oder die Ölpumpe abzukühlen, ist die Rücklaufleitung im Bereich der Zuführleitung für die Verbrennungsluft vorgesehen.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung mehrere bevorzugte Ausführungsbeispiele im Einzelnen vorgesehen sind. Dabei können die in der Zeichnung dargestellten und in den Ansprüchen sowie in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. In der Zeichnung zeigen die Fig. 1 bis 5 Längsschnitte durch Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Brenners und die Fig. 2a, 3a und 5a Querschnitte durch die Ausführungsformen gemäß der Fig. 2, 3 und 5.

In der Fig. 1 ist ein insgesamt mit 1 bezeichneter Brenner dargestellt, der den nachfolgend beschriebenen Aufbau aufweist. Innerhalb eines rotationssymmetrischen Reaktionskörpers 2 befindet sich ein Wärmetauscherelement 3, in welchem der Brennstoff vorgewärmt wird. Dieser wird z. B. von einem Vorratstank über eine Zuführleitung 4 dem Wärmetauscherelement 3 zugeführt und gelangt in einen Ringkanal 5, der von zwei konzentrischen Hülsen 6 und 7 gebildet wird. In den Ringkanal 5 wird der Brennstoff über eine Verbindungsleitung 8 eingeführt bzw. aus dem Ringkanal 5 über eine Leitung 9 herausgeführt. Leitung 9 mündet in eine Rücklaufdüse 10, die ab einem bestimmten, in der Leitung 9 herrschenden Druck öffnet und den Brennstoff in eine innere Mischkammer 11 zerstäubt. In diese Mischkammer 11 münden außerdem Luftkanäle 12, über welche die Verbrennungsluft zugeführt wird. Diese Verbrennungsluft durchströmt das Wärmetauscherelement 3 über eine Leitung 13 sowie einen Ringkanal 14.

Bei geschlossener oder geöffneter Rücklaufdüse 10 wird der über die Leitung 9 zugeführte Brennstoff über eine Rücklaufleitung 15 in den Tank zurückgeführt. Diese Rücklaufleitung 15 befindet sich in der Nähe der Leitung 13, so dass über die die Leitung 13 durchströmende Luft der in der Rücklaufleitung 15 sich befindende Brennstoff gekühlt bzw. über diesen Brennstoff die Luft erwärmt wird. Bei hohen rückgeförderten Brennstoffmengen ist ein besonderer Ölkühler vorgesehen, der entweder von der zugeführten Verbrennsluft oder vom Ölmassenstrom oder beidem durchgeströmt wird.

Das Wärmetauscherelement 3 weist eine Umfangsnut 16 auf, in welche ein Heizelement 17 in Form einer Heizwendel 18 eingelegt ist. Über diese Heizwendel 18 wird in der Startphase die innere Hülse 6 und über diese der im Ringkanal 5 sich befindende Brennstoff vorgewärmt. Dabei steht der Brennstoff im Ringkanal 5 unter Druck. Die innere Hülse 6 ist auf die Heizwendel 18 aufgepreßt und an ihren Stirnseiten verschweißt, wodurch die Heizwendel 18 fixiert und geschützt wird. Die Heizwendel 18 kann zusätzlich mit einem (nicht dargestellten) Thermoelement ausgestattet sein.

Die Rücklaufdüse 10 befindet sich in einer Überwurfmutter 19, so dass sie bei Bedarf, z. B. zu Reparatur- oder Wartungszwecken, schnell ausgebaut werden kann. An der Rückseite der Düse 10 ist der Ventilstößel 20 erkennbar, der über eine Druckfeder 21 vorgespannt ist. Das Brennstoffventil kann auch als konstruktive Einheit die Feder enthalten.

Auf die Überwurfmutter 19 ist das innere Mischkammergehäuse 22 aufgesetzt, welches vom äußeren Mischkammergehäuse 23 übergriffen ist. Zwischen dem inneren und dem äußeren Mischkammergehäuse befindet sich also eine weitere Mischkammer 24, die zur weiteren Homogenisierung des Brennstoff-Luft-Gemisches dient. Aus dieser äußeren Mischkammer 24 wird das Gemisch dem Reaktionskörper 2 zugeführt und durchströmt diesen radial nach außen. Nach dem Entzünden brennt das Gemisch außerhalb des Reaktionskörpers 2 ab, wobei der Reaktionskörper 2 während des Betriebes glüht. Bei einem Porenbrenner kann das Gemisch auch teilweise oder vollständig innerhalb des Reaktionskörpers 2 abbrennen. Die Strahlungswärme des Reaktionskörpers 2 wird radial nach innen sowohl auf das zwischen dem Reaktionskörper 2 und dem Wärmetauscherelement 3 sich befindenden Brennstoff-Luft-Gemisch als auch auf die äußere Hülse 7 übertragen, wodurch das Gemisch und der im Ringkanal 5 sich befindende Brennstoff erwärmt werden. Während des Betriebes ist das Heizelement 17, welchem über die elektrischen Leitungen 25 Energie zugeführt wird, abgeschaltet oder zwecks Aufrechterhaltung einer bestimmten Temperatur z. B. über einen Regler taktend betrieben.

Die Flammenüberwachung an der Außenseite des Reaktionskörpers 2 erfolgt über einen in den Feuerraum oder in den Vormischbereich blickenden Flackerdetektor 26, der von unten durch den Reaktionskörper 2 hindurchsieht. Eine Flammenüberwachung mittels Ionisationselektrode, die oberhalb des Reaktionskörpers angeordnet ist oder in diesen hineinragt, ist ebenfalls möglich.

Die in der Fig. 1 dargestellte Ausführungsform eines Brenners hat den wesentlichen Vorteil, dass aufgrund des geringen Abstandes des Ölfilmes im Ringkanal 5 zu der vom Reaktionskörper 2 gebildeten Strahlungsquelle der Brennstoff innerhalb kürzester Zeit, insbesondere in der Startphase aufgeheizt wird. Die Wärme fließt dem Ölfilm dabei radial von innen zu. Im Brennerbetrieb heizt die Strahlungswärmeabgabe des Reaktionskörpers die äußere Hülse des Ringkanals auf. Diese gibt die Wärme an den Ölfilm weiter. Beim Brennerstart wird der Ölfilm dementsprechend radial von innen aufgeheizt, im Brennerbetrieb erfolgt die Beheizung durch die Wärmeabgabe (Strahlung, Leitung) des Reaktionskörpers. Je nach Aufheizwirkung des Reaktionskörpers wird das elektrische Heizelement im Brennerbetrieb vollständig abgeschaltet oder zur Einhaltung einer bestimmten Öltemperatur nur taktend betrieben.

Außerdem bietet der Ringkanal 5 eine große Wärmetauscherfläche. Alternativ kann der rotationssymmetrische Reaktionskörper 2 auch als flächiger Körper ausgebildet sein, wobei unmittelbar unterhalb oder oberhalb in der Nähe der Reaktionszone dieses flächigen Körpers anstelle des Ringkanals 5 ebenfalls ein Flachkanal für die Aufwärmung des Brennstoffs vorgesehen sein kann.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 kontaktiert das Wärmetauscherelement 3 direkt den Reaktionskörper 2, wodurch der in der Verbindungsleitung 8 sich befindende Brennstoff über Wärmeleitung aufgewärmt wird. Das Heizelement 17 zur Erwärmung des Brennstoffes in der Startphase ist als Heizstab 27 ausgebildet, der in eine entsprechende Bohrung 28 (siehe Fig. 2a) des Wärmetauscherelements 3 eingesetzt ist. Diese Bohrung 28 ist über einen Teil ihrer Länge segmentartig aufgebrochen, so dass der Heizstab 27 in diesem Bereich 29 offen zugänglich ist. Dieser Bereich 29 steht über einen Ausbruch 30 sowie eine Verbindungsleitung 31 mit einer Kammer 32 in Verbindung, die ihrerseits über den Ringkanal 33 mit der äußeren Mischkammer 24 verbunden ist. Auf diese Weise kann sich am Ende der Startphase das Brennstoff-Luft-Gemisch, welches über die Verbindungsleitung 31 in den Ausbruch 30 eintreten kann, am glühenden Heizstab 27 entzünden, so dass die Flamme den Reaktionskörper 2 durchdringen kann, wodurch der Brenner 1 in Gang gesetzt wird. Ein Zurückschlagen der Flamme aus dem Ausbruch 30 in die Kammer 32 wird durch den verhältnismäßig kleinen Querschnitt der Verbindungsleitung 31 sowie deren Länge erreicht, wodurch eine sichere Flammenrückschlagsicherung geschaffen wird. Die hohe Geschwindigkeit des Brennstoff-Gas-Gemisches und der geringe Abstand der Flächen und die relativ große Länge der Flächen (Löschabstand) der Verbindungsleitung 31 verhindern ein Entzünden des Gemisches in der Kammer 32.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 3 wird das Wärmetauscherelement 3 ebenfalls von einem Heizstab 27 erwärmt, wobei der Brennstoff den Ringkanal 5 im Gegenstrom durchströmt. Aus Fig. 3a, die einen Schnitt IIIa-IIIa gemäß Fig. 3 zeigt, ist ersichtlich, wie die den Brennstoff führenden Leitungen innerhalb des Wärmetauscherelements 3 geführt sind.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 4 ist das Wärmetauscherelement 3 von einer Rohrwendel 34 umschlungen, in welcher der Brennstoff geführt wird. Diese Rohrwendel 34 ist sowohl an die Verbindungsleitung 8 als auch an die Leitung 9 angeschlossen, wobei auch die Rohrwendel 34 im Gegenstrom durchströmt wird. Diese Rohrwendel 34 wird vom glühenden Reaktionskörper 22 angestrahlt, wodurch der darin fließende Brennstoff erwärmt wird.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 5 ist, wie deutlich aus dem Schnitt Va-Va, der in Fig. 5a dargestellt ist, ersichtlich, dass das Wärmetauscherelement 3 im Wesentlichen stegförmig ausgebildet ist, wodurch dessen Masse auf ein Minimum reduziert ist. Dieses Wärmetauscherelement 3 kann relativ schnell vom Heizstab 27 aufgeheizt werden und bietet nur einen geringen Widerstand gegenüber der einströmenden Luft, die nunmehr in zwei Leitungen 13 zugeführt wird. Die Verbindungsleitung 8 und die Ausleitung 9 münden über radial in den Wärmetauscher 3 eingesetzte Büchsen in den Ringkanal 5 ein.

Claims (10)

1. Vorverdampfender und vorvermischender Brenner (1) für flüssige Brennstoffe nach der Vorrichtung gemäß Anspruch 3 der DE 196 06 560, wobei der Brenner (1) eine Zuführleitung (4) für den Brennstoff, eine Mischzone (11, 24), in welcher der Brennstoff mit der Verbrennungsluft gemischt wird und ein mit der Zuführleitung (4) verbundenes und in die Mischzone (11) ausmündendes Brennstoffventil (10) aufweist, und die Zuführleitung (4) mit einer Heizzone (5) versehen ist, in welcher der zugeführte Brennstoff von einem Reaktionskörper (2) erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionskörper (2) hülsenförmig ausgebildet ist, dass die Mischzone (11) außerhalb des Reaktionskörpers (2) und die Heizzone (5) innerhalb des Reaktionskörpers (2) vorgesehen sind.

2. Vorverdampfender und vorvermischender Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit dem Brennstoffventil (10) verbundene Rücklaufleitung (15) vorgesehen ist.

3. Vorverdampfender und vorvermischender Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizzone (5) in unmittelbarer Nachbarschaft zum Reaktionskörper (2) angeordnet ist, jedoch von ihm beabstandet ist.

4. Vorverdampfender und vorvermischender Brenner nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizzone (5) direkt mit dem Reaktionskörper (2) verbunden ist.

5. Vorverdampfender und vorvermischender Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizzone (5) als Ringkanal (5) ausgebildet ist.

6. Vorverdampfender und vorvermischender Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizzone als Rohrwendel (33) ausgebildet ist.

7. Vorverdampfender und vorvermischender Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisches Heizelement (17) vorgesehen ist, das mit der Heizzone in Verbindung steht.

8. Vorverdampfender und vorvermischender Brenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement als Heizstab (27) oder als Heizwendel (18) ausgebildet ist.

9. Vorverdampfender und vorvermischender Brenner nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (17) abschnittsweise mit einem das Brennstoff-Luft-Gemisch führenden Bereich (30) in Verbindung steht und in Richtung der Gemischaufbereitung eine Flammenrückschlagsicherung (31) vorgesehen ist.

10. Vorverdampfender und vorvermischender Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rücklaufleitung (15) im Bereich der Zuführleitung (13) für die Verbrennungsluft vorgesehen ist.