DE2828319C2 - Brenner für flüssigen Brennstoff mit einer zylindrischen Wirbelkammer - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner für flüssigen Brennstoff, mit einer zylindrischen Wirbelkammer, die nach einer Seite durch eine Rückwand abgeschlossen ist und nach der anderen Seite hin in eine Verbrennungskammer mündet, mit tangential im Mamtel der Wirbelkammer angeordneten Öffnungen zur Z'uführung von Verbrennungsluft und mit einer im wesentlichen zentrisch in der Rückwand der Wirbelkammer angeordneten Eintrittsöffnung für den Brennstoff, wobei sich durch die einströmende Verbrennungsluft innerhalb der Wirbelkammer ein den Brennstoff zerstäubender Zyklon ausbildet.

Ein derartiger Brenner ist aus der DE-OS 25 17 756 bekannt. Mit Hilfe des Zyklons wird über einen konischen Ringspalt ohne Förderdruck zugeführter Brennstoff angesaugt und in den zerstäubenden Bereich der Drallströmung durch deren hohe Strömungsgeschwindigkeit gerissen und fein zerstäubt, wobei die Vermischung mit der Primärluft darstellenden Zerstäubungsluft wegen der geringen Tiefe der Wirbelkammer überwiegend außerhalb davon erfolgt. Die sich ausbildende Drallflamme berührt zwar die Frontplatte nicht, bildet aber eine trichterförmig auseinanderstrebende, intensive Verbrennungszone, wobei im axialen Bereich Verbrennungsgase zurückströmen können. Es bildet sich also keine axial liegende, konzentrierte, kegelartige und vom Verwirbelungsbereich abgesetzte Flamme aus, wie sie insbesondere für Haushalts- und Gebäudeheizungkessel erwünscht ist.

Es stellt sich deshalb die Aufgabe, einen Brenner der eingangs genannten Art so auszubilden, daß bei praktisch druckloser Förderung des Brennstoffes ein hoher Zerstäubungsgrad erreicht wird und trotzdem die Verbrennung in einer konzentrierten Flamme, abgesetzt von der Wirbelkammer, stattfindet

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen gattungsgemäßen Brenner, bei dem die Wirbelkammer in an sich bekannter Weise als Misch- und Zerstäubungskammer ausgebildet ist, bei dem in die Misch- und Zerstäubungskammer eingeleiteter Brennstoff die Eintrittsöffnung anfangs in einem kompakten Strahl verläßt unu bei dem der Misch- und 7ei-stäubungskammer koaxial ein stromab offenes Mantelrohr nachgeordnet ist wobei im Bereich äes im Durchmesser gegenüber der Misch- und Zerstäubungskammer wesentlich vergrößerten Mantelrohres das Brennstoff-Luft-Gemisch stabilisiert verbrennt.

Bei dem Brenner nach der Erfindung erfolgt sowoh! die Zerstäubung als auch die Vermischung des Brennstoffes mit der Verbrennungsluft innerhalb der Wirbelkammer, in welcher der Zuluftstrom tangential zu einem imaginären Kreis innerhalb der Misch- und Zerstäubungskammer erfolgt und den Kammerinhalt in eine Drehung versetzt Die Brennstoffteilchen werden mit der gesamten Verbrennungsluft in der Misch- und Zerstäubungskammer völlig homogen durchmischt, wodurch eine sehr kurze Ausbrennzeit erreicht wird. Die Eintrittsöffnung für den Brennstoff ist »zentrisch« angeordnet; diese Worvvahl beinhaltet auch, daß von der exakten Zentrumslage abgewichen werden kann oder daß auch mehrere Öffnungen vorzusehen sind. Wesentlich ist, daß der Brennstoff im Bereich des stärksten Unterdruckes zugeführt wird, um eine möglichst exakte hohe Fließgeschwindigkeit einhalten zu können.

Unter »flüssigen Brennstoffen« werden insbesondere Heizöle verstanden. Es eignen sich zur Verbrennung jedoch auch andere Stoffe, wie Alkohole, niedrig siedende Aliphate oder Aromate.

Die Leistungsabgabe des Brenners wird gesteuert durch Steuerung der zeitlich zugeführten Verbrennungsluftmenge durch Änderung /W Antriebsleistung des zugehörigen Ventilators. Die Eintrittsgeschwindigkeiten des Luftstroms in die Misch- und Zerstäubungskammer liegen dabei zwischen 40 und 250 m/s, wobei grundsätzlich über weite Lastbereiche eine Verbrennung stöchiometrisch durchgeführt werden kann. Das Ein- und Abschalten des Brenners kann durch eine die Eintrittsöffnung schließende und öffnende, elektrisch zu betätigende Ventilnadel geschehen.

Ein Brenner für flüssigen Brennstoff mit einer Misch- und Zerstäubungskammer, in der sich ein den Brennstoff zerstäubender Zyklon ausbildet, ist bereits aus der DE-AS 23 20 442 bekannt. Allerdings wird bei diesem Brenner mit einer üblichen Zerstäuberdüse gearbeitet, also der Brennstoff nicht drucklos zugeführt. Spezielle Probleme der Flammenbildung stellen sich also hier nicht.

Weiterhin ist aus der DE-PS 11 57 333 eine Verbrennungsvorrichtung für flüssige Brennstoffe bekannt, bei der eine Brennstoffzerstäuberdüse in der Nähe der Mündung einer Wirbelkammer angeordnet ist. Eine Wirbelströmung wird zunächst in der Wirbelkammer erzeugt. Erst beim Austritt aus der Wirbelkammer wird der Brennstoff aufgenommen. Diese Anordnung ist in erster Linie auf eine Verbrennung mit Sauerstoffüberschuß gerichtet, denn die Wirbelströmung soll einen stabilen Wirbel ausbilden. Dabei ist insbesondere als nachteilig zu bemerken, daß ein Hohlstab, der die Brennstoffleitung in sich trägt und der in der Brennstoffdüse

endet, einen Fremdkörper bildet, der einen Luftwiderstand erzeugt, der wiederum eine erhöhte Luftzufuhrenergie erfordert Dieser Brenner kann demnach ebenso nicht als Vorbild für die Erfindung dienen.

Zur Einhaltung des kompakten Brennstoffstrahles wird vorzugsweise in die zwischen einem Vorratsbehälter und der Eintrittsöffnung verlaufende Brennstoffleitung ein Schwimmer-Regelventil eingebaut

Im folgenden wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten A^sführungsbeispieles die Erfindung näher erläutert Die Figuren der Zeichnung zeigen im einzelnen

F i g. r eine Heizkesselbefeuerung mit einem Brenner gemäß Erfindung;

F i g. 2 einen Schnitt entlang der Linie H-H der F i g. 3; is

F i g. 3 in vergrößerter Darstellung den Brenner mit der Misch- und Zerstäubungskamraer.

In der F i g. 1 ist eine Heizkesselbefeuerung mit einem Brenner 1 für flüssigen Brennstoff dargestellt Der flüssige Brennstoff, Oberlicherweise Heizöl EL mit einer Viskosität von 5 cSt (5 - 10-⁶m²/s) bei 20⁰C, wird von einsm Vorratsbehälter 31 über eine Leitung 32 dem Brenner 1 zugeführt Zwischen Vorratsbehälter und Brenner ist ein Schwimmerregelventil 33 eingebaut das für einen stets gleichen Druck zwischen Brenner-Brenn-Stoffeintrittsöffnung 30 und Niveau des Schwimmerregelventils 33 sorgt Damit ist für die Proportionalität zwischen Unterdruck und Menge an Brennstoff in der Zeiteinheit gesorgt Die Leitung 32 endet in einer Bohrung 34, die in einem Ankergehäuse 54 endet In dem Ankergehäuse ist beweglich gelagert ein Weicheisenanker 55, der von der Spule 56 in das Ankergehäuse 54 entgegen der Kraft einer Feder 52 hineingezogen werden kann. Der Anker 55 besitzt einen Kragen 58, der die Bewegung des Ankers in das Gehäuse 54 hinein begrenzt. Der Anker läuft auf der der Spule 56 abgewandten Seite in eine Ventilnadel 60 aus, die eine weitere Bohrung, die gleichzeitig die Eintrittsöffnung 30 für den Brennstoff ist, öffnet und verschließt. Die Anker-Spulen-Anordnung ist enthalten in einer Gehäuse-Büchse 61, die mit einem zylindrischen Gehäuse 35 verschraubt ist, das von den beiden Grundseiten des Zylinders her zwei unterschiedlich große, zylindrische Bohrungen aufweist, die über die Eintrittsöffnung 30 miteinander in Verbindung stehen. In der einen dieser Bohrungen im Inneren des Ankergehäuses 54 bewegt sich der Weicheisenanker i5; die andere ist die Misch- und Zersiäubungskammer 43. Das Gehäuse 35 ist eingebettet in eine Stirnwand 51, die Teil de-j Brennergehäuses ist Die Misch- und Zerstäubungskammer 43 ist so ausgelegt, daß sie querschnittsgleich von der Eintrittsöffnung bis zur Mündung ist.

Um einen möglichst gleichmäßigen Fluß des Brennstoffes durch Vergleichmäßigung der Viskosität zu erreichen, ist in den Vorratsbehälter 31 eine Tankheizung 50 eingebaut.

Über einen in die Stirnwand 51 eingearbeiteten ringförmigen Luftkanal 36 wird über eine Luftleitung 37 Luft herangeführt. Die Luftleitung 37 besitzt ferner ein gewichtsbelastetes Ventil 38, mit dessen Hilfe verhinden wird, daß bei ausgeschaltetem Brenner durch die Luftleitung 37 Luft in die Brennkammer eintritt und diese abkühlt Die Luftleitung besitzt ferner ein Regelventil 39, über das die von einem Luftverdichter 40 angesaugte Luft mit einem Druck von etwa 1,03 bis 1,3 bar in den Luftkanal 36 eingedrückt wird.

Der Luftkanal 36 endet in Bohrungen 44, die zur Zuführung der Verbrennung ,luft zur Misch- und Zerstäubungskammer 43 in den Mantel dieser Kammer eingearbeitet sind. Sie gestatten eine Luftzuführung, bei der eine wirbeiförmige Luftbewegung (Zyklon) innerhalb der Kammer 43 ausgebildet wird. Zu diesem in der Kammer sich ausbildenden Zyklon ist die Eintrittsöffnung 30 für den Brennstoff zentrisch an der Stirnseite der Kammer angeordnet

Der Mantel der Kammer 43 besitzt eine zylindrische Mantel-Innenwand, wobei insgesamt zwölf rotationssymmetrisch verteilte Bohrungen 44 vorhanden sind. Die Bohrungen 44 sind etwa a — 5 mm von der Eintrittsöffnung 30 entfernt, gemessen von einer Projektion des Zentrums der Bohrungen 44 auf die Achse der Kammer 43.

Wesentlich ist, daß die Bohrungen 44 so liegen, daß die Luft bei Eintritt in die Mischkammer in einem Winkel von 10 bis 60° in Abweichung von der Normalenrichtung geführt ist Die Luft wird de-.nnach tangential an die Peripherie eines innerhalb der Mischkammer 43 gedachten Kreises geblasen, wie dies aus der F i g. 3 hervorgeht. Es ist außerdem möglic'.- die Anblasrichtung der Bohrungen 44 schräg zur Aciise der Kammer

43 zu stellen, so daß die Richtung des Strahles etwas auf die Eintrittsöffnung 30 hin oder von dieser weggerichtet ist

Ferner ist möglich, statt eines Kranzes aus Bohrungen

44 auch mehrere in Achsenrichtung hintereinander liegende Kränze (gestrichelt angedeutet in F i g. 3 mit Bezugszahl 49) vorzusehen.

Die Stirnwand 51 bildet den Abschluß eines üblichen Heizkessels, der mit den üblichen Austauscherrohren (nicht, dargestellt) und Seitenwänden 52 ausgestattet ist. Aufgrund der guten Zerstäubung, Vermischung und Vergasung und anschließender Verbrennung mit kurzer Flamme kann im Heizkessel auf eine Ausmauerung verzichtet werden.

An der Innenseite der Stirnwand 51 ist ein Mantelrohr 63 angeordnet, das gegenüber dem Durchmesser der Misch- und Zerstäubungskammer 43 eiren wesentlich größeren Durchmesser hat und deren Öffnung konzentrisch umgibt. Das Mantelrohr 63 kann beispielsweise zylindrisch geformt oder kegelstumpfartig sich öffnend oder verjüngend ausgebildet sein.

Die starke Wirbelbewegung, die innerhalb der Kammer 43 durch das Einblasen der Verbrennungs- und Zerstäubungsluft hervorgerufen wird, setzt sich in Richtung Mantelrohr 63 fort und sorgt für die Festlegung einer stabilen, konzentrischen Flamme.

Der Brennstoffstrahl 45 (vgl. F i g. 3) tritt aus der Eintrittsöffnung 30 nicht in Tröpichenform, d. h. zersprüht, heraus, sondern anfangs in einem kompakten Strahl mit z. B. 1 mm Durchmesser. Aufgrund der Turbulenzen und Zentrifugalkräfte, die innerhalb des Zyklons wirken, wird d<"7 Strahl innerhalb und außerhalb der Mischkammer voll erfaßt, in feine Tröpfchen zerteilt und anschließend im Bereich der Mantelrohres 63 verbrannt Dabei ist festzustellen, daß die Tröpfchengröße 30 weit herabgesetzt ist, daß die Verbrennung mit einer rußfreien, im wesentlichen blauen Flamme stattfindet

Zum Starten des v'erbrennungsvorganges ist eine an sich bekannte Zündvorrichtung 47 vorgesehen, die einen Hochspannungs-Zündfunken zwischen zwei Elektroden erzeugt Durch eine entsprechende Bohrung innerhalb der Stirnwand 51 sind die Elektroden-Hälse durchgeführt. Weiterhin ist zur Überwachung der Flamme ein Flammendeteklor 46 vorgesehen, über den bei Ausbleiben der Flamme eine Abschaltung erfolgen kann.

Es zeigt sich, daß die Durchmesser der öffnungen 44 bzw. 49 für die Luft und der Durchmesser der Eintrittsöffnung 30 relativ genau aufeinander abgestimmt werden müssen. Beispielsweise hat sich erwiesen, daß zwölf Bohrungen mit je 3 mm Durchmesser, vor denen ein Luftdruck zwischen 1,03 und 1,3 bar ansteht, kompatibel sind mit einem Durchmesser von 1 mm Durchmesser der Eintrittsöffnung 30, wobei 2—3 kg öl pro Stunde (je nach Unterdruck) bei mittlerer Leistung einfließen. Dabei ist auch noch von Bedeutung, daß der durch den Niveauunterschied Schwimmerregelventil — Brennstoffeintrittsöffnung hervorgerufene Druckunterschied einer Brennstoffsäule zwischen 0 und 30 mm entspricht.

Beobachtet wurde, daß beispielsweise bei Verkleinerung der öleintrittsöffnung bei den genannten Bedingungen auf 0,5 mm keine stabile Flamme mehr herstellbar ist.

Da die Bedingungen für die vielen vorkommenden Betriebsbedingungen jedoch einzeln experimentell ermiiteit werden müssen, was im fachmännischen Ermessen liegt, sei es bei diesen kurzen Hinweisen belassen.

Die Regelung der Brennerleistung erfolgt durch Einstellung der Luftzufuhr durch den Verdichter 40, wodurch der Unterdruck in der Mischkammer variabel ein gestellt wird und damit die Brennstoff-Zufuhr durch die Leitung 32 gesteuert ist. Dabei sind zwischen den Stufen Vollast und Null zahlreiche Abstufungen möglich. Außerdem können die Bohrungen 44 bzw. 49 auch durch Schieber oder Blenden regelbar geöffnet und geschlossen werden. Es sei auf die Konstruktion gemäß DE-PS 27 29 321 (älteres Patent) verwiesen.

In der Fig.3 sind die Einzelteile der magnetischen Steuerung in etwas vergrößerter Form dargestellt. Es sind beispielsweise folgende Abmessungen gewählt: Durchmesser der Kammer 43:15 mm,

Durchmesser der Bohrungen 44:3 mm. Durchmesser der Brennstoffeintrittsöffnung 30:1 mm,

Das Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Kammer 43 sollte beispielsweise etwa 0,5 :1 bis 1 :0,5 betragen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

45

50

55

60

65

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Brenner für flüssigen Brennstoff, mit einer zylindrischen Wirbelkammer, die nach einer Seite durch eine Rückwand abgeschlossen ist und nach der anderen Seite hin in eine Verbrennungskammer mündet mit tangential im Mantel der Wirbelkammer angeordneten Öffnungen zur Zuführung von Verbrennungsluft und mit einer im wesentlichen zentrisch in der Rückwand der Wirbelkammer angeordneten Eintrittsöffnung für den Brennstoff, wobei sich durch die einströmende Verbrennungsluft innerhalb der Wirbelkammer ein den Brennstoff zerstäubender Zyklon ausbildet dadurch gekennzeich- 1¹V net, daß die Wirbelkammer in an sich bekannter Weise als Misch- und Zerstäubungskammer (43) ausgebildet ist daß der in die Misch- und Zerstäubungskammer (43) eingeleitete Brennstoff die Eintrittsöffnung (30) anfangs in einem kompakten Strahl (45) verläßt ds3 der Misch- und Zerstäubungskammer (43) kcaxia? ein stromab offenes Mantelrohr (S3) nachgeordnet ist und daß im Bereich des im Durchmesser gegenüber der Misch- und Zerstäubungskammer (43) wesentlich vergrößerten Mantelrohres (63) das Brennstoff-Luft-Gemisch stabilisiert verbrennt

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß zur Einhaltung des kompakten Brennstoffstrahls in die zwischen einem Vorratsbehälter (31) und der Eintrittsöffnung (30) verlaufende Brennstoffleitung /12) ein Schwimmer-Regelventil (33) eingebaut ist