DE2912519A1

DE2912519A1 - Brenner zur ausbildung und verbrennung eines zuendfaehigen gemisches aus einem fluessigen brennstoff und verbrennungsluft

Info

Publication number: DE2912519A1
Application number: DE19792912519
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dr Foerster; Berthold Dipl Ing Sack
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1979-03-29
Filing date: 1979-03-29
Publication date: 1980-12-04
Also published as: GB2054126A; DE2912519C2; US4318689A; FR2452668B1; GB2054126B; FR2452668A1; JPS55131607A; GB2051323B; GB2051323A

Description

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Kernforschungsanlage Jülich
Gesellschaft mit "beschränkter Haftung

Brenner zur Ausbildung und Verbrennung eines zündfähigen Gemisches aus einem flüssigen Brennstoff und Verbrennungsluft

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner zur Ausbildung und Verbrennung eines zündfähigen Gemisches aus einem flüssigen Brennstoff und Verbrennungsluft, der je eine Zufuhreinrichtung für flüssigen Brennstoff und eine Zufuhr für Verbrennungsluft aufweist und bei dem eine Rückführung für aus dem Brennraum abströmendes Abgas zur Vorerhitzung der Verbrennungsluft vorgesehen ist.

Brenner dieser Art werden sowohl in Industrieöfen als auoh in Wärmeerzeugern kleinerer Einheit verwendet. Duroh Rückführen des aus dem Brennraum abströmenden Abgases zur Vorerhitzung der Verbrennungsluft wird der Brennstoffbedarf verringert. Bei Verwendung flüssiger Brennstoffe ist eine gute Vermischung des Brennstoffes mit der Verbrennungsluft wesentlich für eine gleichmäßige Verbrennung des zündfähigen Gemisches. Bekannt

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ist es, den flüssigen Brennstoff in die vorgewärmte Verbrennungsluft beispielsweise mittels Düsen zu zerstäuben, wobei die gebildeten Brennstofftröpfchen innerhalb der Verbrennungsluft verdampfen und danach verbrannt werden, vergleiche hierzu R. Buchheim, "Untersuchungen zum Emissionsverhalten von Pkw-Gasturbinenbrennkammern", Dissertation BWTH-Aachen, 1977. Zur Erzeugung eines zündfähigen Gemischs mit verdampftem Brennstoff ist jedoch die Luft so weit zu erwärmen, daß die Siedetemperatur des Brennstoffs erreicht wird.3n diesem Falle besteht jedoch die Gefahr, daß Crackprozesse auftreten, die zu unerwünschten Niederschlägen und Ablagerungen im Brennraum und in anderen vom Abgas durchströmten Bauteilen führen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen zur Verbrennung flüssiger Brennstoffe geeigneten Brenner zu schaffen, der es gestattet, den Brennstoff mit niedrigerer Temperatur als sie die Verbrennungsluft aufweist mit der Verbrennungsluft zu vermischen und ein schadstoffarmes, zündfähiges Gemisch zu erzeugen, ohne daß durch Überhitzen des flüssigen Brennstoffes ein Cracken des Brennstoffs auftritt. Darüber hinaus soll der Brenner in einfacher Weise gestaltet sein.

Diese Aufgabe wird bei einem Brenner der oben genannten Art gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Beim Brenner gemäß der Erfindung mündet die Zufuhrleitung für den flüssigen Brennstoff in eine geschlossene Kammer, die poröse Wände auf-

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weist, durch die der Brennstoff hindurchtritt. Die Kammer ist innerhalb eines Strömungsraumes für die vorerhitzte Verbrennungsluft angeordnet, so daß der die Wände der Kammer durchdringende Brennstoff an deren dem Strömungsraum zugewandten Oberfläche einen Plüssigkeitsfilm bildet und unmittelbar in die vorerwärmte Verbrennungsluft verdunstet. Vorteilhaft ist dabei,daß die Verdunstung des flüssigen Brennstoffs auf der Oberfläche der Kammer eine unerwünschte Überhitzung des flüssigen Brennstoffs in der Kammer infolge wirksam werdender Verdunstungskühlung verhindert. Brennstoff und Verbrennungsluft werden innerhalb des Strömungsraumes miteinander vermischt und sind nach Austritt aus dem Strömungsraum zündfähig. Die Verbrennungsluft wird auf eine für die Verdunstung des Brennstoffs geeignete Temperatur vorgewärmt. Hierzu umschließt die Rückführleitung des Abgases den Strömungsraum in der Weise, daß die Verbrennungsluft noch vor Erreichen der Oberfläche der Kammer die vorgenannte Temperatur erreicht hat.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 angegeben. Danach ist die Kammer als stirnseitig verschlossener Hohlzylinder ausgebildet und mit radialem Abstand koaxial in einem Rohr angeordnet, das zur Mhrung von Verbrennungsluft dient. Das Rohr wird von der Rückführleitung für das Abgas umschlossen. Alle Teile des Brenners sind koaxial symmetrisch angeordnet, -so «kx-ji sich nicht nur ein einfacher Aufbau des Brenners, sondern auch eine leichte Zugänglichkeit zu den einzel-

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nen Bauteilen ergibt.

TJm den Kaltstart des Brenners zu erleichtern, ist der Strömungsraum für die Verbrennungsluft von einer vor Zufuhr von Verbrennungsluft einschaltbaren elektrischen Heizung umgeben, Patentanspruch 3. Mittels der Heizung ist die Wand des Strömungsraumes zum Zwecke des Kaltstarts soweit erhitzbar, daß die kalte Verbrennungsluft beim Einströmen in den Strömungsraum auf eine Temperatur erhitzt wird, die zur Bildung eines zündfähigen Gemisches mit dem verdunstenden Brennstoff ausreichend ist. Wird die Betriebstemperatur im Brennraum und damit eine ausreichende Aufheizung der Verbrennungsluft durch Wärmeaustausch mit dem aus dem Brennraum abströmenden Abgas erreicht, wird die elektrische Heizung abgeschaltet.

Die porösen Wände der Kammer bestehen aus porösem keramischen oder metallischem Werkstoff beispielsweise aus Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Aluminium-, Zirkon- oder Magnesiumoxid oder aus Sintermetall, das als Filtermaterial bekannt ist.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung ist ein Brenner im Längsschnitt wiedergegeben.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, ist am Brenner eine Zufuhrleitung 1 für flüssigen Brennstoff angeordnet, die in eine, im Innenraum des Brenners angeordnete, geschlossene Kammer 2 mit porösen Wänden 3 mündet. Im Aus-

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führungsbei spiel sind die Stirnseite¹¹ der Kammer mit

für den Brennstoff undurchlässigen Platte¹¹ 4 abgeschlossen. Eine in der Zufuhrleitung 1 angeordnete Förderpumpe 5 sorgt innerhalb der Kammer 2 für den notwendigen Flüssigkeitsdruck, der ausreichend ist, um den Brennstoff durch die porösen Wände 3 hindurchtreten zu lassen. Die Wände 3 bestehen aus einem porösen Sinterwerkstoff. Aus der Kammer 2 führt eine Überlaufleitung 6, in die eine Drossel 7 eingesetzt ist, zum Vorratsbehälter 8 zurück. Hierdurch wird ein Überlaufen des Brennerkopfes durch Überangebot von flüssigem Brennstoff verhindert. Ein Regelventil 9 in der Zuleitung 1 dient der Einstellung eines konstanten Druckes in der Kammer 2 und damit der Einstellung der erforderlichen Brennstoffmenge. Über einen Bypass 10 mit Drossel 11 kann überschüssiger Brennstoff unmittelbar hinter der Förderpumpe 5 zum Vorratsbehälter 8 zurückgeführt werden.

Die Kammer 2 wird umgeben von einem einen Strömungsraum für die vorerhitzte Verbrennungsluft bildenden Rohr Zwischen der Kammer 2, die als stirnseitig geschlossener Hohlzylinder ausgebildet und koaxial im Rohr 13 angeordnet ist, und der Innenwand des Rohres 13 wird ein Ringraum gebildet, dessen Querschnitt so bemessen ist, daß die Verbrennungsluft beim Durchströmen des Ringraumes eine ausreichende Menge verdunstenden Brennstoffs mit sich führen kann. Das zündfähige Gemisch aus Brennstoff und Verbrennungsluft wird im Ausführungsbeispiel noch in eine gesonderte Homogenisierungskammer 1fy geführt. Am

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stirnseitigen Ende dieser Homogenisierungskammer befindet sich ein Flammhalter 15. Nach. Durchtritt durch diesen Flammhalter wird das Gemisch gezündet und verbrennt im Brennraum 16. Der Flammhalter kann als metallisches Metz ausgebildet sein, er kann als Durchströmöffnungen ringförmige Schlitze aufweisen, er kann aber auch als Lochplatte gestaltet sein, wobei der freie Gesamtquerschnitt der Öffnung des Flammhalters so gewählt ist, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches in der Öffnung des' Flammhalters größer ist, als die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Flamme. Damit wird ein Zurückschlagen der Flamme in die Homogenisierungskammer verhindert.

Aus dem Brennraum 16 wird zumindest ein Teil des Abgases in einer Rückführleitung 17 abgeführt. Die Rückführleitung umgibt das Rohr 13 so, daß das Abgas zur Erhitzung der Verbrennungsluft an der Aussenwandung des Rohres 13 entlanggeführt wird. Die Länge der Rückführleitung 17 ist so gewählt, daß die Verbrennungsluft im Strömungsraum vor Berühren der porösen Wände 3 der Kammer 2 auf die für die Verdunstung des Brennstoffes geeigneten Temperatur erwärmt wird. Zur Ausbildung des Strömungsraumes 12 in diesem Bereich ist im Rohr 13 ein Verdrängungskörper 18 angeordnet. Nach Verlassen der Rückführleitung 17 wird das Abgas über einen Abgasstutzen in die Umgebung abgeblasen.

Die Verbrennungsluft wird von einem Gebläse 20 angesaugt und dem Rohr 13 über eine Zufuhrleitung 21 zugeführt.

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Das Rohr 13 "weist in seiner, den Strömungsraum 12 umgehenden Länge bishin zur stirnseitigen Platte 4 der Kammer 3veme elektrische Heizung 22 auf, die einsohalfbar ist, "bevor Verbrennungsluft vom Gebläse 20 in die Zufuhrleitung 21 gefördert wird. Die Heizung dient dem Kaltstart des Brenners. Das Rohr 13 wird elektrisch so vorgeheizt, daß die danach eintretende kalte Verbrennungsluft auf die für die Verdunstung des Brennstoffes erforderliche Temperatur gebracht wird. Das sich im Strömungsraum bildende Brennstoff-Luft-Gemisch durchströmt die'Homogenisierungskammer 1^- und den Plammhalter 15 und wird im Brennraum 16 gezündet und verbrannt. Im Ausführungsbeispiel wird ein Teil der im Brennraum entstehenden Abgase über die Rückführleitung 17 im Gegenstrom zur Verbrennungsluft zum ;bgasstutzen 19 geleitet. Mach Erreichen stationärer Betriebsverhältnisse im Brennraum 16 wird die Heizung des Rohres 13 abgeschaltet. Danach übernimmt das Abgas die Erwärmung der Verbrennungsluft bis zu der für die Filmverdunstung des Brennstoffes notwendigen Temperatur.

Die elektrische Heizung 22 bilden Heizdrähte, die um das Rohr 13 herum oder auoh - was in der Zeichnung nicht dargestellt ist - in der Rohrwand innerhalb axial ausgerichteter Kanäle verlegt sind. Im Ausführungsbeispiel sind die das Rohr 13 spiralförmig umgebenden Heizdrähte gegenüber dem Rohr 13 elektrisch isoliert und von einem auf dem Rohr 13 aufgeschrumpften Rohr 23 abgedeckt. Zweckmäßig ist es, das Rohr 13 aus einem elektrisch Ieit-

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fähigen keramischen Werkstoff, wie SiC\erzustellen, so daß das Rohr 13 selbst als Heizwiderstand mit einer Spannungsquelle verbindbar ist. In letzterem Pail wird eine sehr gleichmäßige Aufheizung der Rohrwand erreicht. Erforderlich ist jedoch eine elektrische Isolation des Rohres 13 gegenüber den übrigen Teilen des Brenners.

Beim Brenner gemäß der Erfindung mit Film-Verdunstung des flüssigen Brennstoffes und einer Verbrennungsluftvorwärmung für den Kaltstart wird eine ausreichende Brennstoff-Verdunstung erreicht, die zu einer nahezu rückstandsfreien und schadstoffarmen Verbrennung bei kurzer Verbrennungszone führt. Durch Regulierung der Zufuhr von Verbrennungsluft und Brennstoff, letzteres durch Einstellen des flüssigkeitsdruckes in der Kammer 2, lassen sich die Brennstoff-Luft-Gemische einstellen. Wegen der großen Flächen, die die porösen Wände 3 der Filmverdunstung des Brennstoffes, anbieten, kann die zuzuführende Brennstoffmenge bei geringen Druckänderungen in der Kammer 2 rasch geändert werden. Besonders vorteilhaft ist es, daß mit dem Brenner auch Heizöle unterschiedlicher Qualität verbrennbar sind, wobei auch mit schwerem Heizöl eine Verbrennung erzielt wird, wie sie bei Verwendung von leichtem Heizöl eintritt. Eine Vorerhitzung der Verbrennungsluft auf etwa 200 C ist hierzu ausreichend. Wegen der Verdunstung des flüssigen Brennstoffes bereits vor einer Zündung im Brennraum, bilden sich keine Brennstofftröpfchen, wie beispielsweise bei einer Zerstäubung durch Düsen, und damit auch keine durch

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Craok-Prοzesse entstehenden, schädlichen Niederschläge oder Rückstände im Brennraum. Die Filmverdunstung findet bei verhältnismäßig niedriger Brennstofftemperatur statt. Infolge der Verdunstungskühlung treten auch bei höherer Verbrennungslufttemperatur in der den Brennstoff führenden Kammer nur Temperaturen im Bereich zwischen 120 bis 150 ⁰C auf. In vorteilhafter Weise entstehen damit auch in der mit Brennstoff gefüllten Kammer 2 keine Crackprodukte.

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Claims

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Kernforschungsanlage Julien
Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Patentansprüche

.JBrenner zur Ausbildung und Verbrennung eines zündfähigen Gemisches aus einem flüssigen Brennstoff und Verbrennungsluft, der je eine Zufuhreinrichtung für flüssigen Brennstoff und eine Zufuhr für Verbrennungsluft aufweist und bei dem eine Rückführung für aus dem Brennraum abströmendes Abgas zur Vorwärmung der Verbrennungsluft vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zufuhr leitung (1) für den Brennstoff in einer geschlossenen Kammer (2) mit für den Brennstoff durchlässigen, porösen Wänden (3) mündet, daß die Kammer (2) innerhalb eines vorerhitzte Verbrennungsluft führenden Strömungsraums (12) angeordnet ist, der seinerseits von einer Rückführleitung (17) für das Abgas umschlossen ist.
2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Kammer (2) als p-tirnseitig verschlossener Hohlzylinder ausgebildet und mit radialem Abstand koaxial innerhalb eines die

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Verbrennungsluft führenden Rohres (13) angeordnet ist, das koaxial innerhalb der Rückführleitung (17) für das Abgas verlegt ist.
3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Strömungsraum (12) für Verbrennungsluft von einer vor Zufuhr von Verbrennungsluft einschaltbaren elektrischen Heizung (22) umgeben ist.

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