DE3005042C2

DE3005042C2 - Brenner für flüssigen Brennstoff mit einer Wirbelkammer

Info

Publication number: DE3005042C2
Application number: DE19803005042
Authority: DE
Inventors: Aloysius Maria Arnhem Verhagen
Original assignee: Smit Ovens Nijmegen Bv Nijmegen Nl; Smit Ovens Nijmegen Nijmegen BV
Current assignee: Smit Ovens Bv Nijmegen Nl
Priority date: 1978-06-28
Filing date: 1980-02-11
Publication date: 1986-03-27
Also published as: DE3005042A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner für flüssigen Brennstoff mit einer Wirbelkammer nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Die Erfindung stellt eine Verbesserung der Erfindung nach Patent 28 28 319 dar. Im Hauptpatent ist ein Brenner beschrieben, der ohne Zerstäubungsdüse für den Brennstoff arbeitet. Vernebelung und Vergasung des Brennstoffes finden unter weitgehender Zerschlagung der Brennstoffteilchen in einem begrenzbaren Volumen statt. Die Luft wird so geführt, daß sie innerhalb der Wirbelkammer einen Zyklon ausbildet, wobei der Brennstoff im Bereich der Achse des Zyklons eingeleitet, vorzugsweise angesaugt wird.

Unter »Zyklon« wird hierbei eine Luftbewegung verstanden, die kreisförmig ist, wobei aufgrund der Fliehkräfte eine geringfügige Luftverdichtung zum Rand der Wirbelkammer hin erfolgt. Aufgrund dieser Luftführung ergibt sich ein Unterdruck im Inneren des Zyklons, der dazu benutzt wird, den Brennstoff anzusaugen. Es ist erforderlich, daß der Brennstoff im Bereich der Achse des Zyklons eingeleitet wird, da hier der Unterdruck erfahrungsgemäß seinen Höchstwert erreicht. Der eingeführte Brennstoff wird durch die Turbulenzen innerhalb der Luftbewegung sofort zerrissen und in feinste Teilchen aufgeteilt und bei entsprechenden Temperaturverhältnissen rußfrei verbrannt.

Der Brenner gemäß Hauptpatent besitzt eine Eintrittsöffnung für den Brennstoff in der Rückwand der als Misch- und Zerstäubit-gskammer ausgebildeten Wirbelkammer. Die Öffnung bzw. Öffnungen zur Zuführung der Verbrennungsluft dagegen sind in den Mantel der Wirbelkammer eingearbeitet und gestatten eine Luftführung, bei der sich, wie bereits erwähnt, ein Zyklon ausbildet.

Zahlreiche Versuchsläufe haben gezeigt, daß ein wesentliches Kriterium für die Wirtschaftlichkeit des Brenners darin besteht, die aufgewandte Energie für die Zerschlagung des Brennstoffes, die durch den Ventilator aufgebracht wird und die durch den Verbrennungsiuftstrom transportiert wird, möglichst ökonomisch und gezielt einzusetzen. Dazu empfiehlt es sieh, weitere Überlegungen anzustellen, die die Gestaltung der Misch- und Zerstäubungskammer bzw. Wirbelkammer selbst sowie die in ihr mündenden Öffnungen betreffen.

Insbesondere ist bei der Gestaltung dieser beiden Elemente darauf zu achten, daß ein möglichst geringer Reibungsverlust innerhalb der Luftzuführungsöffnungen selbst erreicht als auch ein Stauverlust innerhalb der Wirbelkammer vermieden wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, bei einem Brenner der eingangs genannten Art die Öffnungen so auszustatten, daß wenigstens ein Teil und/oder die Wirbelkammer selbst einen sich von außen nach innen verjüngenden Querschnitt besitzt, wobei die Querschnittsfläche der Wirbelkammer quer zur Achse an jedem Punkt der Achse größer ist als die Summe der effektiven Querschnittsflächen der zwischen dem Punkt und der Rückwand der Wirbelkammer liegenden Öffnungen.

Hierbei bedeutet »effektive Querschnittsfläche« die dem Luftdurchtritt zur Verfügung stehende minimale Querschnittsfläche jeder Öffnung.

6ö Wenn auch jedes der beiden Teilmerkmale für sich eine Steigerung der Effizienz der Energieausnutzung bedeutet, so bringt jedoch insbesondere die Kombination der beiden Merkmale eine synergistische Steigerung des Energieeinsparungseffektes.

Insbesondere werden die Öffnungen kegclstumpf- oder trompetenförmig gestaltet, wobei die Öffnung sich von der Außenseite zur Innenseite des Mantels verjüngt. Neben den sich verjüngenden Öffnungen sind

auch solche mit gleichbleibendem Querschnitt durch den Mantel der Wirbelkammer geführt. Insbesondere muß durch Lage, Anordnung und Zahl der Öffnungen gewährleistet sein, daß sich kein Brennstoff an den Wänden oder den Kanten der Wirbelkammer-Mündung absetzt. Dieses Ziel wird insbesondere dadurch ereicht, daß die sich verjüngenden Öffnungen stromabwärts sich an die Brennstoff-Eintrittsöffnungen anschließen, während die öffnungen mit gleichbleibendem Querschnitt insbesondere kurz vor dem Ende der Wirbelkammer angeordnet sind.

Weiterhin wird vorgeschlagen, die Kontur des Mantels der Wirbelkammer gestuft oder sich stetig zur Mündung erweiternd zu gestalten.

Kammer 43 konzentrisch herum ein Brennermantef 63 angeordnet, der gegenüber dem der Kammer 43 einen wesentlich größeren Durchmesser hat Der Brennermantel 63 kann beispielsweise zylindrisch geformt sein, 5 wobei er die Stabilität der Verbrennung verbessert.

Die starke Wirbelbewegung (Zyklon), die innerhalb

der Wirbelkammer 43 durch das Einblasen der Verbrennungs- und Zerstäubungsluft hervorgerufen wird, setzt sich in das Innere des Brennermantels 63 fort und sorgt

ίο für eine stabile, konzentrierte Ramme.

Die F i g. 2 und 3 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel des Brennkammereinsatzes 54, der auch die Misch- und Zerstäubungskammer (Wirbelkammer 43) mit umfaßt. Es ist zu erkennen, daß Öffnungen 144,144' in zwei

zunächst ein Kranz mit öffnungen 144, die eine sich von außen nach ^;nnen, d. h. zur Kammer hin, verjüngenden Querschnitt besitzen. Dabei ist die Ivj-enseite der Öff-20 nungen 144 kegelstumpfförmig verengt, --vobei jedoch III der die Achse des Kegels nicht genau senkrecht auf der Achse der Wirbelkammer steht, sondern aus der Normalenrichtung verschoben ist. Hierdurch wird gewährleistet, d?3 eine Wirbelströmung, d. h. ein Zyklon, inner-

führt Zwischen Vorratsbehälter und Brenner ist ein Schwimmerregelventil eingebaut, das für einen stetig gleichen Druck zwischen Brenner-Brennstoffeintrittsdruck und Menge an Brennstoff in der Zeiteinheit gesorgt Die Leitung 32 endet in einer Bohrung 34, welche mit einer verschließbaren weiteren Bohrung, der Ein-

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figu- 15 verschiedenen Arten vorliegen. Stromabwärts von der ren dargestellt Die F i g. zeigt Eintrittsöffnung 30 mit dem Zuführungskanal 30' folgt

F i g. 1 eine Heizkesselbefeuerung mit einem Brenner "

gemäß Zusatzerfindung;

Fig.2 einen Teil der Misch- und Zerstäubungskammer gemäß F i g. 1;

F i g. 3 eine Schnittansicht gemäß Linie III Fig.2;

Fig.4 eine andere Ausführungsform einer Wirbelkammer;

F ig. 5 eine weitere Ausführungsform einer Wirbel- 25 halb der Wirbelkammer entsteht kammer. Der Kegelöffnungswinkel der Öffnungen 144 beträgt

In der F ig. 1 ist eine Heizkesselbefeuemng mit einem etwa 10-40°; der Querschnitt verengt sich auf etwa Brenner 10 dargestellt Der flüssige Brennstoff, übli- 5-30% des anfänglichen Querschnittes. Insgesamt cherweise Heizöl EL mit einer Viskosität von etwa münden in die Wirbelkammer 43 zweimal neun Öffnun-5cSt(5 χ ΙΟ-⁶ m²/s) bei 20⁰C, wird von einem Vorrats- 30 gen 144, wobei ein zweiter Kranz mit Öffnungen 145 behälter 31 über eine Leitung 32 dem Brenner 10 züge- stromabwärts zu dem ersten angeordnet ist. Anstelle

einer kegelstumpfförmigen Öffnung können die Öffnungen 144/145 auch durch eine gekrümmte, trompetenförmige Wandung begrenzt oder gestuft sein. Durch die öffnung 30 und Niveau des Schwimmerregelventils 33 35 besondere Form wird der Reibungswiderstand innersorgt. Damit ist für die Proportionalität zwischen Unter- halb der Öffnungen herabgesetzt und damit die Geschwindigkeit des Luftstromes beim Eintreten m die Kammer erhöht. Es kommt damit bei gleichem Eingangsdruck, also gleichem Energieverbrauch, zu einer

trittsöffnung 30, in Verbindung steht. Die Eintrittsöff- 40 besseren Verwirbelung und Zerschlagung der öltröpfnung 30 kann mit Hilfe einer magnetisch steuerbaren chen in der Kammer.

Ventilnadel 60 geöffnet und verschlossen werden. Zusätzlich zu den schrägstehenden, sich ve.-jüngen-

Der flüssige Brennstoff tritt aus der Eintrittsöffnung den öffnungen 144 sind weitere öffnungen 144' vorge-30 in eine als Misch- und Zerstäubungskammer ausge- sehen, die keine sich ändernde, sondern eine zylindristattete Wirbelkammer 43 ein, die von einem zylindri- 45 sehe Mantelform besitzen. Auch diese Öffnungen nehschen Mantel 43' umgeben ist, in den in Achsenrichtung men einen Teil des Luftstromes auf. Sie stehen sowohl in hintereinanderliegend mehrere Kränze von Lufteinlaß- Normalenrichtung als auch versetzt davon. Um die Geöffnungen 144,144' einmünden. räuschbildung zu mindern, sind die Öffnungen 144' im Der Mantel 43', also die innenfläche der Wirbelkam- Gegensinn zu den Öffnungen 144 versetzt, d. h. die Einmer 43 kann zylindrisch ausgebildet sein, so daß der 50 blasrichtung würde einen Zyklon mit anderem Drehsinn Querschnitt gleichförmig von der Rückwand mit der erzeugen, wenn dieser sich ungestört ausbilden könnte Öffnung 30 bis zur Mündung 44 der Kammer 43 ist. Die Im vorlegenden Fall wird der Drall, der von den im Innenflächen-Kontur kann jedoch auch von der Zylin- Inneren der Kammer 43 liegenden Öffnungen stammt, derform abweichen, d. h. der Querschnitt ist über die etwas abgebremst und tritt daher mit verminderter Ge-Achsenlänge nicht gleich, sondern erweitert sich gestuft 55 schwindigkeit aus, was eine wesentliche Geräuschmin- oder stetig von der Eintrittsöffnung bis zur Mündung. derung bedeutet.

Bei allen Konfigurationen münden Lufteinlaßöffnun- Außerdem können die zylindrischen öffnungen 144'

gen 144, 144' seitlich in die Kammerwand. Die Luft ge- sowohl kurz vor dem Ende der Misch- und Zerstäulangt an die Lufteinlaßöffnungen 144, 144' über einen bungskammer als auch zwischen den Kränzen de·- koninngförmigen Kanalraum 36, der um die Achse der Wir- 60 sehen Öffnungen 144 angeordnet sein, belkamrner 43 herum angeordnet ist und von einem Ein wesentliches Merkmal für die Bemessung der Öff-

Ventilator 40 über eine Luftleitung 37 mit Luft beschickt nungsquerschnitte ist, daß die Summen der effektiven wird. Von dort strömt die Luft unter Druck direkt durch Querschnittsflächen Q, und Q₇ der Einzelöffnungen kleidie Lufteinlaßöffnungcn in die Wirbelkammer 43. Eine ner ist als die Querschnittsfläche der Mündungsöffnung, Stirnwand 51 bildet den Abschluß eines üblichen Heiz- 65 so daß sich kein Stau ausbilden kann, kesseis, der mit den übliche.i Austauscherrohren (nicht
dargestellt) und Seitenwänden 52 ausgestattet ist.
Weiterhin wird an der Innenseite um die Öffnung der

Durch die in v<;rschiedenen Richtungen versetzt Hegenden und geraden öffnungen 144,145,144' ergibt sich
eine optimale ZerschlaEune und Verwirbslune des Öl-

Strahls bei gleichzeitig hohem Vakuuminhalt der Wirbelkammer 43.

In einem Ausführungsbeispiel sind in etwa folgende Abmessungen gewählt worden: Der erste Kranz von konisch geformten Bohrungen 144 ist etwa 2,5 — 5 mm von der Mündung der Eintrittsöffnung 30 entfernt, gemessen von einer Projektion des Zentrums der Öffnungen 144 auf die Achse der Kammer 43. Es folgt ein weiterer Kranz mit öffnungen 144, der einen Abstand von 12 mm hat. Die Öffnungen 144' liegen im Ausführungsbeispiel in einem Abstand von 7,5±1.0bzw. 17,5 ±2.0 mm von der Mündung der Kammer entfernt. Diese Werte sollen nur ein Anhaltspunkt geben für die gegenseitige Anordnung der einzelnen Teile. Insbesondere sollte der letzte Kranz der öffnungen so nahe an der Mündung angeordnet sein, daß die aus ihm fließende Luft verhindert, daß sich Brennstoff an der Mün-

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Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Wirbelkammereinsatzes ist in der F i g. 4 dargestellt. In diesem FaI-Ie ist die Wirbelkammer mit einer sich stetig von der Eintrittsöffnung 30 zur Mündung hin erweiternden Querschnittsfläche versehen. Die Öffnungen liegen auch hier so in ihrer Achse versetzt, daß sie tangential in die Kammer einmünden und einen Zyklon erzeugen. Dabei sind vorzugsweise sich trichterförmig verjüngende Öffnungsquerschnitte gewählt. Wesentlich ist auch, daß durch die Abrundung der Kante 11 im Bereich der Mündung der Wirbelkammer 43 verhindert wird, daß sich Öltröpfchen an der Kante absetzen. Hierdurch wird auch eine wesentliche Geräuschminderung erreicht. Im übrigen können auch bei dieser Ausführungsform verschiedene Anstellwinkel der Öffnungen gewählt werden.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der Hig Wirbelkammer 43 mit sich gestuft erweiternden Querschnittsflächen versehen ist. Der erste Abschnitt 12 der Kammer besitzt noch einen relativ kleinen Querschnitt: in ihn münden die ersten Lufteintrittsöffnungen 145: die nächste Stufe 13 ist mit Lufteintrittsöffnungen 146 versehen. Der im Bereich der Mündung liegende Abschnitt 14 hat die größte Querschnittsfläche. Die Öffnungen 144. 145. 146 liegen vorzugsweise so. daß ihre Mündung innerhalb des Mantels 43' im Kantenbereich 149 liegt, so daß die an die Kante gebiasenen Ölmengen sich leicht ablösen und durch den Luftstrom verwirbelt werden. Hierdurch wird ebenfalls wesentlich der Zerstäubungseffekt erhöht.

Abstufungen und Gestaltungen der Bohrungen können dabei weitgehend variiert werden. Zur Vermeidung eines Staus und zur Erzeugung einer stetigen und konzentriert-stabil brennenden Flamme ist erforderlich, daß die Querschnittsfläche der Misch- und Zerstäubungskammer in allen Ausführungsbeispielen gemäß den F i g. 2 bis 5 an jedem Punkt der Achse größer ist als die Summe der effektiven Querschnittsfläche der zwischen den Punkten und der Rückwand der Wirbelkammer liegenden Öffnungen 144. 144' bzw. 145 bis 147. Insbesondere bei den Ausführungen mit sich erweiternder bzw. gestufter Wirbelkammer 43 ist dieses Prinzip zu wahren.

Zusätzlich zu den in die Wirbelkammer 43 (Fig.4) bzw. 12.13.14 (F i g. 5) mündenden Öffnungen 144,144', 545. bis 147 sind zur Verminderung der Verschmutzung an der äußeren Stirnseite des Einsatzes 54 noch etwa sechs bis zehn Bohrungen 150 bzw. 151 eingelassen, die einen Teil der Verbrennungsluft an der Kammer vorbeiführen. Diese unvermischt an die Stirnseite gelangende Luft sorgt dafür, daß vor der Stirnseite ein gewisses Luftpolster entsteht, das die aus der Wirbelkammer 43 herausströmenden Teilchen nicht an die Stirnkammer zurückgelangen läßt.

Bei allen beschriebenen Ausführungsformen tritt der Brennstoffstrahl aus der Eintrittsöffnung 30 nicht in Tröpfchenform, d. h. zersprüht heraus, sondern anfangs in einem kompakten Strahl von z. B. 1 mm Durchmesser. Der Ölverbrauch liegt bei einer solchen Anordnung beispielsweise zwischen 0.2 bis 5 kg öl pro Stunde, wobei es durch Variation der Ventilatorleistung möglich sein soll, auf 25% und weniger der vollen Brennleistung herabzufahren. Aufgrund der Turbulenzen und Zentrifugalkräfte, die innerhalb des Zyklons wirken, wird der Strahl innerhalb und außerhalb der Wirbelkammer voll erfaßt, in feine Tröpfchen zerstäubt, mit Luft gemischt und teilweise vergast. Dabei wird eine rußfreie, im wesentlichen mit blsuer oder blau-gelber Flarnmp vnr sich gehende Verbrennung beobachtet.

Zur Zündung und Auslösung der Verbrennung ist beispielsweise eine Zündspirale vorgesehen, die aus einein etwa 1 mm dicken Draht aus einer warmfesten, verzunderungsarmen Chrom-Nickel-Legierung besteht. Der Glühdraht der Ziindspirale ist so angeordnet, daß er von dem Strahl des unverbrannt ausströmenden Gemisches beim Ausströmen aus der Wirbelkammer 43 durchsetzt wird und diesen bei einer Eigentemperatur von etwa 1050—HOO⁰C entzündet. Es hat sich gezeigt, daß die Verwendung einer Zündspirale ermöglicht, von Anfang an mit einem sehr mageren, praktisch stöchiometrischen Brennstoff-Luft-Gemisch zu fahren.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Brenner für flüssigen Brennstoff,

— mit einer im wesentlichen auf ihrer gesamten Tiefe einen Kreisquerschnitt aufweisenden, als Misch- und Zerstäubungskammer ausgebildeten Wirbelkammer, die nach einer Seite durch eine Rückwand abgeschlossen ist und nach der anderen Seite hin in eine Verbrennungskammer mündet,

— mit einer im wesentlichen zentrisch in der Rückwand der Wirbelkammer angeordneten Eintrittsöffnung für den Brennstoff, der diese Eintrittsöffnung anfangs in einem kompakten Strahl verläßt,

— mit tangential im Mantel der Wirbelkammer angeordneten Öffnungen zur Zuführung von Verbrennungsluft, wobei sich durch die einströmende Verbrennungsluft innerhalb der Wirbelkammer ein den Brennstoff zerstäubender Zyklon ausbildet,

— mit einem der Wirbelkammer koaxial nachgeordneten, stromab offenen Mantelrohr,

— und mit einer stabilisierten Verbrennung des Brennstoff-Luft-Gemisches im Bereich des im Durchmesser gegenüber der Wirbelkammer wesentlich vergrößerten Mantelrohres, nach Patent 28 28 319,

dadurch geVe-nnzeichnet, daß wenigstens ein Teil (144) der Öffnungen (144.144') und/oder die Wirbelkammer (43) selbst einen sich von außen nach innen verjüngenden Querschnitt besitzt, wobei die Querschnittsfläche der Wirbelkammer (43) quer zur Achse an jedem Punkt der Achse größer ist als die Summe der effektiven Querschnittsflächen der zwischen dem Punkt und der Rückwand der Wirbelkammer (43) liegenden Öffnungen (144,144').

2. Brenneranordnung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (144,144') kegelstumpf- oder trompetenförmig gestaltet sind.

3. Brenneranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß neben den sich verjüngenden Öffnungen (144) auch solche mit gleichbleibendem Querschnitt (144') durch den Mantel (43') der Wirbelkammer (43) geführt sind.

4. Brenneranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sich verjüngenden Öffnungen sich stromabwärts an die Brennstoff-Eintrittsöffnung (30) anschließen, während die Öffnungen (144') mit gleichbleibendem Querschnitt insbesondere kurz vor dem Ende der Wirbelkammer (43) angeordnet sind.

5. Brenneranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur des Mantels der Wirbelkammer (43) gestuft oder sich stetig zur Mündung erweiternd gestaltet ist.

6. Brenneranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe des Ausgangs der Kammer (43) liegende Öffnungen (147) einen dem Drall, der von den im Inneren der Wirbelkammer liegenden Bohrungen erzeugt wird, entgegengesetzten Luftstrom erzeugen.