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Vorrichtung zur Verbrennung von Öl mit hohem Kohlenstoff-Wasserstoff-Verhältnis
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verbrennung von Öl mit hohem Kohlenstoff-WasserstoffVerhältnis und besteht aus einer rotationssymmetrischen am Ein- und Austritt eingeschnürten Brennkammer, die im Abstand von einem glockenartigen, innen mit drallerzeugenden Luftleitblechen versehenen Gehäuse umgeben ist, wobei in det Brennkammerachse etwa in Höhe der Lufteintrittsöffnung eine Zerstäuberdüse angeordnet ist. Bei deu., Btenüern dieser Art (z.
B. deutsche Patentschrift Nr. 1035306) entsteht in der Kammer infolge der darin rotierenden Verbrennungsgase ein um die Kammerachse rotierender Rückstrom der Verbrennungsgase in Richtung auf den Lufteintritt, dessen geometrische Form vom Verhältnis der Tangentialkomponente zur Axialkomponente der Strömung der eintretenden Luft abhängt. Die Geschwindigkeit des Rückstromes folgt proportional dem Luftdurchsatz. Die Zerstäuberdüse verdüst den flüssigen Brennstoff, sowie es sich um Öl mit hohem Kohlenstoff-Wasserstoff-Verhältnis handelt, bei etwa 2 - 80 atü.
Bei diesen Brennern durchschlagen die grossen Tropfen des aus der Düse ausgestossenen Sprühkegels die rückströmenden Verbrennungsgase und bewegen sich während ihrer Verdampfung bzw. Vergasung und während der Verbrennung selbst etwa geradlinig zur Brennkammeraustrittsöffnung hin. Dadurch gelangen die Kohlenstoffskelette in eine Zone, in welcher bereits ein wesentlicher Teil des Sauerstoffes verbraucht ist.
Will man nun mit höheren spezifischen Belastungen arbeiten, z. B. bei einer spezifischen Belastung bei mehr als 10 = 106Kcal/h = m3 bei 100 kg Öl/h, so muss der Einspritzdruck bedeutend erhöht werden, z. B. auf 150 -250 atü, damit möglichst kleine Tropfen entstehen, welche in der entsprechend verkürzten Verweilzeit aufbereitet und verbrannt werden können.
Mit steigenden Brennkammerbelastungen erhöht sich auch die Geschwindigkeit der Rückströmung.
Dadurch steigt auch die Schleppkraft der Rückströmung entsprechend an und mit wachsendem Durchsatz wird ein entsprechend immer grösser werdender Anteil der Öltröpfchen gegen die Düsenmündung und gegen die Lufteintrittsöffnung zurückgeworfen, wo das Öl infolge Flammenrückstrahlung zu Ankrustung und Verstopfung führt.
Man hat versucht (brit. Patentschrift Nr. 613, 984) den Rückstrom durch Einbau einer metallischen Luft-Leitvorrichtung im Brennerraum in der Umgebung der Düsen so umzulenken, dass er ausserhalb der Zerstäuberdüsen umkehrt.
Bei der Verbrennung von Ölen mit hohem Kohlenstoff-Wasserstoff-Verhältnis sind hohe Brennkammertemperaturen erforderlich, was nur bei geringem Luftüberschuss möglich ist. Deshalb müssen die Brennkammern keramisch ausgekleidet sein. Eine metallische Leitvorrichtung im Brennraum ist für hohe und höchste Brennkammertemperaturen völlig ungeeignet, da schon ein geringes Mass von Ungenauigkeit in der Leitvorrichtung eine Störung der Rotationssymmetrie der Strömung verursacht.
Es wurde nun gefunden, dass bei hohen und höchsten Brennkammerbelastungen eine Ankrustung in der Lufteintrittsöffnung mit Sicherheit vermieden wird, wenn erfindungsgemäss koaxial zur Brennkammer ein kegelförmiger Verdrängerkörper angeordnet ist, dessen die Zerstäuberdüse enthaltende Spitze in die Brennkammereintrittsöffnung hineinragt.
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Hiedurch wird erreicht, dass der Rückstromwirbel des Verbrennungsgases, dessen Aussendurchmesser ausschliesslich vom Verhältnis der Tangentialkomponente zur Axialkomponente der rotierenden Strömung der eintretenden Luft abhängt, gegen den Kegelmantel des Verdrängerkörpers stösst, seitwärts nach oben abgelenkt und von der eintretenden Frischluft in die Brennkammer wieder zurückgeführt wird. Die bei der Zerstäubung des Öles entstehenden grösseren Tröpfchen dringen entsprechend ihrer grösseren Masse tief in den Rückstrom ein, wobei sie infolge hoher Relativgeschwindigkeit und hoher Temperaturdifferenz zum Rückstrom der Verbrennungsgase schnell verdampfen bzw. vergasen.
Dämpfe, Gase und übriggebliebene Kohlenstoffskelette werden vom Rückstrom mitgeschleppt und am Kegelmantel des Verbrennerkörpers an der Kreisstelle, die dem Aussendurchmesser des Rückstromes entspricht, umgelenkt und von der Frischluft erfasst, die sie in die äusseren Zonen des Brennraumes hineinträgt, in denen sie restlos ausbrennen. Hiedurch wird ein Entstehen von Russ praktisch völlig vermieden.
Die bei der Zerstäubung entstehenden kleinen Tropfen kehren unter dem Einfluss der Rückströmung bereits kurz hinter der Düsenmündung um und werden ebenfalls am Kegelmantel des Verdrängerkörpers an der Stelle, die dem Aussendurchmesser der Rückströmung entspricht, umgelenkt und von der Frischluft erfasst. Durch die zyklisch wiederholte Umlenkung der Rückströmung des Brenngases am Kegelmantel des Verdrängerkörpers und die Rückführung des Brenngases in dem Brennraum wird ein Ansprühen des Brennstoffes in flüssigem oder teigigem Zustand und damit ein Verkrusten der Düse und der Wände restlos vermieden.
Es sind bereits Einrichtungen zur Regelung von Brennern für flüssige Brennstoffe bekannt, die mit einem axial verschiebbaren Verdrängerkörper ausgestattet sind, der den Luftaustrittsquerschnitt verändert und ausschliesslich zur Konstanthaltung der Luftgeschwindigkeit, bei verminderter Belastung dient. Im Gegensatz hiezu dient der Verdrängerkörper nach der Erfindung ausschliesslich zur Umlenkung der Rückströmung der Verbrennungsgase, wobei die Brennraumbelastung für die Stellung des Verdrängerkörpers völlig belanglos ist, da die geometrische Form nicht vom Durchsatz abhängig ist, sondern nur vom Verhältnis der Tangentialkomponente zur Axialkomponente der eintretenden Verbrennungsluft.
Die Vorrichtung gemäss der Erfindung ist auch für Druckfeuerungen anwendbar, wobei die Kleinheit der Brennkammer mit Rücksicht auf die Explosionsgefahr einen wesentlichen Vorteil gegenüber andern Konstruktionen bietet. Bei Anwendung der Vorrichtung für Druckfeuerungen kann mit entsprechend dem Druckniveau höherer Belastung in der Brennkammer mit gleichem Erfolg gefahren werden. Es ist dabei gleichgültig, ob der Druck am Ende eines zu beheizenden Apparates oder durch Drosselung am Brennkammeraustritt erzeugt wird.
Das Verhältnis der Durchmesser der Eintrittsöffnung zur Austrittsöffnung der Brennkammer beträgt vorzugsweise 1 : 1, 5-1 : 2, 5, wobei sich der grösste Kammerdurchmesser zum Durchmesser der Eintritts- öffnung wie 1 : 3-1 : 5, vorzugsweise 1 : 4 verhält. Die Länge der Brennkammer soll nicht kleiner als der grösste Durchmesser der Kammer sein.
In der Zeichnung ist ein Beispiel einer Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens schematisch dargestellt, u. zw. zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung und Fig. 2 eine Draufsicht. Hierin bedeutet 1 eine rotationssymmetrische Brennkammer mit verengtem Ein- und Austritt. Mit 2 ist der oben zentral in die Eintrittsöffnung der Brennkammer hineinreichende, während des Betriebes axial verschiebbare kegelige Verdrängerkörper bezeichnet, der an seiner Spitze die Öldüse 3 trägt. In diesem Verdrängerkörper 2 kann die Zündvorrichtung 4 angebracht werden. Der Verdrängerkörper 2 ist so ausgebildet, dass die Öldüse 3 sich bei Betriebsstellung etwa am Ende der Lufteintrittsöffnung 10, d. h. in Höhe des Beginnes der konischen Erweiterung 11 der Brennkammer 1 befindet.
Die Brennkammer 1 wird umgeben von einem Spiralgehäuse 7, in welches die Verbrennungsluft über den Stutzen 6 einströmt. Die im Spiralgehäuse 7 in Rotation versetzte Verbrennungsluft tritt über die Kante 8 in den Hohlraum 9 des Gehäuses 5 ein. Zur Steuerung der Rotation sind in dem Hohlraum 9 Leitbleche 12 angeordnet. Die in Rotation versetzte Luft tritt durch die Eintrittsöffnung 10 in die rotationssymmetrische Brennkammer 1 ein. Sie behält die Rotationsbewegung in der Brennkammer bei. Durch die Rotationsbewegung entsteht der Rückstrom 13, der in Nähe der Frischluftzufuhr 10 den aus der Düse 3 eingesprühten Brennstoffstrahl 14 abbremst. Die abgebremsten Brennstoffteilchen werden von dem rotierenden Rückstrom 13 verteilt, verdampft bzw. vergast und beim Zusammentreffen mit der durch 10 eintretenden Verbrennungsluft restlos verbrannt.
Ein Teil der umlaufenden Feuergase verlässt kontinuierlich durch die Öffnung 15 die Brennkammer 1 in dem Mass. wie Brennöl und Verbrennungsluft durch die Düse 3 bzw. die Öffnung 10 zugeführt werden. Um die Strömungsverhältnisse genau einstellen zu können, ist die Brennkammer 1 im Gehäuse verschiebbar angeordnet und wird durch Justierschrauben 16 in die genaue Lage zu Verdrängerkörper 2 und Düse 3 gebracht.