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Brenner für gasförmige oder flüssige Brennstoffe
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nur ein Teil der Luftmoleküle ionisiert und in Richtung weg von der Spitze oder Kante der Sprühelektrode beschleunigt. Die Praxis zeigte jedoch, dass die nicht ionisierten Luftmoleküle bei Atmosphärendruck
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Zusammenstössen ionisierter und nicht ionisierter Teilchen und dementsprechend zu der Mitnahme der letzteren kommt.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform ist stromabwärts im Abstand von der Sprühelektrode mindestens eine Beschleunigungselektrode vorgesehen, die einen grösseren Potentialunterschied zu der Sprühelektrode hat. Vorzugsweise besitzt die Beschleunigungselektrode eine isolierte Oberfläche, so dass bei
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schen den Elektroden ohne weitere besondere Hilfsmittel vermieden werden. Wenn die Beschleunigungs- elektrode eine blanke Oberfläche hätte, müssten Widerstände in den Stromversorgungskreisen für die Elek- troden vorgesehen werden, damit das Auftreten von Funkenüberschlägen, Lichtbögen vermieden wird.
Dadurch würde jedoch der Gesamtwirkungsgrad der Anlage wesentlich verschlechtert werden.
Die isolierte Beschleunigungselektrode oder die Beschleunigungselektroden umschliessen vorzugsweise den Ausblendspalt, in welchem die Verbrennungsfuft und/oder der Brennstoff eingeblasen wird.
Vorzugsweise sind die Sprühelektrode und die Beschleunigungselektrode oder die Beschleunigungs- elektroden an einen Hochspannungstransformator angeschlossen, so dass durch das Wechselfeld die An- häufung vonHaftladungen an dem Isolator der Beschleunigungselektrode bei jedem Spannungswechsel ab- gebaut wird. Dieser Betrieb mit Wechselstrom hat den besonderen Vorteil, dass kostspielige Hochspan-' nungsgleichrichtungsanlagen vermieden werden. Zum Betrieb des Brenners gemäss der Erfindung genügt ein 2 x 5 kV Hochspannungstransformator, wie er beispielsweise bei üblichen Ölbrennern für die Zün- dung benötigt wird. Selbstverständlich können für grössere Luftdurchsatzmengen Transformatoren von
2 x 20 kV oder darüber verwendet werden. Trotz des angelegten Wechselfeldes wird der Luftstrom nur in einer Richtung beschleunigt.
Der Abbau der Hauptladungen an der Isolationsschicht der Beschleunigungs- elektrode verhindert, dass der Beschleunigungseffekt verschlechtert und undefiniert wird.
Stromabwärts hinter dem Ausblendspalt können weitere Beschleunigungsstufen angeordnet sein. Jede dieser Beschleunigungsstufen besteht aus mindestens einer Sprühelektrode und aus mindestens einer isolier- ten Beschleunigungselektrode. Die Beschleunigungsstufen können auch je aus mehreren isolierten Beschleunigungselektroden bestehen, von denen mindestens eine einen grösseren Potentialunterschied gegen- über der andern hat. Der Abstand zwischen den Beschleunigungsstufen sollte grösser sein, wie der Abstand zwischen den einzelnen Beschleunigungselektroden jeder Beschleunigungsstufe, damit die entgegengesetzt zur Strömungsrichtung von einer Beschleunigungsstufe zur andern verlaufenden Felder klein gehalten werden.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform des Brenners nach der Erfindung wird mindestens ein Teil der beschleunigten Luft zum Ansaugen und/oder Zerstäuben des Brennstoffes verwendet. Dies ist ohne weiteres möglich, da - wenn auch nur eine einzige Anordnung aus einer Sprühelektrode und einer Beschleunigungselektrode verwendet wird, - bereits Luftgeschwindigkeiten erzielt werden können, die den erforderlichen Unterdruck an der Ansaugöffnung für den Brennstoff erzeugen.
Vorzugsweise sind die Sprühkanten der Sprühelektrode oder der Sprühelektroden auf einen gemeinsamen Brennpunkt oder auf eine gemeinsame Brennlinie gerichtet, so dass stromabwärts von den Sprühelektroden eine Erhöhung der Ladungsdichte in dem Luftstrom erzielt wird. Die Erhöhung der Ladungsdichte in dem Luftstrom kann durch entsprechend geformte Leitkörper für den Luftstrom unterstützt werden. Weiterhin kann zu demselben Zweck der Luftstrom mittels elektrischer Felder umgelenkt werden.
Vorzugsweise ist die den Brennstoff in den beschleunigten Luftstrom einführende Brennstoffdüse als Sprühelektrode ausgebildet.
Gemäss einer speziellen bevorzugten Ausführungsform ist ein kegelstumpfförmiger oder schirmförmiger Leitkörper aus isoliertem Material vorzugsweise aus Keramik oder Porzellan vorgesehen, in dessen Basisrand die ringförmig ausgebildete Beschleunigungselektrode eingebettet ist. Im Abstand von dem Basisrand des Leitkörpers ist die ringförmig ausgebildete Sprühelektrode angeordnet, deren gegen die Symmetrieachse des Leitkörpers geringere Kante scharfkantig ist.. Es können mehrere Leitkörper dachartig übereinander angeordnet sein, so dass zwischen jedem Paar Leitkörper ein Durchtrittsspalt für die Verbrennungsluft oder den Brennstoff frei bleibt. Die Durchtrittsspalte mündetineinegemeinsameDurchtritts- öffnung. Vorzugsweise sind die Leitkörper rotationssymmetrisch.
Die Ansaugöffnungen der Spalte verlaufen radial, während die Durchtrittsöffnungen axial verlaufen.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist in der Nähe des Brennerrohrmundstückes eine
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Flammenstabilisierungselektrode angeordnet, welche auf Grund ihres Potentials gegenüber den Ionen in der Flamme den Flammenfuss am Brennerrohrmundstück hält.
In den Zeichnungen sind bevorzugte Ausführungsformen des Gegenstandes der Erfindung dargestellt.
Es zeigen : Fig. 1 schematisch eine Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Ölbrenners gemäss der Erfindung, Fig. 2 eine schaubildliche, auseinandergezogene Darstellung des in Fig. 1 dargestellten Brenners mit geringfügigen Abwandlungen, und Fig. 3 einen Schnitt eines Gasbrenners gemäss der Erfindung.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist ein Leitkörper aus Keramik oder Porzellan vorgesehen, welcher einen Anschlussflansch l zum Anschluss des Brenners beispielsweise an eine Ofentür, ein
Brennerrohrmundstück 2, eine schirmförmig gekrümmte erste Leitwand 3, eine ähnliche gekrümmte Leit- wand 4 und eine weitere Leitwand 5 besitzt. Zwischen der Leitwand 3 und der Leitwand 4 sind beispiels- weise im Winkelabstand von 1200 Stützen 5 und zwischen der Leitwand 4 und der Leitwand 5 ähnliche Stützen 6 zur Abstandshaltung vorgesehen.
Der Leitkörper ist also rotationssymmetrisch aufgebaut. Er enthält einen Ringspalt 7 zwischen den Leitwänden 3 und 4, welcher mit einer radialen Ansaugöffnung 7a ins Freie und mit einer axialen Aus- trittsöffnung 7b in das Brennerrohrmundstück 2 mündet. Weiterhin enthält der Leitkörper einen schmale- ren Ringspalt 8 zwischen den Leitwänden 4 und 5, welcher in ähnlicher Weise mit einer radialen Ansaug- öffnung 8a ins Freie und mit einer axialen Austrittsöffnung 8b in das Brennerrohrmundstück 2 öffnet.
Im Abstand von den Ansaugöffnungen 7a und 8a ist je ein blanker Elektrodenring 10 bzw. 11 angeordnet, dessen schmale Kante gegen die Ansaugöffnung 7a bzw. 8a gerichtet ist. Diese Elektrodenringe bilden die Sprühelektroden. Sie bestehen vorzugsweise aus Wolfram oder Rheniumfolie. Die Sprühelektroden 10 und 11 sind durch beispielsweise im Winkelabstand von l200 vorgesehene Verbindungsschellen 12 miteinander verbunden. Sie werden durch Abstandshalter 13 aus Keramik an dem Leitkörper gehalten.
In dem Randwulst der Leitwände 3,4 und 5 ist je ein Drahtring 14,15 bzw. 16 eingebettet, welcher mittels einer gemeinsamen, in einer der Stützen 5 und 6 verlaufenden Verbindungsleitung 17 mit einem Anschluss 18 für Hochspannung verbunden ist. Die Drahtringe 14,15 und 16 bilden dementsprechend isolierte Beschleunigungselektroden, die mit den Sprühelektroden 10 und 11 zusammenarbeiten.
Die Sprühelektroden 10 und 11 haben einen grösseren Potentialunterschied zu den Beschleunigungselektroden 14,15 und 16, beispielsweise 10 kV.
Auf dem in das Brennerrohrmundstück2 mündenden Randwulst der Leitwand 4 sitzt ein Metallring 20, der über eine Leitung 21 und einen Anschluss 22 geerdet ist.
Auf der Leitwand 5 sitzt ein kegeliger Metallkörper 23, welcher eine Bohrung 24 zur Zuführung des Brennstoffes, beispielsweise Öl, besitzt. Das Öl wird dabei aus einem Behälter 25 angesaugt, der über eine Zuführungsleitung 26 dieses vorzugsweise unter Druck erhält.
Die Wirkungsweise des in Fig. 1 dargestellten Brenners ist folgende :
An die Sprühelektroden 10 und 11 wird die eine Klemme und an den Anschluss 18 für die Beschleunigungselektroden 14,15 und 16 die andere Klemme eines Hochspannungstransformators angeschlossen. Die geerdete Mittelanzapfung des Hochspannungstransformators wird mit dem Anschluss 22 verbunden.
Da die Felddichte an der schmalen Kante der Sprühelektroden 10 und 11 sehr hoch ist, beispielsweise 107 V/cm beträgt, treten bei einer Halbwelle der angelegten Wechselspannung Elektroden aus den Kanten der Sprühelektroden 10 und 11 aus. Bei der andern Halbwelle werden Elektronen aus der Umgebungsluft angesaugt, wobei bei beiden Halbwellen die ionisierten Luftmoleküle von diesen Kanten der Sprühelektroden 10 und 11 abgestossen werden. Die ionisierten Luftmoleküle nehmen die nicht ionisierten Mo- leküle mit, so dass nach dem Prinzip des elektrischen Windes ein starker Luftstrom von den Sprühelektroden 10 und 11 in Richtung auf die Ansaugöffnungen 7 und 8 abgestrahlt wird. Dieser Luftstrom erhält eine starke Beschleunigung durch die isolierten Beschleunigungselektroden 15,16 und 17.
Durch entsprechende Wahl des Abstandes der Sprühelektroden 10 und 11 von den Beschleunigungselektroden 14,15 und 16 und dadurch, dass jeder Sprühelektrode zwei symmetrisch zur Beschleunigungsrichtung angeordnete Beschleunigungselektroden gegenüberstehen, wird dabei gewährleistet, dass der Hauptteil der ionisierten Gasmoleküle und der mitgenommenen nichtionisierten Gasmoleküle von den Beschleunigungselektroden 15 und 16 nicht abgelenkt, sondern in den Ringspalt 7 bzw. 8 getrieben wird.
Aus der Austrittsöffnung 8b des Ringspaltes 8 tritt ein stärkerer Luftstrom aus, der Brennstoff aus der Bohrung 24 ansaugt und zerstäubt. Ein Teil der ionisierten Gasmoleküle gibt seine Ladung an den Metallkörper 23 ab. Bei Betrieb des Brenners mit Gleichstrom wird sich dementsprechend der Metallkörper 23 positiv oder negativ aufladen. Wenn die Aufladung gross genug ist, kommt ein Zündfunkenüberschlag zu
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dem Metallring 20 zustande. Der Zündfunkenüberschlag wird weiterhin durch die übrigbleibenden Ionen in dem Brennstoffluftgemisch erleichtert.
Durch die Austrittsöffnung 7b tritt ein weiterer kräftiger Luft- strom aus, welcher die nötige Verbrennungsluft liefert. Bei Betrieb mit Wechselstrom können zwischen dem Metallring 20 und dem Metallkörper 23 entsprechende Gleichrichtermittel eingeschaltet werden, die durch die jeweilige Umpolung eine Aufladung des Metallkörpers 23 in einem Sinn bewirken.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel dienen der Metallkörper 23 und der Metallring 20 also als Zündelektroden. Der Metallkörper 23 dient jedoch auch weiterhin infolge seines Potentialunter- schiedes zu dem Metallring 20 als weitere Sprühelektrode, wobei der Metallring 20 die Funktion einer Be- schleunigungselektrode übernimmt. Hiedurch wird eine besonders günstige Durchwirbelung des zerstäub- ten Brennstoffes mit der aus der Austrittsöffnung 8b austretenden Zerstäuberluft und dem der aus der Aus- trittsöffnung 7b austretenden Verbrennungsluft erzielt.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform wird beispielsweise bei einem Durchmesser der
Sprühelektroden 10 und 11 von etwa 15 cm. einer Betriebsspannung von 2 X 5 kV eine Geschwindigkeit der Verbrennungsluft über 20 m/s, und ein Luftdurchsatz von etwa 200 m3/h erzielt. Der Gesamtstrom- verbrauch des Brenners betrug 16 W. Der Luftdurchsatz reichte zur Verbrennung von etwa 10 kg Heizöl je
Stunde aus. Die Gesamtbauhöhe des Brenners betrug etwa 10 cm. Die erzielte Geschwindigkeit des Luft- stromes und die Luftdurchsatzmenge sind in erster Linie von dem Abstand zwischen der Sprühelektrode und der Beschleunigungselektrode, dem Krümmungsradius der Sprühkante der Sprühelektrode und der an- gelegten Spannung abhängig.
Der Krürnmungsradius der Sprühelektrode sollte jedoch anderseits nicht zu klein gewählt werden, da bei zu hohen Flächenfeldstärken eine Abtragung des Materials auftreten kann.
Besonders vorteilhaft ist dementsprechend, wenn die Sprühelektrode in Form eines Bandes oder einer Fo- lie gleichmässiger Stärke ausgebildet wird, da somit keine Vergrösserung des Krümmungsradius der Sprühkante der Sprühelektrode bei Abnutzung auftreten kann. Der Brenner läuft, wenn Isolationsdurchschläge vermieden werden, geräuschlos. Diese Vorteile machen den Brenner als Kleinbrenner, beispiels- weise für in der Küche aufgestellte Etagenheizungsöfen besonders vorteilhaft, da dort meistens der Platz fehlt, um die üblichen langen Brennerrohre mit Gebläse an die Öfen anzusetzen.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform wurde der Metallring 20 isoliert in die Leitwand 4 eingebettet, so dass dementsprechend dem als Sprühelektrode wirkenden Metallkörper 23 eine isolierte
Beschleunigungselektrode gegenübersteht.
In Fig. 3 ist schematisch ein Gasbrenner dargestellt, welcher ähnlich wie der- im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 beschriebene Ölbrenner aufgebaut ist.
In ein Gefäss 30 wird über einen Anschluss 31 ein Gas, z. B. Erdgas, eingeleitet. Die schirmförmig ausgebildete Leitwand 5 wird von einem Isolatorstab 32 gehalten, der eine Leitung 33 besitzt. Die Leitung 33 führt zu einem in der Spitze der Leitwand 5 isoliert eingebetteten Metallkörper 34. Die obere Seite des Gefässes 30 wird von der Leitwand 4 gebildet.
Durch den Sprühelektrodenring 11 wird das in dem Gefäss 30 befindliche Gas in die Ansaugöffnung 8a des Ringspaltes 8 getrieben, während die Beschleunigungselektroden 15 und 16 für eine entsprechende Beschleunigung des Gases sorgen. Der Sprühelektrodenring 10 treibt die Umgebungsluft in die Ansaugöffnung 7a des Ringspaltes 7, wobei durch die Beschleunigungselektroden 14 und 15 eine entsprechende Beschleunigung des Luftstromes erzielt wird.
An dem Randwulst der Leitwand 3 sitzt ein Metallring 35. Bei dieser Ausführungsform ist also den von den Sprühelektroden 10,11 und den Beschleunigungselektroden 14,15, 16 gebildeten Beschleunigungsstufen stromabwärts eine weitere Beschleunigungsstufe nachgeschaltet, welche von der isolierten Elektrode 14 und dem blanken Metallring 20 gebildet wird. An die Leitung 33 ist dementsprechend der eine Pol der Hochspannungsquelle angeschlossen. Die Verbindung des Metallringes 20 mit dem andern Pol der Hochspannungsquelle erfolgt über eine Leitung 36 in der Leitwand 4 und über einen Anschlussstecker 37. Weiterhin dient der Metallring 20 als eine der Zündelektroden und zum Abfangen der Ladungsträger in dem ionisierten Gas. Die andere Zündelektrode wird von dem geerdeten Metallring 35 gebildet.
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