[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Verdampferbrenner der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
[0002] Solche Brenner werden vorteilhaft in Heizungsanlagen von Wohn- und Nichtwohnbauten verwendet. Die vom Brenner beim Verbrennen des Brennstoffs erzeugte Wärme heizt beispielsweise Wasser in einem Heizkessel auf. Neben Brennern für flüssige Brennstoffe wie Schweröl, Heizöl extra leicht oder Kerosin existieren Brenner für gasförmige Brennstoffe wie Erdgas. Letztere zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass ihre Wärmeerzeugung über einen grossen Leistungsbereich regelbar ist, was in der Fachwelt mit Modulierbarkeit bezeichnet wird. Ausserdem haben Gasbrenner günstige Werte hinsichtlich Schadstoffemission.
[0003] Ein Brenner der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art ist aus der WO-A1-2004/109 183 bekannt.
Er ist zur Verbrennung von Heizöl extraleicht geeignet. Angeordnet ist ein derartiger Brenner im oberen Bereich des Heizkessels. Die Fachwelt bezeichnet solche Brenner als Sturzbrenner. Sie werden insbesondere bei kondensierenden Heizkesseln angewendet, bei denen die Kondensationswärme des Wasserdampfes als Nutzwärme zur Verfügung steht. Das zu verdampfende Heizöl tropft bei einem solchen Brenner auf eine rotierende Zerstäuberscheibe und wird unter der Wirkung der Zentrifugalkraft auf die Innenwand einer Verdampferkammer verteilt.
[0004] Es hat sich gezeigt, dass im Dauerbetrieb eines solchen Brenners auf der Innenwand der Verdampferkammer Verkokungsrückstände entstehen können.
Dies ist nachteilig, weil im Laufe der Zeit immer mehr Verkokungsrückstände entstehen, was die Verdampfung des nachfolgenden Heizöls ungünstig beeinflusst.
[0005] Aus US-A-2 088 742 ist ein Ölbrenner bekannt, der einen rotierenden Zerstäuber aufweist. In einer zentralen Achse sind eine grössere Zahl von Austrittsöffnungen für das Öl vorhanden. Zwischen wannenförmigen Teilen wird das Öl durch die Rotationsbewegung nach aussen weggeschleudert. Wegen der Vielzahl der Austrittsöffnungen ist dieser Ölbrenner für grosse Leistung geeignet.
Für Brenner kleinerer Leistung, insbesondere für Kondensationskessel, ist ein derart gestalteter Brenner ungeeignet, weil das Öl nur zerstäubt, aber nicht verdampft wird.
[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Entstehen von Russ und Verkokungsrückständen zu verhindern und so die Dauerbetriebseigenschaften des Brenners zu verbessern.
[0007] Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
[0008] Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
[0009] Es zeigen:
<tb>Fig. 1<sep> eine Schnittzeichnung einer Verdampfungseinrichtung,
<tb>Fig. 2<sep>einen Zerstäuberbecher dieser Verdampfungseinrichtung,
<tb>Fig. 3<sep>eine schematische Aufsicht auf den Zerstäuberbecher mit Bewegungsbahnen einzelner Ölteilchen,
<tb>Fig. 4<sep>ein Schema einer Messvorrichtung zur Ermittlung der Ölverteilung,
<tb>Fig. 5<sep>ein Diagramm beobachteter Verteilungskurven,
<tb>Fig. 6<sep>ein zweites Ausführungsbeispiel des Zerstäuberbechers,
<tb>Fig. 7<sep>eine Skizze mit Dimensionierungsangaben,
<tb>Fig. 8<sep>eine Seitenansicht eines Teils einer Zuführleitung,
<tb>Fig. 9<sep>eine Aufsicht auf diesen Teil der Zuführleitung und
<tb>Fig. 10 und 11<sep>weitere Ausführungsbeispiele des Zerstäuberbechers.
[0010] Ausgangspunkt der Erfindung ist eine in WO-A1-2004/109 183 gezeigte Lösung. Dort ist in der Fig. 4 ein Schnitt einer Verdampfungseinrichtung für einen dort in der Fig. 1 dargestellten Brenner gezeigt. Das einleitend genannte Verkokungsproblem wird erfindungsgemäss durch Änderungen an dieser Verdampfungseinrichtung gelöst.
[0011] In der Fig. 1 ist die Verdampfungseinrichtung gezeigt die eine Verdampferkammer 1 beinhaltet, in deren Gehäuse 2 eine elektrische Heizeinrichtung 3 angeordnet ist, wie dies aus WO-A1-2004/109 183 bekannt ist. Auf einer Welle 4 sind formschlüssig ein Mischrad 5 und ein Zerstäuberbecher 6 befestigt, so dass das Mischrad 5 und der Zerstäuberbecher 6 zusammen mit der Welle 4 rotieren.
Zusätzlich sind auf dieser Welle 4 die hier nicht gezeigten Rotoren eines Gebläses befestigt, wie dies aus WO-A1-2004/109 183 bekannt ist.
[0012] Erfindungswesentlich ist, dass der Zerstäuberbecher 6 grundsätzlich anders gestaltet ist als die aus WO-A1-2004/109 183 bekannte Zerstäuberscheibe, obwohl beide an sich die gleiche Funktion haben. In beiden Fällen tropft das zu verdampfende Heizöl aus einer Zufuhrleitung 7 auf ein Zerstäuberelement, bei der Erfindung also auf den Zerstäuberbecher 6.
[0013] In der Fig. 2 ist der Zerstäuberbecher 6 vergrössert als Schnittzeichnung dargestellt. Der Zerstäuberbecher 6 besteht aus einem Rohrabschnitt 10, an dessen unteres Ende eine ringförmige Wanne 11 anschliesst. An den äusseren Rand der Wanne 11 schliesst eine steigende Schräge 12 an.
Deren oberer Rand geht in eine Wölbung 13 über, an die aussen eine fallende Schräge 14 anschliesst. Deren Ende bildet eine Abrisskante 15.
[0014] Dargestellt ist auch die Zufuhrleitung 7 und ein daraus abtropfender Öltropfen 18. Das Heizöl wird beispielsweise mittels einer nicht dargestellten Ölpumpe gefördert, die eine Schwingankerpumpe sein kann. Die Öltropfen 18 verlassen dann die Zufuhrleitung beispielsweise mit einer Geschwindigkeit von etwa 3 bis 5 m/sec. Die Öltropfen 18 treffen somit in der Wanne 11 auf.
[0015] Durch die Rotation des Zerstäuberbechers 6 entsteht eine auf die Öltropfen 18 wirkende Fliehkraft, sobald diese auf die Wanne 11 treffen. Unter der Wirkung der Fliehkraft wird das Öl nun gegen aussen befördert und muss also auf der steigenden Schräge 12 nach oben fliessen. Das Öl muss also entgegen der Schwerkraft aufsteigen.
Weil hier die Schwerkraft gegen die Fliehkraft wirkt, ist die Fliessgeschwindigkeit der hier schon zu einem Film verlaufenen Öltropfen 18 kleiner als beim vorbekannten Stand der Technik. Ausserdem muss das Öl auf der Oberfläche einen grösseren Weg zurücklegen, was die Bildung eines dünnen Films begünstigt. Die Dicke des Films wird durch die Fliehkraft, die Schwerkraft und die Adhäsionskraft des Öls an der Oberfläche des Zerstäuberbechers 6 beeinflusst.
[0016] Der entlang der steigenden Schräge 12 nach oben sich bewegende Ölfilm fliesst dann über die Wölbung 13 zur fallenden Schräge 14. Dabei wird wegen des Zusammenwirkens von Flieh- und Schwerkraft die Fliessgeschwindigkeit grösser und der Ölfilm dünner.
Der Ölfilm erreicht dann die Abrisskante 15, von wo dann sehr kleine Öltröpfchen 18 ¾ gegen die Innenwand der Verdampferkammer 1 (Fig. 1) weggeschleudert werden.
[0017] Beim angegebenen Stand der Technik treffen die Öltropfen auf eine flache Zerstäuberscheibe auf. Wegen der relativ hohen Auftreffgeschwindigkeit der Tropfen konnte es dabei vorkommen, dass Teile der Tropfen von der Oberfläche quasi reflektiert werden und direkt auf die Innenwand der Verdampferkammer treffen, so dass die Tropfen nicht grundsätzlich zunächst auf der Oberfläche der Zerstäuberscheibe zu einem dünnen Film zerfliessen.
Derart reflektierte Tropfenteile spritzen mehr oder weniger immer auf den gleichen Bereich der Innenwand der Verdampferkammer, so dass örtlich begrenzt eine deutlich grössere Ölmenge auftritt, was Ursache der beobachteten örtlichen Verkokungen sein könnte.
[0018] Durch die erfindungsgemässe Gestaltung des Zerstäuberbechers 6 kann dieser Effekt weitestgehend vermieden werden, weil sich der Auftreffpunkt der Öltropfen 18 unten in der Wanne 11 befindet und gegen aussen durch die steigende Schräge 12 begrenzt ist. Aus dem zuvor Geschilderten ergibt sich auch, dass die Bildung eines sehr dünnen Ölfilms durch die längere Wegstrecke vom Auftreffpunkt bis zur Abrisskante 15 begünstigt wird. Daraus ergibt sich, dass beim erfindungsgemässen Zerstäuberbecher 6 kleinere Öltröpfchen 18 ¾ als beim vorbekannten Stand der Technik entstehen.
Das erleichtert die Verdampfung.
[0019] Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die steigende Schräge 12 gegen die Senkrechte einen Winkel alpha von 10 bis 20 Grad aufweist. Das ergibt gegenüber grösseren Winkeln eine Verringerung der Fliessgeschwindigkeit und eine Verlängerung der Fliessstrecke mit entsprechend günstiger Wirkung hinsichtlich der Bildung eines sehr dünnen Ölfilms.
[0020] Die Pumpe fördert das Heizöl nicht stetig, sondern pulsartig. Dadurch, dass sich das Heizöl auf den Oberflächen des Zerstäuberbechers 6 verteilt, entsteht an der Abrisskante 15 ein quasistetiger Fluss von Heizöl. Das bedeutet in ausserordentlich vorteilhafter Weise, dass die Flamme gleichmässig brennt. Das insbesondere bei kleiner Brennerleistung beim vorbekannten Stand der Technik zu beobachtende Pulsieren der Flamme wird so vermieden.
Folglich ist es bei der erfindungsgemässen Lösung auch möglich, den Modulationsgrad zu vergrössern. Weil pulsierende Flammen eine der Ursachen für die Bildung von Russ darstellen, wird durch die Erfindung die Russbildung unterdrückt.
[0021] In der Fig. 3 ist eine schematische Aufsicht auf den Zerstäuberbecher 6 gezeigt. Eingezeichnet sind die in die Ebene projizierten Flächen der Teilelemente des Zerstäuberbechers 6, nämlich Rohrabschnitt 10, Wanne 11, steigende Schräge 12, Wölbung 13, fallende Schräge 14 und Abrisskante 15. Eingezeichnet sind der feststehende Ort der Zuführleitung 7 und die Drehrichtung D des Zerstäuberbechers 6.
Durch das Zusammenwirken der verschiedenen auf die auftreffenden Öltropfen wirkenden Kräfte wie Beharrungsmoment, Adhäsionskraft, Schwerkraft und Zentrifugalkraft entstehen verschiedene Bewegungsbahnen Bx der einzelnen Ölteilchen auf der Oberfläche des Zerstäuberbechers 6. Für x = 1 bis x = 3 sind einige solcher Bewegungsbahnen B1 bis B3 eingezeichnet. Der Einfachheit halber sind die einzelnen Abschnitte der Bewegungsbahnen B1 bis B3 als Gerade gezeichnet, was sie allerdings in der Regel nicht sind. Für jede der Bewegungsbahnen Bx ergibt sich auf dem Umfang des Zerstäuberbechers 6 an der Abrisskante 15 ein anderer Abrisspunkt. Damit treffen die verschiedenen Öltröpfchen 18 ¾ an anderen Stellen der Innenwand der Verdampferkammer 1 (Fig. 1) auf.
Je besser die Verteilung der Öltröpfchen 18 ¾ über den ganzen 360-Grad-Bereich ist, desto gleichmässiger und somit besser die Verdampfung auf der Innenwand der Verdampferkammer 1.
[0022] Es ist kaum vorhersehbar, wie die Bewegungsbahnen Bx in Abhängigkeit von den Gestaltungselementen des Zerstäuberbechers 6 verlaufen und welche Streuung sich ergibt. Es schien daher aussichtslos, ein mathematisches Modell nach den Methoden der Stochastik zu schaffen, durch das sich die zu erwartende Verteilung der Öltröpfchen 18' berechnen liesse. Dafür war die Zahl der Einflussgrössen zu gross. Es war daher angezeigt, eine Messvorrichtung zu schaffen, mit der praxisnahe Versuche möglich waren.
[0023] In der Fig. 4 ist ein Schema einer solchen Messvorrichtung 20 gezeigt, die anstelle der Verdampferkammer tritt.
Sie ist unterteilt in zwölf Kammersegmente K1 bis K12, deren jede 30 Grad des Vollkreises abdeckt. Rotiert nun innerhalb dieser Messvorrichtung 20 ein Zerstäuberbecher 6, auf den Öl aufgetropft wird, so werden sich von Abrisskante 15 des Zerstäuberbechers Öltröpfchen 18 ¾ an verschiedenen Punkten ablösen und in jeweils eines der Kammersegmente Kx eintreten. In jedem Kammersegment Kx wird das Öl in einem Reagenzglas gesammelt. So kann die Ölmenge, die die einzelnen Kammersegmente Kx erreicht, bestimmt werden.
Um eine optimale Verdampfung zu erreichen, sollte der Zerstäuberbecher 6 so gestaltet sein, dass sich in jedem Kammersegment Kx die gleiche Menge Öl sammelt.
[0024] Mit Hilfe dieser Messvorrichtung 20 war es nun möglich, das Verhalten von Zerstäuberscheiben gemäss dem vorbekannten Stand der Technik zu untersuchen, um herauszufinden, ob es zutrifft, dass die beobachteten Verkokungen auf der Innenwand der Verdampferkammer tatsächlich die Folge umgleichmässiger Verteilung des Öls sind. Damit konnten dann auch verschiedene Varianten getestet werden, um schliesslich zu den erfindungsgemässen Lösungen zu gelangen.
[0025] In der Fig. 5 ist ein Diagramm mit beobachteten Verteilungskurven gezeigt. Auf der Abszissenachse ist der den Kammersegmenten Kx entsprechende Umfang dargestellt. Die Zahlen 1 bis 12 stehen für die Kammersegmente K1 bis K12 gemäss Fig. 4.
Auf der Ordinatenachse ist die Abweichung
<EMI ID=2.0>
der relativen Ölmenge dargestellt, bezogen auf den Idealwert, wenn sich in jedem Kammersegment Kx genau ein Zwölftel der durchgesetzten Gesamtölmenge sammelt. Eine Verteilkurve VSt gibt eine typische Kurve wieder, die für eine Zerstäuberscheibe nach dem Stand der Technik gemäss WO-Al-2004/109 183 ermittelt worden ist. Es zeigt sich, dass in der Kammer 2 eine Ölmenge sammelt, die etwa 15% über dem idealen Mittelwert liegt. Das heisst, dass auf dem entsprechenden Verdampferkammer-Wandbereich eine 15% grössere Ölmenge verdampft werden muss. In diesem Wandbereich kann es wegen der grösseren Ölmenge zu Verkokungen kommen.
Es wurden an Einzelstücken von Zerstäuberscheiben noch deutlich schlechtere Werte festgestellt.
[0026] Eine zweite Verteilkurve VE zeigt eine typische Kurve für einen erfindungsgemässen Zerstäuberbecher 6 gemäss der Fig. 4. Hier beträgt die maximale Abweichung vom Idealwert nur wenig mehr als 1%. Somit wird jeder Bereich der Verdampferkammer 1 (Fig. 1) mit der gleichen Ölmenge beaufschlagt, so dass die Verdampfung überall gleichmässig und vollständig erfolgen sollte. Praxistests haben dann gezeigt, dass bei solchen erfindungsgemässen Zerstäuberbechern 6 keine Verkokungen und kein Russ auftraten.
[0027] In der Fig. 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Zerstäubers 6 gezeigt. Vom Ausführungsbeispiel nach der Fig. 2 unterscheidet es sich dadurch, dass an die fallende Schräge 14 eine Ausrundung 30 anschliesst, die in einen ebenen Ring 31 übergeht.
Dessen äusserer Rand ist dann die Abrisskante 15. In den zuvor beschriebenen Versuchen zur Ermittlung der Ölverteilung wurde kein signifikanter Unterschied zwischen den Ausführungsbeispielen gemäss den Fig. 2 und 6 festgestellt.
[0028] In der Fig. 7 ist eine Skizze mit einem Zerstäuberbecher 6 nach Fig. 2 mit einer Partie der Verdampferkammer 1 gezeigt. Der Zerstäuberbecher 6 ragt, was schon aus der Fig. 1 erkennbar ist, in eine Öffnung 40 im oberen Teil der Verdampferkammer 1 hinein. Gegen diese Öffnung 40 strömt die vom Gebläse geförderte Verbrennungsluft, wie dies aus WO-A1-2004/109 183 erkennbar ist. Mit gestrichelten Linien sind zwei Teilströme der Verbrennungsluft angedeutet. Der eine Teilstrom, nämlich ein Primärluftstrom SP, strömt aussen am Zerstäuberbecher 6 vorbei.
In diesen Primärluftstrom SP werden die Öltropfen 18 ¾ (Fig. 2) eingebracht, die dann in der Verdampferkammer 1 verdampft werden. Der Primärluftstrom SP vermischt sich also in der Verdampferkammer 1 mit dem verdampften Heizöl.
[0029] Durch den Zerstäuberbecher 6 strömt ein zweiter Teilstrom der Verbrennungsluft, der als Sekundärluftstrom SS bezeichnet wird. Diesem Sekundärluftstrom SS wird in der Verdampferkammer 1 kein verdampftes Heizöl beigemischt. Die beiden Teilströme, Primärluftstrom SP und Sekundärluftstrom SS, vermischen sich im unteren Teil der Verdampferkammer 1 unter der Wirkung des Mischrads 5 (Fig. 1).
[0030] Für die Güte der Verbrennung ist, wie eingehende Versuche erwiesen haben, das Verhältnis von Primärluftstrom SP und Sekundärluftstrom SS bedeutsam.
Dieses Verhältnis ist beeinflussbar durch die Dimensionierung der Verdampferkammer 1 und des Zerstäuberbechers 6. Bedeutsam ist, was Versuche gezeigt haben, einerseits der Durchmesser D40 der Öffnung 40 und andererseits der Durchmesser D6 des Rohrabschnitts 10 des Zerstäuberbechers 6. Der Durchmesser D40 liegt durch die Herstellung der Verdampferkammer 1 im Prinzip fest. Somit kann durch die Wahl des Durchmessers D6 des Zerstäuberbechers 6 das Verhältnis von Primärluftstrom SP und Sekundärluftstrom SS beeinflusst werden. Wird der Durchmessers D6 vergrössert, so wird der Sekundärluftstrom SS vergrössert und gleichzeitig der Primärluftstrom SP verkleinert, also das Verhältnis von Primärluftstrom SP zu Sekundärluftstrom SS deutlich verkleinert.
Ist der Primärluftstrom SP grösser, so bedeutet das, dass die Verdampferkammer 1 in jenem Bereich, in dem das Heizöl verdampft wird, stärker abgekühlt wird, was die Verdampfung verschlechtert. Ein kleinerer Primärluftstrom SP wirkt sich folglich auch günstig aus hinsichtlich Verkokung.
[0031] Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Primärluftstrom SP dadurch klein gehalten wird, dass das Verhältnis von Durchmesser D6 zu Durchmesser D40 grösser als 0,9 ist.
[0032] Darüber hinaus ist es bedeutsam, wie gross ein Abstand A13 zwischen dem oberen Rand der Wölbung 13 und der Unterkante des oberen Teils der Verdampferkammer 1 ist. Als vorteilhaft hat sich ein Mass von etwa 4 mm ergeben. Wesentlich ist auch ein Abstand A15 zwischen dem oberen Rand der Wölbung 13 des Zerstäuberbechers 6 und der Abrisskante 15.
Der Abstand A15 beträgt vorteilhaft etwa 6 mm.
[0033] Gezeigt hat sich auch, dass es bedeutsam ist, wie die Zuführleitung 7 gegenüber dem Zerstäuberbecher 6 angeordnet ist. So spielt eine Eintauchtiefe T eine Rolle, die gegeben ist durch das untere Ende der Zuführleitung 7, bezogen auf den oberen Rand der Wölbung 13 des Zerstäuberbechers 6. Hinsichtlich dieser Eintauchtiefe T spielt, wie Versuche gezeigt haben, auch die Höhe jenes Bereichs des Zerstäuberbechers 6, über den das Heizöl sich verteilt, eine bedeutsame Rolle. Die Höhe ist mit H13 in der Fig. 7 angegeben. Als vorteilhaft hat sich erwiesen, dass das Verhältnis von Eintauchtiefe T zu Höhe H13 grösser als 0,7 ist.
[0034] In der Fig. 8 ist eine geschnittene Seitenansicht des Auslaufendes der Zuführleitung 7 gezeigt.
Die Zuführleitung 7 ist ein Rohr, dessen unteres Ende, das das Auslaufende für das Öl darstellt, unter einem Winkel beta geschnitten ist. Der Winkel beta beträgt vorteilhaft 30 bis 45 Grad. Dadurch entsteht am Auslaufende der Zuführleitung eine ovale Auslauföffnung 35. Es hat sich gezeigt, dass durch diese Massnahme Form und Grösse der am Auslaufende der Zuführleitung 7 entstehenden Öltropfen in vorteilhafter Weise beeinflusst werden können. Mit D ist die in der Fig. 3 schon gezeigte Drehrichtung des Zerstäuberbechers 6 (Fig. 1) bezeichnet. In der Fig. 9 ist eine Aufsicht auf die Auslauföffnung 35 am Auslaufende der Zuführleitung 7 gezeigt.
[0035] In der Fig. 10 ist eine Seitenansicht eines Zerstäuberbechers 6 in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform gezeigt. Die Basisform entspricht der Ausführung gemäss der Fig. 6.
In vorteilhafter Weise ist hier aber der an die Ausrundung 30 anschliessende ebene Ring 31 ersetzt durch einen gestuften Ring 36. Dessen äussere Begrenzung stellt wiederum die Abrisskante 15 dar. Die Abrisskante 15 liegt damit an Teilen des Umfangs weiter unten als an anderen Teilen des Umfangs. Das hat die vorteilhafte Wirkung, dass die sich von der Abrisskante 15 lösenden sehr kleinen Öltröpfchen 18 ¾ (Fig. 2) in unterschiedlicher Höhe auf die Innenwand der Verdampferkammer 1 (Fig. 1) auftreffen. Der Bereich an der Verdampferkammer 1, auf den Öltröpfchen 18 ¾ auftreffen, vergrössert sich somit, was die Verdampfung des Öls nochmals verbessert.
[0036] In der Fig. 11 ist eine Seitenansicht eines Zerstäuberbechers 6 in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform gezeigt. Die Basisform entspricht der Ausführung gemäss der Fig. 2.
Analog zum Ausführungsbeispiel der Fig. 10 liegt dadurch, dass über den Umfang die Höhe der fallenden Schräge 14 variiert, die Abrisskante 15 weiter oben als an anderen Teilen des Umfangs. Der Bereich an der Verdampferkammer 1, auf den Öltröpfchen 18 ¾ auftreffen, vergrössert sich somit auch bei diesem Ausführungsbeispiel, was die Verdampfung des Öls verbessert.
[0037] Durch die verschiedenen erfindungsgemässen und vorteilhaften Massnahmen wird das Entstehen von Russ und Verkokungsrückständen verhindert. Damit werden die Dauerbetriebseigenschaften des Brenners verbessert.
The invention relates to an evaporator burner referred to in the preamble of claim 1 Art.
Such burners are advantageously used in heating systems of residential and non-residential buildings. The heat generated by the burner when burning the fuel, for example, heats water in a boiler. In addition to burners for liquid fuels such as heavy oil, extra light fuel oil or kerosene burners exist for gaseous fuels such as natural gas. The latter are characterized in particular by the fact that their heat generation can be regulated over a large power range, which is referred to in the specialist world with modulability. In addition, gas burners have favorable pollutant emission values.
A burner of the type mentioned in the preamble of claim 1 is known from WO-A1-2004 / 109 183.
It is extra light for burning fuel oil. Arranged is such a burner in the upper part of the boiler. The experts call such burners as tumble burners. They are used in particular in condensing boilers in which the heat of condensation of the water vapor is available as useful heat. The fuel oil to be evaporated drips in such a burner on a rotating atomizing disc and is distributed under the action of centrifugal force on the inner wall of an evaporator chamber.
It has been found that in the continuous operation of such a burner on the inner wall of the evaporator chamber coking residues may arise.
This is disadvantageous because more and more coking residues occur over time, which adversely affects the evaporation of the subsequent fuel oil.
From US-A-2 088 742 an oil burner is known which comprises a rotating atomizer. In a central axis, a larger number of outlet openings for the oil are present. Between trough-shaped parts, the oil is thrown by the rotational movement to the outside. Because of the large number of outlet openings, this oil burner is suitable for high performance.
For burners of lower power, in particular for condensation boilers, such a designed burner is unsuitable because the oil only atomized, but not evaporated.
The invention has for its object to prevent the formation of soot and coking residues and so to improve the continuous operating characteristics of the burner.
The above object is achieved by the features of claim 1 according to the invention. Advantageous developments emerge from the dependent claims.
Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawing.
[0009]
<Tb> FIG. 1 <sep> is a sectional drawing of an evaporation device,
<Tb> FIG. 2 <sep> a nebulizer cup of this evaporation device,
<Tb> FIG. 3 <sep> is a schematic plan view of the atomizer cup with trajectories of individual oil particles,
<Tb> FIG. 4 is a diagram of a measuring device for determining the distribution of oil,
<Tb> FIG. 5 <sep> is a graph of observed distribution curves,
<Tb> FIG. 6 <sep> a second embodiment of the atomizer cup,
<Tb> FIG. 7 <sep> a sketch with dimensioning information,
<Tb> FIG. 8 <sep> is a side view of a part of a supply line,
<Tb> FIG. 9 <sep> a view of this part of the supply and
<Tb> FIG. 10 and 11 show further embodiments of the atomizer cup.
The starting point of the invention is a solution shown in WO-A1-2004 / 109 183. 4 shows a section of an evaporation device for a burner shown in FIG. 1 there. The initially mentioned coking problem is solved according to the invention by changes to this evaporation device.
In Fig. 1, the evaporation device is shown which includes an evaporator chamber 1, in the housing 2, an electric heater 3 is arranged, as is known from WO-A1-2004 / 109 183. On a shaft 4, a mixing wheel 5 and a nebulizer cup 6 are positively secured, so that the mixing wheel 5 and the atomizer cup 6 rotate together with the shaft 4.
In addition, the rotors of a blower, not shown here, are fastened to this shaft 4, as is known from WO-A1-2004 / 109 183.
Essential to the invention is that the atomizer cup 6 is basically designed differently than the WO-A1-2004 / 109 183 known atomizer disk, although both have the same function in itself. In both cases, the fuel oil to be evaporated drips from a supply line 7 onto a spray element, in the case of the invention thus onto the atomizer cup 6.
2, the atomizer cup 6 is shown enlarged as a sectional drawing. The atomizer cup 6 consists of a pipe section 10, at the lower end of an annular trough 11 connects. At the outer edge of the tub 11 includes a rising slope 12 at.
Its upper edge merges into a curvature 13, to the outside of a falling slope 14 connects. Their end forms a tear-off edge 15th
Shown is also the supply line 7 and an oil drop dripping therefrom 18. The fuel oil is conveyed, for example, by means of an oil pump, not shown, which may be a vibrating armature pump. The oil drops 18 then leave the supply line, for example at a speed of about 3 to 5 m / sec. The oil drops 18 thus hit in the tub 11.
By the rotation of the atomizer cup 6 creates a force acting on the oil drops 18 centrifugal force as soon as they hit the tub 11. Under the effect of the centrifugal force, the oil is now transported to the outside and must therefore flow on the rising slope 12 upwards. So the oil has to rise against gravity.
Because gravity acts here against the centrifugal force, the flow velocity of the oil droplets 18, which have already developed into a film, is smaller than in the previously known state of the art. In addition, the oil on the surface must travel a greater distance, which favors the formation of a thin film. The thickness of the film is influenced by the centrifugal force, the gravity and the adhesion force of the oil on the surface of the atomizing cup 6.
The along the rising slope 12 upwardly moving oil film then flows over the buckle 13 to the falling slope 14. It is due to the interaction of centrifugal and gravity, the flow rate greater and the oil film thinner.
The oil film then reaches the trailing edge 15, from where very small oil droplets 18 ¾ are then thrown against the inner wall of the evaporator chamber 1 (FIG. 1).
In the stated prior art, the oil drops strike a flat atomizer disk. Because of the relatively high impact velocity of the droplets, it could happen that parts of the droplets are quasi reflected by the surface and strike the inner wall of the evaporator chamber directly, so that the droplets do not basically melt on the surface of the atomizer disk into a thin film.
Such reflected drop parts spray more or less always on the same area of the inner wall of the evaporator chamber, so that locally a significantly larger amount of oil occurs, which could be the cause of the observed local coking.
The inventive design of the atomizer cup 6, this effect can be largely avoided because the point of impact of the oil drops 18 is located below in the tub 11 and is limited to the outside by the rising slope 12. From the above, it also follows that the formation of a very thin film of oil is favored by the longer distance from the point of impact to the trailing edge 15. It follows that in the inventive atomizer cup 6 smaller oil droplets 18 ¾ than in the prior art.
That facilitates the evaporation.
It has proved to be advantageous if the rising slope 12 has an angle alpha of 10 to 20 degrees to the vertical. Compared to larger angles, this results in a reduction of the flow velocity and an extension of the flow path with a correspondingly favorable effect with regard to the formation of a very thin film of oil.
The pump delivers the fuel oil not steadily, but pulse-like. Because the fuel oil is distributed on the surfaces of the atomizer cup 6, a quasi-continuous flow of fuel oil is produced at the trailing edge 15. This means in an extremely advantageous manner that the flame burns evenly. The pulsation of the flame, which is observed in particular in the case of a small burner output in the known prior art, is thus avoided.
Consequently, it is also possible in the solution according to the invention to increase the degree of modulation. Because pulsating flames are one of the causes of the formation of soot, the formation of soot is suppressed by the invention.
In Fig. 3 is a schematic plan view of the atomizer cup 6 is shown. Shown are the projected into the plane surfaces of the sub-elements of the Zerstäuberbechers 6, namely pipe section 10, pan 11, rising slope 12, buckle 13, falling slope 14 and trailing edge 15. Plotted are the fixed location of the supply 7 and the direction of rotation D of Zerstäuberbechers ,
The interaction of the various forces acting on the impinging oil drops such as inertia, adhesion, gravity and centrifugal force creates different trajectories Bx of the individual oil particles on the surface of Zerstäuberbechers 6. For x = 1 to x = 3 some such trajectories B1 to B3 are located. For simplicity, the individual sections of the trajectories B1 to B3 are drawn as a straight line, which they are, however, usually not. For each of the trajectories Bx results on the circumference of the atomizer cup 6 at the trailing edge 15, a different break point. Thus, the various oil droplets 18 ¾ at other locations of the inner wall of the evaporator chamber 1 (Fig. 1).
The better the distribution of the oil droplets 18 ¾ over the entire 360-degree range, the smoother and therefore better the evaporation on the inner wall of the evaporator chamber. 1
It is hardly predictable how the trajectories Bx depending on the design elements of the atomizer cup 6 run and which scattering results. It therefore seemed hopeless to create a mathematical model according to the methods of stochastics, by which the expected distribution of oil droplets 18 'could be calculated. The number of influencing factors was too large for that. It was therefore appropriate to provide a measuring device with which practical tests were possible.
In Fig. 4 is a diagram of such a measuring device 20 is shown, which occurs in place of the evaporator chamber.
It is divided into twelve chamber segments K1 to K12, each of which covers 30 degrees of the full circle. Now rotates within this measuring device 20, a nebulizer cup 6, is dropped on the oil, so will detach from demolition edge 15 of the atomizer cup oil droplets 18 ¾ at different points and enter each one of the chamber segments Kx. In each chamber segment Kx the oil is collected in a test tube. Thus, the amount of oil that reaches the individual chamber segments Kx can be determined.
In order to achieve optimal evaporation, the atomizer cup 6 should be designed so that the same amount of oil collects in each chamber segment Kx.
With the aid of this measuring device 20, it was now possible to investigate the behavior of atomizing disks according to the prior art in order to find out whether it is true that the observed coking on the inner wall of the evaporator chamber is actually the result of uniform distribution of the oil , This then also different variants could be tested to finally reach the novel solutions.
FIG. 5 shows a diagram with observed distribution curves. On the abscissa axis of the chamber segments Kx corresponding circumference is shown. The numbers 1 to 12 stand for the chamber segments K1 to K12 according to FIG. 4.
On the ordinate axis is the deviation
<EMI ID = 2.0>
represented relative to the ideal value, if in each chamber segment Kx exactly one-twelfth of the total amount of oil enforced collects. A distribution curve VSt represents a typical curve which has been determined for a prior art atomizer disk according to WO-Al-2004/109 183. It can be seen that in chamber 2 an amount of oil is collected that is about 15% above the ideal average. This means that a 15% larger amount of oil must be evaporated on the corresponding evaporator chamber wall area. In this wall area, it can come to coking because of the larger amount of oil.
On individual pieces of atomizer disks, significantly worse values were found.
A second distribution curve VE shows a typical curve for an inventive atomizer cup 6 according to FIG. 4. Here, the maximum deviation from the ideal value is only slightly more than 1%. Thus, each area of the evaporator chamber 1 (Fig. 1) is charged with the same amount of oil, so that the evaporation should be everywhere uniform and complete. Practical tests have then shown that in such inventive atomizer cups 6 no coking and no soot occurred.
6, another embodiment of an atomizer 6 is shown. From the exemplary embodiment according to FIG. 2, it differs in that adjoining the falling slope 14 is a fillet 30, which merges into a flat ring 31.
Its outer edge is then the trailing edge 15. In the above-described attempts to determine the oil distribution no significant difference between the embodiments according to FIGS. 2 and 6 was found.
In Fig. 7 is a sketch with a Zerstäuberbecher 6 of FIG. 2 with a lot of the evaporator chamber 1 is shown. The atomizer cup 6 projects, as can already be seen in FIG. 1, into an opening 40 in the upper part of the evaporator chamber 1. Against this opening 40, the combustion air conveyed by the fan flows, as can be seen from WO-A1-2004 / 109 183. Dashed lines indicate two partial flows of the combustion air. The one partial flow, namely a primary air flow SP, flows outside the atomizer cup 6.
In this primary air stream SP, the oil drops 18 ¾ (Fig. 2) are introduced, which are then vaporized in the evaporator chamber 1. The primary air flow SP thus mixes in the evaporator chamber 1 with the evaporated fuel oil.
Through the atomizer cup 6, a second partial flow of the combustion air, which is referred to as a secondary air flow SS flows. This secondary air flow SS is added in the evaporator chamber 1 no evaporated fuel oil. The two partial flows, primary air flow SP and secondary air flow SS, mix in the lower part of the evaporator chamber 1 under the effect of the mixing wheel 5 (FIG. 1).
For the quality of the combustion, as detailed tests have proven, the ratio of primary air flow SP and secondary air flow SS significant.
This ratio is influenced by the dimensions of the evaporator chamber 1 and the atomizer cup 6. Significantly, what experiments have shown, on the one hand the diameter D40 of the opening 40 and on the other hand, the diameter D6 of the tube section 10 of the atomizer cup 6. The diameter D40 is due to the production of the Evaporator chamber 1 in principle fixed. Thus, the ratio of primary air flow SP and secondary air flow SS can be influenced by the choice of the diameter D6 of the atomizer cup 6. If the diameter D6 is increased, the secondary air flow SS is increased and at the same time the primary air flow SP is reduced, ie the ratio of the primary air flow SP to the secondary air flow SS is significantly reduced.
If the primary air flow SP is larger, it means that the evaporator chamber 1 is more cooled in the region in which the heating oil is evaporated, which deteriorates the evaporation. A smaller primary air flow SP consequently also has a favorable effect with regard to coking.
It has been found to be advantageous if the primary air flow SP is kept small because the ratio of diameter D6 to diameter D40 is greater than 0.9.
In addition, it is significant how large a distance A13 between the upper edge of the bulge 13 and the lower edge of the upper part of the evaporator chamber 1 is. As advantageous, a mass of about 4 mm has resulted. Also important is a distance A15 between the upper edge of the curvature 13 of the atomizer cup 6 and the tear-off edge 15.
The distance A15 is advantageously about 6 mm.
It has also been shown that it is important how the feed line 7 is arranged opposite the atomizer cup 6. Thus, an immersion depth T plays a role, which is given by the lower end of the supply line 7, with respect to the upper edge of the curvature 13 of the atomizer cup 6. With regard to this immersion depth T plays, as experiments have shown, the height of that area of the atomizer cup. 6 , over which the fuel oil spreads, a significant role. The height is indicated by H13 in FIG. It has proved to be advantageous that the ratio of immersion depth T to height H13 is greater than 0.7.
In Fig. 8 is a sectional side view of the outlet end of the supply line 7 is shown.
The supply pipe 7 is a pipe whose lower end, which is the outlet end for the oil, is cut at an angle beta. The angle beta is advantageously 30 to 45 degrees. This results in the outlet end of the supply line an oval outlet opening 35. It has been shown that by this measure shape and size of the resulting at the outlet end of the supply 7 oil drops can be influenced in an advantageous manner. D denotes the direction of rotation of the atomizing cup 6 already shown in FIG. 3 (FIG. 1). FIG. 9 shows a plan view of the outlet opening 35 at the outlet end of the supply line 7.
In Fig. 10 is a side view of a Zerstäuberbechers 6 is shown in a further advantageous embodiment. The basic shape corresponds to the embodiment according to FIG. 6.
In an advantageous manner, however, the flat ring 31 adjoining the fillet 30 is here replaced by a stepped ring 36. Its outer boundary in turn represents the tear-off edge 15. The tear-off edge 15 thus lies lower on parts of the circumference than on other parts of the circumference. This has the advantageous effect that the very small oil droplets 18 ¾ (FIG. 2) coming off the trailing edge 15 strike the inner wall of the evaporator chamber 1 (FIG. 1) at different heights. The area on the evaporator chamber 1, hit by the oil droplets 18 ¾, thus increases, which further improves the evaporation of the oil.
In Fig. 11 is a side view of a Zerstäuberbechers 6 is shown in a further advantageous embodiment. The basic shape corresponds to the embodiment according to FIG. 2.
Analogous to the embodiment of FIG. 10, the fact that the height of the falling slope 14 varies over the circumference, the tear-off edge 15 is higher than at other parts of the circumference. The area on the evaporator chamber 1, to the oil droplets 18 ¾ impact, thus increases in this embodiment, which improves the evaporation of the oil.
The various inventive and advantageous measures, the formation of soot and coking residues is prevented. This improves the continuous operating characteristics of the burner.