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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner für ein Heizgerät, insbesondere
für ein
Kraftfahrzeugheizgerät,
mit einer Brennkammer in der eine Prallscheibe im Wesentlichen quer
zu einer Hauptströmungsrichtung
eines Brennstoff/Luftgemisches angeordnet ist.
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Ein
gattungsgemäßer Brenner
gemäß dem Stand
der Technik ist abschnittsweise in 4 dargestellt
und insgesamt mit 110 bezeichnet. In einer Brennkammer 112 ist
quer zu einer Hauptströmungsrichtung 116 eines
Brennstoff/Luftgemisches eine Prallscheibe 114 angeordnet.
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Prallscheiben
werden in der Verbrennungstechnik insbesondere eingesetzt, um die
Baugröße (insbesondere
die Länge)
der Brennkammern zu reduzieren. Dabei ist die Prallscheibe 114 in
der Brennkammer 112 im Bereich der Flamme positioniert.
Die in 4 nicht dargestellte Befestigung der Prallscheibe 114 in
der Brennkammer 112 erfolgt über Befestigungsfüße. Die
quer zur Hauptströmungsrichtung 116 angeordnete
Prallscheibe 114 stellt aus strömungstechnischer Sicht ein
Strömungshindernis dar.
Dadurch werden insbesondere die folgenden Effekte erzielt:
- – Durch
den Störkörper wird
die Strömung
umgelenkt, so dass Turbulenzen entstehen, die die Vermischung von
Brennstoff und Verbrennungsluft begünstigen.
- – Das
Startverhalten wird verbessert.
- – Das
Ausbrandverhalten wird verbessert, insbesondere bei nicht genügender Zerstäubung des Brennstoffs,
weil nicht verdampfte Brennstofftröpfchen der Strömungsumlenkung
an der Prallscheibe 114 aufgrund ihrer Massenträgheit nicht folgen
können
und daher auf die Prallscheibe 114 aufschlagen, wo sie
verdampfen. Die Verdampfung wird durch die hohe Temperatur der Prallscheibe 114 begünstigt.
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Um
eine zu starke Erwärmung
der Prallscheibe 114 zu vermeiden, ist es bekannt, die
Prallscheibe 114 mittels Tertiärluft 142 zu kühlen. In 4 ist
eine Kombination aus einem über
eine nicht dargestellte Düse
zugeführten
Primärluftstrom
und einem über
zumindest eine Sekundärluftzufuhr zugeführten Sekundärluftstrom
mit den Bezugszeichen 144 versehen. Diese Art der Luftzuführung wird
auch als gestufte Luftzuführung
bezeichnet, weil die Verbrennungsluft in Form von zwei Teilmassenströmen zugeführt wird,
wobei der eine Teilmassenstrom im Bereich der Brennstoffzufuhr (Düse) zugegeben
wird, während
der andere Teilmassenstrom strömungsabwärts in der
Brennkammer zugegeben wird. Gemäß 4 erfolgt
die Kühlung
der Prallscheibe 114 auf der strömungsabgewandten Seite über einen
Tertiärluftstrom 142,
der zwischen einer inneren Wand 148 und einer äußeren Wand 140 der
Brennkammer 112 zugeführt
wird und über
zumindest einen Tertiäreinlass 146 in
die Brennkammer 112 gelangt. In diesem Zusammenhang ist
es bereits bekannt, die Kühlluft beziehungsweise
den Tertiärluftstrom 146 im "Windschatten" der in 4 nicht
dargestellten Befestigungsfüße der Prallplatte 114 zuzuführen. Auf
diese Weise wird die Kühlluft
weniger von der Hauptgasströmung
(Verbrennungsgase) davongetragen und gelangt besser bis zur Prallscheibe 114.
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Durch
die Führung
der Kühl-
beziehungsweise Tertiärluft 146 kann
die Effizienz der Prallscheibenkühlung
verbessert werden. Die Führung
der Kühlluft
kann durch geschlossene (zum Beispiel runde oder viereckige) oder
offene (zum Beispiel U- oder L-Förmige)
Kanäle
erfolgen.
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Die
Doppelwandig Ausgestaltung der Brennkammer 112 ist jedoch
aufwendig und daher mit hohen Kosten verbunden. Weiterhin können Probleme mit
Schweißnähten des
Brenners 110 auftreten, die schlimmstenfalls einen Totalausfall
des Brenners zur Folge haben können.
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Auch
die Herstellung der in 4 nicht dargestellten Befestigungsfüße zur Befestigung
der Prallscheibe 114 ist aufwendig, da diese bei bekannten
Ausführungsformen
eine komplexe Geometrie aufweisen, insbesondere wenn sie auch zur
Führung der
Tertiärluft 142 dienen.
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Zusammenfassend
ist festzustellen, dass die Herstellung der Prallscheibe 114 und
deren Befestigung innerhalb der Brennkammer 112 aufgrund
der komplexen Geometrie sehr kostspielig ist.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die gattungsgemäßen Brenner
derart weiterzubilden, dass die Herstellungskosten sinken und gleichzeitig
die Anzahl potenzieller Fehlerquellen verringert wird.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Der
erfindungsgemäße Brenner
baut auf dem gattungsgemäßen Stand
der Technik dadurch auf, dass der Außenumfang der Prallscheibe
zumindest im Wesentlichen an den Innenumfang der Brennkammer angepasst
ist und dass die Prallscheibe zumindest einen Durchbruch aufweist.
Durch diese Lösung
können
die beim Stand der Technik vorgesehenen Befestigungsfüße entfallen,
weil die Prallscheibe direkt an der Brennkammer befestigt werden kann,
beispielsweise durch eine umlaufende Schweißnaht. Weiterhin ermöglicht es
diese Lösung, dass
die Brennkammer 112 einwandig ausgeführt wird, was später noch
näher erläutert wird.
Insgesamt werden die Herstellungskosten gesenkt, und die Anzahl
von potenziellen Fehlerquellen verringert sich aufgrund einer kleineren
Anzahl von Schweißnähten. Die
Prallscheibe ist weiterhin luftgekühlt, jedoch auf eine andere
Weise als beim Stand der Technik, was später ebenfalls noch näher erläutert wird.
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Bei
bevorzugten Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Brenners
ist vorgesehen, dass die Prallscheibe zumindest Abschnittsweise
konvex ist. Dabei ist die Prallscheibe vorzugsweise topfartig der Brennstoffzuführdüse zugewandt.
Eine konvexe Form der Prallscheibe erleichtert die Führung der Prallscheibenkühlluft.
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Weiterhin
wird bevorzugt, dass die Prallscheibe mehrere Durchbrüche aufweist,
von denen zumindest einige im Randbereich der Prallscheibe vorgesehen
sind. Die Form der Durchbrüche
kann beispielsweise kreisringsegmentartig sein.
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Dabei
kann gleichzeitig oder alternativ vorgesehen sein, dass die Prallscheibe
mehrere Durchbrüche
aufweist, von denen zumindest einige in einem konvexen Abschnitt
der Prallscheibe vorgesehen sind. Bei der Düse kann es sich insbesondere um
eine Venturidüse
handeln.
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Vorzugsweise
ist weiterhin vorgesehen, dass die Brennkammer zumindest einen Sekundärlufteinlass
aufweist, über
den der Brennkammer im Betrieb des Brenners ein verdrallter Sekundärluftstrom
zugeführt
wird.
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Insbesondere
wenn der Sekundärluftstrom stark
verdarllt ist, ergibt sich, dass der Sekundärluftstrom einen ersten Teilluftstrom,
der zumindest überwiegend
zur Kühlung
der Prallscheibe dient, und einen zweiten Teilluftstrom aufweist,
der zumindest überwiegend
an der Verbrennungsreaktion beteiligt ist. Aufgrund der Tatsache,
dass die Kühlung
der Prallsscheibe erfindungsgemäß über den
ersten Teilluftstrom des Sekundärluftstroms
erfolgt, ist kein Tertiärluftstrom
erforderlich, was die einwandige Ausführung der Brennkammer ermöglicht.
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In
diesem Zusammenhang wird bevorzugt, dass der erste Teilluftstrom
ein sich in der Nähe
der Brennkammerwand erstreckender, verdrallter erster Teilluftstrom
ist, der eine Bewegungskomponente in der Hauptströmungsrichtung
aufweist. Dabei ist die bereits erwähnte zumindest abschnittsweise
konvexe Ausführung
der Prallscheibe vorteilhaft, weil die wandnahe Kühlluftströmung in
diesem Fall durch die konvexen Abschnitte sanft umgelenkt wird und
so relativ gleichmäßig über die
Prallscheibe strömen kann.
Der erste Teilluftstrom ist an der Verbrennungsreaktion im Wesentlichen
nicht beteiligt, da die Verbrennung prinzipiell im Zentrum der Brennkammer stattfindet.
Der erste Teilluftstrom weist daher eine relativ niedrige Temperatur
auf und ist somit zur Kühlung
der Prallscheibe besonders gut geeignet.
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Hinsichtlich
des zweiten Teilluftstroms wird bevorzugt, dass der zweite Teilluftstrom
ein sich im Kern der Brennkammer erstreckender, verdrallter zweiter
Teilluftstrom ist.
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Wie
bereits mehrfach erwähnt,
ermöglicht
es die Erfindung, dass die Brennkammer einwandig ist.
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Zusammenfassend
ist festzustellen, dass die Erfindung aufgrund der günstigen
Herstellbarkeit der Prallscheibe und der Möglichkeit der einwandigen Ausführung der
Brennkammer zu einer Materialkostenreduzierung und zu einer Herstellungskostenreduzierung
(niedrigere Schweißzeiten)
führt.
Die bei doppelwandigen Brennkammern teilweise auftretenden Probleme
mit Schweißnähten entfallen.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Brenners
wird nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen beispielhaft
erläutert.
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Es
zeigen:
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1a eine
schematische Seiten-Schnittansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners;
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1b eine
Seiten-Schnittansicht der in den Brenner von
-
1a eingesetzten
Prallscheibe;
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1c eine
Draufsicht auf die Prallscheibe von 1b;
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2 die
Zuführung
der Sekundärluft
und der Primärluft
bei dem Brenner von 1a;
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3a die
Teilluftströme
des Sekundärluftstroms
bei dem Brenner von 1a;
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3b eine
geschnittene Draufsicht auf den Brenner von 3a; und
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4 eine
schematische Seiten-Schnittansicht eines gattungsgemäßen Brenners
gemäß dem Stand
der Technik, wie eingangs erläutert.
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Der
in den 1 bis 3 dargestellte
Brenner 10 weist eine Brennkammer 12 auf, in der
quer zu einer Hauptströmungsrichtung 16 eines
Brennstoff/Luftgemisches eine Prallscheibe 14 angeordnet ist.
Der Außenumfang 18 der
Prallscheibe 14 ist an den Innenumfang 20 der
Brennkammer 12 angepasst. Die Prallscheibe 14 ist
konvex ausgebildet und topfartig einer schematisch angedeuteten
Venturidüse 24 zugewandt, über die
ein Brennstoff/Luftgemisch zugeführt
wird. In ihrem äußeren Randbereich weist
die Prallscheibe 14 bei der dargestellten Ausführungsform
vier Durchbrüche 22 auf,
die im Wesentlichen eine kreisringsegmentartige Form haben. Die
Kosten des für
die Herstellung der Prallscheibe 14 erforderlichen Umformwerkzeugs
sind vergleichsweise gering, da zur Herstellung der Prallscheibe 14 im
Vergleich zum Stand der Technik nur wenig Umformschritte erforderlich
sind. Weiterhin ist die Werkzeugstandzeit größer, da die Umformung mit größeren Biegeradien
als beim Stand der Technik erfolgen kann und die Schnittnadeln zur
Herstellung der Durchbrüche 22 relativ
groß sein
können.
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2 zeigt
die Zuführung
der Sekundärluft und
der Primärluft
bei dem Brenner von 1a. Dabei wird über einen
Sekundärlufteinlass 28 ein
mittels eines nicht näher
dargestellten Leitapparates verdrallter Sekundärluftstrom 30, 32 zugeführt. Weiterhin
tritt ein Primärluftstrom 26 durch
die Düse 24 in die
Brennkammer 12 ein. Der Sekundärluftdrall beziehungsweise
die Gesamtströmung
ist durch den Pfeil 36 veranschaulicht.
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3a zeigt
die Teilluftströme
des Sekundärluftstroms
bei dem Brenner von 1a, und 3b zeigt
eine geschnittene Draufsicht auf den Brenner von 3a.
Der über
den Sekundärlufteinlass 28 zugeführte Sekundärluftstrom
ist dabei in einen ersten Teilluftstrom 30 und einen zweiten
Teilluftstrom 32 aufgeteilt. Bei dem ersten Teilluftstrom 30 handelt
es sich um einen verdrallten Luftstrom, der sich zunächst in
der Nähe
der Wand 34 der Brennkammer 12 erstreckt und dann
aufgrund der konvexen Form der Prallscheibe 14 so umgeleitet
wird, dass er über
die Prallscheibe 14 streicht. Da der erste Teilluftstrom 30 im
Wesentlichen nicht an der im Zentrum der Brennkammer 12 stattfindenden
Verbrennung beteiligt ist, weist er eine vergleichsweise niedrige
Temperatur auf und ist daher zur Kühlung der Prallscheibe 14 besonderes
geeignet. Der zweite Teilluftstrom 32 ist im Gegensatz
hierzu zumindest überwiegend
an der Verbrennungsreaktion beteiligt. Auch der zweite Teilluftstrom 32 ist
(vorzugsweise stark) verdrallt, um eine gute Vermischung von Brennstoff
und Luft sicherzustellen.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausbildung
der Prallscheibe und die dadurch mögliche Prallscheibenkühlung mittels
Sekundär luft
ergibt sich trotz kostengünstigem
Aufbau keine höhere
Prallscheibentemperatur als bei den bekannten, deutlich aufwendigeren
Lösungen.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den
Ansprüchen
offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch
in beliebiger Kombination für
die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
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- 10
- Brenner
- 12
- Brennkammer
- 14
- Prallscheibe
- 16
- Hauptströmungsrichtung
- 18
- Außenumfang
der Prallscheibe
- 20
- Innenumfang
der Brennkammer
- 22
- Durchbruch
- 26
- Primärluftstrom
- 28
- Sekundärlufteinlass
- 30
- erster
Teilluftstrom des Sekundärluftstroms
- 32
- zweiter
Teilluftstrom des Sekundärluftstroms
- 34
- Brennkammerwand
- 36
- verdrallter
Luftstrom
- 110
- Brenner
gemäß dem Stand
der Technik
- 112
- Brennkammer
- 114
- Prallscheibe
- 116
- Hauptströmungsrichtung
- 140
- äußere Wand
- 142
- Tertiärluft
- 144
- Sekundärluftstrom
- 146
- Tertiäreinlass
- 148
- innere
Wand
- 144
- Sekundärluftstrom