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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Verdampferbaugruppe für einen
Verdampferbrenner, umfassend ein Gehäuse mit einer Umfangswandung und
einer Bodenwandung, wobei von der Bodenwandung ein Lufteinlassansatz
in Richtung Gehäuseinneres
hervorsteht.
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Derartige
Verdampferbaugruppen werden beispielsweise in Fahrzeugheizgeräten, wie
z.B. Standheizung oder Zuheizer, eingesetzt. Bei diesen Verdampferbaugruppen
wird über
den Lufteinlassansatz die zur Verbrennung mit Brennstoffdampf erforderliche
Luft von radial innen in den zentralen Bereich des Gehäuseinneren,
also einer darin gebildeten Brennkammer, eingeleitet. Dazu weist
im Allgemeinen der Lufteinlassansatz in seiner Umfangswandung längs derselben
sich erstreckende Schlitze auf, durch welche die in diesen eingeleitete
Luft nach radial außen
und somit in Richtung auf die Umfangswandung des Gehäuses der
Verdampferbaugruppe zu strömt.
Stromaufwärts
des Lufteinlassansatzes ist im Allgemeinen eine Drall-Vorrichtung
vorgesehen, die dafür
sorgt, dass die in den Lufteinlassansatz einströmende Luft bereits einen Drall
aufweist, der zu einer Längsmittenachse
des Gehäuses
im Wesentlichen zentrisch ist. Ein Großteil dieses Dralls geht jedoch
beim Durchströmen
der Schlitze in dem Lufteinlassansatz wieder verloren, so dass nach
Eintritt in das Gehäuseinnere,
also in die Brennkammer, nur noch vergleichsweise geringe Verwirbelungen
bzw. Turbulenzen vorhanden sind, die die geeignete Durchmischung
mit dem in der Brennkammer auch vorhandenen Brennstoffdampf bewirken
sollen.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verdampferbaugruppe
für einen
Verdampferbrenner vorzusehen, bei welcher für eine verbesserte Durchmischung
der einzuleitenden Luft und des Brennstoffdampfes und somit einen
reduzierten Schadstoffausstoß gesorgt
ist.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe gelöst durch
eine Verdampferbaugruppe für
einen Verdampferbrenner, umfassend ein Gehäuse mit einer Umfangswandung
und einer Bodenwandung, wobei von der Bodenwandung ein Lufteinlassansatz
in Richtung Gehäuseinneres
hervorsteht und wobei der Lufteinlassansatz eine Umfangswandung
ohne Luftdurchtrittsöffnungen
aufweist und an seinem von der Bodenwandung entfernten Lufteinlassende
offen ist.
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Bei
der erfindungsgemäß aufgebauten
Verdampferbaugruppe kann die durch den Lufteinlassansatz eingeleitete
Luft also nicht nach radial außen abströmen, da
die Umfangswandung des Lufteinlassansatzes keine Öffnungen
aufweist. Vielmehr strömt die
gesamte einzuleitende Luft durch das Lufteinlassende in das Gehäuseinnere
bzw. denjenigen Volumenbereich, in welchem auch der Brennstoffdampf vorhanden
ist. Hier ist also grundsätzlich
ein axiales Einleiten der Luft in Richtung der Längsmittenachse des Gehäuses vorgesehen,
wobei die in dieser axialen Richtung eintretende Luft den ihr zuvor
gegebenen Drall, also beispielsweise eine Verwirbelung um die Längsmittenachse
des Gehäuses,
im Wesentlichen vollständig
beibehält.
Auf diese Art und Weise wird trotz der Tatsache, dass kein radiales
Ausströmen
der Luft aus dem Lufteinlassansatz in Richtung auf die Umfangswandung
des Gehäuses
zu möglich ist,
eine optimierte Durchmischung des Brennstoffdampfes mit der so eingeleiteten
Luft erzeugt, und zwar auch in demjenigen Ringraum, der von der
Umfangswandung des Lufteinlassansatzes, der Bodenwandung des Gehäuses und
der Umfangswandung des Gehäuses
umschlossen ist. Diese verbesserte Durchmischung führt zu einem
deutlich reduzierten Schadstoffausstoß, insbesondere NOx-Ausstoß, was zur
Folge, hat, dass ein mit einer derartigen Verdampferbaugruppe ausgestatteter
Verdampferbrenner nicht nur die für Fahrzeugheizungen vorhandenen
Schadstoffnormen erfüllt,
sondern auch die strengeren Schadstoffnormen erfüllt, wie sie für Gebäudeheizungen
vorhanden sind.
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Beispielsweise
kann vorgesehen sein, dass an dem Lufteinlassende eine Lufteinlassöffnung vorgesehen
ist. Die Lufteinlassöffnung
kann bezüglich der
Längsmittenachse
des Gehäuses
im Wesentlichen zentrisch angeordnet sein.
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Eine
Beschleunigung der Luftströmung
kann durch einen Düseneffekt,
beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass am Lufteinlassende eine
Abschlusswandung an die Umfangswandung des Lufteinlassansatzes anschließt und dass
der Lufteinlassansatz im Bereich der Abschlusswandung offen ist. Die
Umfangswandung des Lufteinlassansatzes kann im Wesentlichen zylindrisch
ausgebildet sein, was sich primär
auf die Innenoberfläche
derselben bezieht, so dass für
die in das Gehäuseinnere
einzuleitende Luft im Lufteinlassansatz ein Strömungsraum mit im Wesentlichen
konstanter Innenabmessung, beispielsweise mit kreisrunder Form,
bereitgestellt ist.
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Alternativ
ist es möglich,
dass die Umfangswandung des Lufteinlassansatzes in Richtung von der
Bodenwandung weg eine abnehmende Innenabmessung aufweist. Diese
Abnahme der Innenabmessung der Umfangswandung des Lufteinlassansatzes kann
sich bis zum Lufteinlassende fortsetzen, oder kann bis zu einer
Mindestabmessung anhalten, woraufhin dann wieder eine Erweiterung
der Umfangswandung mit entsprechend sich erweiterndem von dieser
umschlossenen Strömungsraum
in Richtung zum Lufteinlassende hin anschließt.
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Um
bei einer derartigen Variation der Innenabmessung der Umfangswandung
die Drallströmung der
einzuleitenden Luft möglichst
wenig zu beeinträchtigen,
wird vorgeschlagen, dass die Umfangswandung des Lufteinlassansatzes
an ihrer Innenseite in Richtung der Gehäuselängsachse gekrümmt ist. Stufenartige
bzw. sprungartige Änderungen
der Innenabmessung können
somit vermieden werden.
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Um
der Luft den für
die Durchmischung mit Brennstoffdampf besonders vorteilhaften Drall
zu geben, wird vorgeschlagen, stromaufwärts des Lufteinlassansatzes
eine Drall-Vorrichtung vorgesehen ist, um der in den Luftein lassansatz
einzuleitenden Luft einen Drall zu geben.
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Wenn
die Umfangswandung des Gehäuses wenigstens
bereichsweise mit porösem
Verdampfermedium überdeckt
ist, kann beispielsweise in dem den Lufteinlassansatz umgebenden
Raumbereich Brennstoffdampf aus diesem porösen Verdampfermedium abgegeben
werden.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Verdampferbrenner, insbesondere
für eine
Fahrzeugheizung oder eine Gebäudeheizung,
umfassend eine Verdampferbaugruppe, wie sie vorangehend definiert
wurde.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden
Zeichnungen detailliert beschrieben. Es zeigt:
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1 einen
Verdampferbrenner mit einer erfindungsgemäß aufgebauten Verdampferbaugruppe;
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2 eine
Teil-Schnittansicht eines erfindungsgemäß ausgestalteten Lufteinlassansatzes;
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3 eine
der 2 entsprechende Ansicht einer abgewandelten Ausgestaltungsform;
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4 eine
der 2 entsprechende Ansicht einer abgewandelten Ausgestaltungsform.
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In 1 ist
ein Verdampferbrenner 10 im Längsschnitt dargestellt, welcher
eine allgemein mit 12 bezeichnete Verdampferbaugruppe aufweist.
Diese Verdampferbaugruppe 12 umfasst ein Gehäuse 14 mit
einer Umfangswandung 16, die beispielsweise eine kreiszylindrische
Gestalt hat, und einer daran anschließenden und damit beispielsweise
integral ausgebildeten Bodenwandung 18. Von der Bodenwandung 18 steht
in Richtung Gehäuseinneres 20, das
im Wesentlichen einer Brennkammer 22 entspricht, ein Lufteinlassansatz 24 ab.
Dieser Lufteinlassansatz 24, welcher in dem Gehäuse 14 beispielsweise
zentrisch zu einer Gehäuselängsachse
L angeordnet ist und sich mithin in der Richtung dieser Gehäuselängsachse
L erstreckt, begrenzt zusammen mit der Umfangswandung 16 und
der Bodenwandung 18 den wesentlichen Bereich der Brennkammer 22.
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An
die Umfangswandung 14 schließt ein Flammrohr 26 an,
und beispielsweise in dem Flammrohr 26 kann eine Flammblende 28 mit
einer zentralen Öffnung 30 vorgesehen
sein.
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Die
dem Gehäuseinneren 20 zugewandte
Innenseite der Umfangswandung 16 ist näherungsweise in demjenigen
Längenbereich,
der auch der Längserstreckung
des Lufteinlassansatzes 24 entspricht, mit porösem Verdampfermedium 32 überdeckt.
Eine Brennstoffzuführleitung 34 speist
flüssigen
Brennstoff in das poröse
Verdampfermedium 32 ein, und dieses verteilt den eingespeisten
Brennstoff durch Kapillarförderwirkung
und gibt ihn als Brennstoffdampf an seinen der Brennkammer 22 zugewandten
Seite ab.
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Der
Lufteinlassansatz 24 ist im dargestellten Beispiel von
im Wesentlichen zylindrischer Formgebung, weist also über seine
Erstreckungslänge
eine näherungsweise
gleichbleibende Abmessung, insbesondere definiert durch den Innnradius
Ri auf. An einem von der Bodenwandung 18 entfernt liegenden Lufteinlassende 36 ist
der Lufteinlassansatz 24 mit einer im Wesentlichen dieses
gesamte Lufteinlasende 36 einnehmenden Öffnung 38 ausgebildet
und somit axial offen. In den Lufteinlassansatz 24 in Richtung
von Strömungspfeilen
P zunächst
von radial außen
und dann axial umgelenkt eingeleitete Luft strömt also entlang des Lufteinlassansatzes 24 und tritt über die Öffnung 38 aus
diesem aus und gelangt somit in das Gehäuseinnere 20 bzw.
den auch noch vom Flammrohr 26 umschlossenen Volumenbereich. Dort
vermischt sich die Luft mit dem durch das poröse Verdampfermedium 32 abgegebenen
Brennstoffdampf, so dass ein zündfähiges bzw.
verbrennungsfähiges
Gemisch erzeugt wird.
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Stromaufwärts des
Lufteinlassansatzes 24 ist eine allgemein mit 40 bezeichnete
Drall-Vorrichtung vorgesehen. Diese umfasst beispielsweise integral
ausgebildet mit dem Gehäuse 14 eine
Mehrzahl von die einzuleitende Luft von radial außen nach
radial innen führenden
und in Umfangsrichtung abgekrümmten
Schaufeln 42, welche dafür sorgen, dass die Luft nicht
nur von radial außen
nach radial innen geleitet wird, sondern auch eine Umfangsströmungskomponente
erfährt
und somit als Drallströmung
in den Lufteinlassansatz 24 gelangt. Das heißt, die
Luft wird entlang der Gehäuselängsachse
L als Wirbelströmung
im Wesentlichen schraubenartig um diese Gehäuselängsachse L strömen und
entsprechend auch als Wirbelströmung
durch die Öffnung 38 in
die Brennkammer 22 einströmen. Aufgrund des im Wesentlichen
nicht abgebremsten Dralls wird durch Luft sich sehr gut mit dem
in der Brennkammer 22 bzw. dem Gehäuseinneren 20 vorhandenen
Brennstoffdampf durchmischen. Diese optimierte Durchmischung wiederum
führt zu
einer deutlich geringeren NOx-Emission, als bei herkömmlichen
Verdampferbaugruppen mit Längsschlitzen
im Lufteinlassansatz, so dass eine derartige Verdampferbaugruppe 12 nicht
nur die im Fahrzeugbau für
Standheizungen oder Zuheizer vorhandenen Schadstoffnormen, insbesondere
NOx-Normen erfüllen,
sondern auch die deutlich strengeren NOx-Normen, bei Gebäudebrennern
erfüllen
kann.
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Es
ist selbstverständlich,
dass durch die Formgebung und Dimensionierung des Lufteinlassansatzes 24 ein
elementarer Einfluss auf die Strömungscharakteristik
und somit auf die Verbrennungscharakteristik des Verdampferbrenners 10 genommen
werden kann. Während
beispielsweise in 1 ein Lufteinlassansatz 24 gezeigt
ist, der über seine
gesamte radiale Erstreckung im Bereich des Lufteinlassendes 36 offen
ist, ist in 2 eine Ausgestaltungsform gezeigt,
bei welcher an die Umfangswandung 44 des Lufteinlassansatzes 24 eine
Abschlusswandung 46 anschließt, in welcher, beispielsweise
wieder zentrisch zu der Gehäuselängsachse
L die Öffnung 38 ausgebildet
ist. Hier entspricht der Durchtrittsquerschnitt der Öffnung 38 nicht
der Innenabmessung Ri des Lufteinlassansatzes 24, so dass in
demjenigen Bereich in welchem die Luft aus dem Lufteinlassansatz 24 und in
das Gehäuseinnere 20 bzw.
die Brennkammer 22 gelangt, ein Düseneffekt generiert werden
kann.
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Ein ähnlicher
Effekt kann auch mit der in 3 gezeigten
Ausgestaltungsform erreicht werden, bei welcher die Umfangswandung 44 des
Lufteinlassansatzes 24 mit in Richtung von der Bodenwandung 18 weg
abnehmender Innenabmessung Ri ausgestaltet ist, und zwar abnehmend
bis zu einem näherungsweise
in der Längsmitte
des Lufteinlassansatzes 24 liegenden Bereich mit minimaler
Innenabmessung Rimin. Von dort nimmt dann
die Innenabmessung Ri wieder zu, so dass hier eine Gestaltung nach
Art einer Venturi-Düse
erreicht wird. Von Bedeutung ist hier nicht nur die Variation der
Innenabmessung Ri, sondern auch die stufenlose Variation durch gekrümmte Ausgestaltung
der Umfangswandung 44 an ihrer Innenseite, betrachtet in
richtung der Gehäuselängsachse
L. Auf diese Art und Weise werden Stufen mit dadurch erzeugten Behinderungen der
Drallströmungen
verhindert, sofern dies nicht gewünscht ist.
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In 4 ist
eine Ausgestaltungsform gezeigt, bei welcher die Innenabmessung
Ri der Umfangswandung 44 des Lufteinlassansatzes 24 von der
Bodenwandung 18 in Richtung zum Lufteinlassende 36 kontinuierlich
abnimmt, wobei auch hier die Umfangswandung 44 gekrümmt ist,
um einen sanften Übergang
zu dem Bereich geringerer Abmessung zu erlangen.
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Wie
vorangehend bereits dargelegt, sind verschiedene Geometrien und
Abmessungen bei dem Lufteinlassansatz 24 denkbar. Auch
ist es denkbar, an der in 2 erkennbaren
Abdeckwandung 46 nicht nur eine, sondern mehrere Öffnungen 38 beispielsweise
mit einem zur Gehäuselängsachse
L symmetrischen Öffnungsmuster
vorzusehen.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Aufbau
können NOx-Werte
erreicht werden, die unterhalb eines Wertes von 60 mg/kWh liegen,
bei gleichzeitiger Einhaltung eines Mindestwertes für die CO2-Emissionen von 11,8%. Dadurch ist ein mit
einer erfindungsgemäßen Verdampferbaugruppe 12 ausgestatteter Verdampferbrenner
nicht nur zum Einsatz in Fahrzeugheizgeräten, sondern insbesondere auch
zum Einsatz in Gebäudeheizungen
geeignet.