-
Die Erfindung betrifft eine Feuerungseinrichtung mit einer Brennkammer zur pulsierenden Verbrennung fließfähiger Brennstoffe, die mit einer Zündeinrichtung für die erstmalige Zündung des Brennstoffes und mit einer Abgasabführeinrichtung versehen ist, mit einer Vorkammer, in der eine Zufuhrleitung für Luft endet, und mit einer Zufuhrleitung für Brennstoff unter Druck, die in einer im Übertrittsbereich von der Vorkammer in die Brennkammer angeordneten Einströmdüse endet, wobei der Einströmdüse ein Verwirbelungselement vorgesetzt ist, das an seiner Brennkammerseite das Luft-Brennstoff-Gemisch durchwirbelt.
-
Eine Feuerungseinrichtung mit pulsierender Verbrennung beschreibt die
WO 86/7435 A1 . Dort sind in der Vorkammer die Einströmdüse und eine flache oder konische Ringblende als Verwirbelungselement insbesondere verstellbar angeordnet. In der konischen Ausführung steht das Verwirbelungselement in die Brennkammer vor. Das Verwirbelungselement verengt den Querschnitt vor der Einspritzdüse und erweitert ihn anschließend wieder, sodass es brennkammerseitig als Diffusor wirkt. Durch die Verwirbelung des Brennstoffs mit der Luft vor dessen Zuführung in die Brennzone der Brennkammer wird die Luft-Brennstoffmischung optimiert, und eine gleichzeitige und gleichmäßige Durchzündung in der Brennzone erreicht. Durch die vorzugsweise kontinuierliche Brennstoffzuführung über die Einspritzdüse kann eine grobe Leistungsregelung durch bloße Verstellung des Öldruckes erfolgen, wobei sich die Luftzufuhr über die Lufteintrittsventilanordnung selbsttätig an die gegebenen Verhältnisse anpasst. Als Lufteintrittsventile eigenen sich vor allem Rückschlagventile mit V-förmig ausgebildeten Ventilsitzen, die mit einem Paar von Ventilklappen belegt sind. Sie bestehen beispielsweise aus Federstahlblech, glas- oder kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff. Die Ventile haben im Ruhestand einen geringen Spalt, der als Voröffnung bezeichnet wird und vorzugsweise durch eine geringfügige Krümmung des Ventilsitzes erreicht wird. Die verstellbare Anordnung der Einspritzdüse bzw. der Ringblende ermöglicht die Feineinstellung der Gemischzusammensetzung, sodass für jeden Leistungsbereich ein nahezu stöchiometrisches Mischungsverhältnis erzielt werden kann. Der Regelbereich bei verstellbarer Einströmdüse und verstellbarem Verwirbelungselement ist etwa ein Dreifaches des Regelbereiches bei nicht verstellbaren Teilen. Die bei der Verbrennung entstehenden Gase schießen einerseits in ein an die Brennkammer angesetztes Anschlussrohr der Abgasabführeinrichtung und drücken andererseits auch in die Vorkammer zurück. Durch den Druckanstieg schließen sie die Lufteintrittsventile dicht ab, die durch die eigene Federkraft im Wesentlichen bereits geschlossen sind. Die in der Vorkammer enthaltenen Gase, die ein mit Altgasteilchen vermischtes Brennstoff-Luft-Gemisch darstellen, werden dadurch vorverdichtet. Dabei enthält die brennkammernächste Schicht hauptsächlich Verbrennungsprodukte mit noch vorhandenem, nicht verbrannten Brennstoff und geringem Luftanteil. Die nächste Schicht besteht aus einem Brennstoff-Luft-Nebel, in dem der Brennstoff überreich vorhanden ist. Die letzte Schicht besteht aus einem Brennstoff-Luft-Gemisch, in dem Brennstoff nur mehr geringfügig vorhanden ist. Diese unterschiedlichen Schichten werden beim nächsten Ansaugvorgang in die Brennkammer eingebracht, wobei die einschießende Gemischsäule am Verwirbelungselement durch dessen Diffusorwirkung extrem verwirbelt wird. Dabei hat sich ein gewisser Anteil an Altgas am einschießenden Gemisch als günstig für die Senkung des Stickoxidanteils in den Verbrennungsgasen erwiesen. Während des Ansaugvorganges wird der Brennstoff von der mit hoher Geschwindigkeit einschießenden Frischluft mitgerissen und als Brennstoff-Luft-Gemisch mit hoher Geschwindigkeit in die Brennkammer eingebracht. Durch die weitere Diffusorwirkung der gegenüber der Vorkammer erweiterten Brennkammer tritt eine Verlangsamung des einschießenden Frischgasgemisches und eine gleichzeitige Druckerhöhung auf. Dabei kommt dem Frischgasgemisch die aus dem Auspuffrohr rückfließende Abgaswelle entgegen. Beim darauf folgenden detonationsartigen Verbrennungsvorgang, der durch eine praktisch gleichzeitige Zündung des gesamten Brennkammerinhalts bewirkt wird, und der damit verbundenen schlagartigen Druckerhöhung schießen die Verbrennungsprodukte nun nicht nur in das Auspuffrohr, sondern auch teilweise in die Vorkammer zurück, wobei sie auch auf den Brennstoffkegel der Einströmdüse treffen und diesen mit der gleichzeitig einströmenden Luft zur Umkehr in Richtung der Lufteintrittventilanordnung zwingen. Durch diese Umkehrung der Strömungsrichtung treffen verbrannte und halb verbrannte Gemischteile auf die Einströmdüse, wodurch sich diese schwärzt. Die die Schwärzung hervorrufenden russhaltigen Partikel verengen aber auch die Düsenöffnung, wodurch sich der Winkel des Brennstoffkegels ändert. Dies verschlechtert die Verbrennung und führt zur immer rascheren Verrußung der Einströmdüse und der Luftdurchgänge. Die Verrußung der Einströmdüse kann zwar durch weites Zurückziehen der Einströmdüse in der Vorkammer verringert werden, was aber die Abgaswerte verschlechtert.
-
Die Erfindung hat es sich nun zur Aufgabe gestellt, bei einer Feuerungseinrichtung der eingangs genannten Art die Verrußung der Einströmdüse zu verringern und verrußungsbedingte Reinigungsintervalle zu verlängern.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe nun dadurch gelöst, dass das Verwirbelungselement an einer in die Brennkammer ragenden Hülse vorgesehen ist, und die Einströmdüse innerhalb der Hülse in der Brennkammer angeordnet ist.
-
Die Hülse bildet zusammen mit dem vor der Einströmdüse angeordneten Verwirbelungselement eine Abschirmung der Einströmdüse und deren Öffnung gegen die die Schwärzung bewirkenden rußhaltigen Partikel, ohne dass die Verbrennung verschlechtert wird.
-
In einer bevorzugten Ausführung weist die Hülse einen Befestigungsflansch auf, der an der Wand der Vorkammer innen fixiert ist, wobei Luftdurchtrittsöffnungen verbleiben, durch die die Frischluft in die Brennkammer eingesaugt wird. Die Luftdurchtrittsöffnungen können durch Aussparungen am Umfang des Befestigungsflansches, durch zur Hülsenachse parallele Bohrungen im Befestigungsflansch und/oder durch einen Ringspalt zwischen dem Halter der Einströmdüse, der axial in die Hülse ragt, und dem vorkammerseitigen Ende der Hülse bzw. des Befestigungsflansches gebildet sein.
-
Wenn die Vorkammer zylindrisch ist, können die Umfangsaussparungen durch beispielsweise vier abgeschnittene Segmente des ringförmigen Befestigungsflansches gebildet sein.
-
Das in der Hülse axial vor der Einströmdüse liegende Verwirbelungselement staut den von der Abgaswelle rückgestauchten Brennstoffkegel auf, sodass die Einströmdüse weitgehend unbeeinflusst bleibt, wobei die beim nächsten Ansaugvorgang durch den Ringspalt strömende Frischluft bereits den gestauten Brennstoff durchmischt, bevor der an der Außenseite der Hülse einströmende Hauptluftstrom zugemischt wird.
-
Der Befestigungsflansch weist weiters bevorzugt im Bereich des Ringspaltes vorkammerseitig eine Verrundung und brennkammerseitig eine Kante auf, so dass der Strömungswiderstand unterschiedlich ist. Die Kante bietet der Rückströmung in die Vorkammer einen höheren Widerstand als die Verrundung bei der Zufuhr der Frischluft aus der Vorkammer in die Brennkammer. Der erhöhte Widerstand bei der Rückströmung trägt ebenfalls dazu bei, die Schwärzung der Einströmdüse zu verringern.
-
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel anhand der Figuren der beiliegenden Zeichnung näher beschrieben. Die 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine Heizungsanlage mit einer erfindungsgemäßen Feuerungseinrichtung, die 2 vergrößert einen Schnitt durch die Feuerungseinrichtung im Bereich der Einströmdüse, die 3 einen Querschnitt durch die Vorkammer nach der Linie III-III der 2 ohne Einströmdüse, 4 vergrößert das Detail A aus 2 und die 5 bis 8 schematisch den Betriebsablauf in den Phasen des Ansaugens, Verdichtens, Verbrennens und des Auspuffens.
-
Ein Wärmetauschbehälter 1, beispielsweise ein mit Wasser 3 gefüllter Heizkessel einer Zentralheizungsanlage 4, ist von zylindrischer Form und durch eine obere Stirnplatte verschlossen. Die obere Stirnplatte dient als Trägerplatte 2 für eine Feuerungseinrichtung mit einer Brennkammer 5 zur pulsierenden Verbrennung insbesondere flüssiger Brennstoffe. Die Brennkammer 5 ist dabei in eine Öffnung der Trägerplatte 2 eingesetzt und geht über einen konischen Endabschnitt 20 in ein Anschlussrohr 8 über. Dieser ist als Teil einer Abgasabführeinrichtung 6 mehrfach abgewinkelt durch den Wärmetauschbehälter 1 geführt und mündet in einen doppelwandigen Schalldämpfer 9, von dem aus ein Auspuffrohr 7 die Verbrennungsgase ins Freie leitet. Das Auspuffrohr 7 ist mit einer Deckelklappe 38 versehen, die einen Durchzug und eine zu rasche Abkühlung der abgestellten Feuerungsanlage vermeidet. Vorzugsweise sind zwei bis drei Schalldämpfer 9 hintereinander vorgesehen. In das Anschlussrohr 8 ist eine dessen Querschnitt verengende Blende 37 eingesetzt, durch deren Abstand zur Brennkammer 5 die Länge der pulsierenden Abgassäule begrenzt werden kann. Wie 2 zeigt, ist die Brennkammer 5 an einer Verschlussplatte 25 befestigt und bildet einen Behältereinsatz, der an der Trägerplatte 2 befestigt und in den Wärmetauschbehälter 1 eingeschoben wird. Dies ermöglicht es auch, bestehende Heizungsanlagen in einfacher Weise umzurüsten. An der Verschlussplatte 25 ist weiters außenseitig eine Vorkammer 10 befestigt, die im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist, und in die axial eine beispielsweise mittels eines Magnetventils sperrbare Brennstoffzuführleitung 12 und seitlich eine mit einer Rückschlagventilanordnung 30 versehene Luftzuführleitung 11 münden. Ein Ansaugschalldämpfer 14, ein Gebläse 15 und nicht näher bezeichnete Steuerungs- und andere Hilfseinrichtungen ergänzen die erfindungsgemäße Feuerungseinrichtung zu einer Bau- und Montageeinheit. Die Brennkammer ist doppelwandig ausgebildet, wobei der Außenmantel 21 (5 bis 8) mittels der Verschlussplatte 25 an der Trägerplatte 2 befestigt ist, und in das Anschlussrohr 8 übergeht, während der Innenmantel 22 unter Belassung eines Luftspaltes 23 zum Außenmantel 21 vom Brennkammerboden 19 sich über den konischen Endabschnitt 20 der Brennkammer 5 bis in das Anschlussrohr 8 erstreckt. Der Brennkammerboden 19 ist ebenfalls doppelwandig und weist einen inneren Hitzeschild und außen die Verschlussplatte 25 auf. Der Hitzeschild 24 und die Verschlussplatte 25 begrenzen damit einen bodenseitigen Spalt 23 (5), sodass eine heiße Brennkammer entsteht, die ausschließlich über Schrauben 49 mit dem Außenteil verbunden ist. Durch die Verschlussplatte 25 erstreckt sich das vorzugsweise mit einer Ringblende 39 versehene Ende der Vorkammer 10 bis zum Hitzeschild 24 und bildet einen Flammhalter 26. Der Hitzeschild 24 bildet gleichzeitig eine Verdampferplatte für die Verdampfung des Brennstoffnebels, der im Bereich der Durchtrittsöffnung in die Brennkammer 5 zusammen mit der Luft durch die Diffusorwirkung eines Verwirbelungselementes 27 vermischt und verwirbelt wird. Das Verwirbelungselement 27 ist beispielsweise eine in eine Hülse 28 eingesetzte, zweite Ringblende.
-
Die Hülse 28 ist an ihrem vorkammerseitigen Ende mit einem Befestigungsflansch 31 versehen, der eine zentrale Öffnung für den Durchtritt des Düsenhalters 13 und segmentförmige Aussparungen 33 am Umfang sowie Bohrungen 32 aufweist, durch die Frischluft (Pfeil B) von der Vorkammer 10 in die Brennkammer 5 außerhalb der Hülse 28 strömen kann. In 3 ist der Düsenhalter 13 nicht eingezeichnet, sodass das Verwirbelungselement 27 im brennkammerseitigen Endbereich der Hülse 28 ersichtlich ist.
-
4 zeigt vergrößert das Detail A aus 2, nämlich den Durchtrittsbereich des Düsenhalters 13 durch die Öffnung im Befestigungsflansch 31, wobei die Öffnung auf einen Ringspalt 34 beschränkt ist. An dem den Ringspalt 34 begrenzenden Bereich des Befestigungsflansches 31 ist an der Seite der Vorkammer 10 eine Verrundung 35 vorgesehen, sodass der Strömungswiderstand für die zur Brennkammer 5 strömende Luft (Pfeil B) kleiner ist als bei der Gegenströmung, da der Befestigungsflansch 31 brennkammerseitig eine Kante 36 in den Ringspalt 34 aufweist.
-
Durch den Brennkammerboden 19 ragt eine Zündkerze 18 für die Erstzündung der Feuerungseinrichtung. Die axial in die Vorkammer eintretende Brennstoffzuführungsleitung 12 endet in einer Einströmdüse 29, durch die kontinuierlich flüssiger Brennstoff, unter einem Druck vorzugsweise zwischen 10 und 25 bar, beispielsweise Heizöle, Abfallöle usw. in die Brennkammer eingesprüht werden. Die Einströmdüse 29 liegt knapp hinter dem Verwirbelungselement 27 unter Belassung eines Luftdurchtrittsspaltes 53 (2). Von der Vorkammer 10 zweigt seitlich die Luftzuführungsleitung 11 ab, in die die Rückschlagventilanordnung 30 eingesetzt ist. Deren Gesamtdurchtrittsfläche ist größer als die Querschnittsfläche der Vorkammer 10. Die Rückschlagventile sind mit vorzugsweise geringfügig konvex gebogenen Ventilsitzen versehen, an denen flache Ventilklappen befestigt sind. Durch die übergroße Gesamtquerschnittsfläche haben die Ventilklappen einen kleinen Öffnungswinkel, sodass sie sehr geringen Biegebeanspruchungen ausgesetzt sind.
-
Die 5 bis 8 zeigen schematisch einzelne Phasen im Verbrennungsablauf. In der Ansaugphase gemäß 5 herrscht in der Brennkammer 5, im Anschlussrohr 8 und in der Vorkammer 10 Unterdruck (durch Striche 46 bezeichnet), so dass dem ständig zuströmenden Brennstoff Luft zugesaugt wird. Das Verwirbelungselement 27 verwirbelt das entstehende Gemisch, das gemäß 6 durch die aus dem Anschlussrohr 8 rückfließende Abgaswelle verdichtet wird. Es baut sich ein Überdruck (durch Kreuze 47 bezeichnet) auf, wobei die heißen Abgase und die hohe Temperatur des Flammhalters 26 die selbsttätige Zündung bewirken, die in 7 gezeigt ist. Eine Überdruckwelle breitet sich (Pfeile 45) nach beiden Seiten aus, wobei in der Vorkammer 10 die Ventile 30 schließen. 8 zeigt die Auspuffphase, in der die Abgase (Pfeile 45) durch das Anschlussrohr 8 abziehen und wieder Unterdruck in der Brennkammer 5 gemäß 5 entsteht. Da während des gesamten Zeitraumes kontinuierlich Brennstoff eingesprüht wird, wird dessen die hohe Verbrennungsgüte bewirkende feinste Zerstäubung, Verdampfung und optimaler Vermischung mit der Verbrennungsluft deutlich.
