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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Verdampferbrenner für ein mobiles
Heizgerät
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Verdampferbrenners
eines mobilen Heizgerätes
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 15.
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In
mobilen Heizgeräten,
insbesondere in Standheizern und/oder Zuheizern für Fahrzeuge,
wie beispielsweise für
motorbetriebene Landfahrzeuge, werden Verdampferbrenner eingesetzt.
Solche Verdampferbrenner weisen einen Verdampfer auf, der aus einer
durchströmbaren,
mit einer Vielzahl von Hohlräumen
durchsetzten Struktur gebildet wird, um eine effektive Verdampfung
von flüssigem
Brennstoff zu erzielen. Häufig
eingesetzte Strukturen sind gepresste Metallfasern in regelloser
Anordnung (auch als Vlies bezeichnet) sowie Metallgitter und Metallgestricke,
wobei sich die eingesetzten Strukturen je nach Anwendung und Einsatzzweck
unterscheiden können.
Ferner weisen Verdampferbrenner eine Brennkammer auf, die in der
Regel zumindest teilweise durch ein Brennrohr begrenzt wird und
die in axialer Richtung angrenzend an den Verdampfer ausgebildet
ist.
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Im
Einsatz wird dem Verdampfer von der der Brennkammer abgewandten
Seite flüssiger
Brennstoff über
eine Dosierpumpe zugeführt.
Die Kapillarwirkung des Verdampfers sorgt für eine Durchdringung des Verdampfers
mit Brennstoff sowohl in radialer als auch in axialer Richtung.
Die zum Verdampfen von Brennstoff benötigte Wärme wird beim Starten des Heizgerätes durch
einen Glühstift,
der in der Regel auf der der Brennkammer zugewandten Seite des Verdampfers
angeordnet ist, bereitgestellt. Nach einer Startphase kann dann
der Glühstift
abgeschaltet werden und die zum Verdampfen erforderliche Wärme wird
durch den Verbrennungsvorgang von Brennstoff mit Brennluft in der
Brennkammer bereitgestellt. Häufig
wird der Glühstift
auch als Flammwächter
eingesetzt. Hierbei wird der Widerstand des Glühstiftes, der sich mit der
Temperatur ändert,
gemessen und über
den erfassten Widerstandswert kann auf die Temperatur innerhalb
der Brennkammer, insbesondere ob eine flammende Verbrennung stattfindet,
geschlossen werden.
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Bei
den bisher eingesetzten Verdampferbrennern erfolgt die Zuführung von
Brennluft in die Brennkammer ausschließlich stromabwärts von
dem Verdampfer. Hierbei ist bekannt, in dem Brennrohr radiale Öffnungen,
die insbesondere gleichmäßig über den
Umfang desselben ver teilt sind, in einer oder mehreren Reihen vorzusehen.
Teilweise sind auch in einer Verdampferaufnahme Öffnungen zur Zuführung von
Brennluft vorgesehen. Die Verdampferaufnahme wird dabei in der Regel
durch ein schalenförmiges
Gehäusebauteil
gebildet, das einen Boden und eine umlaufende Wand, die gegebenenfalls
abgestuft ist, aufweist. Im Bereich des Bodens ist dabei der Verdampfer
angeordnet, während
sich die umlaufende Wand in Richtung zu der Brennkammer über den
Verdampfer hinaus erstreckt. Bei bekannten Verdampferbrennern sind
teilweise in dem Bereich der umlaufenden Wand stromabwärts von
dem Verdampfer ebenfalls Öffnungen
zur Zuführung
von Brennluft vorgesehen.
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Bei
bekannten Verdampferbrennern sind der Verdampfer, die Verdampferaufnahme
sowie der Glühstift
teilweise sehr hohen Temperaturen ausgesetzt. Diese hohen Temperaturen
sind dadurch bedingt, dass die Diffusionsflamme, die bei der nicht vorgemischten
Verbrennung von Brennstoff mit Brennluft in der Brennkammer entsteht,
direkt angrenzend an dem Verdampfer ausgebildet wird. Insbesondere
nach längeren
Einsatzzeiten besteht dabei die Neigung, dass sich aufgrund der
hohen Temperaturen die Verpressung des Verdampfer-Metallfaserverbundes
(bei Faserverdampfern) durch Wärmeausdehnung
oder aber durch Entstehung und Einlagerung von thermischem Koks
(Rußbildung
unter Luftmangel) reduziert wird. Teilweise führt dies zu einer Aufwölbung des
Verdampfers und/oder zu einem Lösen
einzelner Fasern des Verdampfers. Auch im Bereich der elektrischen
Kontaktstellen und der mechanischen Befestigung des Glühstiftes
an der Verdampferaufnahme besteht die Neigung, dass sich diese teilweise
lösen oder
locker. Um eine derartige Materialermüdung im Bereich des Verdampfers
und der daran angrenzenden Bauteile zu vermeiden, müssen bisher
speziell für
hohe Temperaturbelastungen ausgelegte Materialien eingesetzt werden und/oder
es muss eine zusätzliche
Luftkühlung
für diese
Bauteile vorgesehen werden. Dies ist mit erhöhten Kosten und Aufwand verbunden.
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Ferner
wird bei bisherigen Heizgeräten
der Modulationsbereich, über
den die Heizleistung geregelt werden kann, teilweise dadurch begrenzt,
dass sich bei niedrigen Heizleistungen die Verbrennungseigenschaften
verschlechtern. Insbesondere bei einem Betrieb des Heizgerätes an der
unteren Grenze des Modulationsbereiches tritt das Problem auf, dass in
dem Bereich angrenzend an den Verdampfer ein Mangel an Sauerstoff
auftritt, was dazu führt,
dass die Kohlenstoffverbindungen des Brennstoffes nur teilweise
oxidiert werden. Dies führt
zu einer erhöhten
CO-Bildung (CO: Kohlenmonoxid) sowie zu der Entstehung von langkettigen
Ruß clustern über teiloxidierte
Benzolradikale. Teilweise werden diese Rußcluster noch in den luftreichen
Zonen der Brennkammer verbrannt. Es besteht dabei die Neigung, dass sich
diese im Bereich des Verdampfers und an den Wänden der Brennkammer ablagern
und so zu einer Verschlechterung der Verdampfungseigenschaften infolge
einer reduzierten verfügbaren
Verdampferoberfläche
sowie einem durch Isolation bedingten reduzierten Wärmeeintrag
in das Verdampfermaterial führen.
Zum anderen besteht die Neigung, dass diese die Luftführung im
Brennraum und damit die Vermischung von verdampftem Brennstoff und
zugeführter
Brennluft negativ beeinflussen. Ferner sind bei einem Betrieb des
Heizgerätes
an der unteren Grenze des Modulationsbereiches sowohl die Brennstoff-
als auch die Brennluft-Zufuhr reduziert. Dies führt teilweise dazu, dass die
radial zugeführte
Brennluft aufgrund der niedrigeren Strömungsgeschwindigkeit nicht
oder nur zu einem geringen Anteil bis in den zentralen Bereich der
Brennkammer gelangt. Aufgrund eines lokalen Sauerstoffmangels tritt
in diesem zentralen Bereich der Brennkammer dann verstärkt eine
CO- und Rußbildung
auf.
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Weiterhin
wurde bei einem Betrieb des Heizgerätes an der unteren Grenze des
Modulationsbereiches beobachtet, dass, sofern keine Gegenmaßnahmen
ergriffen werden, aufgrund der dadurch bedingten, geringeren Brennstoff-Förderfrequenz (durch
die Dosierpumpe) die Diffusionsflamme in der Brennkammer mit der
Frequenz der Dosierpumpe zu pulsieren beginnt. Ursache hierfür ist, dass
die Diffusionsflamme stark von der Menge an verdampftem Brennstoff
abhängt,
so dass sie empfindlich auf einen zeitlich variierenden Verlauf
der Brennstoff-Zufuhr
reagiert. Insbesondere bei Mehrkomponentengemischen, wie beispielsweise
Benzin, tritt dieses Problem des Pulsierens verstärkt auf.
Aufgrund der unterschiedlichen Siedepunkte verdampfen Bestandteile
mit niedrigerem Siedepunkt bereits früher als Bestandteile mit hohem
Siedepunkt. Dies führt
insbesondere im Teillast-Betrieb dazu, dass die Bestandteile mit
niedrigerem Siedepunkt aufgrund der hohen Temperaturen innerhalb
des Verdampfers sehr früh verdampfen
und nicht verdampfte, flüssige
Bestandteile mit in die Brennkammer mitreißen. Auf diese Weise werden
kurzzeitig hohe Mengen an dampfförmigem
(und teilweise versprühtem)
Brennstoff aus dem Verdampfer in die Brennkammer gefördert und dort
verbrannt. Bis zu dem nächsten
Brennstoff-Dosierpumpentakt besteht daraufhin in dem Verdampfer ein
Mangel an zu verdampfendem Brennstoff, so dass währenddessen auch in der Brennkammer
die Diffusionsflamme reduziert ist. Das Problem des Pulsierens kann
zwar durch den Einsatz von externen Pulsationsdämpfern reduziert werden, dies
ist jedoch mit erhöhten
Kosten und Aufwand verbunden.
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Dementsprechend
besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Verdampferbrenner
für ein
mobiles Heizgerät
bereitzustellen, der über
den gesamten Heizlast-Modulationsbereich
des Heizgerätes
mit guten Verbrennungseigenschaften über die vorgesehene Nutzungsdauer
betreibbar ist und der zudem einen möglichst breiten Heizlast-Modulationsbereich
aufweist.
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Die
Aufgabe wird durch einen Verdampferbrenner für ein mobiles Heizgerät gemäß Anspruch
1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben eines Verdampferbrenners
eines mobilen Heizgerätes
gemäß Anspruch
15 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Verdampferbrenner für ein mobiles Heizgerät bereitgestellt,
der einen Verdampfer zur Verdampfung von zugeführtem, flüssigem Brennstoff, wobei der
Verdampfer eine durchströmbare,
mit einer Vielzahl von Hohlräumen
durchsetzte Struktur aufweist, und eine, in axialer Richtung zu
dem Verdampfer angeordnete Brennkammer zur Verbrennung von verdampftem Brennstoff
und zugeführter
Brennluft aufweist. Dabei weist der Verdampfer mindestens einen
Brennluft-Zufuhrkanal zur Zuführung
von Brennluft in die Brennkammer auf, der einen, gegenüber der
Struktur des Verdampfers reduzierten Strömungswiderstand für Brennluft
aufweist und der sich zumindest teilweise, insbesondere vollständig, durch
den Verdampfer derart erstreckt, dass Brennluft von einer, von der Brennkammer
abgewandten Seite des Verdampfers über den mindestens einen Brennluft-Zufuhrkanal durch
den Verdampfer hindurch in die Brennkammer zuführbar ist.
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Durch
die Zuführung
von Brennluft durch den Verdampfer hindurch wird eine Kühlung des
Verdampfers erzielt. Dies führt
insbesondere bei Mehrkomponentengemischen dazu, dass die Bestandteile mit
niedrigerem Siedepunkt nicht deutlich früher als die Bestandteile mit
hohem Siedepunkt verdampfen, so dass das Pulsieren auch bei einem
Betrieb an der unteren Grenze des Modulationsbereiches reduziert bzw.
beseitigt werden kann. In der Regel kann hierdurch auf den Einsatz
eines externen Pulsationsdämpfers
verzichtet werden. Ferner wird durch die Zuführung von Brennluft durch den
mindestens einen Brennluft-Zufuhrkanal eine höhere Strömungsgeschwindigkeit in axialer
Richtung erzielt. Dadurch wird erreicht, dass sich die Diffusionsflamme
nicht direkt angrenzend an dem Verdampfer sondern beabstandet von
die sem ausbildet und die Bauteile im Bereich des Verdampfers gleichzeitig
durch die axial zugeführte
Luft gekühlt
werden. Dieser Effekt führt
zu niedrigeren Temperaturen im Bereich des Verdampfers, des Glühstiftes
und der Verdampferaufnahme. Der Einsatz einer zusätzlichen
Luftkühlung
ist dabei in der Regel nicht mehr erforderlich. Auch müssen die
Materialien des Verdampfers, der Verdampferaufnahme und der angrenzenden
Bauteile nicht mehr so hohen Temperaturbelastungen standhalten,
so dass kostengünstigere
Materialien eingesetzt werden können.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass
durch die erfindungsgemäße Zuführung von
Brennluft eine gute Durchmischung von Brennstoff und Brennluft erzielt
wird. Dadurch kann auch bei Teillast-Betrieb eine gute und stabile
Verbrennung mit geringer CO- und Ruß-Bildung erreicht werden.
Ferner kann die Heizleistung durch die Erzielung einer gleichmäßigen, stabilen Verbrennung,
insbesondere im Teillast-Betrieb, über einen weiteren Bereich
als bisherige Heizgeräte
entsprechender Bauart geregelt werden. Beispielsweise konnte bei
Heizgeräten
eines Typs, deren Heizleistung bisher im Bereich von 3–5 kW (Kilowatt)
modulierbar bzw. regelbar war, durch die erfindungsgemäße Ausbildung
derselben eine Erweiterung dieses Bereiches auf 1–5 kW erzielt
werden. Dementsprechend wird durch die erfindungsgemäße, axiale
Luftzuführung
eine über
den gesamten Modulationsbereich qualitativ hochwertige Verbrennungsreaktion
sichergestellt.
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Ferner
kann durch die erfindungsgemäße Ausbildung
des Verdampferbrenners im Bereich des mindestens einen Brennluft-Zufuhrkanals
auch eine teilweise Zerstäubung
von Brennstoff erzielt werden. Insbesondere wird in diesem Fall
Brennstoff im Bereich des Übergangs
zwischen Verdampfer und Brennluft-Zufuhrkanal von der Brennluft
in Form von feinen Tröpfchen
mitgerissen und in die Brennkammer gefördert. Auf diese Weise muss
nicht sämtlicher Brennstoff
verdampft werden, sondern ein Teil des zugeführten Brennstoffs gelangt in
Form von fein verteilten Tröpfchen
in die Brennkammer. Dadurch kann eine effektive Verdampfung und/oder
Zerstäubung von
Brennstoff erzielt werden.
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Unter
einem „mobilen
Heizgerät” wird in
diesem Zusammenhang ein Heizgerät
verstanden, das für
den Einsatz in mobilen Anwendungen ausgelegt und dementsprechend
angepasst ist. Dies bedeutet insbesondere, dass es transportabel
ist (ggf. in einem Fahrzeug fest eingebaut oder lediglich für den Transport
darin untergebracht) und nicht ausschließlich für einen dau erhalten, stationären Einsatz,
wie es beispielsweise bei der Beheizung eines Gebäudes der Fall
ist, ausgelegt ist. Dabei kann das mobile Heizgerät auch fest
in einem Fahrzeug (Landfahrzeug, Schiff, etc.), insbesondere in
einem Landfahrzeug, installiert sein. Insbesondere ist es zur Beheizung
eines Fahrzeug-Innenraums, wie beispielsweise eines Land-, Wasser-
oder Luftfahrzeugs, sowie eines teiloffenen Raumes, wie er beispielsweise
auf Schiffen, insbesondere Yachten, aufzufinden ist, ausgelegt. Das
mobile Heizgerät
kann auch vorübergehend
stationär
eingesetzt werden, wie beispielsweise in großen Zelten, Container (zum
Beispiel Baucontainern), etc.. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung
ist das mobile Heizgerät
als Stand- oder Zuheizer für
ein Landfahrzeug, wie beispielsweise für einen Wohnwagen, ein Wohnmobil,
einen Bus, einen Pkw, etc., ausgelegt.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung erstreckt sich der mindestens eine Brennluft-Zufuhrkanal
zumindest teilweise durch den Verdampfer. Vorzugsweise erstreckt
sich der mindestens eine Brennluft-Zufuhrkanal vollständig (bezüglich der
axialen Richtung) durch den Verdampfer, so dass für die zugeführte Brennluft
nur ein geringer Strömungswiderstand
bei dem Transport durch den Verdampfer hindurch auftritt und die
Brennluft nicht durch die Struktur des Verdampfers selbst hindurchströmen muss. Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass der mindestens
eine Brennluft-Zufuhrkanal entlang der axialen Richtung verläuft, d.
h. nicht gebogen und/oder schräg
zu dieser axialen Richtung verläuft.
Solch ein Verlauf genau entlang der axialen Richtung ist aber nicht
zwingend erforderlich. Insbesondere kann der mindestens eine Brennluft-Zufuhrkanal
auch gekrümmt
verlaufen oder die Gesamt-Erstreckungsrichtung
des Brennluft-Zufuhrkanals kann schräg zu der axialen Richtung verlaufen.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung muss sich der Brennluft-Zufuhrkanal lediglich derart erstrecken,
dass Brennluft von einer, von der Brennkammer abgewandten Seite des
Verdampfers über
den mindestens einen Brennluft-Zufuhrkanal durch den Verdampfer
hindurch in die Brennkammer zuführbar
ist.
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Grundsätzlich ist
erfindungsgemäß mindestens
ein Brennluft-Zufuhrkanal vorgesehen. Um eine gleichmäßige Brennluft-Zuführung über eine
Fläche quer
zu der axialen Richtung zu erzielen und damit ein homogenes Brennstoff-Brennluft-Gemisch
innerhalb der Brennkammer zu erhalten, ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung
eine Mehrzahl von Brennluft-Zufuhrkanälen vorgesehen.
In der vorliegenden Anmeldung wird durch die Bezugnahme auf „mindestens
einen Brennluft-Zufuhrkanal” jeweils
auch auf die vorteilhafte Variante der Vor sehung einer Mehrzahl
von Brennluft-Zufuhrkanälen
Bezug genommen. Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung sind die einzelnen Brennluft-Zufuhrkanäle über eine
Fläche
des Verdampfers, die im Wesentlichen quer zu der axialen Richtung
verläuft,
verteilt.
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Ferner
ist gemäß der vorliegenden
Erfindung vorgesehen, dass der mindestens eine Brennluft-Zufuhrkanal einen,
gegenüber
der Struktur des Verdampfers reduzierten Strömungswiderstand für Brennluft
aufweist. Insbesondere kann im Bereich des Brennluft-Zufuhrkanals
beispielsweise eine durchströmbare
Struktur vorgesehen sein, die einen geringeren Strömungswiderstand
als die Struktur des Verdampfers aufweist. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung
weist der mindestens eine Brennluft-Zufuhrkanal einen freien Strömungsquerschnitt für Brennluft
auf, der Brennluft-Zufuhrkanal ist also nicht mit einer Struktur
ausgefüllt.
Dementsprechend kann die zugeführte
Brennluft in dem Brennluft-Zufuhrkanal frei strömen.
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Als
Strukturen für
Verdampfer, die durchströmbar
sind und mit einer Vielzahl von Hohlräumen durchsetzt sind, sind
verschiedene Strukturen einsetzbar. Wesentlich ist, dass diese Strukturen
eine große
Oberfläche
aufweisen und für
Brennstoff durchströmbar
sind, so dass eine effektive Verdampfung von Brennstoff erzielbar
ist. Hierfür
eignen sich insbesondere poröse
Strukturen. Eingesetzte Strukturen sind beispielsweise wabenförmig, quaderförmig, schaumartig
(z. B. Metallschaum), etc.. Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung wird die Struktur des Verdampfers durch
einen Faserstruktur, insbesondere durch eine Metallfaserstruktur,
gebildet. Solch eine Faserstruktur, die teilweise auch als Vlies bzw.
Verdampfervlies bezeichnet wird, hat sich im Einsatz besonders bewährt. Insbesondere
werden teilweise Strukturen aus gepressten Metallfasern in regelloser
Anordnung eingesetzt, wobei je nach Anforderungen verschiedene Faserstrukturen
und/oder Fasergeometrien verwendet werden.
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Auch
bei der äußeren Form
des Verdampfers sind verschiedene Strukturen möglich. Die außere Form
sollte insbesondere gewährleisten,
dass zugeführter
Brennstoff zunächst
den Verdampfer passieren muss, bevor er die Brennkammer erreicht.
Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung ist der Verdampfer flächig, insbesondere
scheibenförmig,
ausgebildet, wobei sich die Fläche
des Verdampfers im Wesentlichen senkrecht zu der axialen Richtung
erstreckt. Ferner sind gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung Brennluft dem mindestens einen Brennluft-Zufuhrkanal
und Brennstoff dem Verdampfer jeweils auf der von der Brennkammer
ab gewandten Seite des Verdampfers zuführbar.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung ist der Verdampfer in einer schalenförmigen Verdampferaufnahme
aufgenommen und in einem Boden der Verdampferaufnahme ist mindestens
eine Durchgangsöffnung,
die zu dem mindestens einen Brennluft-Zufuhrkanal führt, ausgebildet.
Der Verdampferbrenner wird in der Regel zumindest teilweise von
einem Gehäuse
umgeben. Das Gehäusebauteil,
in dem der Verdampfer aufgenommen ist, wird dabei als Verdampferaufnahme
bezeichnet, während
das sich daran anschließende
Gehäusebauteil,
das (zumindest teilweise) die Brennkammer umgibt, als Brennrohr
bezeichnet wird. Die Verdampferaufnahme bildet dabei in der Regel
die Form einer Schale, die einen Boden und eine, gegebenenfalls
abgestufte, umlaufende Wand aufweist. Dabei wird der Verdampfer in
der Verdampferaufnahme in der Regel derart aufgenommen, dass die
Seite bzw. Fläche
des Verdampfers, die von der Brennkammer abgewandt ist, an dem Boden
der Verdampferaufnahme anliegt. Über
die Durchgangsöffnung(en)
wird durch die Verdampferaufnahme hindurch eine Zufuhr von Brennluft
in den mindestens einen Brennluft-Zufuhrkanal ermöglicht.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung weist der mindestens eine Brennluft-Zufuhrkanal eine
Hülse auf,
die sich (vorzugsweise in axialer Richtung) zumindest teilweise
durch den Verdampfer erstreckt. Beispielsweise kann die Hülse durch
einen zylindrischen Rohrabschnitt gebildet werden. Durch die Vorsehung
solch einer Hülse
wird in deren Bereich ein Kontakt zwischen dem Brennstoff innerhalb des
Verdampfers und der Brennluft innerhalb des mindestens einen Brennluft-Zufuhrkanals
verhindert. Ferner wird durch Vorsehung einer oder mehrerer Hülsen die
Stabilität
innerhalb des Verdampfers erhöht.
Insbesondere wird verhindert, dass Material des Verdampfers über die
Zeit den mindestens einen Brennluft-Zufuhrkanal zusetzt.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung ist die mindestens eine Hülse integral
in einer Verdampferaufnahme ausgebildet, wobei die Verdampferaufnahme
schalenförmig
ausgebildet und in dieser der Verdampfer aufgenommen ist. Durch
solch eine integrale Ausbildung kann die Anzahl der Bauteile reduziert,
der Fertigungsprozess vereinfacht und die Stabilität der Anordnung
erhöht
werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung ist die Verdampferaufnahme ein durch
ein MIM-Herstellungsverfahren
(MIM: Metal Injection Moulding; deutsch: pulvermetallurgisches Spritzgießen) gebildetes
Bauteil. Das MIM-Herstellungsverfahren ist dabei für die Herstellung
der Verdampferaufnahme, gegebenenfalls mit integral ausgebildeten
Hülsen,
besonders gut geeignet, da sich durch dieses Verfahren komplexe,
metallische Bauteilgeometrien herstellen lassen. Bei dem MIM-Herstellungsverfahren
wird zunächst
im Spritzgussverfahren ein Grünling
hergestellt, der danach den Schritten der Entbinderung und anschließend der
Sinterung unterzogen wird.
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Wird
die für
den Verbrennungsprozess benötigte
Brennluft vollständig über den
mindestens einen Brennluft-Zufuhrkanal zugeführt, so besteht die Gefahr,
dass die, innerhalb der Brennkammer ausgebildete Diffusionsflamme
zu weit von dem Verdampfer abhebt und/oder durch die einströmende Brennluft gelöscht wird.
Dementsprechend wird gemäß einer vorteilhaften
Weiterbildung die Brennkammer zumindest teilweise durch ein Brennrohr,
das sich im Wesentlichen in axialer Richtung erstreckt, begrenzt, wobei
in dem Brennrohr radial Brennluft-Zufuhröffnungen zur zusätzlichen
Zuführung
von Brennluft in die Brennkammer vorgesehen sind. Beispielsweise können in
dem Brennrohr eine oder mehrere umlaufende Reihen von Brennluft-Zufuhröffnungen
vorgesehen sein. Zusätzlich
oder alternativ können
auch in der umlaufenden Wand einer Verdampferaufnahme Brennluft-Zufuhröffnungen
vorgesehen sein, wobei diese Brennluft-Zufuhröffnungen dann, wie im einleitenden
Teil erläutert
wird, stromabwärts
von dem Verdampfer angeordnet sind. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung
ist vorgesehen, dass über
die Verdampferaufnahme, abgesehen von der Brennluft-Zufuhr zu dem
mindestens einen Brennluft-Zufuhrkanal, keine Brennluft in die Brennkammer
zuführbar
ist.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung sind die Öffnungsquerschnitte der Brennluft-Zufuhröffnungen
und des mindestens einen Brennluft-Zufuhrkanals derart angepasst
und/oder ist die Brennluft-Zufuhr an die Brennluft-Zufuhröffnungen
und den mindestens einen Brennluft-Zufuhrkanal derart angepasst,
dass im Einsatz über
die Brennluft-Zufuhröffnungen
ein Anteil im Bereich von 20–40%
und über den
mindestens einen Brennluft-Zufuhrkanal ein Anteil im Bereich von
60–80%
der zugeführten
Brennluft in die Brennkammer zugeführt werden. In diesem Bereich,
insbesondere bei einem Verhältnis
der über den
mindestens einen Brennluft-Zufuhrkanal zugeführten Brennluft zu der über die
Brennluft-Zufuhröffnungen
zugeführten
Brennluft von 70:30, konnten sehr gute Verbrennungseigenschaften
beobachtet werden. Ein gewünschtes
Verhältnis
der zugeführten Brennluft
kann ausschließlich
durch eine entsprechende Anpassung der Öffnungsquerschnitte der jeweiligen Öffnungen
bzw. Kanäle
(unter Berücksichtigung
des Strömungswiderstandes
der jeweiligen Zuleitungen) erzielt werden. Zusätzlich oder alternativ können zur
Erzielung dieses Verhältnisses
auch Ventile und/oder Pumpen eingesetzt werden.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner ein mobiles Heizgerät, insbesondere
ein Fahrzeug-Heizgerät, wie beispielsweise
einen Stand- und/oder Zuheizer, das/der einen Verdampferbrenner
gemäß einer
der oberhalb erläuterten
Varianten aufweist.
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Weiterhin
betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines
Verdampferbrenners eines mobilen Heizgerätes, wobei der Verdampferbrenner
einen Verdampfer zur Verdampfung von zugeführtem, flüssigem Brennstoff und eine,
in axialer Richtung zu dem Verdampfer angeordnete Brennkammer zur
Verbrennung von verdampftem Brennstoff und zugeführter Brennluft aufweist, wobei
der Verdampfer eine durchströmbare,
mit einer Vielzahl von Hohlräumen
durchsetzte Struktur aufweist. Das Verfahren weist dabei nachfolgenden
Schritt auf: Zuführen
zumindest eines Teils der Brennluft durch mindestens einen Brennluft-Zufuhrkanal,
der einen, gegenüber
der Struktur des Verdampfers reduzierten Strömungswiderstand für Brennluft
aufweist und der sich zumindest teilweise, insbesondere vollständig, durch
den Verdampfer derart erstreckt, dass Brennluft von einer, von der
Brennkammer abgewandten Seite des Verdampfers über den mindestens einen Brennluft-Zufuhrkanal
durch den Verdampfer hindurch in die Brennkammer geführt wird.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren werden
im Wesentlichen die oberhalb, in Bezug auf den erfindungsgemäßen Verdampferbrenner
erläuterten
Vorteile erzielt. Ferner sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
die oberhalb, in Bezug auf den Verdampferbrenner erläuterten
Weiterbildungen in entsprechender Weise realisierbar, wobei die
jeweils angegebenen Vorteile erzielt werden.
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Weitere
Vorteile und Zweckmäßigkeiten
der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Figuren. Von den Figuren zeigen:
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1:
eine schematische Querschnittsansicht eines mobilen Heizgerätes mit
einem erfindungsgemäßen Verdampferbrenner;
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2:
eine schematische Querschnittsansicht in einer Ebene entlang der
axialen Richtung eines Verdampferbrenners gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung in abgebrochener Darstellung;
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3:
eine schematische Querschnittsansicht in einer Ebene entlang der
axialen Richtung eines Verdampferbrenners gemäß einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung in abgebrochener Darstellung; und
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4:
eine schematische Draufsicht von oben auf einen Verdampferbrenner
mit abgenommenem Brennrohr gemäß einer
dritten Ausführungsform der
Erfindung.
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In 1 ist
eine Querschnittsansicht eines mobilen, brennstoffbetriebenen Heizgerätes 2,
das einen Standheizer für
ein motorbetriebenes Landfahrzeug bildet, dargestellt. Die Schnittebene
verläuft dabei
entlang einer Achse 3, welche eine axiale Richtung definiert.
Als wesentliche Bauelemente weist das Heizgerät 2 einen Verdampferbrenner 4,
ein Brennluftgebläse 6 zur
Zuführung
von Brennluft an den Verdampferbrenner 4 und einen, den
Verdampferbrenner 4 umgebenden Wärmetauscher 8, in
dem Wärme
von den Verbrennungsgasen auf ein zweites Medium, wie beispielsweise
auf eine Flüssigkeit
oder auf Luft, übertragen
wird, auf.
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Der
Verdampferbrenner 4 weist mehrere Brenner-Gehäusebauteile
auf, die eine Brennkammer 10 begrenzen. Insbesondere weist
der Verdampferbrenner 4 als Brenner-Gehäusebauteil eine schalenförmige Verdampferaufnahme 12 auf,
in welcher ein Verdampfer 14, der aus einer durchströmbaren, mit
einer Vielzahl von Hohlräumen
durchsetzten Struktur gebildet wird, angeordnet ist. In dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
wird der Verdampfer 14 durch einen scheibenförmigen Metallfaserverdampfer
gebildet, der angrenzend an einem Boden 18 der schalenförmigen Verdampferaufnahme 12 angeordnet
ist. Die Verdampferaufnahme 12 weist eine zylindrische,
umlaufende Wand 16 auf, die abgestuft ist und die sich
nach oben (bzgl. der Darstellung in 1) über den
Verdampfer 14 hinaus erstreckt. An den Boden 18 der
Verdampferaufnahme 12 führt
zentral ein Anschluss für
eine Brennstoff-Zufuhrleitung 20, über die dem Verdampfer 14 mittels
einer (nicht dargestellten) Dosierpumpe flüssiger Brennstoff zuführbar ist.
Innerhalb des Verdampfers 14 verdampft der Brennstoff und
tritt auf der, der Brennkammer 10 zugewandten Seite des
Verdampfers 14 aus dem Verdampfer 14 aus.
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Innerhalb
der Verdampferaufnahme 12 ist in der Nähe des Verdampfers 14 stromabwärts desselben
(in 1 oberhalb von dem Verdampfer 14) ein Glühstift 21 angeordnet,
der in einer (nicht dargestellten) Glühstift-Aufnahmeöffnung der
Verdampferaufnahme 12 gehalten wird. Wie oberhalb beschrieben ist,
stellt der Glühstift 21 während einer
Startphase des Heizgerätes 2 die
zum Verdampfen von Brennstoff benötigte Wärme bereit. Nach der Startphase kann über den
Glühstift 21 die
Temperatur innerhalb der Brennkammer überwacht werden, so dass der Glühstift 21 dann
als Flammwächter
dient.
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An
der schalenförmigen
Verdampferaufnahme 12 ist als weiteres Brenner-Gehäusebauteil
ein zylindrisches Brennrohr 22 angeschweißt, so dass innerhalb
der Verdampferaufnahme 12 und dem Brennrohr 22 eine
im Wesentlichen zylindrische Brennkammer 10 gebildet wird.
Am (in 1) oberen Ende des Brennrohres 22 weist
dieses einen Auslass 24 für die Verbrennungsgase auf,
so dass die Verbrennungsgase nach Verlassen der Brennkammer 10 durch
den Auslass 24 in den Wärmetauscher 8 eintreten
können.
Das Brennrohr 22 und die Verdampferaufnahme 12 sind
in der dargestellten Ausführungsform
im Wesentlichen konzentrisch zu der Achse 3, d. h. zu der
axialen Richtung, ausgebildet. Ferner ist, wie anhand der 1 ersichtlich
ist, die Brennkammer 10 in axialer Richtung angrenzend
an den Verdampfer 14 angeordnet.
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Die
Zuführung
der Brennluft, die über
das Brennluftgebläse 6 gefördert wird,
in die Brennkammer 10 ist in 1 nicht
im Detail dargestellt. Hierbei ist vorgesehen, dass zumindest ein
Teil der Brennluft durch mindestens einen (in 1 nicht
dargestellten) Brennluft-Zufuhrkanal
in die Brennkammer 10 zugeführt wird. Der Brennluft-Zufuhrkanal
weist dabei gegenüber
der Struktur des Verdampfers 14 einen reduzierten Strömungswiderstand
für Brennluft
auf und erstreckt sich zumindest teilweise, insbesondere vollständig, durch
den Verdampfer 14 derart, dass Brennluft von einer, von
der Brennkammer 10 abgewandten Seite des Verdampfers 14 über den
mindestens einen Brennluft-Zufuhrkanal durch den Verdampfer 14 hindurch
in die Brennkammer 10 zuführbar ist. Zusätzlich kann
auch ein Teil der zugeführten Brennluft
stromabwärts
von dem Verdampfer 14 in die Brennkammer 10 zugeführt werden.
Insbesondere können
in dem Brennrohr 22 Brennluft-Zufuhröffnungen vorgesehen sein, über die
radial Brennluft in die Brennkammer 10 zuführbar ist.
Dies ist in 1 schematisch durch Öffnungen 26 dargestellt,
die in einer Reihe, die sich in Umfangsrichtung um das Brennrohr 22 erstreckt,
angeordnet sind. Ferner können
in der umlaufenden Wand 16 der Verdampferaufnahme 12 in
einem Bereich, der stromabwärts
(in 1 oberhalb) von dem Verdampfer 14 angeordnet ist,
Brennluft-Zufuhröffnungen
vorgesehen sein, über die
radial Brennluft in die Brennkammer 10 zuführbar ist.
Dies ist in 1 schematisch durch Öffnungen 28 dargestellt,
die in einer Reihe, die sich in Umfangsrichtung um die umlaufende
Wand 16 erstreckt, angeordnet sind.
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Verschiedene
Varianten der Brennluft-Zuführung
gemäß der vorliegenden
Erfindung werden nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die 2 bis 4 erläutert. Dabei
werden in den 2 bis 4 für gleiche
Bauteile jeweils die gleichen Bezugszeichen verwendet. Auf einer
erneute Erläuterung
von bereits beschriebenen Bauteilen wird verzichtet. In den 2 und 3 sind
dabei jeweils ein Abschnitt der Brennstoff-Zufuhrleitung 20,
die Verdampferaufnahme 12 (2), 12' (3), 12'' (4), in der
jeweils der Verdampfer 14 aufgenommen ist, der Glühstift 21 und
ein Abschnitt des Brennrohrs 22 dargestellt. Die Brennstoff-Zufuhrleitung 20 endet
dabei plan an dem Boden 18 der Verdampferaufnahme 12,
so dass flüssiger
Brennstoff über
eine entsprechende, im Bereich der Brennstoff-Zufuhrleitung 20 vorgesehene Öffnung des
Bodens 18 in den Verdampfer 14 zuführbar ist.
Der Verdampfer 14 weist in der Regel eine besonders saugfähige Struktur,
wie beispielsweise eine Faserstruktur, die auch als Verteilervlies
bezeichnet wird, auf, die für
eine gute Verteilung des flüssigen
Brennstoffs in radialer Richtung sorgt.
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Bei
den Ausführungsformen
der 2 bis 4 sind in dem Verdampfer 14 jeweils
eine Mehrzahl von Brennluft-Zufuhrkanälen 30 (2), 30' (3)
und 30'' (4)
vorgesehen, die sich jeweils parallel zu der Achse 3, also
entlang der axialen Richtung, vollständig durch den Verdampfer 14 erstrecken
und die jeweils einen freien Strömungsquerschnitt
für Brennluft
aufweisen. Die einzelnen Brennluft-Zufuhrkanäle 30, 30' und 30'' sind jeweils im Wesentlichen gleichmäßig über die
Fläche
des Verdampfers 14, die senkrecht zu der Achse 3 verläuft, verteilt. Über diese
Brennluft-Zufuhrkanäle 30, 30' und 30'' ist jeweils Brennluft von einer,
von der Brennkammer 10 abgewandten Seite des Verdampfers 14 (in
den 2 und 3 jeweils unterhalb des Verdampfers 14)
durch den Verdampfer 14 hindurch in die Brennkammer 10 zuführbar. In
dem Boden 18 der Verdampferaufnahme 12, 12' und 12'' sind jeweils entsprechende Öffnungen 32 vorgesehen,
die zu den Brennluft-Zufuhrkanälen 30, 30' und 30'' führen. Auf die verschiedenen,
in den 2 bis 4 dargestellten Varianten der
Brennluft-Zuführung
wird nachfolgend eingegangen.
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In 2 werden
die verschiedenen Brennluft-Zufuhrkanäle 30 jeweils durch
zylindrische Hülsen 34 bzw.
Rohrabschnitte gebildet, die integral in der Verdampferaufnahme 12 ausgebildet
sind und die sich entlang der axialen Richtung erstrecken. Auf diese
Weise wird im Bereich des Verdampfers 14 eine vollständige Trennung
zwischen Brennstoff und Brennluft erzielt. Ferner wird verhindert,
dass sich die einzelnen Brennluft-Zufuhrkanäle 30 über die
Zeit mit Material des Verdampfers 14 zusetzen. Ein Teil
der zugeführten
Brennluft wird dabei über
die Brennluft-Zufuhrkanäle 30 zugeführt, was
in 2 schematisch durch die Pfeile 36 dargestellt
ist. Ferner wird der restliche Teil der zugeführten Brennluft radial, stromabwärts von
dem Verdampfer 14 über
Brennluft-Zufuhröffnungen,
die in dem Brennrohr 22 in Umfangsrichtung angeordnet sind,
zugeführt.
Dies ist in 2 schematisch durch die Pfeile 38 dargestellt. Diese
Brennluft-Zufuhröffnungen
können
beispielsweise entsprechend den, in 1 dargestellten Öffnungen 26 ausgebildet
und angeordnet sein. Die Art der Verteilung der Brennluft auf die
Brennluft-Zufuhrkanäle 30 und
die Brennluft-Zufuhröffnungen
in dem Brennrohr 22 ist in 2 nicht
dargestellt, sie kann aber beispielsweise über eine gemeinsame Kammer, über mehrere
Versorgungsleitungen, etc., erfolgen.
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In 3 werden
die verschiedenen Brennluft-Zufuhrkanäle 30' jeweils durch Durchgangsöffnungen
bzw. Bohrungen gebildet, die sich durch den Verdampfer 14 hindurch
erstrecken. Hülsen
oder Rohrabschnitte zur Begrenzung der Brennluft-Zufuhrkanäle 30' sind dabei
nicht vorgesehen. Dementsprechend wird bei dieser Ausführungsform
bereits im Bereich des Verdampfers 14 ein Kontakt zwischen Brennstoff
und Brennluft ermöglicht.
Insbesondere kann auf diese Weise bereits im Bereich der Brennluft-Zufuhrkanäle 30' ein Teil des
Brennstoffs verdampft und/oder von der Brennluft zerstäubt und
mitgerissen werden. Ein Teil der zugeführten Brennluft wird bei dieser
Ausführungsform über die
Brennluft-Zufuhrkanäle 30' zugeführt, was
in 3 schematisch durch die Pfeile 36 dargestellt
ist. Der restliche Teil der zugeführten Brennluft wird radial,
stromabwärts
von dem Verdampfer 14 über
Brennluft-Zufuhröffnungen,
die zum Einen in dem Brennrohr 22 radial in Umfangsrichtung
angeordnet sind und die zum Anderen in der umlaufenden Wand 16 der
Verdampferaufnahme 12 stromabwärts von dem Verdampfer 14 in
Umfangsrichtung angeordnet sind, zugeführt. Die Brennluft-Zufuhröffnungen
in dem Brennrohr 22 können
wiederum entsprechend den, in 1 dar gestellten Öffnungen 26 ausgebildet
sein, während
die Brennluft-Zufuhröffnungen
in der Verdampferaufnahme 12 entsprechend den in 1 dargestellten Öffnungen 28 ausgebildet
sein können. Die
Zuführung
von Brennluft über
Brennluft-Zufuhröffnungen
in dem Brennrohr 22 ist in 3 wiederum schematisch
durch die Pfeile 38 dargestellt, während die Zuführung von
Brennluft über
Brennluft-Zufuhröffnungen
in der umlaufenden Wand 16 der Verdampferaufnahme 12 in 3 schematisch
durch Pfeile 40 dargestellt ist. Die Art der Verteilung
der Brennluft auf die Brennluft-Zufuhrkanäle 30 und die Brennluft-Zufuhröffnungen
in dem Brennrohr 22 und in der umlaufenden Wand 16 ist
in 3 nicht dargestellt, sie kann aber beispielsweise über eine
gemeinsame Kammer, über
mehrere Versorgungsleitungen, etc., erfolgen.
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In
der Draufsicht von 4 ist beispielhaft eine Anordnung
einer Mehrzahl (hier: 13) von Brennluft-Zufuhrkanälen 30'' über die (im Wesentlichen kreisförmige) Fläche des
Verdampfers 14 dargestellt. Wie anhand der 4 ersichtlich
ist, sind die Brennluft-Zufuhrkanäle 30'' auf
zwei konzentrisch zu der Achse 3 angeordneten Kreisen 42, 44 angeordnet, wobei
auf dem äußeren Kreis 42 acht
Brennluft-Zufuhrkanäle 30'' gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilt
sind, während
auf dem inneren Kreis 44 fünf Brennluft-Zufuhrkanäle 30'' gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilt
sind. Auf diese Weise kann eine, über die Querschnittsfläche der
Brennkammer 10 im Wesentlichen gleichmäßig verteilte Zuführung von Brennluft
erzielt werden. Bei der in 4 dargestellten
Ausführungsform
weisen die einzelnen Brennluft-Zufuhrkanäle 30'' jeweils einen Durchmesser von 1,6
mm auf. Die Brennluft-Zufuhrkanäle 30'' können entsprechend den Brennluft-Zufuhrkanälen 30 der 2 oder
entsprechend den Brennluft-Zufuhrkanälen 30' der 3 ausgebildet
sein. Auch kann eine zusätzliche
Brennluft-Zufuhr radial über
das Brennrohr 22 und/oder über eine umlaufende Wand 16 der Verdampferaufnahme 12 erfolgen.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiele
beschränkt.
Insbesondere ist eine, im Wesentlichen konzentrische Ausrichtung
der Bauteile des Verdampferbrenners 4 zu der Achse 3 nicht
zwingend erforderlich. Auch ist der axiale Verlauf der Brennluft-Zufuhrkanäle nicht
zwingend erforderlich. Wie im allgemeinen Beschreibungsteil erläutert wird,
können die
Brennluft-Zufuhrkanäle
(und gegebenenfalls die zugehörigen
Hülsen)
beispielsweise auch schräg
zu der axialen Richtung und/oder gekrümmt verlaufen. Ferner können verschiedene
Ausbildungen der Brennluft-Zufuhrkanäle (vgl. 2 bis 4)
jeweils mit unterschiedlichen, zusätzlichen Zuführungen
von Brennluft stromabwärts
des Verdampfers (vgl. 2 und 3) kombiniert
werden. Auch die Brennluft-Zuführung zu
den einzelnen Brennluft-Zufuhrkanälen sowie gegebenenfalls zu
den Brennluft-Zufuhröffnungen
kann auf verschiedene Weise (beispielsweise über zugehörige Leitungen oder über eine
gemeinsame Kammer, die an die Brennluft-Zufuhrkanäle und/oder
die Brennluft-Zufuhröffnungen
angrenzt), erfolgen.