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Die Erfindung betrifft einen Brenner zum Verbrennen eines flüssigen Brennstoffs mit einem gasförmigen Oxidationsmittel, wobei der Brenner ein Verdampferelement zum Verdampfen des flüssigen Brennstoffs umfasst, wobei das Verdampferelement eine Verdampferkomponente mit einer Oberfläche zum Verdunsten oder zum Verdampfen des flüssigen Brennstoffs aufweist. Unter Verbrennung können auch Redoxreaktionen verstanden werden, an denen ein oder mehrere gasförmige Oxidationsmittel beteiligt sind, die nicht Sauerstoff sind.
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Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verbrennen eines flüssigen Brennstoffs mit einem gasförmigen Oxidationsmittel.
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Insbesondere im Teillastbetrieb von Brennern mit einem Verdampferelement für flüssigen Brennstoff besteht die Gefahr, dass die Verbrennungsflamme aufgrund der geringen Strömungsgeschwindigkeit bis auf das Verdampferelement zurückbrennt. Dort können erhöhte Temperaturen dazu führen, dass Brennstoff gecrackt wird oder oxidiert und dass sich am oder innerhalb des Verdampferelements Ablagerungen bilden. Die Ablagerungen können die Verteilungsfunktion des Verdampferelements für den flüssigen Brennstoff stark beeinträchtigen und sogar zum Ausfall des Brenners führen.
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Die
DE 10 2004 049 902 A1 beschreibt ein Verdampferelement, zu dessen Schutz ein Gitter, beispielsweise aus Metall, brennraumseitig vorgelagert sein kann.
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Die
DE 20 2009 013 101 U1 beschreibt einen Brenner, bei dem sich auf der Oberseite des Dochtes ein Flammenbild ausbildet, wobei ein Gitterstück dazu vorgesehen ist, dem Dochtmaterial Form zu geben und ein Ausfransen zu verhindern.
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Die
DE 10 2006 031 868 B4 beschreibt einen Flammenhalter mit drei Stegen, die im Vergleich zu den Freibereichen schmal sind, wobei eine Flammwurzel in den Bereich der Düse (zum Ort des Brennstoffaustritts) rückverlagert wird, um die Düsentemperatur während des Brennerbetriebs zu steigern und während des Brennerbetriebs die Temperatur der Düsenwandung über die Verkokungsgrenze zu erhöhen, so dass dort niedergeschlagener Brennstoff nicht zu Koksbildung auf der Düsenwand führen kann.
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Die
DE 198 14 768 A1 beschreibt einen Querschnitt eines Flammrohres mit einer Misch- oder Vormischzone M, mit einer Verdampfungszone V und mit einem Flammbildungsbereich. Zur Flammstabilisierung umfasst der Brenner ein weitmaschiges Gitter. Zur Wirkung des Gitters wird angegeben, dass hinter dem Gitter ”Totwasserwinkel bzw. Wirbel in der Strömung” entstehen, die stabilisierend für die Flamme wirken.
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Die
DE 37 13 476 C2 beschreibt einen Verdampfungsbrenner. In der Nähe eines Brennrohrs des Verdampfungsbrenners ist ein rohrförmiger Flammhaltereinsatz angeordnet, der der Bündelung und Stützung einer Flamme dient.
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Die
DE 10 2009 003 383 A1 beschreibt ein Verdampferelement mit Brennluftzuführkanälen zum Zuführen von Brennluft in die Brennkammer, um mittels einer im Teillastbetrieb bewirkten Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit zu erreichen, dass sich die Diffusionsflamme nicht direkt angrenzend an dem Verdampferelement sondern beabstandet von diesem ausbildet, um für das Verdampferelement kostengünstigere Materialien mit geringerer Temperaturfestigkeit verwenden zu können. Nachteilig an dem konventionellen Verdampferelement ist allerdings, dass der Kostenvorteil der kostengünstigeren Materialien zumindest teilweise durch Mehraufwand für die Herstellung der Brennstoffkanäle geschmälert wird.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Brenner zu definieren, mit dem die insbesondere im Teillastbetrieb auftretenden Temperaturbelastungen des Verdampferelements ebenfalls vermieden werden, ohne deshalb den Herstellungsaufwand für das Verdampferelement an anderer Stelle erhöhen zu müssen.
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Außerdem ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Verbrennen von flüssigem Brennstoff bereitzustellen, das den entsprechenden technischen Vorteil bietet.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der Brenner weist ein Gitter zum Abhalten eines Flammenkerns einer Verbrennungsflamme von dem Verdampferelement auf, die beim Verbrennen des verdampften Brennstoffs entsteht. Eine Flamme umfasst eine Vorheizzone, einen Flammenkern und einen Flammensaum. Das Gitter verhindert zumindest, dass der Flammenkern der Verbrennungsflamme auf dem Verdampferelement aufliegen kann. Im Vergleich zu dem Verdampferelement mit Brennluftzuführkanälen aus dem Stand der Technik kann der Brenner mit dem Gitter kostengünstiger in der Herstellung sein. Im Ergebnis verbessert das Gitter die Brennstoffverdampfung und Brennstoffverteilung über Heizleistungsstufen und Lebensdauer. Denn das Verdampferelement braucht nicht mehr die Aufgabe einer Vorwärmung für die Verbrennung zu erfüllen, sondern nur noch die Aufgaben der Brennstoffverteilung und Brennstoffverdampfung. Im Vergleich zu einem konventionellen Brenner bilden sich weniger Ablagerungen am Verdampferelement. Nichtverteilter oder im Verdampferelement nicht verdampfter Brennstoff kann nicht mehr unverdampft in die Brennkammer gelangen. Im Vergleich zu Brennern aus dem Stand der Technik ohne Brennluftzuführkanäle im Verdampferelement kann durch das Gitter eine Reproduzierbarkeit der Temperaturverteilung im Brenner erreicht werden. Außerdem kann das Gitter mittels Turbulenzen an dem Gitter einen Beitrag dazu leisten, eine Durchmischung von Brennstoff und Oxidationsmittel zu homogenisieren. Hierdurch kann eine Reaktionsgeschwindigkeit des Gemischs erhöht und eine Verbrennungsqualität verbessert werden.
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Das Gitter kann eine Dicke von kleiner als oder gleich 1,5 mm aufweisen. Bevorzugt kann es eine Dicke von kleiner als oder gleich 1 mm oder 0,75 mm aufweisen. Besonders bevorzugt kann die Gitterdicke kleiner als oder gleich 0,6 mm sein. Durch die geringe Dicke ist es möglich, dass sich das Gitter schnell und gleichmäßig aufheizen kann, wodurch eine Herbeiführung und Aufrechterhaltung definierter, reproduzierbarer Verbrennungsbedingungen begünstigt wird.
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Das Gitter kann aus Metall, einer Metalllegierung, einer Keramik, einer Kohlenstoffkeramik oder einem Halbleiter bestehen, geeignete physikalische und chemische Eigenschaften, insbesondere eine ausreichende thermische Beständigkeit, vorausgesetzt. Das Gitter kann ein Geflecht, Gewebe, Gelege oder ein hochporöser Schaum sein. Aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit von Metallen und Metalllegierungen kann es besonders vorteilhaft sein, für das Gitter ein Metall oder eine Metalllegierung zu verwenden. Aufgrund der hohen thermischen Leitfähigkeit von Metall beziehungsweise Metalllegierungen und der leichten Aufheizbarkeit des Gitters infolge seiner geringen Dicke und somit geringen thermischen Kapazität kann sich ein Gitter aus Metall oder einer Metalllegierung durch die Verbrennungsflamme schneller und gleichmäßiger erhitzen, als dies mit einer direkten Erhitzung der Brennstoffabgabefläche des Verdampferelements durch die Verbrennungsflamme möglich ist.
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Das Gitter kann in einer Vorheizzone der Verbrennungsflamme oder zwischen einer Vorheizzone und dem Flammenkern angeordnet sein. Der optimale Ort für das Gitter kann. vom Brennertyp, vom konkreten Aufbau des Brenners, vom Brennstoff und vom Oxidationsmittel abhängig sein und kann durch Versuche ermittelt werden.
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Das Gitter kann im Wesentlichen parallel zu einer Brennstoffabgabeseite des Verdampferelements angeordnet sein, die dazu ausgebildet ist, den verdampften Brennstoff zwecks Verbrennung in der Verbrennungsflamme abzugeben. Diese Maßnahme ermöglicht eine kostengünstige Herstellung des Brenners und eine Verbrennung, die sich über die Fläche. des Gitters bzw. über einen Querschnitt, der senkrecht zur Hauptlängsachse des Brenners verläuft, gleichmäßig ausbildet.
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Das Gitter kann in einem Abstand von weniger als 10 mm, vorzugsweise weniger als 5 mm und ganz besonders bevorzugt in einem Abstand von ca. 2 mm vom Verdampferelement angeordnet sein. Die Zündung eines an dem Verdampferelement verdampften handelsüblichen Brennstoffs wie Dieselöl in Sauerstoff führt zu einer Verbrennungsflamme, deren Vorheizzone eine Abmessung aufweist, für die eine Anordnung des Gitters den genannten Abstandsgrenzen vorteilhaft ist, damit sich über den gesamten Querschnitt der Brennstoffabgabefläche des Verdampferelements eine möglichst gleichmäßig verteilte Verbrennung ausbildet.
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Der Brenner kann eine Vorrichtung zum Anpassen eines Abstands und/oder einer anderen Eigenschaft des Gitters an eine Brennerleistung und/oder die aktuell verwendete Brennstoffart aufweisen. Dadurch können die Vorteile des Gitters bei unterschiedlichen Brennerleistungen beziehungsweise Brennstoffarten genutzt werden.
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Unabhängig davon kann der Brenner eine Vorrichtung zum Anpassen eines Abstands und/oder einer anderen Eigenschaft des Gitters an einen Druck und/oder eine Zusammensetzung, insbesondere eine Feuchtigkeit, des Oxidationsmittels aufweisen. Dadurch können die Vorteile des Gitters bei unterschiedlichen Drücken oder Zusammensetzungen des Oxidationsmittels genutzt werden.
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Der Brenner kann dazu geeignet und/oder ausgebildet sein, wenigstens einen der im Folgenden genannten Brennstoffe zu verbrennen: Ameisensäure, Benzin, Biodiesel, Butan, Diesel, Erdöl, Heizöl, Kerosin, Palmöl, Petroleum, Pflanzenöl, Propan, Pyrolyseöl, Rapsöl, Sonnenblumenöl, Sojaöl, Spiritus, brennbare Anteile von Gülle, BTL-Brennstoff, CTL-Brennstoff, FAME-Brennstoff, GTL-Brennstoff, RME-Brennstoff. Grundsätzlich ist der Grundaufbau des Brenners mit dem Gitter zur Verbrennung eines beliebigen flüssigen Brennstoffs geeignet, der unter Temperatur- und Druckbedingungen verdampfbar ist.
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Der Brenner kann dazu geeignet und/oder ausgebildet sein, den verdampften Brennstoff mit wenigstens einem der im Folgenden genannten Oxidationsmittel zu verbrennen: Brom, Chlor, Fluor, gasförmiges Iod, Luft, Sauerstoff, gasförmiger Schwefel. Grundsätzlich ist der Aufbau des Brenners zur Verbrennung mit einem beliebigen gasförmigen Oxidationsmittel geeignet, mit dem der verdampfte Brennstoff unter den Temperatur- und Druckbedingungen verbrennbar ist.
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Das Verfahren zum Verbrennen eines flüssigen Brennstoffs mit einem gasförmigen Oxidationsmittel umfasst folgende Schritte: Verdampfen des flüssigen Brennstoffs mittels eines Verdampferelements, das eine Verdampferkomponente mit einer Oberfläche zum Verdunsten oder zum Verdampfen des flüssigen Brennstoffs aufweist, Hindurchleiten des verdampften Brennstoffs durch ein Gitter und Verbrennen des durch das Gitter hindurchgeleiteten Brennstoffs. Mittels des Hindurchleitens des verdampften Brennstoffs durch das Gitter wird erreicht, dass ein Flammenkern der Verbrennungsflamme von dem Verdampferelement abgehalten wird. Merkmale, die in den Unteransprüchen des Vorrichtungsanspruchs definiert sind, können auch zur Weiterbildung des Verfahrens genutzt werden.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand besonders bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
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Es zeigen:
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1 schematisch und nichtmaßstäblich in einem Längsquerschnitt den Aufbau eines Ausführungsbeispiels eines Brenners;
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2 schematisch und nichtmaßstäblich ein Wertediagramm für einen Schnitt durch eine Flammenfront; und
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3 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Verbrennen eines flüssigen Brennstoffs mit einem gasförmigen Oxidationsmittel.
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1 zeigt einen Brenner 10 mit einer Brennstoffzufuhr über ein Brennstoffröhrchen 12, einem Verdampfungselement 14 und einem Glühstift 16. Das Verdampfungselement 14 ist in dem Ausführungsbeispiel der 1 ein Metallfaserverdampfer.
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Durch hohe relative Permittivität (relative Dielektrizitätskonstante) der Verdampferkomponenten des Verdampferelements wird eine Verdunstung oder Verdampfung des Brennstoffs (welcher eine niedrige relative Permittivität aufweist) von der Oberfläche der Verdampferkomponente begünstigt. Metalle haben ein dielektrisches Verhalten, dass einer unendlich großen Permittivität entspricht. Daher ist es besonders vorteilhaft, als Verdampferkomponenten des Verdampferelements ein Metall oder ein Metallgemisch zu verwenden. Auch ein großes Oberflächen-Volumen-Verhältnis des Verdampferelements begünstigt eine Verdunstung oder Verdampfung des Brennstoffs. Deshalb ist es insbesondere von Vorteil, wenn Metallfasern oder Metallgranulat als Verdampferkomponenten des Verdampferelements verwendet werden.
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2 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine Flammenfront nach Lewis und von Elbe (vgl. Joos, F.: Technische Verbrennung, ISBN-10 3-540-34333-4, S. 13, 1.12). Die Abszisse x verläuft von der Quelle 18 der Verbrennungsedukte über eine Vorheizzone 20 für die Verbrennungsedukte und über eine Reaktionszone 22 bis zur Senke 24 der Verbrennungsprodukte. Die Kurve 26 illustriert einen Konzentrationsverlauf der Verbrennungsedukte. Die Konzentration 26 der Verbrennungsedukte ist an ihrer Quelle 18 am höchsten und nimmt bis zum Ende 30 der Reaktionszone 22 stetig ab. Verbrennung ist exotherm, so dass die Temperatur 24 einen in etwa inversen Verlauf 24 im Verhältnis zu der Konzentration 26 der Verbrennungsedukte aufweist. Die Kurve 32 zeigt einen Konzentrationsverlauf von Reaktionszwischenprodukten. Auch der Verlauf 32 der Konzentration der Reaktionszwischenprodukte ist stetig und hat sein Maximum 34 in etwa in der Mitte 36 der Reaktionszone. Schon in der Vorheizzone 20 finden Reaktionen statt, so das schon dort eine Konzentration 32 der Reaktionszwischenprodukte von Null ausgehend ansteigt. Die Kurve 32 zeigt auch, dass typischerweise auch nach Abschluss 30 der Verbrennung eine Restkonzentration 34 von Reaktionszwischenprodukten verbleibt. Wie eingangs erläutert, können die Reaktionszwischenprodukte, also Ergebnisse einer unvollständigen Verbrennung sich nachteilig auf den Betrieb oder die Lebensdauer des Verdampfungselements 14 auswirken.
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Um eine thermische Belastung des Verdampfungselements 14 und Ablagerung von Reaktionszwischenprodukten an dem Verdampfungselement 14 zu vermeiden oder zumindest zu verringern, weist der in 1 schematisch im Längsquerschnitt dargestellte Brenner 10 ein Gitter 36 auf. Das Gitter 36 kann parallel vor einer Brennstoffabgabefläche 38 des Verdampfungselements 14 angeordnet werden, die dazu vorgesehen ist, ein Brennstoff-Sauerstoff-Gemisch abzugeben. Ein Winkel α zwischen einer Flächennormalen 37 des Gitters 36 und einer Flächennormalen 39 der Brennstoffabgabefläche 38 beträgt dann beispielsweise weniger als 10°, vorzugsweise kleiner als 5°, insbesondere kleiner als 2°. Bei minimaler Teilleistung des Brenners 10 kann ein Abstand 42 des Gitters 36 von der Brennstoffabgabefläche 38 des Verdampfungselements 14 in etwa einer Länge 40 der Vorheizzone 20 entsprechen, wobei vorzugsweise der Einfluss des in diesem Abstand 42 zur Brennstoffabgabefläche 38 angeordneten Gitters 36 auf die Länge 40 der Vorheizzone 20 zu berücksichtigen ist. Wie 1 zeigt, ist dann weitgehend sichergestellt, dass die Reaktionszwischenprodukte nur an Orten 44 entstehen, wo sie nicht mehr mit dem Verdampfungselement 14 in Berührung kommen und dieses schädigen können.
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Das Gitter 36 kann eine Dicke von 1,5 mm oder weniger als 1,5 mm aufweisen. Eine Gitterdicke von 0,5 mm kann optimal sein, so dass sie dann kleiner als 0,6 mm ist. Folglich ist die Gitterdicke vorzugsweise kleiner als 1 mm oder vorzugsweise gleich 0,75 mm. Sie kann auch 1 mm betragen. Eine geringe Gitterdicke begünstigt eine schnelle und gleichmäßige Aufheizung. Eine Herbeiführung und Aufrechterhaltung definierter und reproduzierbarer Verbrennungsbedingungen wird so gefördert.
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Eine Weiterentwicklung des Brenners 10 besteht darin, den Abstand 42 und/oder eine andere Eigenschaft des Gitters 36 (beispielsweise eine mittlere Maschengröße desselben) an die aktuell eingestellte Brennerleistung und/oder die aktuell verwendete Brennstoffart und/oder an den Druck und/oder die Feuchtigkeit des Oxidationsmittels (beispielsweise Luft) anzupassen.
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Mit dem Brenner 10, kann das in 3 dargestellte Verfahren 100 zum Verbrennen eines flüssigen Brennstoffs mit einem gasförmigen Oxidationsmittel durchgeführt werden. In einem Verdampfungsschritt 110 wird zunächst flüssiger Brennstoff mittels eines Verdampferelements 14 verdampft. Dann wird in einem Brenngemischzuführungsschritt 120 der verdampfte Brennstoff durch ein Gitter 36 hindurchgeleitet, das dem Abhalten eines Flammenkerns einer Verbrennungsflamme von dem Verdampferelement 14 dient. Schließlich wird in einem Verbrennungsschritt 130 der durch das Gitter 36 hindurchgeleitete Brennstoff in der Verbrennungsflamme verbrannt.
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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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Bezugszeichenliste
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- 10
- Brenner
- 12
- Brennstoffröhrchen
- 14
- Verdampfungselement
- 16
- Glühstift
- 18
- Quelle
- 20
- Vorheizzone
- 22
- Reaktionszone
- 24
- Senke der Verbrennungsprodukte
- 26
- Konzentrationsverlauf der Verbrennungsedukte
- 30
- Ende der Reaktionszone 22
- 32
- Konzentrationsverlauf von Reaktionszwischenprodukten
- 34
- Maximum der Konzentration der Reaktionszwischenprodukte
- 36
- Gitter
- 37
- Flächennormale des Gitters
- 38
- Brennstoffabgabefläche des Verdampfungselements 14
- 39
- Flächennormale der Brennstoffabgabefläche 38
- 40
- Länge der Vorheizzone 20
- 41
- Mitte der Reaktionszone 22
- 42
- Abstand des Gitters 36 zur Brennstoffabgabefläche 38
- 44
- Orte, denen Reaktionszwischenprodukte entstehen
- 100
- Verfahren zum Verbrennen eines flüssigen Brennstoffs
- 110
- Verdampfungsschritt
- 120
- Brenngemischzuführungsschritt
- 130
- Verbrennungsschnitt
- x
- Abszisse
- α
- Winkel zwischen Flächennormalen 37 und 39
