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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verdampferbrenner für ein mobiles Heizgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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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 ein Verdampferelement auf, das aus einer durchströmbaren, mit einer Vielzahl von Hohlräumen durchsetzten Struktur gebildet wird, um eine effektive Verdampfung von flüssigem Brennstoff zu erzielen. Ferner weisen Verdampferbrenner eine Brennkammer zur flammenden Umsetzung von (verdampftem) Brennstoff mit Brennluft auf. Die Brennkammer ist in axialer Richtung angrenzend an den Verdampfer ausgebildet und wird in der Regel zumindest teilweise durch eine umlaufende Brennkammerwandung, die auch als Brennrohr bezeichnet wird, begrenzt.
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Im Einsatz wird dem Verdampferelement flüssiger Brennstoff zugeführt. Die Kapillarwirkung des Verdampferelements sorgt für eine Durchdringung desselben mit Brennstoff. 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 Verdampferelements angeordnet ist, bereitgestellt. Nach einer Startphase kann dann der Glühstift abgeschaltet werden und die zum Verdampfen erforderliche Wärme wird durch den (flammenden) Verbrennungsvorgang von Brennstoff mit Brennluft in der Brennkammer bereitgestellt.
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Ziel bei mobilen Heizgeräten ist, dass diese einen großen Heizleistungsbereich, wie beispielsweise von 1 kW bis 5 kW (kW: Kilowatt), abdecken und über diesen abgedeckten Heizleistungsbereich durchgehend mit guten Verbrennungseigenschaften betreibbar sind. Insbesondere bei mobilen Heizgeräten mit Verdampferbrenner besteht dann, wenn diese in dem unteren Bereich des jeweils abgedeckten Heizleistungsbereichs betrieben werden, die Neigung, dass sich die Verbrennungseigenschaften verschlechtern. Insbesondere bei Brennstoffen mit vergleichsweise hoher Siedetemperatur (wie beispielsweise Diesel) besteht eine Neigung zur Bildung von Ablagerungen an dem Verdampferelement. Bei Brennstoffen mit vergleichsweise niedriger Siedetemperatur (wie beispielsweise Benzin, Ethanol, etc.) besteht die Neigung, dass der Verbrennungsvorgang pulsierend abläuft, was unter anderem störende Geräusche verursacht.
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Aus der
DE 32 33 321 A1 ist ein Verdampferbrenner bekannt, bei welchem die Verdampferaufnahme (bzw. Trägerkörper) in der Brennkammer derart abgestützt ist, dass eine Wärmeableitung von derselben vermieden wird. Aus der Druckschrift
JP 2003-021322 A ist eine Brennluft-Zuführung bekannt, bei der Brennluft tangential in einen ersten Brennluft-Vorraum eingeführt wird, um darin in Umfangsrichtung zu strömen. Über Öffnungen, die in einem außeren Umfangsbereich einer Trennplatte vorgesehen sind und die mit entsprechenden Strömungsleitelementen versehen sind, wird die Brennluft dann in einen zweiten Brennluft-Vorraum eingeführt, der sich entlang einer Bodenwand einer Verdampferaufnahme sowie ringförmig um eine rohrförmige Brennkammerwand, die eine Brennkammer begrenzt, erstreckt. Über Öffnungen, die in der Brennkammerwand vorgesehen sind und die wiederum entsprechende Strömungsleitelemente aufweisen können, ist Brennluft mit einer in Umfangsrichtung verlaufenden Strömungskomponente in die Brennkammer einleitbar. Aus der Druckschrift
WO 95/06224 A1 ist ein Verdampferbrenner mit einem ringförmigem Verdampferelement, in dem ein rohrförmiger Brennkammereinsatz aufgenommen ist, bekannt. Bei diesem Verdampferbrenner ist Brennluft entlang einer Bodenwand der Verdampferaufnahme zuführbar. Dabei wird Brennluft entweder in einen äußeren Umfangsbereich einer entsprechenden Vorkammer mit einer in Umfangsrichtung verlaufenden Strömungskomponente eingeleitet und dann dem rohrförmigen Brennkammereinsatz zugeführt, oder alternativ wird Brennluft zentral über ein mittiges Rohr zugeführt, um dann über entsprechende Leitelemente von radial außen nach innen entlang der Bodenwand der Verdampferaufnahme in den rohrförmigen Brennkammereinsatz geführt zu werden.
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Dementsprechend besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen baulich einfach gestalteten Verdampferbrenner für ein mobiles Heizgerät bereitzustellen, der über einen großen Heizleistungsbereich mit durchgehend guten Verbrennungseigenschaften betreibbar ist.
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Die Aufgabe wird durch einen Verdampferbrenner gemäß Anspruch 1 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 eine Brennkammer, eine Verdampferaufnahme, und (mindestens) ein Verdampferelement zur Verdampfung von flüssigem Brennstoff, aufweist. Dabei ist das Verdampferelement in der Verdampferaufnahme auf der Seite (der Verdampferaufnahme), die der Brennkammer zugewandt ist, aufgenommen. Der Verdampferbrenner weist auf der Seite der Verdampferaufnahme, die von der Brennkammer abgewandt ist, mindestens ein Brennluftleitelement auf, das derart angeordnet ist, dass zwischen dem Brennluftleitelement und einer Bodenwand der Verdampferaufnahme ein zumindest entlang einem Abschnitt der Bodenwand der Verdampferaufnahme verlaufender Brennluft-Strömungspfad ausgebildet ist. Das Brennluftleitelement und die Verdampferaufnahme sind derart ausgebildet, dass der Brennluft-Strömungspfad von einem im Wesentlichen mittig über der Bodenwand der Verdampferaufnahme vorgesehenen Brennluft-Einlass zumindest anteilig radial nach außen entlang der Bodenwand verläuft, wobei der Brennluft-Strömungspfad in einen ringförmigen Brennluft-Vorraum, der ringförmig um die Brennkammer ausgebildet ist, führt.
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Es hat sich gezeigt, dass die oberhalb beschriebenen, nachteiligen Begleiterscheinungen eines Betriebs bei niedrigen Heizleistungen dadurch vermieden werden können, dass die Verdampferaufnahme (und damit auch das Verdampferelement) gekühlt wird. Denn gerade bei niedrigen Heizleistungen (bezogen auf den bereitstellbaren Heizleistungsbereich) ist aufgrund der niedrigeren Verdampfungsrate von Brennstoff auch die aufgenommene Verdampfungsenergie und damit die Kühlung der Verdampferaufnahme und des Verdampferelements reduziert. Grundsätzlich bestehen verschiedene Möglichkeiten, einer übermäßigen Erwärmung der Verdampferaufnahme und des Verdampferelements entgegenzuwirken. Solche Möglichkeiten könnten insbesondere in einer Material- und Wandstärkenauswahl im Bereich der Verdampferaufnahme, oder in anderweitigen, konstruktiven Abwandlungen des Verdampferbrenners liegen. Schwierig gestaltet sich aber die Auffindung einer baulich einfach ausgestalteten Lösung, durch die einerseits bei niedrigen Heizleistungen die oberhalb beschriebenen, nachteiligen Begleiterscheinungen vermieden werden, durch die andererseits aber nicht die Startfähigkeit des Verdampferbrenners bei kalten Umgebungstemperaturen und die Brennwerte verschlechtert werden.
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Das gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehene Brennluftleitelement ist ein einfach ausgestaltetes Bauteil, das robust im Einsatz und kostengünstig in der Herstellung ist. Es kann bei unterschiedlichen Verdampferbrennern eingesetzt werden. Indem der Brennkammer zugeführte Brennluft zwischen dem Brennluftleitelement und der Verdampferaufnahme zumindest über einen Abschnitt der Bodenwand der Verdampferaufnahme entlanggeführt wird, wird die Verdampferaufnahme konvektiv gekühlt. Je dünner der Spalt zwischen Verdampferaufnahme und Brennluftleitelement ausgebildet ist, desto höher ist die Strömungsgeschwindigkeit der Brennluft (bei gleicher, zugeführter Brennluftmenge), was eine stärkere Kühlung bewirkt. Weiterhin kann die Kühlwirkung auch durch die Größe des Brennluft-Einlasses in das Brennluftleitelement beeinflusst werden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verdampferbrenners können über den gesamten Heizleistungsbereich gute Verbrennungseigenschaften erzielt werden. Ein übermäßiger Hitzestau im Bereich der Verdampferaufnahme und des Verdampferelements, der tendenziell insbesondere bei niedrigen Heizleistungen auftritt, wird durch den erfindungsgemäßen Verdampferbrenner effektiv vermieden. Bei Brennstoffen mit vergleichsweise hoher Siedetemperatur (wie beispielsweise Diesel) kann dementsprechend die Bildung von Ablagerungen an dem Verdampferelement vermieden werden, was zu einer höheren Lebensdauer des Verdampferbrenners führt. Bei Brennstoffen mit vergleichsweise niedriger Siedetemperatur (wie beispielsweise Benzin, Ethanol, etc.) kann ein Pulsieren der Verbrennung vermieden werden. Denn ein Pulsieren der Verbrennung entsteht insbesondere dadurch, dass zugeführter Brennstoff zu schnell verdampft und entzündet wird, wodurch anschließend eine Ruhepause eintritt, bis erneut ein zündfähiges Gemisch im Bereich des Verdampferelements entsteht. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Verdampferbrenners wird ein solch übermäßig schnelles Verdampfen des zugeführten Brennstoffs vermieden und es kann dementsprechend auf die Vorsehung eines separaten Pulsationsdämpfers verzichtet werden, was zu einer Kosteneinsparung führt.
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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 dauerhaften, 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, Containern (zum Beispiel Baucontainern), etc.. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist das mobile Heizgerät als Standheizer (sowohl bei ruhendem als auch bei laufendem Fahrzeugmotor betreibbar) oder als Zuheizer (ausschließlich bei laufendem Fahrzeugmotor betreibbar) für ein Landfahrzeug, wie beispielsweise für einen Wohnwagen, ein Wohnmobil, einen Bus, einen Pkw, etc., ausgelegt.
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Wie in dem Fachgebiet bekannt ist, bestehen unterschiedliche, mögliche Ausgestaltungen für das Verdampferelement, wie beispielsweise die Ausbildung als Metallfasern, Metallschaum, poröse Keramik, Metallgeflecht, etc.. Wesentlich ist, dass das Verdampferelement eine vergleichsweise große Oberfläche (verglichen mit dessen Volumen) zur effektiven Verdampfung von Brennstoff aufweist. Die Verdampferaufnahme weist eine Bodenwand auf. Vorzugsweise ist sie schalenförmig ausgebildet und weist dementsprechend eine, sich an die Bodenwand anschließende, umlaufende Wand auf, die abgewinkelt (in einem rechten Winkel oder in einem stumpfen Winkel) relativ zu der Bodenwand ausgebildet ist. Insbesondere liegt das Verdampferelement an der Bodenwand der Verdampferaufnahme an. In diesem Fall wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verdampferbrenners eine effektive, rückseitige Kühlung des Verdampferelements erzielt. Auch in Bezug auf das Brennluftleitelement bestehen unterschiedliche, mögliche Ausgestaltungen, sofern es derart ausgestaltet ist, dass es zumindest einen Teil der Brennluft, die der Brennkammer zugeführt wird, entlang dem, zwischen Brennluftleitelement und Verdampferaufnahme ausgebildeten Brennluft-Strömungspfad über zumindest einen Abschnitt der Bodenwand der Verdampferaufnahme leitet. Indem der Brennluft-Strömungspfad entlang einem Abschnitt der Bodenwand der Verdampferaufnahme verläuft, bedeutet dies, dass im Einsatz die Strömungsgeschwindigkeit der zugeführten Brennluft im Wesentlichen parallel zu der Bodenwand verläuft. Das Brennluftleitelement wird insbesondere durch ein durchgehendes Bauteil gebildet. Entsprechend ist auch die Verdampferaufnahme vorzugsweise im Bereich des Brennluft-Strömungspfades als durchgehendes Bauteil ausgebildet. Das Brennluftleitelement und/oder die Verdampferaufnahme kann/können jedoch auch Unterbrechungen, Löcher, Zwischenräume, etc., aufweisen, sofern die oberhalb erläuterte Brennluftführung zumindest für einen Teil der zugeführten Brennluft realisiert wird. Die Brennkammer ist insbesondere für eine flammende Verbrennung von Brennstoff mit Brennluft innerhalb derselben ausgelegt.
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Sofern in der vorliegenden Beschreibung auf „mindestens ein” Bauteil Bezug genommen wird, schließt dies neben genau einem solchen Bauteil auch die Möglichkeit von mehreren, solchen Bauteilen ein. Dieses Verständnis gilt auch in der weiteren Beschreibung, auch wenn dies nicht jedesmal explizit erwähnt wird. Auch wird durch die Beschreibung, dass „ein” Bauteil vorgesehen ist, nicht die Möglichkeit ausgeschlossen, dass ggf. auch mehrere, solche Bauteile vorgesehen sein können, sofern diese Option nicht durch die Bezeichnung „genau ein” ausgeschlossen ist und sofern diese Option technisch sinnvoll ist.
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Gemäß einer Weiterbildung erstreckt sich das Brennluftleitelement schalenförmig (bzw. kappenförmig) über die Verdampferaufnahme. Auf diese Weise wird ein Brennluft-Strömungspfad über die gesamte Rückseite der Verdampferaufnahme bereitgestellt, so dass im Einsatz eine effektive Kühlwirkung erzielbar ist. Dabei muss sich das Brennluftleitelement nicht vollständig durchgehend über die Verdampferaufnahme erstrecken. Vielmehr kann es beispielsweise einen Brennluft-Einlass zur Zuführung von Brennluft in den Brennluft-Strömungspfad aufweisen, ein Brennstoff-Zuführrohr zur Zuführung von Brennstoff an das Verdampferelement und/oder einen Glühstift zur Zündung des Brennstoff-Brennluft-Gemisches bei einer Startphase des Verdampferbrenners aufnehmen. Insbesondere weist das Brennluftleitelement ähnlich wie die Verdampferaufnahme eine Bodenwand und eine, sich an die Bodenwand anschließende, umlaufende Wand auf, die abgewinkelt (in einem rechten Winkel oder in einem stumpfen Winkel) relativ zu der Bodenwand ausgebildet ist.
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Gemäß einer Weiterbildung weist das Brennluftleitelement im Wesentlichen mittig (insbesondere genau mittig) über der Bodenwand der Verdampferaufnahme den Brennluft-Einlass zur Zuführung von Brennluft in den Brennluft-Strömungspfad auf. Auf diese Weise wird eine gleichmäßige Kühlung der Verdampferaufnahme (sowie des Verdampferelements) erzielt. Die Zuführung von Brennluft in den Brennluft-Einlass kann – je nach Ausgestaltung des Verdampferbrenners – von einem Brennluft-Zuführrohr aus oder von einer stromaufwärts von dem Brennluft-Einlass ausgebildeten Vorkammer aus erfolgen.
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Gemäß einer Weiterbildung ist eine Kontur des Brennluftleitelements auf der, der Verdampferaufnahme zugewandten Seite entsprechend einer Kontur der Verdampferaufnahme auf der, dem Brennluftleitelement zugewandten Seite ausgebildet, so dass zwischen der Verdampferaufnahme und dem Brennluftleitelement ein Spalt ausgebildet ist, durch welchen der Brennluft-Strömungspfad führt. Auf diese Weise wird eine gleichmäßige Kühlung über die gesamte Rückseite der Verdampferaufnahme und damit über die gesamte Erstreckungsfläche des Verdampferelements erzielt. Der zwischen Verdampferaufnahme und Brennluftleitelement ausgebildete Spalt kann (über die Erstreckungsfläche der Rückseite der Verdampferaufnahme) durchgehend ausgebildet sein. Alternativ können in dem Spalt zwischen der Verdampferaufnahme und dem Brennluftleitelement auch Abstützelemente, durch welche ein gewünschter Abstand zwischen dem Brennluftleitelement und der Verdampferaufnahme sichergestellt wird, und/oder Strömungsleitelemente zur Beeinflussung der Strömungsrichtung der Brennluft vorgesehen sein. Insbesondere sind die Konturen des Brennluftleitelements und der Verdampferaufnahme schalenförmig ausgebildet, so dass dazwischen ein schalenförmiger Spalt entsteht.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung sind das Brennluftleitelement und die Verdampferaufnahme derart ausgebildet, dass der Brennluft-Strömungspfad von einem im Wesentlichen mittig über der Bodenwand der Verdampferaufnahme vorgesehenen Brennluft-Einlass zumindest anteilig radial nach außen entlang der Bodenwand verläuft, wobei der Brennluft-Strömungspfad in einen ringförmigen Brennluft-Vorraum, der ringförmig um die Brennkammer ausgebildet ist, führt. Auf diese Weise wird eine gleichmäßige Kühlung der Verdampferaufnahme erzielt. Die radiale Richtung verläuft dabei senkrecht zu der axialen Richtung. Letztere (axiale Richtung) ist, wie oberhalb erläutert wird, durch die Abfolge der Verdampferaufnahme und der Brennkammer definiert. Im Falle einer rotationssymmetrischen Ausbildung der Verdampferaufnahme und/oder des Verdampferelements und/oder der Brennkammer ist die axiale Richtung auch durch die Rotations-Symmetrieachse definiert. Die radiale Richtung ist ferner insbesondere durch die Ringform des Brennluft-Vorraums definiert. In der Regel sind auch die Verdampferaufnahme und das Verdampferelement kreisförmig ausgebildet, so dass auch durch diese in gleicher Weise eine radiale Richtung festgelegt wird. Eine genau kreisförmige Form des Brennluft-Vorraums, der Verdampferaufnahme und des Verdampferelements ist jedoch nicht zwingend. Die Verdampferaufnahme ist insbesondere schalenförmig ausgebildet und weist angrenzend zu der Bodenwand eine, in einem rechten oder stumpfen Winkel relativ zu der Bodenwand abgewinkelte, umlaufende Wand auf. In diesem Fall führt der Brennluft-Strömungspfad im Anschluss an die Bodenwand auch noch entlang der abgewinkelten, umlaufenden Wand der Verdampferaufnahme, bevor er den ringförmigen Brennluft-Vorraum erreicht. Der Brennluft-Einlass ist insbesondere in dem Brennluftleitelement ausgebildet.
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Gemäß einer Weiterbildung wird der Brennluft-Vorraum durch eine umlaufend um die Brennkammer ausgebildete Brennkammerwandung von der Brennkammer unterteilt und die Brennkammerwandung weist Brennluft-Durchgangsöffnungen zur Zuführung von Brennluft aus dem Brennluft-Vorraum in die Brennkammer auf. Insbesondere sind die Brennluft-Durchgangsöffnungen gleichmäßig in Umfangsrichtung in der Brennkammerwandung ausgebildet.
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Gemäß einer Weiterbildung weist der Verdampferbrenner in dem Brennluft-Strömungspfad in dem Bereich zwischen Verdampferaufnahme und Brennluftleitelement Strömungsleitelemente derart auf, dass durch diese im Einsatz strömender Brennluft eine, in Umfangsrichtung verlaufende Strömungskomponente auferlegt wird. Diese Strömungskomponente in Umfangsrichtung wird zumindest teilweise auch noch nach Eintritt in die Brennkammer beibehalten, was zu einer Verwirbelung innerhalb der Brennkammer führt und damit eine gute Durchmischung von Brennstoff mit Brennluft bewirkt. Dadurch wird eine vollständige Umsetzung von Brennstoff mit Brennluft unterstützt. Die Strömungsleitelemente dienen der Beeinflussung der Strömungsrichtung und können – wie in dem Fachgebiet bekannt ist – auf verschiedene Art und Weise ausgebildet sein. Insbesondere können die Strömungsleitelemente spiralförmig verlaufende Flügel oder Rippen aufweisen, die sich zumindest über einen Teil oder vollständig über den, zwischen Verdampferaufnahme und Brennluftleitelement ausgebildeten Spalt erstrecken. Die Strömungsleitelemente können ferner als separates Einsatzbauteil, das zwischen Verdampferaufnahme und Brennluftleitelement eingesetzt wird, ausgebildet sein. Sie können aber auch fest (in Form von z. B. Rippen oder Flügeln) mit der Verdampferaufnahme und/oder mit dem Brennluftleitelement verbunden sein.
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Gemäß einer Weiterbildung erstrecken sich die Strömungsleitelemente zwischen der Verdampferaufnahme und dem Brennluftleitelement über den Bereich der Bodenwand der Verdampferaufnahme. Dementsprechend wird bei dieser Weiterbildung der strömenden Brennluft bereits bei Passieren der Bodenwand der Verdampferaufnahme eine Strömungskomponente in Umfangsrichtung auferlegt. Alternativ oder zusätzlich erstrecken sich die Strömungsleitelemente über den Bereich einer umlaufenden Wand der Verdampferaufnahme. Dementsprechend wird bei dieser Weiterbildung der strömenden Brennluft bei Passieren der umlaufenden Wand der Verdampferaufnahme eine Strömungskomponente in Umfangsrichtung auferlegt. Alternativ oder zusätzlich weist der Verdampferbrenner in dem Bereich des ringförmigen Brennluft-Vorraums Strömungsleitelemente derart auf, dass durch diese im Einsatz strömender Brennluft eine, in Umfangsrichtung verlaufende Strömungskomponente auferlegt wird. In letzterem Fall sind die Strömungsleitelemente insbesondere einlassseitig des Brennluft-Vorraums angeordnet. Allgemein ist anzumerken, dass die Strömungsleitelemente nur in einem der erläuterten Abschnitte vorgesehen sein können. Sie können sich aber auch über mehrere oder alle Abschnitte erstrecken, so dass die Strömungsrichtung über den gesamten Strömungsweg kontinuierlich beeinflusst wird.
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Gemäß einer Weiterbildung ist die Brennluft-Zuführung derart ausgebildet, dass im Einsatz der Brennkammer sämtliche Brennluft über den, zwischen dem Brennluftleitelement und der Verdampferaufnahme ausgebildeten Brennluft-Strömungspfad und anschließend über den ringförmigen Brennluft-Vorraum, der ringförmig um die Brennkammer ausgebildet ist, zugeführt wird. Gerade bei solch einer Brennluftzuführung ist die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verdampferbrenners besonders vorteilhaft, da sie eine besonders effektive Kühlung der Verdampferaufnahme und des Verdampferelements bewirkt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch auch bei einer anderen Ausgestaltung der Brennluftzuführung anwendbar. Beispielsweise kann auch ein Teil der Brennluft über Öffnungen, die in der Bodenwand der Verdampferaufnahme verteilt sind, durch das Verdampferelement hindurch zugeführt werden, was eine effektive Verdampfung von flüssigem Brennstoff unterstützt. Zusätzlich oder alternativ kann auch ein Teil der Brennluft über einen Stutzen, der zentral in der Verdampferaufnahme ausgebildet ist und der gegenüber dem Verdampferelement in die Brennkammer vorsteht, in die Brennkammer zugeführt werden.
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Gemäß einer Weiterbildung weist das Brennluftleitelement den Brennluft-Einlass auf, der in den zwischen der Verdampferaufnahme und dem Brennluftleitelement ausgebildeten Brennluft-Strömungspfad führt, wobei in dem Brennluft-Einlass ein Brennstoff-Zuführrohr zum Zuführen von (flüssigem) Brennstoff an das Verdampferelement aufgenommen ist. Durch diese Ausgestaltung wird auch der Brennstoff in dem Bereich, in dem er aus dem Brennstoff-Zuführrohr in das Verdampferelement geführt wird, gekühlt. Auf diese Weise wird ein vorzeitiges Verdampfen des Brennstoffes direkt bei Austritt aus dem Brennstoff-Zuführrohr und damit ein vorzeitiges Zünden desselben vermieden. Dies ist insbesondere bei Brennstoffen mit vergleichsweise niedriger Siedetemperatur (z. B. Benzin, Ethanol, etc.) vorteilhaft, da somit ein Pulsieren der Verbrennung effektiv verhindert werden kann. Der Brennluft-Einlass ist auch bei dieser Ausgestaltung bevorzugt mittig über der Bodenwand der Verdampferaufnahme angeordnet. Der Brennluft-Einlass ist insbesondere als Stutzen ausgebildet, der sich über einen Abschnitt des Brennstoff-Zuführrohrs erstreckt, wodurch eine noch effektivere Kühlung des Brennstoffs in dem Einlassbereich bewirkt wird.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein mobiles Heizgerät, insbesondere ein Fahrzeugheizgerät, das einen erfindungsgemäßen Verdampferbrenner, der gegebenenfalls auch gemäß einer oder mehrerer der erläuterten Weiterbildungen und/oder Varianten ausgebildet sein kann, aufweist. Bei dem mobilen Heizgerät werden die oberhalb erläuterten Vorteile in entsprechender Weise erzielt.
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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 Darstellung eines mobilen Heizgerätes gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Querschnittansicht;
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2: eine vergrößerte Darstellung des Verdampferbrenners aus 1;
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3: eine Seitenansicht eines Brennluftleitelements gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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4: eine Ansicht des in 3 dargestellten Brennluftleitelements von unten entlang der Ebene A-A.
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In 1 ist ein mobiles, brennstoffbetriebenes Heizgerät 2, das eine Standheizung für ein motorbetriebenes Landfahrzeug bildet, schematisch dargestellt. Nachfolgend wird vor allem auf die Bauteile eingegangen, die mit der vorliegenden Erfindung in Zusammenhang stehen. Das Heizgerät 2 weist einen Verdampferbrenner 4 und einen Wärmetauscher 6 auf. Der Verdampferbrenner 4 weist unter anderem eine Brennkammer 8, eine Verdampferaufnahme 10 und ein Verdampferelement 12 zur Verdampfung von flüssigem Brennstoff auf. Die Brennkammer 8, die Verdampferaufnahme 10 und das Verdampferelement 12 sind im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet und weisen eine gemeinsame Rotations-Symmetrieachse 13 auf.
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Die Brennkammer 8 wird in Umfangsrichtung durch eine umlaufende Brennkammerwandung 14 begrenzt. Stirnseitig im Bereich der Brennstoffzuführung wird die Brennkammer 8 durch die Verdampferaufnahme 10 begrenzt. In der Verdampferaufnahme 10 ist auf der Seite, die der Brennkammer 8 zugewandt ist, das Verdampferelement 12 aufgenommen. Der Verdampferbrenner 4 weist ferner auf der, von der Brennkammer 8 abgewandten Seite der Verdampferaufnahme 10 ein Brennluftleitelement 16 auf. Das Brennluftleitelement 16 ist schalenförmig ausgebildet und ist ähnlich wie eine Kappe über die Verdampferaufnahme 10 gestülpt. Sowohl das Brennluftleitelement 16 als auch die Verdampferaufnahme 10 werden durch ein Metallblech gebildet, das die gewünschte Form insbesondere durch Tiefziehen erhalten hat. Eine Kontur des Brennluftleitelements 16 entspricht im Wesentlichen der Kontur der Verdampferaufnahme 10, so dass zwischen der Verdampferaufnahme 10 und dem Brennluftleitelement 16 ein Spalt 18 ausgebildet ist. Ringförmig um die Brennkammer 8 ist ein Brennluft-Vorraum 20 ausgebildet. Der Spalt 18 mündet in den Brennluft-Vorraum 20. Von dem Brennluft-Vorraum 20 wird wiederum über Brennluft-Durchgangsöffnungen 22, die in der Brennkammerwandung 14 ausgebildet sind, eine Fluidverbindung mit der Brennkammer 8 hergestellt.
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Eine detailliertere Erläuterung der Brennluftzuführung an die Brennkammer 8 erfolgt nachfolgend unter Bezugnahme auf die 2. Die Brennluftzuführung erfolgt über einen, in dem Brennluftleitelement 16 ausgebildeten Brennluft-Einlass 24, der mittig über einer Bodenwand 26 der Verdampferaufnahme 10 und damit im Wesentlichen auf der Rotations-Symmetrieachse 13 angeordnet ist. Der Brennluft-Einlass 24 ist als vorstehender Stutzen ausgebildet. An dem Brennluft-Einlass 24 kann insbesondere ein Brennluft-Zuführrohr 28 angeschlossen sein, wie es schematisch in den 1 und 2 dargestellt ist. Die in dem Brennluft-Einlass 24 zugeführte Brennluft wird zunächst in axialer Richtung (d. h. parallel zu der Rotations-Symmetrieachse 13) auf die Verdampferaufnahme 10 zugeleitet. Bei Erreichen der Verdampferaufnahme 10 wird die strömende Brennluft umgelenkt und entlang der Bodenwand 26 der Verdampferaufnahme 10 flächig in radialer Richtung nach außen geleitet. Der Spalt 18 zwischen der Bodenwand 26 der Verdampferaufnahme 10 und dem Brennluftleitelement 16 erstreckt sich durchgehend über die gesamte Fläche der Bodenwand 26 (abgesehen von dem Bereich des Brennluft-Einlasses 24), so dass die Bodenwand 26 im Wesentlichen über deren gesamte Fläche (abgesehen von einem zentralen Bereich) gekühlt wird. Bei Erreichen des äußeren Endes der Bodenwand 26 wird die strömende Brennluft erneut umgelenkt und strömt in axialer Richtung (d. h. parallel zu der Rotations-Symmetrieachse 13) entlang einer umlaufenden Wand 30 der Verdampferaufnahme 10 in den Brennluft-Vorraum 20. Die Strömungsrichtung der Brennluft in dem Bereich von dem Brennluft-Einlass 24 bis zu dem Brennluft-Vorraum 20 ist in 2 durch Pfeile 31 dargestellt. Bei der vorliegend dargestellten Ausführungsform wird sämtliche, der Brennkammer 8 zugeführte Brennluft über den oberhalb erläuterten Brennluft-Strömungspfad (d. h. über den Brennluft-Einlass 24, den Spalt 18, den Brennluft-Vorraum 20 und die Brennluft-Durchgangsöffnungen 22) zugeführt.
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In dem Bereich eines (ringförmigen) von dem Spalt 18 in den Brennluft-Vorraum 20 führenden Einlasses 32 sind in dem Brennluft-Vorraum 20 Strömungsleitelemente 34 vorgesehen. Diese Strömungsleitelemente 34 werden durch eine Mehrzahl von Flügeln gebildet, die in Umfangsrichtung entlang des ringförmigen Einlasses 32 angeordnet sind und die in den Strömungspfad ragen. Die Strömungsleitelemente 34 sind derart ausgerichtet, dass sie im Einsatz der strömenden Brennluft eine, in Umfangsrichtung verlaufende Strömungskomponente auferlegen. Dementsprechend strömt die Brennluft in dem Brennluft-Vorraum 20 auch anteilig in Umfangsrichtung, welche Strömungskomponente auch nach Durchtritt durch die Brennluft-Durchgangsöffnungen 22 in der Brennkammer 8 beibehalten wird, wodurch eine gute Durchmischung der Brennluft mit dem Brennstoff erzielt wird.
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In dem stutzenförmigen Brennluft-Einlas 24 ist ein Brennstoff-Zuführrohr 36 zur Zuführung von flüssigem Brennstoff an das Verdampferelement 12 aufgenommen. Das Brennstoff-Zuführrohr 36 mündet in einem zentralen Abschnitt des Verdampferelements 12. Der zentral zugeführte, flüssige Brennstoff wird durch die Kapillarwirkung flächig über das Verdampferelement 12 verteilt und wird von dort verdampft. Indem das Brennstoff-Zuführrohr 36 innerhalb des stutzenförmigen Brennluft-Einlasses 24 angeordnet ist, wird es im Einsatz von Brennluft umströmt und dadurch gekühlt. Dadurch wird verhindert, dass der Brennstoff direkt bei Eintritt in das Verdampferelement 12 frühzeitig verdampft und gezündet wird, was zu dem oberhalb erläuterten Pulsieren der Verbrennung führt. Zentral in dem Verdampferelement 12 ist ein (in den 1 und 2 nur schematisch dargestellter) Glühstift 38 vorgesehen, der unter anderem beim Starten des Verdampferbrenners 4 zum Zünden des Brennstoff-Brennluft-Gemisches eingesetzt wird. Nach einer Startphase des mobilen Heizgerätes wird der Glühstift 38 bei der vorliegenden Ausführungsform als Flammwächter eingesetzt.
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Nachfolgend wird ein Betrieb des mobilen Heizgerätes 2 (bzw. des Verdampferbrenners 4) unter Bezugnahme auf 1 erläutert. Im Betrieb wird – wie oberhalb erläutert wurde – flüssiger Brennstoff dem Verdampferelement 12 zugeführt und von demselben verdampft. Ferner wird Brennluft – wie oberhalb erläutert wurde – der Brennkammer 8 zugeführt und mit dem gasförmigen Brennstoff vermischt. Der Brennstoff wird in der Brennkammer 8 mit der Brennluft in einer flammenden Verbrennung unter Freisetzung von Wärme umgesetzt. Die bei der Verbrennung entstehenden Gase (Abgase) strömen dann aus der Brennkammer 8 über ein Flammrohr 40 in den Wärmetauscher 6.
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In dem Wärmetauscher 6 wird ein erster Strömungspfad 42 für die Abgase gebildet. Die Abgase strömen innerhalb des Wärmetauschers 6 entlang des ersten Strömungspfads 42 zu einer Abgas-Ableitung 44, über welche die Abgase nach Außen geführt werden. Ferner ist ein zweiter Strömungspfad 46 innerhalb des Wärmetauschers 6 vorgesehen, in dem Kühlwasser des Kraftfahrzeuges geführt wird. Der erste 42 und der zweite 46 Strömungspfad sind dabei derart angeordnet, dass im Einsatz Wärme effektiv von den Abgasen auf das Kühlwasser übertragen wird. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Strömungsrichtung der Abgase und die Strömungsrichtung des Kühlwassers in dem Wärmetauscher 6 entgegengesetzt zueinander ausgerichtet, wie in 1 schematisch durch die Pfeile dargestellt ist. Das erwärmte Kühlwasser wird über einen weiteren Wärmetauscher (Kühlwasser-Luft-Wärmetauscher) zur Beheizung von Luft, die dem Fahrzeug-Innenraum zugeführt wird, geleitet. Ferner wird durch das Kühlwasser der Motor des Kraftfahrzeuges vorgewärmt.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 3 und 4 eine alternative Ausführungsform eines Brennluftleitelements 48 erläutert. Dabei ist das Brennluftleitelement 48 in 3 in Seitenansicht dargestellt, während es in 4 von unten entlang der Ebene A-A (vgl. 3) dargestellt ist. Bei der nachfolgenden Erläuterung wird im Wesentlichen auf die Unterschiede gegenüber der oberhalb erläuterten, ersten Ausführungsform eingegangen. Bei dem Brennluftleitelement 48 ist die umlaufende Wand 50 in einem stumpfen Winkel relativ zu der Bodenwand 52 abgewinkelt. Das Brennluftleitelement 48 ist kreisförmig ausgebildet und weist zentral (d. h. um eine Rotations-Symmetrieachse 54) einen Brennluft-Einlass 56 auf. Der Brennluft-Einlass 56 wird bei der vorliegenden Ausführungsform durch eine Öffnung gebildet. Das Brennluftleitelement 48 weist integral ausgebildete Strömungsleitelemente 58 auf. Die Strömungsleitelemente 58 verlaufen spiralförmig und erstrecken sich sowohl über die Bodenwand 52 als auch die umlaufende Wand 50 des Brennluftleitelements 48. Die Strömungsleitelemente 58 werden durch vorstehende Rippen gebildet, die sich im assemblierten Zustand bis zu der zugehörigen (nicht dargestellten) Verdampferaufnahme erstrecken. In 3 ist der Verlauf der (innenseitig angeordneten) Strömungsleitelemente 58 gestrichelt dargestellt. In 4 ist der Verlauf der Strömungsleitelemente 58 in durchgezogenen, spiralförmig verlaufenden Linien dargestellt. In 4 ist ferner die Strömungsrichtung von im Einsatz zugeführter Brennluft durch Pfeile 60 veranschaulicht. Die durch den Brennluft-Einlass 56 zugeführte Brennluft strömt zunächst radial nach außen. Durch die Strömungsleitelemente 58 wird der strömenden Brennluft auch eine, in Umfangsrichtung verlaufende Strömungskomponente auferlegt. Diese, in Umfangsrichtung verlaufende Strömungskomponente bleibt auch innerhalb des Brennluft-Vorraums und nach Durchtritt durch Brennluft-Durchgangsöffnungen innerhalb der Brennkammer zumindest teilweise erhalten, so dass eine gute Durchmischung von Brennluft mit Brennstoff erzielt wird.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Insbesondere kann sich der Brennluft-Vorraum im Unterschied zu 1 auch über einen größeren axialen Abschnitt der Brennkammer erstrecken. Ggf. kann er sich auch unter den Bereich des Wärmetauschers hinein erstrecken. Ferner können auch mehrere Reihen von Brennluft-Durchgangsöffnungen in der Brennkammerwandung vorgesehen sein. Weiterhin kann auch ein Teil der Brennluft der Brennkammer über Öffnungen, die in der Bodenwand der Verdampferaufnahme ausgebildet sind, zugeführt werden. Auch ist die dargestellte, zentrale Position des Glühstifts nicht zwingend. Vielmehr kann das Verdampferelement beispielsweise auch durchgehend ausgebildet sein und der Glühstift kann seitlich in die Brennkammer ragen.
