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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.
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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 1kW bis 20 kW (kW: Kilowatt), insbesondere von 1 kW bis 5 kW, abdecken und über diesen abgedeckten Heizleistungsbereich durchgehend mit guten Verbrennungseigenschaften betreibbar sind. Wesentlich für solche guten Verbrennungseigenschaften ist, dass über den gesamten, bereitstellbaren Heizleistungsbereich eine homogene Durchmischung von (gasförmigem) Brennstoff mit Brennluft in der Brennkammer sichergestellt wird. Ferner soll die Bildung von Ablagerungen in dem Verdampferelement möglichst weitgehend vermieden werden.
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Aus der
DE 39 10 424 A1 ist ein Heizgerät mit einem Verdampfungsbrenner bekannt, bei welchem ein Großteil der der Brennkammer zugewandten Fläche des Verdampferelements zur Vergleichmäßigung der Wärmeverteilung und der Brennstoffaufbereitung eine Abdeckung aus hochkorrosionsbeständigem und warmfestem Stahlblech aufweist, wobei die Abdeckung von einer Vielzahl von Mikroöffnungen siebartig durchsetzt ist.
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Aus der
DE 42 16 523 A1 ist ein brennstoffbetriebenes Heizgerät mit einem Brenner, der eine Dralldüse umfasst, bekannt. Die Dralldüse ist in einer Rückwand der Brennkammer angeordnet. Auf der Rückwand der Brennkammer bis nahezu zum Düsenaustritt der Dralldüse ist ein saugfähiger und von Brennstoff beaufschlagbarer Körper vorgesehen.
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Dementsprechend besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Verdampferbrenner für ein mobiles Heizgerät, insbesondere für ein Fahrzeugheizgerät, bereitzustellen, der über einen großen Heizleistungsbereich mit guten Verbrennungseigenschaften betreibbar ist und bei dem eine Ablagerungsbildung an dem Verdampferelement effektiv vermieden wird.
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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 mindestens ein Verdampferelement zur Verdampfung von flüssigem Brennstoff und eine Brennkammer zur flammenden Verbrennung von Brennstoff mit zugeführter Brennluft aufweist. Dabei weist das Verdampferelement (mindestens) einen Brennstoffzuführabschnitt, über welchen dem Verdampferelement Brennstoff zuführbar ist, auf. Die an die Brennkammer angrenzende Oberfläche des Verdampferelements ist an mindestens einem, zumindest den Brennstoffzuführabschnitt überdeckenden Abschnitt durch eine Abdeckung abgedeckt. An dieser (an die Brennkammer angrenzende) Oberfläche ist ferner mindestens ein von der Abdeckung unbedeckter Brennstoffaustrittsabschnitt ausgebildet, der relativ zu dem Brennstoffzuführabschnitt entlang der Haupterstreckungsfläche des Verdampferelements versetzt angeordnet ist.
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Durch diese erfindungsgemäße Ausbildung eines Verdampferbrenners wird Brennstoff, der über den Brennstoffzuführabschnitt in das Verdampferelement eintritt, unabhängig von der jeweiligen Brennstoff-Förderrate zunächst gezwungen, entlang der Haupterstreckungsfläche durch das Verdampferelement hindurchzuströmen, bevor er den Brennstoffaustrittsabschnitt erreicht. Auf diese Weise kann über einen großen Heizleistungsbereich eine gleichmäßige und großflächige Durchströmung des Verdampferelements erzielt werden. Durch diese Durchströmung wird einer Ablagerungsbildung effektiv entgegengewirkt. Demgegenüber tritt bei herkömmlichen Verdampferbrennern die Problematik auf, dass bei niedrigen Heizleistungsstufen aufgrund der niedrigeren Brennstoffförderrate Randbereiche des Verdampferelements nicht mehr oder nur noch vergleichsweise wenig durchströmt werden. Dadurch entstehen Bereiche, in denen Brennstoffreste über längere Zeitspannen unter Einfluss hoher Temperaturen stehen, wodurch eine Ablagerungsbildung in dem Verdampferelement unterstützt wird. Diese nachteiligen Effekte werden bei dem erfindungsgemäßen Verdampferbrenner aufgrund einer gleichmäßigen Durchströmung des Verdampferelements über sämtliche bereitstellbare Heizleistungsstufen hinweg vermieden. Insbesondere wird in dem Verdampferelement durch diese gleichmäßige Durchströmung die Bildung von Ablagerungen vermieden. Weiterhin wird durch diese gleichmäßige Durchströmung eine gleichmäßige Kühlwirkung erzielt, so dass eine übermäßige Erhitzung einzelner Bereiche des Verdampferelements und damit eine vorzeitige Alterung und/oder Ablagerungsbildung vermieden werden. Im Hinblick auf diese erfindungsgemäße Wirkungsweise ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Brennstoffzuführabschnitt, die Abdeckung und der Brennstoffaustrittsabschnitt derart in der Größe ausgelegt und positioniert sind, dass über sämtliche, bereitstellbaren Heizleistungsstufen hinweg eine Durchströmung des gesamten Verdampferelements mit (flüssig und/oder gasförmig vorliegendem) Brennstoff erfolgt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verdampferbrenner wird darüber hinaus im Vergleich zu herkömmlichen Verdampferbrennern sichergestellt, dass gasförmiger Brennstoff bei sämtlichen bereitstellbaren Heizleistungsstufen an der gleichen Position in die Brennkammer eintritt. Auf diese Weise kann über den gesamten bereitstellbaren Heizleistungsbereich eine gleichmäßige Durchmischung von verdampftem Brennstoff mit Brennluft in der Brennkammer erzielt werden. Weiterhin wird durch die Abdeckung eine im Hinblick auf die Beanspruchung des Verdampferelements vorteilhafte Unterteilung zwischen der Verbrennungszone und der Verdampfungszone erzielt.
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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.
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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 motorbetriebenen 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 (Land-Kraftfahrzeug), 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 zu dessen Volumen) zur effektiven Verdampfung von Brennstoff aufweist. Grundsätzlich kann der Verdampferbrenner mehrere Verdampferelemente aufweisen. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist der Verdampferbrenner genau ein solches, mit einer Abdeckung versehenes Verdampferelement auf. Als „Brennstoffzuführabschnitt“ wird derjenige Oberflächenabschnitt des Verdampferelements bezeichnet, über welchen dem Verdampferelement Brennstoff zuführbar ist (z.B. über ein entsprechendes Brennstoffrohr oder über eine anderweitige Zuführung, wie beispielsweise über einen sich entlang des Verdampferelements erstreckenden Zuführkanal, etc.). Der Brennstoffzuführabschnitt kann grundsätzlich bezogen auf die Haupterstreckungsfläche des Verdampferelements auf der der Brennkammer zugewandten Seite, auf der der Brennkammer abgewandten Seite und/oder auf einer oder mehreren der Seitenflächen, die sich zwischen der zugewandten und der abgewandten Seite erstrecken, ausgebildet sein. Die an die Brennkammer angrenzende Oberfläche des Verdampferelements umfasst insbesondere den Oberflächenbereich des Verdampferelements auf der der Brennkammer zugewandten Seite sowie ggf. auch eine oder mehrere Seitenflächen. Ggf. kann diese Oberfläche auch mindestens einen Oberflächenabschnitt auf der von der Brennkammer abgewandten Seite des Verdampferelements, sofern dieser an die Brennkammer angrenzend angeordnet ist, aufweisen (z.B. ein Randabschnitt des Verdampferelements, der eine Brennluftzuführöffnung umgibt). Ein Abschnitt dieser (an die Brennkammer angrenzenden) Oberfläche, der zumindest den Brennstoffzuführabschnitt (bezüglich einer Projektion senkrecht zu der Haupterstreckungsfläche des Verdampferelements in dem jeweils betrachteten Bereich) überdeckt, ist gemäß der vorliegenden Erfindung durch die Abdeckung bedeckt. Dementsprechend wird die „an die Brennkammer angrenzende Oberfläche“ durch die Oberflächenabschnitte gebildet, die direkt an die Brennkammer angrenzen oder die mittelbar über die (erfindungsgemäß vorgesehene) Abdeckung an die Brennkammer angrenzen. Die Haupterstreckungsfläche des Verdampferelements ist gemäß einer Weiterbildung eben (z.B. bei einem scheibenförmigen Verdampferelement). Sie kann aber auch gewölbt oder eine anderweitige, dreidimensionale Form aufweisen, wie es beispielsweise bei einem kegelmantelförmigen Verdampferelement oder einem zylindrischen Verdampferelement, das beispielsweise eine entsprechend verlaufende Brennkammerwandung auskleiden kann, der Fall ist. Als Brennstoffaustrittsabschnitt wird derjenige Abschnitt der an die Brennkammer angrenzenden Oberfläche des Verdampferelements bezeichnet, über welchen Brennstoff aus dem Verdampferelement in die Brennkammer austreten kann. Dabei kann Brennstoff erst an diesem Brennstoffaustrittsabschnitt verdampfen. Alternativ kann er auch bereits stromaufwärts von dem Brennstoffaustrittsabschnitt innerhalb des Verdampferelements verdampfen und gasförmig bis zu dem Brennstoffaustrittsabschnitt strömen. Die Brennkammer wird insbesondere zumindest teilweise durch ein Brennrohr umgeben.
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Die Abdeckung ist in dem mindestens einen durch die Abdeckung abgedeckten Abschnitt derart ausgebildet, dass in diesem Abschnitt Brennstoff in dem Verdampferelement zurückgehalten wird und nicht (oder gegebenenfalls nur in vergleichsweise sehr geringen Mengen) aus dem Verdampferelement austreten kann. Insbesondere ist die Abdeckung in diesem Abschnitt durchgehend (ohne Löcher und für Brennstoff undurchlässig) ausgebildet. Ferner liegt die Abdeckung vorzugsweise direkt an dem Verdampferelement an.
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Sofern in dem vorliegenden Zusammenhang auf mindestens ein Bauteil Bezug genommen wird, wird damit explizit die Variante der Vorsehung von genau einem Bauteil umfasst. Alternativ können auch jeweils mehrere, d.h. zwei oder mehrere, solche Bauteile vorgesehen sein.
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Gemäß einer Weiterbildung ist die Abdeckung plattenförmig ausgebildet. Die Platte ist insbesondere entsprechend der abzudeckenden Oberfläche des Verdampferelements geformt. Insbesondere ist sie eben ausgebildet. Sie kann aber auch gekrümmt, insbesondere in der Form eines Kegelmantelabschnittes, eines Zylindermantelabschnittes, etc., ausgebildet sein.
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Grundsätzlich sind verschiedene Materialien für die Abdeckung geeignet. Bevorzugt für das Material der Abdeckung ist ein Material mit vergleichsweise hoher Wärmeleitfähigkeit (z.B. Metall), um so den Wärmeeintrag in das Verdampferelement zu fördern. Gemäß einer Weiterbildung weist die Abdeckung ein Metallblech auf. Insbesondere wird sie durch ein Metallblech gebildet. Solch ein Metallblech kann zusätzlich auch eine Beschichtung aufweisen und/oder die Abdeckung kann mehrlagig aufgebaut sein und neben dem Metallblech auch noch weitere Lagen aus anderweitigen Materialien aufweisen.
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Grundsätzlich sollten die Position und die Größe des Brennstoffzuführabschnittes, des Brennstoffaustrittsabschnitts sowie der Abdeckung so gewählt werden, dass bei sämtlichen, bereitstellbaren Heizleistungsstufen im Wesentlichen das gesamte Verdampferelement von Brennstoff durchströmt wird. Dabei ist insbesondere auf der einen Seite zu beachten, dass der Brennstoffaustrittsabschnitt ausreichend groß ausgelegt wird, dass auch bei der höchsten, bereitstellbaren Heizleistungsstufe ausreichend Brennstoff aus dem Verdampferelement verdampfen und austreten kann. Auf der anderen Seite ist der Brennstoffaustrittsabschnitt nur so groß zu wählen, dass auch bei der niedrigsten, bereitstellbaren Heizleistungsstufe im Wesentlichen das gesamte Verdampferelement von (flüssigem oder gasförmigem) Brennstoff durchströmt wird. Gemäß einer Weiterbildung wird durch die Abdeckung mindestens die Hälfte der an die Brennkammer angrenzenden Oberfläche des Verdampferelements abgedeckt. Insbesondere wird durch die Abdeckung mindestens zwei Drittel, noch bevorzugter mindestens 3/4 der an die Brennkammer angrenzenden Oberfläche des Verdampferelements abgedeckt.
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Gemäß einer Weiterbildung ist der Verdampferbrenner derart ausgelegt, dass der Brennkammer Brennstoff ausschließlich über das (mindestens eine) Verdampferelement, das eine Abdeckung aufweist, zugeführt wird. Alternativ können auch noch weitere, zusätzliche Brennstoffzuführungen, wie beispielsweise über eine Düse, vorgesehen sein, um zusätzlichen Brennstoff zuzuführen. Letztere Variante ist insbesondere dann vorteilhaft, falls das betreffende mobile Heizgerät auch für höhere Heizleistungen ausgelegt sein soll.
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Gemäß einer Weiterbildung ist der Brennstoffaustrittsabschnitt benachbart zu einer Brennluftzuführung, über die der Brennkammer Brennluft zuführbar ist, angeordnet. Auf diese Weise wird eine gute Durchmischung von verdampftem Brennstoff und Brennluft und damit eine vollständige Verbrennung gefördert. Dadurch, dass die Brennstoffaustrittsfläche aus dem Verdampferelement begrenzt ist, tritt Brennstoff bei sämtlichen bereitstellbaren Heizleistungsstufen an der gleichen Position aus und die Strömungsverhältnisse sind weitgehend gleich, so dass über sämtliche Heizleistungsstufen die oberhalb beschriebene gute Durchmischung von Brennstoff und Brennluft sichergestellt wird. Dabei kann über die benachbart zu dem Brennstoffaustrittsabschnitt angeordnete Brennluftzuführung auch nur ein Teil der insgesamt im Einsatz zugeführten Brennluft zugeführt werden. Insbesondere ist der Brennstoffaustrittsabschnitt benachbart zu einer Brennluftzuführung, über welche Primärluft zur primären Verbrennung des Brennstoff-Brennluft-Gemisches in der Brennzone zuführbar ist, angeordnet. Stromabwärts ist in der Regel im Bereich der Brennkammer noch eine Sekundärluftzuführung vorgesehen, über welche Sekundärluft zur Nachverbrennung zuführbar ist. Diese Nachverbrennung findet – wie in dem Fachgebiet bekannt ist – bei einem höheren Lambda-Wert statt als die primäre Verbrennung im Bereich der Brennzone.
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Gemäß einer Weiterbildung ist der Brennstoffaustrittsabschnitt derart relativ zu einer Brennluftzuführung, über die der Brennkammer Brennluft zuführbar ist, angeordnet, dass die Brennstoffaustrittsrichtung von Brennstoff aus dem Brennstoffaustrittsabschnitt und die Brennluftströmungsrichtung von über die Brennluftzuführung zugeführter Brennluft aufeinander zugerichtet sind. Auf diese Weise wird eine Verwirbelung der zugeführten Brennluft und des aus dem Verdampferelement austretenden Brennstoffs erzielt, so dass eine gute Durchmischung derselben erzielt wird. Dabei müssen die beiden Strömungsrichtungen (von Brennstoff und Brennluft) nicht zwingend genau entgegengesetzt zueinander und aufeinander zu ausgerichtet sein. Vielmehr ist ausreichend, dass die beiden Strömungsrichtungen jeweils eine Strömungskomponente aufweisen, die entlang der Verbindungslinie zwischen Brennstoffaustrittsabschnitt und Brennluftzuführung und entgegengesetzt auf die jeweils andere Strömungskomponente zu ausgerichtet ist. Insbesondere schließen die beiden Strömungsrichtungen (von Brennluft und Brennstoff) einen Winkel von mindestens 90° (und ≤ 180°) zueinander ein.
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Gemäß einer Weiterbildung ist der durch die Abdeckung abgedeckte Abschnitt der an die Brennkammer angrenzenden Oberfläche des Verdampferelements näher an der Flammposition einer im Einsatz in der Brennkammer ausgebildeten Flamme angeordnet als der Brennstoffaustrittsabschnitt, welcher durch den verbleibenden, unbedeckten Abschnitt dieser Oberfläche gebildet wird. Auf diese Weise wird eine effektive Wärmeübertragung der Verbrennungswärme von der Brennzone über die Abdeckung auf das Verdampferelement erreicht. Insbesondere wird dadurch gewährleistet, dass auch bei der höchsten Heizleistungsstufe ausreichend Brennstoff verdampft wird.
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Gemäß einer Weiterbildung ist der Brennstoffzuführabschnitt auf der von der Brennkammer abgewandten Seite des Verdampferelements angeordnet. Dies ist im Hinblick auf eine einfache Bauweise vorteilhaft.
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Gemäß einer Weiterbildung ist die Oberfläche des Verdampferelements, die nicht an die Brennkammer angrenzt und die auf der von der Brennkammer abgewandten Seite angeordnet ist, abgedeckt (nachfolgend: rückseitige Abdeckung). Dadurch wird eine Anlagefläche für das Verdampferelement, die insbesondere auch eine Haltefunktion ausüben kann, gebildet. Ferner wird dadurch verhindert, dass Brennstoff aus dem Verdampferelement über einen Oberflächenabschnitt, der nicht angrenzend an die Brennkammer ausgebildet ist und dementsprechend nicht einen Brennstoffaustrittsabschnitt bildet, austritt. Die rückseitige Abdeckung ist insbesondere anliegend an dem Verdampferelement ausgebildet. Insbesondere erstreckt sie sich über im Wesentlichen die gesamte auf der von der Brennkammer abgewandten Seite angeordnete Oberfläche des Verdampferelements. Je nach Ausgestaltung des Verdampferbrenners kann diese rückseitige Abdeckung beispielsweise durch eine schalenförmige Verdampferaufnahme (im Falle eines scheibenförmigen oder ringförmigen, zentral angeordneten Verdampferelements) und/oder auch durch einen Abschnitt einer umlaufenden (zylindrischen oder kegelstumpfförmigen) Brennkammerwandung gebildet werden. Die rückseitige Abdeckung kann auch eine Brennstoffzuführung zu dem Brennstoffzuführabschnitt des Verdampferelements aufweisen oder eine entsprechende Ausnehmung zur Unterbringung solch einer Brennstoffzuführung aufweisen.
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Weiterhin ist auch eine Ausgestaltung des Verdampferbrenners derart möglich, dass die Abdeckung des Verdampferelements, welche einen Abschnitt der an die Brennkammer angrenzenden Oberfläche des Verdampferelements abdeckt, durch einen Abschnitt der Brennkammerwandung gebildet wird, so dass zumindest ein Abschnitt des Verdampferelements rückseitig von der Brennkammerwandung angeordnet ist. Rückseitig des Verdampferelements und ggf. an dessen Seitenflächen ist dann eine zusätzliche, rückseitige Abdeckung vorzusehen.
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Gemäß einer Weiterbildung ist das Verdampferelement scheibenförmig ausgebildet, die Brennkammer weist eine zylindrische Grundform auf und der Brennstoffzuführabschnitt ist bezogen auf die Scheibenform des Verdampferelements zentral angeordnet. Es wird folglich eine bewährte Grundbauform eines Verdampferbrenners, bei welchem das Verdampferelement in der Rückwand einer zylindrischen Brennkammer angeordnet ist und bei welchem die Grundform und die Strömungsverhältnisse im Wesentlichen rotationssymmetrisch (bezogen auf die Zylinderachse bzw. Rotations-Symmetrieachse der zylindrischen Brennkammer) sind, realisiert. Der Brennstoffzuführabschnitt ist insbesondere auf der von der Brennkammer abgewandten Seite des Verdampferelements angeordnet. Weiterhin ist bevorzugt, dass die Abdeckung einen zentralen Abschnitt (d.h. die Zylinderachse bzw. Rotations-Symmetrieachse umgebenden Abschnitt) des Verdampferelements abdeckt. Auf diese Weise kann insbesondere eine Bauweise realisiert werden, bei welcher der Brennstoffaustrittsabschnitt durch den Randbereich des Verdampferelements gebildet wird und ringförmig ausgebildet ist. Dementsprechend tritt verdampfter Brennstoff in den radial äußeren Bereich der Brennkammer ein. Im Hinblick auf eine gute Durchmischung von Brennstoff mit Brennluft ist bevorzugt, dass auch die Brennluftzuführung in diesem radial äußeren Bereich der Brennkammer erfolgt. Gemäß einer Weiterbildung ist der Verdampferbrenner derart ausgebildet, dass Brennluft über Brennluftzuführöffnungen, die in der umlaufenden Brennkammerwandung benachbart zu dem Brennstoffaustrittsabschnitt angeordnet sind, zuführbar ist. Wiederum ist nicht zwingend, dass im Einsatz über diese Brennluftzuführöffnungen die gesamte Brennluft zugeführt wird. Insbesondere ist gemäß einer Weiterbildung vorgesehen, dass stromabwärts zu den genannten Brennluftzuführöffnungen noch eine Sekundärluftzuführung vorgesehen ist, über die Sekundärluft zur Nachverbrennung zuführbar ist. Insbesondere kann die Sekundärluftzuführung stromabwärts angeordnete, weitere Brennluftzuführöffnungen in der Brennkammerwandung aufweisen.
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Gemäß einer Weiterbildung weist der Verdampferbrenner einen in die Brennkammer führenden Brennlufteintritt auf. Ferner nimmt in einem an den Brennlufteintritt angrenzenden Aufweitungsabschnitt der Brennkammer der Strömungsquerschnitt der Brennkammer mit zunehmendem Abstand von dem Brennlufteintritt zu. Weiterhin ist vorgesehen, dass sich das Verdampferelement in dem Bereich des Aufweitungsabschnittes entlang zumindest eines Abschnittes der sich aufweitenden Brennkammerwandung erstreckt, wobei die Brennluftzuführung Luftleitelemente derart aufweist, dass Brennluft durch den Brennlufteintritt mit einer in Umfangsrichtung verlaufenden Strömungskomponente in die Brennkammer einleitbar ist, so dass sich im Einsatz in dem Bereich des Aufweitungsabschnittes ein Rezirkulationsbereich ausbildet. In dem Rezirkulationsbereich strömen insbesondere die Gase entgegen einer Hauptströmungsrichtung (der Gase innerhalb der Brennkammer) in Richtung des Brennlufteintritts. Vorteilhaft an dieser Anordnung ist, dass die Flamme aufgrund des Rezirkulationsbereiches über sämtliche Heizleistungsstufen hinweg stabil zumindest mit ihrem rückseitigen Flammenabschnitt in dem Bereich des Aufweitungsabschnittes gehalten wird. Dementsprechend wird eine Flammstabilisierung erzielt, ohne dass hierzu flammstabilisierende Bauteile erforderlich sind. Aufgrund dieser im Wesentlichen konstant bleibenden Flammposition kann die Bauweise derart ausgelegt werden, dass die an das Verdampferelement erfolgende Wärmezufuhr über sämtliche Heizleistungsstufen hinweg bedarfsgerecht erfolgt. Weiterhin ist vorteilhaft, dass aufgrund der Rezirkulation in dem Bereich des Aufweitungsabschnittes und damit in dem Bereich des Verdampferelements die konvektive Wärmeübertragung auf das Verdampferelement erhöht ist (im Vergleich zu einer im Wesentlichen entlang der Hauptströmungsrichtung verlaufenden Strömung). Der Rezirkulationsbereich wird dadurch erzeugt, dass durch die Luftleitelemente die an dem Brennlufteintritt eintretende Brennluft derart stark mit einer in Umfangsrichtung verlaufenden Strömungskomponente (d.h. einem starken Drall) versehen wird, dass sich die strömende Luft aufgrund der Aufweitung in dem Bereich des Aufweitungsabschnittes von der Brennkammerwandung ablöst und in dem axialen (d.h. zentralen) Bereich entgegen der Hauptströmungsrichtung der Gase in Richtung des Brennlufteintritts zurückströmt. Die strömende Luft weist in dem Bereich des Aufweitungsabschnittes insbesondere neben der in Umfangsrichtung verlaufenden Strömungskomponente auch eine axiale und/oder radiale Strömungskomponente auf. Aufgrund der Rezirkulation wird eine schadstoffarme und stabile Verbrennung erzielt. Weiterhin ist aufgrund der Aufweitung in dem Bereich des Aufweitungsabschnittes vorteilhaft, dass in dem Bereich des Brennlufteintritts relativ hohe Strömungsgeschwindigkeiten vorliegen, was ein Rückschlagen der Flamme verhindert. Mit zunehmendem Abstand von dem Brennlufteintritt verlangsamt sich die Strömungsgeschwindigkeit, so dass die Ausbildung einer Flamme ermöglicht wird.
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Das Vorsehen eines erfindungsgemäßen Verdampferelements in einer derartigen Brenneranordnung hat unter anderem den Vorteil, dass dadurch eine stabile Betriebsweise des Verdampferbrenners auch bei niedrigen Heizleistungen bis zu 1 kW oder niedriger, d.h. bei niedrigen Brennstoff- und Brennluft-Masseströmen, ermöglicht wird. Ferner wird auch bei Luftblasenbildung in einer Brennstoffzufuhrleitung ein stabiler Betrieb ermöglicht, da das Verdampferelement als Puffer wirkt. Zudem ermöglicht das Verdampferelement eine Verwendung unterschiedlicher flüssiger Brennstoffe, da durch das Verdampferelement Effekte aufgrund von unterschiedlichen Siedetemperaturen und Verdampfungsenthalpien abgemildert werden. Weiterhin ist das Vorsehen der Abdeckung auch deshalb vorteilhaft, weil das Verdampferelement aufgrund der Bauweise benachbart zu der Verbrennungszone angeordnet ist und dementsprechend durch die Abdeckung eine räumliche Unterteilung zwischen der Verbrennungszone und der Verdampfungszone erzielt wird.
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Die Ausbildung des Rezirkulationsbereichs kann in einfacher Weise dadurch erreicht werden, dass sich der Aufweitungsabschnitt ausreichend stark aufweitet, z.B. mit einem Halbkegelwinkel ≥ 20°, und die über den Brennlufteintritt zugeführte Brennluft mit einer ausreichend großen, in Umfangsrichtung verlaufenden Strömungskomponente versehen wird, insbesondere einer Drallzahl von ≥ 0,6. Als Drallzahl wird dabei das Verhältnis des in Umfangsrichtung ausgerichteten Impulses (tangentialer Impuls) relativ zu dem in axialer Richtung ausgerichteten Impuls der Strömung bezeichnet. In der Strömungstechnik wird ein derart ausgestalteter Aufweitungsabschnitt, der zu einer Wirbelablösung führt, als unstetige Strömungserweiterung bezeichnet. Gemäß einer Weiterbildung wird in dem Bereich des Aufweitungsabschnittes ein freier Strömungsquerschnitt bereitgestellt, d.h. es sind keine strömungsleitenden Bauteile vorgesehen. Gegebenenfalls können ein Glühstift und/oder Sensoren in dem Bereich des Aufweitungsabschnittes vorgesehen sein, die aber nicht als strömungsleitende Bauteile angesehen werden. Gemäß einer Weiterbildung erstreckt sich das Verdampferelement innenseitig (d.h. auf der der Brennkammer zugewandten Seite) umlaufend über die gesamte in dem Bereich des Aufweitungsabschnittes angeordnete Brennkammerwandung. Alternativ kann aber auch vorgesehen sein, dass es sich bezogen auf die axiale Richtung und/oder bezogen auf die Umfangsrichtung nur über einen Abschnitt der sich aufweitenden Brennkammerwandung in dem Bereich des Aufweitungsabschnittes erstreckt. Gemäß einer Weiterbildung weitet sich die Brennkammerwandung von dem Brennlufteintritt entlang der axialen Richtung über den Aufweitungsabschnitt hinweg kontinuierlich auf. Insbesondere weitet sich die Brennkammerwandung konisch mit einem konstanten Halbkegelwinkel auf. Unter Halbkegelwinkel wird vorliegend der Winkel zwischen der Mittenachse und der Konusoberfläche bei einem Kegel(stumpf) bzw. Konus verstanden.
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Gemäß einer Weiterbildung weist das Verdampferelement an dessen von dem Brennlufteintritt entfernt gelegenen Endabschnitt den Brennstoffzuführabschnitt auf und an dessen benachbart zu dem Brennlufteintritt angeordneten Endabschnitt weist es den Brennstoffaustrittsabschnitt auf. Auf diese Weise wird eine Verwirbelung von Brennstoff mit Brennluft erzielt, wodurch eine vollständige Verbrennung unterstützt wird. Dieser Effekt wird noch verstärkt, wenn der Brennstoffaustrittsabschnitt und der Brennlufteintritt derart relativ zueinander ausgerichtet sind, dass die Brennstoffaustrittsrichtung und die Brennluftaustrittsrichtung aufeinander zugerichtet sind. Ferner deckt die Abdeckung vorzugsweise den von dem Brennlufteintritt entfernt gelegenen Endabschnitt des Verdampferelements ab. Dementsprechend ist dieser abgedeckte Abschnitt vergleichsweise nahe an der Flammposition angeordnet, wodurch eine effektive Wärmeübertragung auf das Verdampferelement unterstützt wird. Gemäß einer Weiterbildung erstreckt sich der Brennstoffzuführabschnitt ringförmig um die Brennkammer, so dass in Umfangsrichtung eine gleichmäßige Brennstoffzuführung erfolgt.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein mobiles Heizgerät, das einen erfindungsgemäßen Verdampferbrenner, der gegebenenfalls gemäß einer oder mehrerer der oberhalb beschriebenen Weiterbildungen und/oder Varianten ausgebildet sein kann, aufweist. Das mobile Heizgerät weist insbesondere auch einen Wärmetauscher auf. Das mobile Heizgerät ist insbesondere für einen Heizleistungsbereich ausgelegt, der die Spanne von 1 kW bis 20 kW (kW: Kilowatt) oder auch nur einen Teil derselben, umfasst. Insbesondere ist es für einen Heizleistungsbereich von 1 kW bis 5 kW ausgelegt. Das mobile Heizgerät bildet insbesondere ein Fahrzeugheizgerät, insbesondere für ein motorbetriebenes Landfahrzeug. Vorzugsweise bildet es einen sowohl bei stehendem als auch bei laufendem Kraftfahrzeugmotor betreibbaren Standheizer oder einen nur bei laufendem Kraftfahrzeugmotor betreibbaren Zuheizer.
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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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1A: eine schematische Darstellung eines mobilen Heizgerätes gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Querschnittansicht;
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1B: eine vergrößerte, schematische Darstellung eines Ausschnittes der 1A im Bereich des Verdampferelements;
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2A: eine den Bereich des Verdampferelements gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigende, schematische Darstellung, wobei ein Teillastbetrieb dargestellt ist;
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2B: eine der 2A entsprechende Darstellung, wobei ein Betrieb bei höherer Last dargestellt ist;
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3: eine schematische Darstellung eines Verdampferbrenners gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Querschnittansicht; und
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4: eine perspektivische Darstellung eines Luftleitelements zur Erzeugung einer in Umfangsrichtung verlaufenden Strömungskomponente von zugeführter Brennluft.
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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 zylindrische 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 (bezüglich eines Querschnitts senkrecht zu der Rotations-Symmetrieachse 13) ausgebildet und weisen eine gemeinsame Rotations-Symmetrieachse 13 auf. 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.
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Wie insbesondere aus 1B ersichtlich ist, deckt bei der dargestellten Ausführungsform die Verdampferaufnahme 10 im Wesentlichen den gesamten (rückseitigen) Oberflächenbereich 15 des Verdampferelements 12 auf der von der Brennkammer 8 abgewandten Seite des Verdampferelements 12 ab. Lediglich ein zentral auf der Rotations-Symmetrieachse 13 liegender Brennstoffzuführabschnitt 16 des Verdampferelements 12, in welchen ein Brennstoffzuführrohr 18 mündet, wird durch die Verdampferaufnahme 10 freigegeben. Dem Verdampferelement 12 ist über das Brennstoffzuführrohr 18 und über den Brennstoffzuführabschnitt 16 flüssiger Brennstoff zuführbar. Die Verdampferaufnahme 10 deckt ferner die umlaufende Seitenfläche 20 des Verdampferelements 12 ab. Dementsprechend wird durch die Verdampferaufnahme 10 ein Austritt von Brennstoff aus dem Verdampferelement 12 über den rückseitigen Oberflächenbereich 15 sowie über die umlaufende Seitenfläche 20 verhindert.
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Bei der dargestellten Ausführungsform wird die an die Brennkammer 8 angrenzende Oberfläche 22 des Verdampferelements 12 durch die Seite des Verdampferelements 12, die der Brennkammer 8 zugewandt ist, gebildet. Diese Oberfläche 22 ist über einen zentralen Abschnitt derselben durch eine Abdeckung 24 abgedeckt. Wie aus den 1A und 1B ersichtlich ist, überdeckt die Abdeckung 24 (bezogen auf eine Projektion senkrecht zu der Erstreckungsebene des Verdampferelements 12) den Brennstoffzuführabschnitt 16 und den umliegenden Bereich desselben. Die Abdeckung 24 ist aus einem hitzebeständigen, massiven Metallblech (z.B. warmfestem Stahl) gebildet. Die Abdeckung 24 ist eben, durchgehend und kreisförmig ausgebildet. Ihr Durchmesser ist kleiner als der Durchmesser des Verdampferelements 12, so dass auf der an die Brennkammer 8 angrenzenden Oberfläche 22 ein ringförmiger Randabschnitt als Brennstoffaustrittsabschnitt 26, der von der Abdeckung 24 unbedeckt ist, bereitgestellt wird. Der ringförmige Randabschnitt bildet einen vergleichsweise kleinen Abschnitt der an die Brennkammer 8 angrenzenden Oberfläche 22. Der Brennstoffaustrittsabschnitt 26 ist entlang der Haupterstreckungsfläche (entspricht der Ebene senkrecht zu der Rotations-Symmetrieachse 13) des Verdampferelements 12 versetzt zu dem Brennstoffzuführabschnitt 16 angeordnet. Ferner ist der durch die Abdeckung 24 abgedeckte Abschnitt der an die Brennkammer 8 angrenzenden Oberfläche 22 näher an der (zentral in der Brennkammer 8 angeordneten) Flammposition einer im Einsatz in der Brennkammer 8 ausgebildeten Flamme angeordnet als der Brennstoffaustrittsabschnitt 26.
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Ringförmig um die Brennkammer 8 ist ein Brennluft-Vorraum 28, dem Brennluft über eine (nicht dargestellte) Brennluftzuführung zuführbar ist, ausgebildet. Von dem Brennluft-Vorraum 28 wird wiederum über Brennluftzufuhröffnungen 29, die in der Brennkammerwandung 14 ausgebildet sind, eine Fluidverbindung mit der Brennkammer 8 hergestellt. Dementsprechend ist der Brennstoffaustrittsabschnitt 26 benachbart zu der Brennluftzuführung über die Brennluftzufuhröffnungen 29 angeordnet.
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Im Einsatz wird dem Verdampferelement 12 flüssiger Brennstoff über das Brennstoffzuführrohr 18 zugeführt (vgl. Pfeil 30). Durch die Abdeckung 24 wird Brennstoff dazu gezwungen, dass er zunächst entlang der Haupterstreckungsfläche durch das Verdampferelement 12 radial nach außen strömt, wie in 1B schematisch durch die Pfeile 31 innerhalb des Verdampferelements 12 dargestellt ist. Aufgrund der in der Brennkammer 8 ausgebildeten Flamme wird Wärme über die Abdeckung 24 auf das Verdampferelement 12 übertragen, was in 1B schematisch durch den Pfeil 32 dargestellt ist. Der zugeführte Brennstoff ist zunächst in einem radial inneren Bereich noch flüssig, wobei er während der Strömung nach außen ggf. aufgrund der zugeführten Wärme verdampft wird (je nach Brennstoffdurchsatz und zugeführter Wärme). In 1B ist beispielhaft der Übergangsbereich von flüssigem Brennstoff in gasförmigen Brennstoff durch gestrichelte Linien angedeutet. Die Lage dieses Übergangs variiert in Abhängigkeit von dem Brennstoffdurchsatz und von der zugeführten Wärme. Ggf. verdampft der Brennstoff auch erst bei Erreichen des Brennstoffaustrittsabschnittes 26 in die Brennkammer 8. Schließlich tritt der Brennstoff aus dem Brennstoffaustrittsabschnitt 26 gasförmig in die Brennkammer 8 aus. Die über die Brennluftzuführöffnungen 29 zugeführte Brennluft strömt radial nach innen. Indem die Strömungsrichtung des in die Brennkammer 8 zugeführten Brennstoffs (vgl. Pfeile 27, die im Wesentlichen parallel zu der Rotations-Symmetrieachse 13 verlaufen) und die Strömungsrichtung der zugeführten Brennluft (vgl. Pfeile 25, die im Wesentlichen radial nach Innen verlaufen) aufeinander zugerichtet sind, ergibt sich eine Verwirbelung, was zu einer guten Durchmischung von Brennstoff und Brennluft führt. Wie bereits oberhalb erläutert wird, tritt der Brennstoff unabhängig von der jeweils eingestellten Heizleistungsstufe konstant in dem ringförmigen Außenbereich des Verdampferelements 12 und benachbart zu der Brennluftzuführung (vgl. Brennluftzuführöffnungen 29) ein, was zu konstanten Strömungsverhältnissen innerhalb der Brennkammer 8 führt. Vorteilhaft ist ferner, dass unabhängig von der jeweiligen Heizleistungsstufe das gesamte Verdampferelement 12 von Brennstoff durchströmt wird und damit eine Bildung von Ablagerungen vermieden wird.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 2A und 2B eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdampferbrenners erläutert, wobei in den 2A und 2B jeweils nur ein Ausschnitt im Bereich des Verdampferelements dargestellt ist. Nachfolgend wird vorwiegend auf die Unterschiede gegenüber der ersten Ausführungsform eingegangen. Ferner werden für gleiche bzw. einander entsprechende Bauteile wiederum die gleichen Bezugszeichen verwendet, wobei diese mit einem zusätzlichen Strich versehen sind.
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Bei der zweiten Ausführungsform ist das Verdampferelement 12‘ zentral in der Verdampferaufnahme 10‘ aufgenommen, erstreckt sich aber nicht bis zu dem Randbereich der Verdampferaufnahme 10‘. Vielmehr wird ein ringförmiger Spalt 34‘ zwischen der umlaufenden Seitenfläche 20‘ des Verdampferelements 12‘ und der umlaufenden Wandung 36‘ der Verdampferaufnahme 10‘ gebildet. Dementsprechend bilden bei der zweiten Ausführungsform sowohl die Seite des Verdampferelements 12‘, die der Brennkammer 8‘ zugewandt ist, als auch die umlaufende Seitenfläche 20‘ des Verdampferelements 12‘ Oberflächen, welche an die Brennkammer 8‘ angrenzen. Bei der zweiten Ausführungsform deckt die Abdeckung 24‘ die gesamte Oberfläche des Verdampferelements 12‘ auf der Seite, die der Brennkammer 8‘ zugewandt ist, ab. Der Brennstoffaustrittsabschnitt 26‘ wird durch die (von der Abdeckung 24‘ unbedeckte) umlaufende Seitenfläche 20‘ des Verdampferelements 12‘ gebildet. Wie anhand der 2A und 2B ersichtlich ist, tritt Brennstoff unabhängig von der jeweiligen Heizleistungsstufe über den ringförmigen Spalt 34‘ konstant in dem radial äußeren Bereich in die Brennkammer 8‘ ein. Die Brennluftzuführung erfolgt entsprechend, wie es oberhalb in Bezug auf die erste Ausführungsform erläutert wurde. In den 2A und 2B sind die Strömungsrichtung der in die Brennkammer 8‘ zugeführten Brennluft (vgl. Pfeile 25‘) und die Strömungsrichtung des in die Brennkammer 8‘ zugeführten Brennstoffs (vgl. Pfeile 27‘) wiederum schematisch dargestellt. Wie auch bereits oberhalb in Bezug auf die erste Ausführungsform erläutert wurde, ist der zugeführte Brennstoff zunächst in einem radial inneren Bereich des Verdampferelements 12‘ noch flüssig, wobei er während der Strömung nach außen aufgrund der zugeführten Wärme verdampft wird (je nach Brennstoffdurchsatz und zugeführter Wärme). In den 2A und 2B ist der Übergangsbereich von flüssigem Brennstoff in gasförmigen Brennstoff beispielhaft durch gestrichelte Linien angedeutet. Dabei ist in 2A ein Betrieb in Teillast dargestellt und in 2B ist ein Betrieb bei einer höheren Laststufe, bei welchem ein gegenüber dem Teillastbetrieb erhöhter Brennstoffdurchsatz auftritt, dargestellt. Die Lage des Übergangs ist bei dem Betrieb bei der höheren Laststufe dementsprechend in einem radial weiter außen gelegenen Bereich angeordnet.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 3 und 4 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdampferbrenners erläutert. Dabei ist in 3 nur der Verdampferbrenner mit Verdampferelement, Brennkammer, Brennkammerwandung und Brennluftzuführöffnungen dargestellt. Nachfolgend wird vorwiegend auf die Unterschiede gegenüber der ersten Ausführungsform eingegangen. Der in 3 dargestellte Verdampferbrenner 40 weist eine Brennkammer 42 auf, die angrenzend an einen zentral gelegenen Brennlufteintritt 44 einen Aufweitungsabschnitt 46 aufweist und wiederum angrenzend an den Aufweitungsabschnitt 46 einen Brennkammerabschnitt 48 mit konstantem Querschnitt aufweist. Die Anordnung aus Brennlufteintritt 44, Aufweitungsabschnitt 46 und Brennkammerabschnitt 48 mit konstantem Querschnitt ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch zu einer Rotations-Symmetrieachse 50 ausgebildet.
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Der Brennlufteintritt 44 ist ringförmig ausgebildet und stellt einen ringförmig um die Rotations-Symmetrieachse 50 ausgebildeten Brennluft-Strömungspfad bereit. Ferner weist der Verdampferbrenner 40 zentral in dem Brennlufteintritt 44 eine (im Einsatz nicht von Brennluft durchströmte) Durchgangsöffnung 52 zur Aufnahme eines (nicht dargestellten) Glühstifts auf. Ggf. kann der zentrale Bereich des Brennlufteintritts 44 auch verschlossen sein und es kann ein seitlich in die Brennkammer 42 ragender Glühstift vorgesehen sein. Der Brennlufteintritt 44 weist Luftleitelemente 54 derart auf, dass Brennluft durch den Brennlufteintritt 44 mit einer in Umfangsrichtung verlaufenden Strömungskomponente in die Brennkammer 42 einleitbar ist. Bei der dargestellten Ausführungsform ist insbesondere ein Einsatz 56 mit spiralförmigen Luftleitelementen 54, die radial nach außen von dem Einsatz 56 abstehen und spiralförmig verlaufende Brennluft-Strömungskanäle bilden, vorgesehen. Ein solcher Einsatz 56 ist beispielhaft in 4 dargestellt. Wie in dem Fachgebiet bekannt ist, können aber auch anderweitige Luftleitelemente 54 vorgesehen sein, durch welche die Brennluft durch den Brennlufteintritt 44 mit einer in Umfangsrichtung verlaufenden Strömungskomponente in die Brennkammer 42 einleitbar ist.
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Die Brennkammer 42 wird in Umfangsrichtung durch eine umlaufende Brennkammerwandung 58 begrenzt. In dem Aufweitungsabschnitt 46 der Brennkammer 42 wird ein freier Strömungsquerschnitt (bezogen auf eine senkrecht zu der Rotations-Symmetrieachse 50 verlaufende Querschnittsfläche) für die Gase bereitgestellt und der Strömungsquerschnitt nimmt mit zunehmendem Abstand von dem Brennlufteintritt 44 kontinuierlich und konstant zu. Die umlaufende Brennkammerwandung 58 ist in dem Bereich des Aufweitungsabschnittes 46 kegelförmig und durchgehend ausgebildet. In dem Brennkammerabschnitt 48 mit konstantem Querschnitt wird ein konstanter, freier Strömungsquerschnitt für die Gase bereitgestellt. Die Brennkammerwandung 58 ist in dem Bereich dieses Brennkammerabschnittes 48 zylindrisch ausgebildet. In einem an den Aufweitungsabschnitt 46 angrenzenden Bereich weist die zylindrische Brennkammerwandung 58 Primär-Brennluftzuführöffnungen 62 auf, über welche der Brennkammer 42 Primär-Brennluft zur primären Verbrennung von Brennstoff und Brennluft innerhalb der Brennkammer 42 zuführbar ist. Stromabwärts von diesem Bereich weist die zylindrische Brennkammerwandung 58 (kleiner ausgebildete) Sekundär-Brennluftzuführöffnungen 64 auf, über welche der Brennkammer 42 Sekundär-Brennluft zur Nachverbrennung von Brennstoff und Brennluft innerhalb der Brennkammer 42 zuführbar ist. Die Nachverbrennung findet dabei – wie in dem Fachgebiet bekannt ist – bei einem höheren Lambda-Wert als die primäre Verbrennung statt.
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Das Verdampferelement 66 erstreckt sich in dem Bereich des Aufweitungsabschnittes 46 innenseitig und anliegend an der Brennkammerwandung 58. Die Haupterstreckungsfläche des Verdampferelements 66 ist dementsprechend in der Form einer Mantelfläche eines Kegelstumpfes ausgebildet. Die Brennkammerwandung 58 in dem Bereich des Aufweitungsabschnittes 46 deckt im Wesentlichen den gesamten Oberflächenbereich der von der Brennkammer 42 abgewandten Seite 68 des Verdampferelements 66 ab. Lediglich ein sich ringförmig um den Brennkammerumfang erstreckender Brennstoffzuführabschnitt 70, der benachbart zu dem Brennkammerabschnitt 48 mit konstantem Querschnitt ausgebildet ist, wird durch die Brennkammerwandung 58 freigegeben. Zu diesem Brennstoffzuführabschnitt 70 führt eine Brennstoffzuführung 72 zur Zuführung von flüssigem Brennstoff, die in 3 nur schematisch angedeutet ist. Beispielsweise kann die Brennstoffzuführung 72 durch zwei oder mehrere Brennstoffzuführröhrchen, die in Umfangsrichtung verteilt sind und die zu dem ringförmigen Brennstoffzuführabschnitt 70 führen, gebildet werden. Die zu der Brennkammer 42 hingewandte Seite 74 des Verdampferelements 66 ist über deren gesamten Oberflächenbereich durch eine aus einem Metallblech gebildete Abdeckung 76 abgedeckt, die an dem Verdampferelement 66 anliegt. Ferner wird durch die Abdeckung 76 auch die an den Brennkammerabschnitt 48 mit konstantem Querschnitt angrenzende Seitenfläche 78 des Verdampferelements 66 abgedeckt. Lediglich die zu dem Brennlufteintritt 44 benachbart angeordnete Seitenfläche 80 des Verdampferelements 66, die sich ringförmig um den Brennkammerumfang erstreckt, wird durch die Abdeckung 76 freigegeben, so dass diese Seitenfläche 80 einen Brennstoffaustrittsabschnitt 82 bildet.
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Ringförmig um die Brennkammer 42 ist ein Brennluft-Vorraum 84, dem Brennluft über eine (nicht dargestellte) Brennluftzuführung zuführbar ist, ausgebildet. Von dem Brennluft-Vorraum 84 wird über die oberhalb beschriebenen Primär-Brennluftzuführöffnungen 62 und Sekundär-Brennluftzuführöffnungen 64 eine Fluidverbindung mit der Brennkammer 42 hergestellt. Im Einsatz wird der Brennkammer 42 Brennluft über den Brennlufteintritt 44, die Primär-Brennluftzuführöffnungen 62 sowie die Sekundär-Brennluftzuführöffnungen 64 zugeführt. Ferner wird im Einsatz dem Verdampferelement 66 flüssiger Brennstoff über die Brennstoffzuführung 72 zugeführt. Durch die Abdeckung 76 wird der Brennstoff dazu gezwungen, dass er entlang der Haupterstreckungsfläche durch das Verdampferelement 66 in Richtung zu dem Brennlufteintritt 44 strömt. Aufgrund der in der Brennkammer 42 ausgebildeten Flamme wird Wärme über die Abdeckung 76 auf das Verdampferelement 66 übertragen. Aufgrund des Aufbaus des Verdampferbrenners 40 ist die auf das Verdampferelement 66 übertragene Wärme in dem Abschnitt, in dem die Brennstoffzuführung 72 ausgebildet ist, höher als in dem Abschnitt, der benachbart zu dem Brennlufteintritt 44 ausgebildet ist. Bei Erreichen des Brennstoffaustrittsabschnittes 82 tritt der ggf. bereits gasförmige Brennstoff aus dem Verdampferelement 66 in die Brennkammer 42 aus oder verdampft an diesem Brennstoffaustrittsabschnitt 82 in die Brennkammer 42. Die über den ringförmigen Brennlufteintritt 44 zugeführte Brennluft strömt ringförmig in die Brennkammer 42 ein. Dabei weist die Strömungsrichtung der Brennluft eine axiale, im Wesentlichen entlang der Rotations-Symmetrieachse 50 verlaufende Strömungskomponente auf. Weiterhin weist die Strömungsrichtung auch eine radial leicht nach außen verlaufende Strömungskomponente auf, die durch die Aufweitung der Brennkammer 42 in diesem Bereich bedingt ist. Diese beiden Strömungskomponenten sind in 3 schematisch durch die Pfeile 86 dargestellt. Weiterhin wird der über den Brennlufteintritt 44 zugeführten Brennluft durch die Luftleitelemente 54 eine in Umfangsrichtung verlaufende Strömungskomponente auferlegt, was in 3 schematisch durch die in Umfangsrichtung verlaufenden Richtungsangaben 88 dargestellt ist. Der Brennstoffaustrittsabschnitt 82 ist benachbart zu dem Brennlufteintritt 44 angeordnet. Ferner ist die Anordnung derart, dass die Brennstoffaustrittsrichtung von Brennstoff aus dem Brennstoffaustrittsabschnitt 82 und die Brennluftaustrittsrichtung von Brennluft aus dem Brennlufteintritt 44 aufeinander zugerichtet sind. Dadurch erfolgt eine Verwirbelung und eine gute Durchmischung von Brennstoff mit Brennluft. Aufgrund der Beeinflussung der Brennstoffströmung durch die Brennluftströmung wird die Strömungsrichtung von Brennstoff umgelenkt, was in 3 schematisch durch die Pfeile 90 dargestellt ist. Entsprechend wie es oberhalb in Bezug auf die erste Ausführungsform erläutert wurde, stellen sich insbesondere aufgrund des lokal begrenzten Brenstoffaustrittsabschnittes 82 innerhalb der Brennkammer 42 unabhängig von der jeweiligen Heizleistungsstufe gleichbleibende Strömungsverhältnisse ein. Ferner wird unabhängig von der jeweiligen Heizleistungsstufe das gesamte Verdampferelement 66 von Brennstoff durchströmt, wodurch eine Ablagerungsbildung vermieden wird.
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Aufgrund der Aufweitung der Brennkammer 42 in dem Bereich des Aufweitungsabschnittes 46 erfolgt eine Ablösung der Strömung von der Brennkammerwandung 58. Aufgrund der Wirbelablösung bildet sich im Einsatz in dem Bereich des Aufweitungsabschnittes 46 ein Rezirkulationsbereich aus, was in 3 schematisch durch die Pfeile 92 dargestellt ist. In dem Rezirkulationsbereich strömen die Gase in einem zentralen Bereich entgegen einer Hauptströmungsrichtung in Richtung des Brennlufteintritts 44. Die Hauptströmungsrichtung der Gase verläuft dabei von dem Brennlufteintritt 44 entlang der Rotations-Symmetrieachse 50. Dadurch werden die oberhalb in Bezug auf die Rezirkulation erläuterten Vorteile erzielt, die insbesondere eine Flammstabilisierung, eine bedarfsgerechte Wärmezuführung an das Verdampferelement 66 und gute Verbrennungseigenschaften über sämtliche bereitstellbare Heizleistungsstufen aufweisen. Weiterhin ist das Vorsehen des Verdampferelements 66 mit Abdeckung 76 in Kombination mit der oberhalb beschriebenen Geometrie der Brennkammer 42 besonders vorteilhaft, da zum Einen die Vorteile der Ausbildung eines Rezirkulationsbereiches, wodurch eine Flammstabilisierung bedingt ist, genutzt werden können und zum Anderen aufgrund des Vorsehens des Verdampferelements 66 die für mobile Anwendungen geeigneten Heizleistungsbereiche bis zu 1 kW und weniger bereitstellbar sind, da durch das Verdampferelement 66 eine zuverlässige und gleichmäßige Brennstoffbereitstellung auch bei niedrigen Brennstoffdurchsätzen bereitstellbar ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3910424 A1 [0005]
- DE 4216523 A1 [0006]
