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Die vorliegende Erfindung betrifft ein mobiles, mit flüssigem Brennstoff betriebenes Heizgerät.
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Unter einem „mobilen Heizgerät“ wird im vorliegenden Kontext 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 kann 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 sein. 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 Stand- oder Zuheizer für ein Landfahrzeug, wie beispielsweise für einen Wohnwagen, ein Wohnmobil, einen Bus, einen Pkw, etc., ausgelegt.
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Mobile Heizgeräte kommen häufig z.B. als Fahrzeugheizgeräte zum Beheizen eines Fahrzeugs zum Einsatz. Bei Anwendungen in einem Fahrzeug werden derartige mobile Heizgeräte z.B. als Zuheizer, die bei laufendem Antriebsmotor des Fahrzeugs zusätzlich Wärme bereitstellen können, oder als Standheizer, die sowohl bei laufendem als auch bei ruhendem Antriebsmotor Wärme zu Heizzwecken bereitstellen können, eingesetzt. Bei solchen mobilen Heizgeräten ist gefordert, dass diese einerseits mit kleinen Heizleistungen bis zu unterhalb von 1 kW betreibbar sein sollen und andererseits eine möglichst große Heizleistungsbandbreite aufweisen sollen, sodass – je nach Bedarf – sehr unterschiedliche Heizleistungen bereitstellbar sind. Ferner steigen bei mobilen Heizgeräten die Anforderungen an eine möglichst schadstoffarme Verbrennung in zunehmendem Maße.
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Üblicherweise kommen bei mobilen Heizgeräten Brenner zum Einsatz, die in einer Brennkammer mit Bauteilen zur Flammstabilisierung, wie insbesondere Engstellen, Einschnürungen oder anderen in den Bereich der Flamme und der abströmenden heißen Gase eingreifenden Bauteilen versehen sind, um einen möglichst stabilen Betrieb bei verschiedenen Heizleistungen zu ermöglichen. Solche Bauteile sind im Betrieb des mobilen Heizgeräts besonders hohen Belastungen ausgesetzt und bilden häufig die Komponenten, die die Lebensdauer des mobilen Heizgeräts beschränken.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes mobiles, mit flüssigem Brennstoff betriebenes Heizgerät bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch ein mobiles, mit flüssigem Brennstoff betriebenes Heizgerät nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das mobile, mit flüssigem Brennstoff betriebene Heizgerät weist auf: eine Brennkammer, die einen Brennlufteintritt aufweist, wobei die Brennkammer einen an den Brennlufteintritt anschließenden Aufweitungsabschnitt aufweist, dessen Querschnitt sich mit zunehmendem Abstand von dem Brennlufteintritt aufweitet und in dem im Betrieb Brennluft mit Brennstoff in einer flammenden Verbrennung umgesetzt wird; eine Brennstoffzufuhr, die derart angeordnet ist, dass Brennstoff in den Aufweitungsabschnitt zugeführt wird; und eine Luftleitvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, die Brennluft derart mit einer in Umfangsrichtung verlaufenden Strömungskomponente in den Aufweitungsabschnitt einzuleiten, dass sich in dem Aufweitungsabschnitt ein axialer Rezirkulationsbereich ausbildet, in dem Gase entgegen einer Hauptströmungsrichtung in Richtung des Brennlufteintritts strömen. Die Brennkammer ist strömungstechnisch in eine Primärbrennzone und eine Sekundärbrennzone unterteilt. Die Primärbrennzone weist den Aufweitungsabschnitt und den Rezirkulationsbereich auf. Die Sekundärbrennzone ist derart mit einem Sekundärbrennlufteintritt versehen, dass sich in der Sekundärbrennzone eine höhere Verbrennungsluftzahl λ als in der Primärbrennzone einstellt.
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Unter einer Brennkammer wird vorliegend ein Raumbereich des Heizgeräts verstanden, in dem eine flammende Umsetzung von Brennstoff mit Brennluft erfolgt. Insbesondere bezeichnet im Rahmen der vorliegenden Beschreibung die Bezeichnung Brennkammer nicht die diesen Raumbereich umgebende Wandung, die z.B. durch eine Mehrzahl von Komponenten gebildet sein kann. Die flammende Verbrennung findet dabei zumindest auch in dem Aufweitungsabschnitt statt und nicht lediglich in einem stromabwärts von diesem befindlichen Bereich der Brennkammer. Durch die Luftleitvorrichtung, die die an dem Brennlufteintritt eintretende Luft derart stark mit einer in Umfangsrichtung verlaufenden Strömungskomponente (d.h. einem starken Drall) versieht, dass sich in dem Aufweitungsabschnitt ein axialer Rezirkulationsbereich ausbildet, in dem Gase entgegen einer Hauptströmungsrichtung in Richtung des Brennlufteintritts strömen, ist eine schadstoffarme und stabile Verbrennung erzielt, bei der ein Betrieb über eine große Heizleistungsbandbreite ermöglicht ist, ohne dass zusätzliche flammstabilisierende Bauteile, die in die Brennkammer ragen, erforderlich sind. Aufgrund der angegebenen geometrischen Ausgestaltung und der Ausbildung des Rezirkulationsbereichs wird erreicht, dass sich die Flamme auch bei unterschiedlichen Heizleistungen, d.h. unterschiedlichen Brennstoff- und Brennluftmasseströmen, immer stabil ausgehend von dem Aufweitungsabschnitt ausbreitet. In dieser Weise stabilisiert sich somit die Flamme in der Brennkammer selbst. Die Ausbildung des Rezirkulationsbereichs kann in einfacher Weise dadurch erreicht werden, dass sich der Aufweitungsabschnitt ausreichend stark aufweitet, z.B. mit einem Halbkegelwinkel von zumindest 20°, und die zugeführte Brennluft mit einer ausreichend großen in Umfangsrichtung verlaufenden Strömungskomponente versehen wird, insbesondere einer Drallzahl von zumindest 0,6. Durch das Vorsehen der Primärbrennzone und der Sekundärbrennzone, die eine höhere Verbrennungsluftzahl λ aufweist, als die Primärbrennzone, wird eine besonders schadstoffarme Verbrennung bereitgestellt und Rußablagerungen können verringert werden. Z.B. kann das mobile Heizgerät derart ausgelegt sein, dass sich in der Primärbrennzone eine Verbrennungsluftzahl von ca. 1 einstellt und in der Sekundärbrennzone eine Verbrennungsluftzahl von ca. 1,6. Dabei stellt sich in der Primärbrennzone bevorzugt eine deutlich höhere Temperatur ein, als in der Sekundärbrennzone. Der Rezirkulationsbereich ist dabei vollständig in der Primärbrennzone ausgebildet und in der Sekundärbrennzone strömen die heißen Gase hauptsächlich in der Hauptströmungsrichtung. Der Sekundärbrennlufteintritt kann dabei insbesondere durch eine Mehrzahl von Löchern in einer Wand der Brennkammer gebildet sein, durch die Brennluft von außen zugeführt wird. Bevorzugt wird der Brennstoff an dem Brennlufteintritt in den Aufweitungsabschnitt zugeführt, da in diesem Fall eine besonders vorteilhafte Vormischung von Brennstoff und Brennluft erfolgen kann.
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Gemäß einer Weiterbildung weist die Primärbrennzone den Aufweitungsabschnitt und einen daran anschließenden Zwischenabschnitt der Brennkammer auf. In diesem Fall können die Strömungsverhältnisse und die Verbrennungsluftzahlen in den Brennzonen besonders stabil eingestellt werden. Wenn in dem Zwischenabschnitt ein zweiter Brennlufteintritt zum Zuführen von Verbrennungsluft in die Primärbrennzone vorgesehen ist, können die Strömungsverhältnisse und die Brennluftzahl λ in der Primärbrennzone besonders einfach und zuverlässig eingestellt werden. Der zweite Brennlufteintritt kann dabei z.B. durch eine Mehrzahl von Löchern in einer Wandung der Brennkammer gebildet sein, durch die weitere Brennluft in die Primärbrennzone zugeführt wird. Die Anordnung des zweiten Brennlufteintritts kann dabei insbesondere derart gewählt sein, dass die dort zugeführte Brennluft bis zu einer Längsachse des Brenners strömt und dem Rezirkulationsbereich zugeführt wird.
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Gemäß einer Weiterbildung ist der Sekundärbrennlufteintritt derart ausgebildet ist, dass die hindurchtretende Sekundärbrennluft bezüglich einer Längsachse des Heizgeräts radial von außen zu Gasen zugeführt wird, die aus der Primärbrennzone abströmen. In diesem Fall kann eine besonders stabile und schadstoffarme Verbrennung in der Brennkammer erzielt werden. Der Sekundärbrennlufteintritt kann dabei insbesondere derart ausgebildet werden, dass die Sekundärbrennluft nicht bis zu der Längsachse des Brenners strömt, sondern den aus der Primärbrennzone abströmenden Gasen von außen mantelartig zugeführt wird. Der Sekundärbrennlufteintritt kann dabei bevorzugt eine Vielzahl von Löchern in der Wandung der Brennkammer aufweisen. Die Löcher können dabei bevorzugt einen kleineren Durchmesser aufweisen, als Löcher, die den zweiten Brennlufteintritt für die Primärbrennzone bilden.
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Gemäß einer Weiterbildung gehen die Primärbrennzone und die Sekundärbrennzone mit einem freien Strömungsquerschnitt ineinander über. Es sind somit keine eine Strömung in der axialen Richtung der Brennkammer behindernden Bauteile, wie z.B. Flammblenden, Einschnürungen oder Ähnliches vorgesehen. In diesem Fall sind in der Brennkammer keine Komponenten vorgesehen, die bei herkömmlichen Heizgeräten aufgrund der hohen Belastung im Betrieb oftmals die Lebensdauer begrenzen, sodass ein mobiles Heizgerät mit einer langen Lebensdauer bereitgestellt werden kann. Es ist zu beachten, dass für den Betrieb erforderliche Komponenten, wie insbesondere Zündelemente und/oder Sensoren, die nur unerheblichen Einfluss auf die Strömung haben, gegebenenfalls in die Brennkammer ragen können.
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Gemäß einer Weiterbildung ist das Heizgerät derart ausgebildet, dass die Verbrennungsgase nach der Sekundärbrennzone in einen Wärmetauscher strömen. In diesem Fall ist insbesondere keine Tertiärbrennzone vorgesehen, in der sich eine dritte Verbrennungsluftzahl einstellt, sodass die heißen Verbrennungsabgase effizient für eine Beheizung eines zu erwärmenden Mediums über den Wärmetauscher genutzt werden können.
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Gemäß einer Weiterbildung weist die Brennstoffzufuhr zumindest ein Verdampferelement zum Verdampfen des flüssigen Brennstoffs auf. Im Unterschied zu einer Brennstoffzufuhr, die ausschließlich über eine Einspritzdüse zum Einspritzen des Brennstoffs verfügt, ermöglicht der Einsatz des Verdampferelements auch bei niedrigen Heizleistungen unter 1 kW, d.h. niedrigen Brennstoff- und Brennluft-Masseströmen, einen stabilen Betrieb des mobilen Heizgeräts. Ferner ist in dieser Weise auch in dem Fall einer 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.
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Gemäß einer Weiterbildung ist das zumindest eine Verdampferelement derart angeordnet, dass es den Brennlufteintritt zumindest teilweise umgibt. In diesem Fall ist eine symmetrische Zuführung von verdampftem Brennstoff erreicht, sodass eine besonders homogene Durchmischung von Brennluft und Brennstoff erzielt wird, die eine schadstoffarme Verbrennung ermöglicht. Wenn das zumindest eine Verdampferelement den Brennlufteintritt ringförmig umgibt, ist eine besonders symmetrische Zuführung von verdampftem Brennstoff ermöglicht.
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Gemäß einer Weiterbildung ist das Verdampferelement teilweise durch eine Abdeckung abgedeckt, sodass in einem nicht abgedeckten Bereich ein Brennstoffaustrittsabschnitt gebildet ist. In diesem Fall kann zuverlässig erreicht werden, dass sich flüssiger Brennstoff gleichmäßig in dem Verdampferelement verteilt, sodass das gesamte Verdampferelement zur Verdampfung von Brennstoff ausgenutzt wird und Ablagerungsbildung in dem Verdampferelement unterdrückt wird. Bevorzugt erfolgt dabei die Zufuhr von flüssigem Brennstoff zu dem Verdampferelement in einem von dem Brennstoffaustrittsabschnitt entfernten Bereich des Verdampferelements, in dem das Verdampferelement durch die Abdeckung abgedeckt ist. Wenn die Abdeckung eine Wandung des Aufweitungsabschnitts bildet, kann durch Auslegung der Abdeckung, insbesondere im Hinblick auf Material und Wandstärke, der erzielte Wärmeeintrag in das Verdampferelement in einfacher Weise eingestellt werden.
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Wenn der Brennstoffaustrittsabschnitt an dem Brennlufteintritt angeordnet ist, kann eine besonders zuverlässige Durchmischung von Brennluft und verdampftem Brennstoff erfolgen.
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Gemäß einer Weiterbildung ist das Verdampferelement derart angeordnet, dass verdampfter Brennstoff mit einer der Hauptströmungsrichtung entgegengerichteten Richtungskomponente austritt. In diesem Fall wird eine besonders effektive Durchmischung von Brennluft und Brennstoff unmittelbar an dem Brennlufteintritt erreicht. Dabei kann der Brennstoff beim Austritt auch weitere Richtungskomponenten aufweisen, insbesondere eine radiale Richtungskomponente in Richtung einer Längsachse der Brennkammer.
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Gemäß einer Weiterbildung weist der Aufweitungsabschnitt einen kontinuierlich aufweitenden Querschnitt auf. Der Aufweitungsabschnitt kann dabei insbesondere konisch aufweitend ausgebildet sein. Durch die Ausgestaltung mit einem kontinuierlich aufweitenden Querschnitt können unerwünschte Eckwirbel, die sich bei einem sprunghaft aufweitenden Querschnitt ausbilden würden, verhindert werden.
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Gemäß einer Weiterbildung weitet sich der Aufweitungsabschnitt mit einem Öffnungswinkel von zumindest 20° auf. In diesem Fall ist eine Ausgestaltung des Aufweitungsabschnitts bereitgestellt, die strömungsmechanisch wie eine unstetige Querschnittserweiterung wirkt. Im Zusammenspiel mit der Brennluftzufuhr mit der in Umfangsrichtung verlaufenden Strömungskomponente wird eine zuverlässige Flammenverankerung in dem Aufweitungsabschnitt auch bei verschiedenen Heizleistungen erreicht.
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Gemäß einer Weiterbildung ist die Luftleitvorrichtung derart ausgebildet, dass die Brennluft mit einer Drallzahl von zumindest 0,6 in den Aufweitungsabschnitt eingeleitet wird. Die Drallzahl (SN) ist eine integrale Größe, die das Verhältnis von tangentialem zum axialen Impulsstrom angibt. Bei einer Drallzahl von zumindest 0,6 wird zuverlässig eine vollständig ausgebildete Rezirkulationszone erhalten.
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Bevorzugt kann das Heizgerät derart ausgelegt sein, dass die Brennluft in dem Brennlufteintritt mit Strömungsgeschwindigkeiten eingeleitet wird, die höher als die in der Brennkammer auftretenden turbulenten Flammengeschwindigkeiten sind. In diesem Fall ist zuverlässig sichergestellt, dass sich unmittelbar an dem Brennlufteintritt keine Flamme ausbilden kann, sodass ein Rückbrand der Flamme zu der Brennstoffzufuhr verhindert ist.
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Weitere Vorteile und Weiterbildungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen.
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1 ist eine schematische Schnittdarstellung des Brenners eines mobilen Heizgeräts gemäß einer Ausführungsform;
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2 ist eine schematische perspektivische Darstellung des Brenners aus 1,
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3 ist eine schematische perspektivische Darstellung einer Luftleitvorrichtung bei dem Brenner aus 1,
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4 ist eine schematische Darstellung eines Gehäuses, das die in 3 dargestellte Luftleitvorrichtung umgibt, und
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5 ist eine schematische Darstellung eines Verdampferelements bei der Ausführungsform.
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Eine Ausführungsform wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 beschrieben.
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Bei der Ausführungsform ist das mobile, mit flüssigem Brennstoff betriebene Heizgerät insbesondere als eine Stand- oder Zusatzheizung für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Landfahrzeug, ausgebildet. In den Figuren ist lediglich der Brenner 1 des mobilen Heizgeräts dargestellt. Das mobile Heizgerät weist neben dem dargestellten Brenner 1 insbesondere in an sich bekannter Weise einen Wärmetauscher zur Wärmeübertragung auf ein zu erwärmendes Medium, wie insbesondere eine Flüssigkeit in einem Flüssigkeitskreislauf eines Fahrzeugs oder zu erwärmende Luft, auf. Der Wärmetauscher kann dabei z.B. in an sich bekannter Weise den Brenner 1 topfartig umgeben. Ferner weist das mobile Heizgerät zumindest eine Brennstoffzufuhrvorrichtung, die insbesondere durch eine Brennstoffpumpe gebildet sein kann, eine Brennluftfördervorrichtung, die z.B. ein Brennluftgebläse aufweisen kann, und zumindest eine Steuerungseinheit zur Ansteuerung des mobilen Heizgeräts auf.
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Im Folgenden wird der Brenner 1 des mobilen Heizgeräts unter Bezug auf die 1 bis 5 eingehender beschrieben. Der Brenner 1 weist eine Brennkammer 2 auf, in der im Betrieb des mobilen Heizgeräts Brennstoff mit Brennluft in einer flammenden Verbrennung umgesetzt wird. In 1 ist der Brenner 1 in einer schematischen Schnittdarstellung dargestellt, wobei die Schnittebene derart gewählt ist, dass eine Längsachse Z des Brenners 1 in der Schnittebene liegt. Der Brenner 1 ist im Wesentlichen bezüglich der Längsachse Z rotationssymmetrisch ausgebildet. Die Brennkammer 2 weist einen Brennlufteintritt 3 auf, an dem im Betrieb Brennluft in die Brennkammer 2 zugeführt wird.
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Unmittelbar an den Brennlufteintritt 3 anschließend weist die Brennkammer 2 einen Aufweitungsabschnitt 20 auf, dessen Querschnitt sich mit zunehmendem Abstand von dem Brennlufteintritt 3 aufweitet. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Aufweitungsabschnitt durch eine konische Wandung begrenzt, die durch eine Abdeckung 4 gebildet ist, die noch eingehender beschrieben wird. In einer Hauptströmungsrichtung H schließt sich an die konische Wandung des Aufweitungsabschnitts 20 eine im Wesentlichen zylindermantelförmige Wandung 5 an, sodass die Brennkammer 2 anschließend an den Aufweitungsabschnitt 20 einen Abschnitt 21 mit im Wesentlichen gleichbleibendem Querschnitt aufweist.
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Der Aufweitungsabschnitt 20 weitet sich mit einem Öffnungswinkel von zumindest 20° auf. Der Öffnungswinkel ist dabei der Winkel, der zwischen der Wandung des Aufweitungsabschnitts 20 und der Längsachse Z ausgebildet ist. Bei der dargestellten Ausführungsform beträgt der Öffnungswinkel z.B. zwischen 40° und 50°. Die Brennkammer 2 weist insgesamt einen freien Strömungsquerschnitt derart auf, dass keine eine freie Strömung von Gasen behindernden Komponenten seitlich in die Brennkammer 2 ragen, sodass sich die Gasströmungen in der Brennkammer 2 gemäß der Geometrie des Aufweitungsabschnitts 20 und des anschließenden Abschnitts 21 einstellen können, wie noch eingehender beschrieben wird.
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Vor dem Brennlufteintritt 3 ist eine Luftleitvorrichtung 6 vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, die Brennuft mit einer in Umfangsrichtung verlaufenden Strömungskomponente in den Aufweitungsabschnitt 20 einzuleiten. Die Luftleitvorrichtung 6 ist dabei derart ausgebildet, dass die Brennluft mit einem sehr großen Drall versehen wird. Die Luftleitvorrichtung 6 ist derart ausgebildet, dass die Luft mit einer Drallzahl von zumindest 0,6 in den Brennlufteintritt 3 eingeleitet wird. Die Luftleitvorrichtung 6 wird unter Bezug auf die 3 und 4 eingehender beschrieben.
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Bei der Ausführungsform weist die Luftleitvorrichtung 6 eine in etwa ringförmige Form auf und ist auf der Außenseite mit spiralförmig verlaufenden Leitschaufeln 60 versehen, zwischen denen ebenfalls spiralförmig verlaufende Gänge 61 ausgebildet sind. Die Luftleitvorrichtung 6 ist bei dem mobilen Heizgerät gemäß der Ausführungsform in ein im Wesentlichen hohlzylindrisches Gehäuse 7 eingesetzt, das in 4 dargestellt ist. Die Luftleitvorrichtung 6 ist dabei derart in das Gehäuse 7 eingesetzt, dass die spiralförmig verlaufenden Gänge 61 umfangsseitig durch das Gehäuse 7 geschlossen sind. Somit sind die spiralförmig verlaufenden Gänge 61 jeweils nur an ihren beiden Stirnseiten offen, sodass Brennluft hindurchtreten kann. In 3 ist dargestellt, dass die Luftleitvorrichtung 6 mit einer zentralen zylindrischen Durchgangsbohrung 62 versehen ist. Diese Durchgangsbohrung 62 kann z.B. als Durchführung für ein Zündelement in die Brennkammer 2 genutzt werden. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Durchgangsbohrung 62 im zusammengebauten Zustand des Brenners 1 jedoch durch einen Verschluss 63 verschlossen, wie in 1 dargestellt ist.
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Die Luftleitvorrichtung 6 ist bei der Ausführungsform derart angeordnet, dass Brennluft an einer Stirnseite in die durch das Gehäuse 7 verschlossenen Gänge 61 eintritt, durch die spiralförmig verlaufenden Gänge 61 strömt und an deren anderer Stirnseite an dem Brennlufteintritt 3 in den Aufweitungsabschnitt 20 der Brennkammer 2 eingeleitet wird. Durch die spiralförmige Ausgestaltung der Gänge 61 wird die Brennluft dabei mit einem Drall versehen. Die Gänge 61 sind dabei derart ausgebildet, dass die Brennluft bei dem Durchtritt mit der erforderlichen Drallzahl von zumindest 0,6 versehen wird. Die Brennluft wird der Luftleitvorrichtung 6 durch eine (nicht dargestellte) Brennluftfördervorrichtung, die z.B. ein Gebläse aufweisen kann, zugeführt, wie in 1 durch Pfeile B schematisch dargestellt ist.
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Durch die beschriebene Ausgestaltung der Luftleitvorrichtung 6 wird die Brennluft an dem Brennlufteintritt 3 mit einer in Umfangsrichtung verlaufenden Strömungskomponente in den Aufweitungsabschnitt 20 eingeleitet.
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Bei der Ausführungsform ist ferner eine Brennstoffzufuhr derart vorgesehen, dass Brennstoff ebenfalls an dem Brennlufteintritt 3 in den Aufweitungsabschnitt 20 zugeführt wird, wie in 1 durch Pfeile schematisch dargestellt ist. Das mobile Heizgerät ist für einen Betrieb mit flüssigem Brennstoff ausgelegt und kann z.B. mit Brennstoff betreibbar sein, der auch für einen Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs zum Einsatz kommt, insbesondere Diesel, Benzin und/oder Ethanol. Die Brennstoffzufuhr weist zumindest ein Verdampferelement 9 zum Verdampfen von zugeführtem flüssigen Brennstoff auf.
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Das Verdampferelement 9 hat bei der Ausführungsform die Form eines Hohlkegelstumpfes, wie in 5 zu sehen ist. Das Verdampferelement 9 weist dabei einen Öffnungswinkel α auf, der dem Öffnungswinkel des Aufweitungsabschnitts 20 entspricht. Das Verdampferelement 9 ist aus einem porösen und hitzebeständigen Material gebildet und kann insbesondere Metallvlies, Metallgeflecht und/oder Metallgewebe aufweisen. Wie in 1 dargestellt ist, ist eine Mehrzahl von Brennstoffleitungen 10 zum Zuführen von flüssigem Brennstoff zu dem Verdampferelement 9 vorgesehen. Obwohl in 1 beispielhaft zwei Brennstoffleitungen 10 dargestellt sind, kann z.B. auch nur eine Brennstoffleitung 10 vorgesehen werden oder es können mehr Brennstoffleitungen 10 vorgesehen werden.
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Auf einer von der Brennkammer 2 abgewandten Seite ist das Verdampferelement 9 durch eine Rückwand 11 bedeckt, durch die die Brennstoffleitungen 10 hindurchgeführt sind. Auf der der Brennkammer 2 zugewandten Seite ist das Verdampferelement 9 durch die bereits zuvor beschriebene Abdeckung 4 bedeckt, die insbesondere aus einem Metallblech gebildet sein kann. Das Verdampferelement 9 ist derart angeordnet, dass es den Brennlufteintritt 3 ringförmig umgibt. Das Verdampferelement 9 weist an dem Brennlufteintritt 3 einen unbedeckten Brennstoffaustrittsabschnitt 12 auf, an dem verdampfter Brennstoff aus dem Verdampferelement 9 austreten kann. Die anderen Seiten des Verdampferelements 9 sind – abgesehen von den Brennstoffleitungen 10 – jeweils bedeckt, sodass Brennstoff nur an dem Brennstoffaustrittsabschnitt 12 aus dem Verdampferelement 9 austreten kann. Der Brennstoffaustrittsabschnitt 12 umgibt den Brennlufteintritt 3 ringförmig, sodass von allen Seiten gleichmäßig Brennstoff zuführbar ist. Es ist zu beachten, dass das Verdampferelement 9 nicht zwingend eine geschlossene Ringform aufweisen muss und ggfs. auch mehrere separate Verdampferelemente 9 über den Umfang verteilt angeordnet sein können. Das Verdampferelement 9 ist über die Abdeckung 4 thermisch an den Aufweitungsabschnitt 20 angekoppelt, sodass bei einem Betrieb des mobilen Heizgeräts Wärme von der in dem Aufweitungsabschnitt 20 verankerten Flamme in das Verdampferelement 9 übertragen wird, um dort für die Brennstoffverdampfung erforderliche Verdampfungswärme bereitzustellen. Es kann ferner ein Zündelement zum Starten des Brenners vorgesehen sein, das zumindest teilweise in die Brennkammer ragt und der Einfachheit halber in 1 nicht dargestellt ist.
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Durch die Anordnung des Verdampferelements 9 in der beschriebenen Weise, bei der die Brennstoffleitungen 10 räumlich von dem Brennstoffaustrittsabschnitt 12 beabstandet sind, wird eine gleichmäßige Ausbreitung des zugeführten flüssigen Brennstoffs in dem Verdampferelement 9 erreicht, sodass das gesamte Verdampferelement 9 für die Brennstoffverdampfung ausgenutzt wird. Ferner wird durch die beschriebene Anordnung, bei der die Mündungen der Brennstoffleitungen in der Hauptströmungsrichtung H weiter voraus angeordnet sind als der Brennstoffaustrittsabschnitt 12, erreicht, dass der Brennstoff mit einer der Hauptströmungsrichtung H entgegengerichteten Richtungskomponente aus dem Verdampferelement 9 austritt. In dieser Weise wird eine besonders homogene Durchmischung des austretenden Brennstoffs mit der aus der Luftleitvorrichtung 6 austretenden Brennluft erreicht, sodass unmittelbar am Brennlufteintritt 3 eine gute Durchmischung von Brennluft und verdampftem Brennstoff erzielt wird.
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Die zuvor beschriebenen Komponenten des Brenners 1 sind außen durch einen im Wesentlichen hohlzylindrischen Brennerflansch 13 umgeben, der einen Strömungsraum für zugeführte Brennluft bildet. Der Brennerflansch 13 dient ferner einer Befestigung des Brenners an rückseitig befindlichen weiteren Komponenten des mobilen Heizgeräts, die nicht dargestellt sind. Der Brennerflansch 13 ist derart ausgebildet, dass zwischen der Innenseite des Brennerflansches 13 und der Außenseite des an den Aufweitungsabschnitt 20 anschließenden Abschnitts 21 der Brennkammerwandung ein ringförmiger Spalt gebildet ist, durch den ein Teil der zugeführten Brennluft strömen kann. An einem bezüglich der Hauptströmungsrichtung H stromabwärtigen Ende ist der Brennerflansch 3 mit dem Abschnitt 21 derart verbunden, dass der Spalt dort verschlossen ist.
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Wie in den 1 und 2 zu sehen ist, weist der an den Aufweitungsabschnitt 20 anschließende Abschnitt 21 der Brennkammerwandung eine Mehrzahl von Löchern 22 und 23 auf, durch die ebenfalls Brennluft in die Brennkammer 2 eintreten kann. In einem unmittelbar an den Aufweitungsabschnitt 20 anschließenden Zwischenabschnitt der Brennkammer 2 ist der Abschnitt 21 der Brennkammerwandung mit einer Mehrzahl von relativ großen Löchern 22 versehen, die einen zweiten Brennlufteintritt zum Zuführen von Brennluft in eine in der Brennkammer 2 ausgebildete Primärbrennzone PZ bilden, wie im Folgenden noch eingehender beschrieben wird. In einem bezüglich der Hauptströmungsrichtung H weiter stromabwärts gelegenen Bereich des Abschnitts 21 der Brennkammerwandung ist eine Vielzahl von wesentlich kleineren Löchern 23 vorgesehen, durch die Sekundärbrennluft in einen als Sekundärbrennzone SZ ausgebildeten Bereich der Brennkammer 2 strömen kann und die einen Sekundärbrennlufteintritt bilden. Die den Sekundärbrennlufteintritt bildenden Löcher 23 erstrecken sich bei der Ausführungsform in der axialen Richtung über einen deutlich größeren Abschnitt, als die den zweiten Brennlufteintritt für die Primärbrennzone PZ bildenden Löcher 22. Der Brenner 1 des mobilen Heizgeräts ist derart ausgelegt, dass die von der Brennluftfördereinrichtung zugeführte Brennluft in einem bestimmten Verhältnis aufgeteilt wird, sodass ein Teil der Brennluft über die Luftleitvorrichtung 6 an dem Brennlufteintritt 3 in den Aufweitungsabschnitt 20 zugeführt wird, ein anderer Teil der Brennluft über den Spalt und die den zweiten Brennlufteintritt bildenden großen Löcher 22 zugeführt wird und die restliche Brennluft über die den Sekundärbrennlufteintritt bildenden Löcher 23 in die Sekundärbrennzone SZ der Brennkammer zugeführt wird.
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Die gewünschte Brennluftaufteilung wird dabei über die geometrische Ausgestaltung des Brenners 1 erzielt. Insbesondere sind bei der Ausführungsform die jeweiligen Brennluftmengen derart eingestellt, dass sich in der Primärbrennzone PZ der Brennkammer 2 eine Verbrennungsluftzahl λ von ca. 1 einstellt und in der Sekundärbrennzone SZ eine wesentlich größere Verbrennungsluftzahl λ, z.B. ca. 1,6.
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Die Primärbrennzone PZ ist dabei in dem Aufweitungsabschnitt 20 und einem daran anschließenden Zwischenabschnitt mit im Wesentlichen gleichbleibendem Querschnitt der Brennkammer 2 ausgebildet. Die Sekundärbrennzone SZ schließt sich bezüglich der Hauptströmungsrichtung H stromabwärts unmittelbar an die Primärbrennzone PZ an. Wie in 1 zu sehen ist, gehen die Primärbrennzone PZ und die Sekundärbrennzone SZ dabei mit einem freien Strömungsquerschnitt ineinander über, sodass insbesondere keine bauliche Trennung vorgesehen ist. Die den Sekundärbrennlufteintritt bildenden Löcher 23 sind dabei derart ausgebildet, dass die Sekundärbrennluft derart in die Brennkammer 2 eintritt, dass sie radial von außen zu den aus der Primärbrennzone PZ abströmenden Gasen zugeführt wird.
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Die sich in der Brennkammer 2 ausbildenden Strömungsverhältnisse werden im Folgenden eingehender beschrieben. Es wird insbesondere über eine große Bandbreite von verschiedenen Heizleistungen eine stabile Verankerung der Flamme in dem Aufweitungsabschnitt 21 erzielt.
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Die aus der Luftleitvorrichtung 6 austretende Brennluft wird an dem Brennlufteintritt 3 mit dem dort aus dem Verdampferelement 9 austretenden Brennstoff durchmischt. Aufgrund des starken Dralls der Brennluft in Verbindung mit der starken Aufweitung des Aufweitungsabschnitts 20 bleibt die Strömung des Brennluft-Brennstoff-Gemischs durch wirkende Zentrifugalkräfte an der Wandung des Aufweitungsabschnitts 20 anliegend. Eine Ausbildung von sogenannten Totwassergebieten außen an der Wandung kann dabei auch bei einer starken Aufweitung zuverlässig verhindert werden. Die Strömung streicht dabei mit relativ hohen Geschwindigkeiten an der Wandung des Aufweitungsabschnitts 20 entlang, sodass im Betrieb des Brenners eine gute konvektive Wärmeübertragung auf die Abdeckung 4 und über Wärmeleitung auf das dahinter befindliche Verdampferelement 9 erfolgt. Durch die hohen Strömungsgeschwindigkeiten in der Nähe des Brennlufteintritts 3 erfolgt in einem ersten Bereich des Aufweitungsabschnitts 20, in dem sich keine Flamme ausbilden kann, eine Vormischung von Brennstoff und Brennluft, die zu einer besonders schadstoffarmen Umsetzung beiträgt.
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Die Ausgestaltung des Aufweitungsabschnitts 20 wirkt strömungsmechanisch gesehen wie eine unstetige Querschnittserweiterung, sodass bei der verdrallten Strömung eine starke Aufweitung des Kernwirbels auftritt. Aufgrund der sich einstellenden lokalen statischen Drücke folgt im Anschluss an die Aufweitung des Kernwirbels ein Zusammenfallen des Kernwirbels, sodass sich in einem radial innenliegenden Bereich nahe der Längsachse Z eine starke Rückströmung entgegen der Hauptströmungsrichtung H ausbildet, wie in 1 schematisch durch Pfeile dargestellt ist. Es bildet sich somit nahe der Längsachse Z ein Rezirkulationsbereich RB aus. Die sich dabei ausbildenden Rezirkulationswirbel weisen bei der beschriebenen geometrischen Ausgestaltung des Brenners 1 dabei eine Position auf, die im Wesentlichen unabhängig vom Massenstrom des Brennluft-Brennstoff-Gemisches ist, sodass eine Selbststabilisierung bzw. Verankerung der Flamme in dem Aufweitungsabschnitt 20 erfolgt. Das Ausbilden dieser Strömungsverhältnisse kann dadurch erklärt werden, dass sich die verdrallte Strömung in dem Aufweitungsabschnitt 20 radial aufweitet, wobei eine Verzögerung in axialer Richtung erfolgt. Die Tangentialkomponente der Geschwindigkeit bewirkt dabei einen radialen Druckgradienten, wodurch der statische Druck in Richtung zur Längsachse Z geringer wird. Aufgrund dieser Druckverhältnisse bildet sich der Rezirkulationsbereich RB aus. In dem nahe der Längsachse befindlichen Rezirkulationsbereich RB strömen die Gase somit entgegen der Hauptströmungsrichtung H, d.h. in Richtung des Brennlufteintritts 3. Die durch die Löcher 22 in dem Zwischenabschnitt (d.h. den zweiten Brennlufteintritt) zugeführte Brennluft strömt von außen bis in den achsnahen Bereich, sodass sie zu einem Teil mit in den Rezirkulationsbereich RB gelangt und zur Ausbildung des Brennstoff-Brennluft-Gemischs in der Primärbrennzone PZ beiträgt. Ein anderer Teil der durch die Löcher 22 zugeführten Brennluft gelangt nicht in den Rezirkulationsbereich, sondern strömt in die Sekundärbrennzone SZ ab. In der Primärbrennzone PZ stellt sich in dieser Weise eine erste Verbrennungsluftzahl λ ein, die bei der Ausführungsform ca. 1 beträgt. Durch die starke Verwirbelung findet dabei in der Primärbrennzone PZ, in der der Rezirkulationsbereich RB ausgebildet ist, eine sehr gute Durchmischung von Brennstoff und Brennluft auf.
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Die Sekundärbrennluft, die durch die weiter stromabwärts (bzgl. der Hauptströmungsrichtung H) angeordneten, den Sekundärbrennlufteintritt bildenden Löcher 23 einströmt, gelangt nicht bis in den Rezirkulationsbereich RB, sondern wird von außen mantelförmig zu Gasen zugeführt, die aus der Primärbrennzone PZ abströmen. Diese Sekundärbrennluft gelangt dabei nicht bis zur Längsachse Z des Brenners 1. Durch die zugeführte Sekundärbrennluft stellt sich in der unmittelbar an die Primärbrennzone PZ anschließenden Sekundärbrennzone SZ eine deutlich größere Verbrennungsluftzahl λ ein.
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In dieser Weise wird in der Primärbrennzone PZ bei hohen Temperaturen eine nahezu vollständige, schnelle Umsetzung von Brennstoff mit Brennluft erzielt, bei der nur geringe CO-Emissionen auftreten. Die Primärbrennzone PZ weist dabei eine relativ kurze Baulänge in der axialen Richtung auf, sodass niedrige NOx-Emissionen erreicht werden können.
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In der an die Primärbrennzone PZ anschließenden Sekundärbrennzone SZ erfolgt bei einer höheren Verbrennungsluftzahl λ und bei niedrigeren Temperaturen eine Abgasnachbehandlung, bei der alle brennbaren Anteile, die nicht in der Primärbrennzone PZ reagiert haben, umgesetzt werden. Die Sekundärbrennzone SZ weist dabei eine größere Baulänge in der axialen Richtung als die Primärbrennzone PZ auf. Durch die in der Sekundärbrennzone SZ eingestellte niedrigere Temperatur erfolgt auch die Umsetzung dort besonders schadstoffarm. Unmittelbar nach der Sekundärbrennzone SZ werden die abströmenden Abgase in einen Wärmetauscher zur Wärmeübertragung auf ein zu erwärmendes Medium eingeleitet, sodass die freigesetzte Wärme effizient zur Erwärmung des zu erwärmenden Mediums genutzt wird.
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Aufgrund der beschriebenen Ausgestaltung lässt sich der Brenner 1 über eine große Bandbreite von verschiedenen Heizleistungen, insbesondere in einem Leistungsbereich von 0,8 kW bis ca. 20 kW, besonders schadstoffarm betreiben.
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Die Kombination der Brennkammerausgestaltung mit dem Verdampferelement 9 ermöglicht einen stabilen Betrieb auch bei relativ niedrigen Heizleistungen. Durch das Verdampferelement 9 erfolgt ferner eine stabile Zufuhr von Brennstoff in die Brennkammer 2 selbst wenn sich in der Brennstoffleitung 10 Luftblasen ausbilden sollten. Aufgrund der resultierenden Selbststabilisierung bzw. Verankerung der Flamme in dem Aufweitungsabschnitt 20 erfolgt bei hohen Heizleistungen ein hoher Wärmeeintrag in das Verdampferelement 9, sodass dort zuverlässig die benötigte große Brennstoffmenge pro Zeit verdampft werden kann. Bei einer niedrigeren Heizleistung erfolgt ein entsprechend kleinerer Wärmeeintrag, sodass der Brennstoffverdampfungsprozess ebenfalls über eine große Bandbreite an Heizleistungen zuverlässig in dem gewünschten Maß aufrechterhalten werden kann. Durch die erzielte Durchströmung von im Wesentlichen dem gesamten Volumen des Verdampferelements 9 wird einer Ablagerungsbildung in dem Verdampferelement 9 zuverlässig entgegengewirkt. Durch die Brennstoffzuführung über das Verdampferelement 9 wird ferner eine besonders kostengünstige Ausgestaltung des Brenners 1 ermöglicht.
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Da mit der beschriebenen Ausgestaltung eine definierte gute Durchmischung von Brennstoff und Brennluft erreicht wird und ferner über die Primärbrennzone PZ und die Sekundärbrennzone SZ eine zweistufige Umsetzung erfolgt, wird eine sehr schadstoffarme Verbrennung erreicht. Die Brennluft wird bei dem beschriebenen mobilen Heizgerät über die Luftleitvorrichtung 6 mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit in den Aufweitungsabschnitt 20 eingeleitet. In dieser Weise kann zuverlässig ein unerwünschter Rückbrand verhindert werden.
