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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Filmverdampfer-Brenneranordnung sowie ein mobiles Heizgerät mit einer solchen Filmverdampfer-Brenneranordnung.
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In mobilen Heizgeräten, die mit flüssigem Brennstoff betrieben werden, wie sie insbesondere in Standheizungen oder Zusatzheizungen in Fahrzeugen zum Einsatz kommen, werden üblicherweise Brenneranordnungen eingesetzt, in denen der Brennstoff mit zugeführter Brennluft in einer Brennkammer unter Freisetzung von Wärme umgesetzt wird. Die Umsetzung erfolgt dabei üblicherweise in einer flammenden Verbrennung, wobei allerdings grundsätzlich auch eine teil- oder vollkatalytische Umsetzung möglich ist.
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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. Insbesondere kann das mobile Heizgerät als Standheizung oder Zusatzheizung für ein Landfahrzeug, wie beispielsweise für einen Wohnwagen, ein Wohnmobil, einen Bus, einen Pkw, etc., ausgelegt sein.
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Bei den herkömmlicherweise in solchen mobilen Heizgeräten zum Einsatz kommenden Brenneranordnungen unterscheidet man zwischen sogenannten Zerstäubungsbrennern, bei denen der flüssige Brennstoff mit einer Zerstäuberdüse eingespritzt und mit Brennluft vermischt wird, und sogenannten Verdampferbrennern, bei denen der flüssige Brennstoff ausgehend von einem Verdampferbereich der Brenneranordnung verdampft wird. Bei Verdampferbrennern, wie sie typischerweise bei mobilen Heizgeräten zum Einsatz kommen, wird der flüssige Brennstoff üblicherweise in flüssiger Form zu einem porösen, saugfähigen Verdampferelement zugeführt, in dem sich der Brennstoff durch Kapillarkräfte verteilt und ausgehend von dem der flüssige Brennstoff unter Aufnahme von Verdampfungswärme verdampft wird. Der verdampfte Brennstoff wird in diesem Fall mit zugeführter Brennluft zu einem Brennstoff-Luft-Gemisch vermischt und das Brennstoff-Luft-Gemisch wird in der Brennkammer unter Freisetzung von Wärme umgesetzt. Bei solchen herkömmlichen Verdampferbrennern tritt das Problem auf, dass das Material des porösen, saugfähigen Verdampferelements mit der Zeit durch die thermische Belastung und die dieses umgebenden Medien angegriffen und gegebenenfalls zerstört wird. Ferner besteht das Problem, dass sich mit der Zeit Ablagerungen in dem Verdampferelement bilden, die die Verteilung und Verdampfung des flüssigen Brennstoffs erschweren.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Brenneranordnung und ein verbessertes mobiles Heizgerät mit einer solchen Brenneranordnung bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch eine Filmverdampfer-Brenneranordnung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Filmverdampfer-Brenneranordnung weist auf: eine Brennkammeranordnung, die eine Brennkammer zur Umsetzung eines Brennstoff-Luft-Gemisches unter Freisetzung von Wärme aufweist, die sich in einer axialen Richtung entlang einer Längsachse erstreckt; eine Brennluftzuführung zum Zuführen von Brennluft, die derart ausgebildet ist, dass Brennluft mit einer tangentialen Strömungskomponente an einem zumindest einem Brennlufteintritt der Brennkammeranordnung zugeführt wird; eine Filmverdampfer-Oberfläche zur Verdampfung von flüssigem Brennstoff ausgehend von einem Brennstofffilm, die an einer Rückwand axial rückwärtig des Brennlufteintritts angeordnet ist; und eine Brennstoffzuführung zum Zuführen von flüssigem Brennstoff zu der Filmverdampfer-Oberfläche.
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Da die Filmverdampfer-Brenneranordnung als ein Verdampferbrenner ausgebildet ist, können zuverlässig auch relativ kleine Heizleistungen bereitgestellt werden, wie sie oftmals in mobilen Heizgeräten erwünscht sind. Durch die Ausbildung als Filmverdampfer-Brenneranordnung mit einer Filmverdampfer-Oberfläche zur Verdampfung von flüssigem Brennstoff werden dabei die üblicherweise bei Verdampferbrennern, die poröse, saugfähige Elemente aufweisen, auftretenden Probleme, wie insbesondere Ablagerungsbildung in dem Verdampferelement, hohe elektrische Energieaufnahme bei einem Starten der Brenneranordnung zur Erwärmung des Verdampferelements, erhöhte Abgas-Emissionen beim Starten und Beenden des Brennbetriebes aufgrund von Brennstoffresten in dem Verdampferelement, etc., vermieden, da die Verdampfung des flüssigen Brennstoffs bei der Filmverdampfer-Brenneranordnung ausgehend von einem an der Filmverdampfer-Oberfläche verteilten Film des flüssigen Brennstoffs erfolgt. Durch die Anordnung der Filmverdampfer-Oberfläche axial rückwärtig des zumindest einen Brennlufteintritts wird dabei ein definierter Wärmeeintrag von dem Verbrennungsprozess in der Brennkammer zu der Filmverdampfer-Oberfläche über Wärmestrahlung und gezielte Konvektion ermöglicht. Zumindest ein Brennlufteintritt bedeutet dabei, dass z.B. auch eine Mehrzahl von separaten Brennlufteintritten vorgesehen sein kann, wobei allerdings auch bei einer solchen Mehrzahl von Brennlufteintritten, die Filmverdampfer-Oberfläche bezüglich der axialen Richtung rückwärtig der jeweiligen Brennlufteintritte angeordnet ist. Die Filmverdampfer-Oberfläche kann dabei z.B. durch eine im Wesentlichen glatte metallische Fläche der Rückwand gebildet sein. Es ist z.B. aber auch möglich, die Filmverdampfer-Oberfläche gezielt mit einer Aufrauhung oder feinen Strukturierung zu versehen, um die Benetzung und Brennstoffverteilung sowie das Verdampfungsverhalten zu verbessern. Die Rückwand kann dabei insbesondere durch eine Rückwand der Brennkammeranordnung, d.h. der Brennkammer selbst oder einer dieser strömungstechnisch vorgeordneten Vorverdampfungskammer, gebildet sein oder z.B. auch durch eine Rückwand eines in der Brennkammeranordnung angeordneten Verdampfungsbereichs. Durch die Zuführung der Brennluft mit einer tangentialen Strömungskomponente, d.h. mit einem Drall, wird dabei eine gute Verteilung des flüssigen Brennstoffs an der Filmverdampfer-Oberfläche erreicht und es wird ferner eine Stabilisierung der Flamme in der Brennkammer erzielt. Die zugeführte Brennluft weist somit eine Richtungskomponente in der Umfangsrichtung auf, kann bevorzugt aber auch weitere Richtungskomponenten z.B. radial einwärts gerichtet und/oder in der axialen Richtung aufweisen. Bevorzugt wird die Brennluft mit einem sehr starken Drall zu der Brennkammeranordnung zugeführt. Die erfindungsgemäße Filmverdampfer-Brenneranordnung ermöglicht dabei einen Betrieb, bei dem im Wesentlichen keine Bildung von Ablagerungen aus dem Brennstoff erfolgt. Die Brennkammer kann insbesondere zur Umsetzung des Brennstoff-Luft-Gemischs in einer flammenden Verbrennung ausgebildet sein, es ist jedoch z.B. auch eine Ausbildung zur Umsetzung des Brennstoff-Luft-Gemischs in einer teil- oder vollkatalytischen Verbrennung möglich. Die Brennstoffzuführung ist dabei bevorzugt derart ausgebildet, dass der flüssige Brennstoff zerstäubungsfrei bzw. vernebelungsfrei zu der Filmverdampfer-Oberfläche zugeführt wird, insbesondere bevorzugt unter geringem Druck zu dieser ausfließt. Die Brennstoffzuführung ist dabei frei von Zerstäubungsdüsen.
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Wenn die Brennluft an dem Brennlufteintritt radial von außen zugeführt wird, wird eine besonders gute Verteilung des Brennstofffilms an der Filmverdampfer-Oberfläche erreicht. Die Brennluft weist somit sowohl eine tangentiale als auch eine radial einwärts gerichtete Strömungskomponente auf.
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Wenn die Filmverdampfer-Oberfläche frei von porösen, saugfähigen Körpern ausgebildet ist, kann eine Ablagerungsbildung an der Filmverdampfer-Oberfläche zuverlässig verhindert werden. Eine ablagerungsarme Verdampfung wird insbesondere bei einer Kombination von niedrigen Bauteiltemperaturen und der Ausgestaltung frei von porösen, saugfähigen Körpern erzielt.
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Gemäß einer Weiterbildung erstreckt sich die Filmverdampfer-Oberfläche überwiegend senkrecht zu der Längsachse. Dabei kann sich die Filmverdampfer-Oberfläche z.B. im Wesentlichen eben erstrecken, oder auch eine konvex vorgewölbte Form oder eine konkav zurückgewölbte Form oder ähnliches aufweisen. Die Filmverdampfer-Oberfläche kann sich bevorzugt über im Wesentlichen den gesamten Querschnitt der Rückwand der Brennkammeranordnung erstrecken um eine möglichst großflächige Brennstoffverdampfung zu erreichen.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist die Brennluftzuführung derart ausgebildet, dass die Brennluft mit der tangentialen Strömungskomponente zu der Brennkammer zugeführt wird. In diesem Fall weist die Brennkammeranordnung keine Vorverdampfungskammer zum Aufbereiten eines Brennstoff-Luft-Gemischs vor dem Eintritt in die Brennkammer auf, sondern die Vermischung des verdampften Brennstoffs mit der zugeführten Brennluft zu einem Brennstoff-Luft-Gemisch erfolgt in der Brennkammer selbst. In diesem Fall ist somit eine konstruktiv besonders einfache und kostengünstige Realisierung ermöglicht.
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Gemäß einer Weiterbildung weist die Brennkammeranordnung eine der Brennkammer strömungstechnisch vorgeordnete Vorverdampfungskammer zur Aufbereitung eines Brennstoff-Luft-Gemischs vor dessen Eintritt in die Brennkammer auf. Unter einer Vorverdampfungskammer ist dabei ein Bereich der Brennkammeranordnung zu verstehen, in dem eine Verdampfung von Brennstoff und eine Durchmischung von verdampftem Brennstoff mit zugeführter Brennluft zu einem Brennstoff-Luft-Gemisch erfolgt, im regulären Betrieb des Brenners jedoch keine exotherme Umsetzung des Gemischs erfolgt, sich insbesondere keine Flamme ausbildet. Die Vorverdampfungskammer bildet somit nicht selbst einen Teil der Brennkammer, sondern ist dieser strömungstechnisch vorgeordnet. Durch die in dieser Weise ermöglichte Aufbereitung des Brennstoff-Luft-Gemischs vor dessen Eintritt in die Brennkammer wird eine besonders schadstoffarme Verbrennung ermöglicht.
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Gemäß einer Weiterbildung ist die Vorverdampfungskammer durch eine sich von einer Seitenwandung der Brennkammeranordnung radial nach innen erstreckende Trennwand von der Brennkammer getrennt. In diesem Fall ist die Unterteilung der Brennkammeranordnung in die Brennkammer und die dieser strömungstechnisch vorgeordneten Vorverdampfungskammer in konstruktiv besonders einfacher und somit kostengünstiger Weise realisiert. Ferner kann die an der Rückwand der Brennkammeranordnung befindliche Filmverdampfer-Oberfläche bezüglich Wärmeleitung besonders vorteilhaft gegenüber der Brennkammer thermisch isoliert werden, sodass ein Wärmeeintrag zu der Filmverdampfer-Oberfläche hauptsächlich über Wärmestrahlung und Konvektion erfolgen kann. In diesem Fall kann der Wärmeeintrag zu der Filmverdampfer-Oberfläche sehr gezielt durch die konstruktive Ausgestaltung der Trennwand eingestellt werden.
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Gemäß einer Weiterbildung erstreckt sich die Trennwand von der Seitenwandung radial einwärts und axial nach hinten. In diesem Fall ist eine besonders vorteilhafte Strömungsführung erreicht, bei der der Brennstofffilm besonders zuverlässig über die Filmverdampfer-Oberfläche verteilt wird.
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Gemäß einer Weiterbildung ist die Brennluftzuführung derart ausgebildet, dass die Brennluft mit der tangentialen Strömungskomponente zu der Vorverdampfungskammer zugeführt wird. In diesem Fall kann eine besonders effiziente Vermischung von verdampftem Brennstoff und zugeführter Brennluft zu einem Brennstoff-Luft-Gemisch in der Vorverdampfungskammer erfolgen.
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Gemäß einer Weiterbildung ist die Brennstoffzuführung derart ausgebildet, dass der Brennstoff mit einer tangentialen Richtungskomponente radial von außen zu der Filmverdampfer-Oberfläche zugeführt wird. Bevorzug kann der Brennstoff dabei im Wesentlichen in derselben Richtung wie die Brennluft zu der Brennkammeranordnung zugeführt werden. Durch diese Art der Brennstoffzuführung wird eine besonders gute Verteilung des Brennstofffilms an der Filmverdampfer-Oberfläche erreicht.
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Gemäß einer Weiterbildung ist die Brennkammer über ihre axiale Erstreckung frei von Einschnürungen oder Verengungen ausgebildet. Mit anderen Worten weist die Brennkammer in diesem Fall einen weitestgehend freien Strömungsquerschnitt auf. Da keine Einschnürungen oder Verengungen vorhanden sind, ist eine besonders robuste Realisierung mit einer langen Lebensdauer gegeben. Aufgrund der beschriebenen geometrischen Auslegung der Brennkammer wird dabei trotzdem eine gute Stabilisierung der Flamme in der Brennkammer erreicht.
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Die Aufgabe wird auch durch ein mobiles Heizgerät mit einer solchen Filmverdampfer-Brenneranordnung gemäß Anspruch 11 gelöst.
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Weitere Vorteile und Weiterbildungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen.
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1 ist eine schematische Darstellung einer Filmverdampfer-Brenneranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform.
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2 ist eine schematische Darstellung eines Drallkörpers bei der Brennluftzuführung gemäß der Ausführungsform.
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3 ist eine schematische Darstellung einer Filmverdampfer-Brenneranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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4 ist eine schematische Darstellung einer Filmverdampfer-Brenneranordnung gemäß einer dritten Ausführungsform.
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ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM
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Eine Filmverdampfer-Brenneranordnung 1 gemäß einer ersten Ausführungsform wird im Folgenden unter Bezug auf 1 und 2 eingehender beschrieben. Die Filmverdampfer-Brenneranordnung 1 ist für ein mobiles Heizgerät ausgelegt, insbesondere für ein Standheizgerät oder Zusatzheizgerät für ein Kraftfahrzeug, das insbesondere einen (nicht dargestellten) Wärmetauscher zur Übertragung von Wärme von den abströmenden Verbrennungsabgasen auf ein zu erwärmendes Medium aufweist. Das zu erwärmende Medium kann dabei z.B. im Falle eines Luftheizgeräts durch zu erwärmende Luft für einen Fahrzeuginnenraum oder im Falle eines Flüssigkeitsheizgeräts durch eine zu erwärmende Flüssigkeit in einem Flüssigkeitskreislauf eines Fahrzeugs, insbesondere Kühlflüssigkeit, gebildet sein. Der Wärmetauscher kann dabei in an sich bekannter Weise derart ausgebildet sein, dass er die Brennkammer und/oder ein an diese anschließendes Flammrohr im Wesentlichen topfartig umgibt.
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Das mobile Heizgerät weist ferner in an sich bekannter Weise eine Brennstofffördervorrichtung zum Fördern des flüssigen Brennstoffs, der insbesondere durch Diesel, Benzin, Ethanol, oder Ähnliches gebildet sein kann, auf. Die Brennstofffördervorrichtung kann insbesondere durch eine Brennstoffdosierpumpe gebildet sein. Ferner weist das mobile Heizgerät eine Brennluftfördervorrichtung zum Fördern der Brennluft, die insbesondere durch ein Gebläse gebildet sein kann, eine Steuereinheit zum Steuern des Betriebs des mobilen Heizgeräts sowie weitere für den Betrieb erforderliche Komponenten, die nicht eingehender beschrieben werden, auf, insbesondere z.B. Temperatursensoren, etc.
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Die Filmverdampfer-Brenneranordnung 1 gemäß der ersten Ausführungsform weist eine Brennkammer 2 auf, die bei dem dargestellten Beispiel eine in etwa zylindrische Form aufweist und sich entlang einer Längsachse Z erstreckt. Die Brennkammer 2 ist umfangsseitig durch eine umlaufende Seitenwandung 21 begrenzt, die z.B. aus einem hochtemperaturbeständigen Stahl gebildet sein kann. Eine Hauptströmungsrichtung H in der Verbrennungsabgase von der Brennkammer 2 zu dem (nicht dargestellten) Wärmetauscher abströmen, verläuft im Wesentlichen parallel zu der Längsachse Z.
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Die Brennkammeranordnung 1 ist rückseitig durch eine Rückwand 3 verschlossen, die bei der ersten Ausführungsform durch eine Rückwand der Brennkammer 2 gebildet ist. Die Rückwand 3 ist auf der der Brennkammer 2 zugewandten Seite als eine Filmverdampfer-Oberfläche 4 ausgebildet, auf der ein Film des flüssigen Brennstoffs verteilt wird, ausgehend von dem eine Verdampfung des flüssigen Brennstoffs erfolgt. Obwohl in der schematischen Darstellung von 1 eine vollständig ebene Ausbildung der Rückwand 3 dargestellt ist, ist es z.B. auch möglich, die Rückwand 3 in Richtung der Brennkammer 2 konvex oder konkav auszubilden. Die Filmverdampfer-Oberfläche 4 ist bei der dargestellten Ausführungsform als eine im Wesentlichen glatte metallische Fläche ausgebildet, es ist z.B. aber auch möglich, die Filmverdampfer-Oberfläche 4 mit einer Aufrauhung oder feinen Strukturierung zu versehen, um die Verteilung des flüssigen Brennstoffs, die Benetzung der Filmverdampfer-Oberfläche 4 und die Brennstoffverdampfung zu verbessern.
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Es ist ferner eine in 1 schematisch dargestellte Brennluftzuführung 5 vorgesehen, über die Brennluft mit einer großen tangentialen Strömungskomponente, d.h. einem starken Drall, in die Brennkammer 2 eingeleitet wird. Die in 1 durch Pfeile schematisch dargestellte Brennluftzuführung 5 ist dabei derart angeordnet, dass die Brennluft radial außen an der umlaufenden Seitenwandung 21 beabstandet von der Rückwand 3 der Brennkammeranordnung 1 und somit beabstandet von der Filmverdampfer-Oberfläche 4 zu der Brennkammer 2 zugeführt wird. Die Brennluft wird dabei somit mit einer in Umfangsrichtung verlaufenden Strömungskomponente, d.h. einem starken Drall, und mit einer radial einwärts gerichteten Strömungskomponente in die Brennkammeranordnung 1 eingeleitet, sodass sich in der Brennkammer 2 eine um die Längsachse Z umlaufende Drallströmung ausbildet. Um diese Drallströmung zu bewirken, weist die Brennluftzuführung 5 einen Drallkörper 6 mit einer Mehrzahl von Luftleitkanälen bzw. Luftleitschaufeln auf, um der Brennluft den gewünschten starken Drall aufzuprägen.
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In 2 ist eine mögliche Ausführung des Drallkörpers 6 schematisch dargestellt. Der beispielhaft dargestellte Drallkörper 6 weist im Wesentlichen eine ringförmige Form auf und es ist eine Mehrzahl von Brennluftkanälen 7 in der Wand des Drallkörpers 6 ausgebildet, über die Brennluft von der Außenseite des Drallkörpers 6 zu der Innenseite des Drallkörpers 6 durchtreten kann. Die Brennluft wird den Brennluftkanälen 7 an der Außenseite des Drallkörpers 6 über eine Brennluftfördervorrichtung zugeführt, wie schematisch durch dicke Pfeile dargestellt ist, strömt durch die Brennluftkanäle 7 und tritt an der Innenseite des Drallkörpers 6 an Brennlufteintritten 8 in die Brennkammer 2 ein. Obwohl bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel vier solche Brennlufteintritte 8 schematisch dargestellt sind, können auch weniger als vier, aber zumindest ein Brennlufteintritt 8, oder mehr als vier Brennlufteintritte 8 vorgesehen sein. Durch die gekrümmte Form der Brennluftkanäle 7, die sich ferner nach innen verjüngen, wird die Brennluft mit einem starken Drall versehen und dabei beschleunigt, wie in 2 schematisch durch dünne Pfeile dargestellt ist.
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Die aus dem Drallkörper 6 an den Brennlufteintritten 8 in die Brennkammer 2 eintretende Brennluft weist somit eine große tangentiale Richtungskomponente, also einen starken Drall, und zumindest auch eine radial einwärts gerichtete Richtungskomponente auf. Es ist eine Brennstoffzuführung 9 vorgesehen, die bezüglich der Hauptströmungsrichtung H rückseitig der Brennlufteintritte 8 an der Seitenwandung 21 mündet. Über die Brennstoffzuführung 9 wird flüssiger Brennstoff, der insbesondere durch Benzin, Diesel, Ethanol oder ähnliches gebildet sein kann, zu der Filmverdampfer-Oberfläche 4 an der Rückwand 3 zugeführt. Obwohl in 1 lediglich eine Brennstoffleitung und ein Brennstoffaustritt zu der Filmverdampfer-Oberfläche 4 als Brennstoffzuführung 9 dargestellt sind, ist es z.B. auch möglich, eine Mehrzahl von Brennstoffleitungen und/oder eine Mehrzahl von Brennstoffaustritten vorzusehen. Der flüssige Brennstoff wird bei dem Ausführungsbeispiel ebenfalls mit einer tangentialen Richtungskomponente, die bevorzugt gleichgerichtet zu dem Drall der zugeführten Brennluft ist, und radial einwärts zugeführt, was z.B. durch eine dementsprechende Ausrichtung des Brennstoffaustritts (oder der Brennstoffaustritte) realisiert sein kann.
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Aufgrund der in der Brennkammer 2 ausgebildeten Drallströmung der Brennluft wird der aus der Brennstoffzuführung 9 austretende Brennstoff an der Rückwand 3 über die Filmverdampfer-Oberfläche 4 verteilt, sodass sich dort ein Brennstofffilm 10 ausbildet, ausgehend von dem der flüssige Brennstoff verdampft bzw. verdunstet. Der Brennstofffilm 10 ist in 1 schematisch durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Aufgrund der Anordnung der Filmverdampfer-Oberfläche 4 rückseitig des Brennlufteintritts 8, an dem die stark verdrallte Brennluft zugeführt wird, breitet sich der Brennstofffilm 10 aus dem flüssigen Brennstoff durch geringe axiale und hohe tangentiale Strömungskomponenten aus und der Temperatureintrag in den flüssigen Brennstoff des Brennstofffilms 10 kann sehr gezielt eingestellt werden.
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In der Brennkammer 2 ist ferner ein Zündelement 11 zum Starten der Umsetzung des Brennstoff-Luft-Gemischs angeordnet, das bei dem schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel z.B. durch einen Glühstift gebildet ist. Obwohl das Zündelement 11 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel von radial außen in die Brennkammer 2 ragt, sind auch andere Anordnungen des Zündelements 11 möglich, insbesondere kann das Zündelement 11 z.B. auch in der axialen Richtung von hinten durch die Rückwand 3 in die Brennkammer 2 ragen. Im Betrieb der Filmverdampfer-Brenneranordnung 1 wird das Brennstoff-Luft-Gemisch in der Brennkammer 2 zunächst mittels des Zündelements 11 entzündet, um die Umsetzung zu starten. Nach der Ausbildung einer stabilen Flamme in der Brennkammer 2 kann das Zündelement 11 dann z.B. abgeschaltet oder in an sich bekannter Weise z.B. auch als Flammwächter zum Überwachen der Flamme eingesetzt werden. Obwohl die Brennkammer 2 bei der dargestellten Ausführungsform für eine Umsetzung des Brennstoff-Luft-Gemischs in einer flammenden Verbrennung ausgebildet ist, ist z.B. auch eine Ausgestaltung für eine Umsetzung in einer teil- oder vollkatalytischen Reaktion grundsätzlich möglich.
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Die sich im Betrieb der Filmverdampfer-Brenneranordnung 1 an der Filmverdampfungs-Oberfläche 4 einstellende Temperatur wird durch die von der Flamme in der Brennkammer 2 eingebrachte Wärmeenergie bestimmt. Diese Wärmeenergie wird dabei konvektiv, über Wärmestrahlung und über Wärmeleitung im Material der Seitenwandung 21 übertragen. Durch geeignete geometrische Auslegung und Materialwahl kann dabei die für eine zuverlässige Verdampfung des flüssigen Brennstoffs im Betrieb der Filmverdampfer-Brenneranordnung 1 optimale Temperatur eingestellt werden. Erfahrungsgemäß ist bei sehr niedrigen Temperaturen unterhalb des Siedebeginns des Brennstoffs oder bei sehr hohen Temperaturen oberhalb des Siedeendes eine Verdampfung bzw. Verdunstung im Wesentlichen ohne Bildung von Ablagerungen möglich. Zusätzlich tritt durch die starke Durchmischung des Brennstofffilms 10 ein „Abwaschen“ beginnender Ablagerungsbildung an der Rückwand 3 auf, sodass ein Betrieb der Filmverdampfer-Brenneranordnung 1 zumindest im Wesentlichen ohne Ablagerungen aus dem Brennstoff ermöglicht ist.
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Wie in 1 schematisch dargestellt ist, ist die Brennkammer 2 mit einem zumindest im Wesentlichen freien Strömungsquerschnitt frei von Einschnürungen oder Verengungen ausgebildet, damit sich die Strömungen der Gase in der Brennkammer 2 in der gewünschten Weise einstellen können.
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Es wurde somit eine Filmverdampfer-Brenneranordnung 1 beschrieben, die konstruktiv einfach und kostengünstig herstellbar ist. Da kein zusätzliches poröses Verdampferelement vorgesehen ist, sind mit einem solchen Verdampferelement einhergehende Probleme zuverlässig vermieden. Aufgrund der robusten Ausgestaltung besteht eine relativ große Unempfindlichkeit gegenüber Bauteiltoleranzen, was sich ebenfalls positiv auf die Herstellkosten auswirkt. Es werden eine verringerte Ablagerungsbildung und damit eine hohe Lebensdauer, niedrige Emissionen sowie eine große Unempfindlichkeit gegenüber groben Brennstoffverunreinigungen erreicht. Die nutzbare Verdampfungsfläche ist variabel, sodass eine große Bandbreite an verschiedenen Heizleistungen bereitgestellt werden kann und eine große Zahl verschiedener flüssiger Brennstoffe zum Einsatz kommen kann. Ferner ist die erforderliche elektrische Leistungsaufnahme für die Brennluftzuführung gering und eine Qualm- und Geruchsbildung beim Starten und Ausbrennen der Filmverdampfer-Brenneranordnung 1 ist gegenüber Verdampferbrennern mit porösen Verdampferelementen stark verringert.
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ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORM
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Eine zweite Ausführungsform wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. Zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen werden bei der Beschreibung der zweiten Ausführungsform für die entsprechenden Komponenten der Filmverdampfer-Brenneranordnung 100 gemäß der zweiten Ausführungsform dieselben Bezugszeichen wie bei der zuvor beschriebenen ersten Ausführungsform verwendet. Ferner werden im Folgenden nur die Unterschiede zu der zuvor beschriebenen ersten Ausführungsform eingehender beschrieben.
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Die in 3 schematisch dargestellte Filmverdampfer-Brenneranordnung 100 gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich darin von der zuvor beschriebenen ersten Ausführungsform, dass die Brennkammeranordnung neben der Brennkammer 2 auch eine dieser strömungstechnisch vorgeordnete Vorverdampfungskammer 12 zum Aufbereiten des Brennstoff-Luft-Gemischs vor dessen Eintritt in die Brennkammer 2 aufweist, wie im Folgenden noch eingehender beschrieben wird. Ferner ist die Rückwand 3 der Brennkammeranordnung, an der die Filmverdampfer-Oberfläche 4 ausgebildet ist, bei der zweiten Ausführungsform nicht eben ausgebildet, sondern weist auf der der Brennkammer 2 zugewandten Seite eine konkav ausgebildete Form auf, bei dem konkret dargestellten Beispiel eine im Wesentlichen konische Form. Die Rückwand 3 der Brennkammeranordnung und die Filmverdampfer-Oberfläche 4 sind bei der zweiten Ausführungsform jedoch nicht in der Brennkammer 2 angeordnet, in der eine Umsetzung des Brennstoff-Luft-Gemischs unter Freisetzung von Wärme erfolgt, sondern in der dieser strömungstechnisch vorgeordneten Vorverdampfungskammer 12, sodass die Rückwand 3 der Brennkammeranordnung die Rückwand der Vorverdampfungskammer 12 bildet. Ferner ist das Zündelement 11 bei der zweiten Ausführungsform derart angeordnet, dass es axial durch die Rückwand 3 der Brennkammeranordnung hindurch bis in die Brennkammer 2 ragt. Es ist aber z.B. in einer Alternative auch möglich, das Zündelement 11 anders anzuordnen, insbesondere derart, dass es radial von außen in die Brennkammer 2 ragt, wie bei der zuvor beschriebenen ersten Ausführungsform.
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Bei der Filmverdampfer-Brenneranordnung 100 gemäß der zweiten Ausführungsform ist die Vorverdampfungskammer 12 durch eine von der umlaufenden Seitenwandung 21 nach innen ragende Trennwand 13 von der Brennkammer 2 getrennt. Bei dem schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Trennwand 13 ausgehend von der Seitenwandung 21 radial einwärts und bezüglich der Hauptströmungsrichtung H axial nach hinten. Die Trennwand 13 erstreckt sich jedoch nicht über den gesamten Querschnitt der Brennkammeranordnung, sondern es ist eine zentrale Öffnung 14 vorgesehen, über die das in der Vorverdampfungskammer 12 aufbereitete Brennstoff-Luft-Gemisch von der Vorverdampfungskammer 12 in die Brennkammer 2 eintreten kann. Bei dem dargestellten Beispiel ist die zentrale Öffnung 14 im Wesentlichen koaxial zu der Längsachse Z angeordnet und weist einen im Wesentlichen kreisrunden Querschnitt auf, es sind jedoch grundsätzlich auch andere Formen möglich. Die Trennwand 13 kann z.B. aus demselben Material wie die Seitenwandung 21 gebildet sein, insbesondere hochtemperaturbeständigem Stahl.
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Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform sind die Brennlufteintritte 8, an denen die Brennluft mit einer tangentialen Strömungskomponente und zumindest auch einer radialen Strömungskomponente aus dem Drallkörper 6 austritt, bei der Filmverdampfer-Brenneranordnung 100 gemäß der zweiten Ausführungsform jedoch nicht im Bereich der Brennkammer 2 angeordnet, sondern im Bereich der Vorverdampfungskammer 12. Folglich wird die Brennluft mit der tangentialen Strömungskomponente von radial außen der Vorverdampfungskammer 12 zugeführt. Auch bei der zweiten Ausführungsform ist die Filmverdampfer-Oberfläche 4 rückseitig der Brennlufteintritte 8 angeordnet. Obwohl auch in 3 eine Mehrzahl von Brennlufteintritten 8 schematisch gezeigt ist, weist die Filmverdampfer-Brenneranordnung 100 wiederum zumindest einen Brennlufteintritt 8 auf. Die Brennstoffzuführung 9 führt den flüssigen Brennstoff rückseitig der Brennlufteintritte 8 von radial außen zu der Filmverdampfer-Oberfläche 4 zu. Zumindest die Mündung der Brennstoffzuführung 9 ist dabei bevorzugt so angeordnet, dass der flüssige Brennstoff mit einer tangentialen Richtungskomponente eingebracht wird, die der Drallrichtung der zugeführten Brennluft entspricht.
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Durch den starken Drall der zu der Vorverdampfungskammer 12 zugeführten Brennluft und die Oberflächenkräfte zwischen der Rückwand 3 und dem flüssigen Brennstoff, wird der zugeführte flüssige Brennstoff zumindest teilweise radial an der Filmverdampfer-Oberfläche 4 zu einem Brennstofffilm 10 verteilt, wie in 3 schematisch durch gestrichelte Linien dargestellt ist.
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Im Betrieb der Filmverdampfer-Brenneranordnung 100 erhitzt sich die Trennwand 13, die die Vorverdampfungskammer 12 von der Brennkammer 2 trennt derart, dass der an der Filmverdampfer-Oberfläche 4 ausgebildete Brennstofffilm 10 hauptsächlich über Wärmestrahlung aufgeheizt und verdampft bzw. verdunstet wird. Das in der Vorverdampfungskammer 12 aufbereitete Brennstoff-Luft-Gemisch gelangt über die zentrale Öffnung 14 in die Brennkammer 2, in der es unter Freisetzung von Wärme, z.B. in einer flammenden Verbrennung, umgesetzt wird. Durch den hohen Drall des über die Öffnung 14 zugeführten Brennstoff-Luft-Gemischs und sich deshalb in der Brennkammer 2 einem zentralen Bereich an der Längsachse Z einstellende Rückströmungen stabilisiert sich die Flamme in der Brennkammer 2 dabei selbst. Da die Brennkammer 2 mit einem im Wesentlichen freien Strömungsquerschnitt frei von Einschnürungen und Verengungen ausgebildet ist, können sich die Strömungsverhältnisse in der Brennkammer 2 vorteilhaft ausbilden.
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Durch die konkav bzw. konisch nach hinten zulaufende Rückwand 3 in Verbindung mit der sich radial nach innen und axial nach hinten erstreckenden Trennwand 13 können die auf den Brennstofffilm 10 wirkenden Fliehkräfte in einfacher Weise über die Wahl der genauen Form der Rückwand 3 eingestellt werden, sodass sichergestellt werden kann, dass der flüssige Brennstoff sich an der Filmverdampfer-Oberfläche 4 weder zu schnell radial nach innen verteilt, noch zu lange im radial äußeren Bereich verbleibt.
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Bevorzugt kann der Wärmeaustausch über Wärmeleitung zwischen der Brennkammer 2 und der Vorverdampfungskammer 12 minimiert werden, was z.B. durch geeignete Wahl der Materialien mit niedrigen Wärmeleitkoeffizienten, verringerte Kontaktflächen und konstruktive Barrieren technisch einfach realisierbar ist. In dieser Weise ist es möglich, die Rückwand 3 im Betrieb der Filmverdampfer-Brenneranordnung 100 auf niedrigen Temperaturen zu halten und den Brennstofffilm 10 überwiegend durch Wärmestrahlung aufzuheizen und zu verdunsten bzw. zu verdampfen.
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Mit der in 3 schematisch dargestellten axialen Anordnung des Zündelements 11 ist es ferner möglich, insbesondere wenn das Zündelement 11 als ein keramischer Glühstift ausgebildet ist, bei einem Starten des Betriebs der Filmverdampfer-Brenneranordnung 100 den Brennstofffilm 10 gleichmäßig aufzuheizen.
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Neben den bereits in Bezug auf die erste Ausführungsform beschriebenen Vorteilen, ermöglicht die Ausgestaltung gemäß der zweiten Ausführungsform aufgrund der Aufbereitung des Brennstoff-Luft-Gemischs in der Vorverdampfungskammer 12 vor dem Eintritt in die Brennkammer 2 einen besonders emissionsarmen Betrieb.
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DRITTE AUSFÜHRUNGSFORM
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Eine dritte Ausführungsform wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 4 beschrieben. Zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen werden bei der Beschreibung der zweiten Ausführungsform für die entsprechenden Komponenten der Filmverdampfer-Brenneranordnung 200 gemäß der dritten Ausführungsform dieselben Bezugszeichen wie bei der zuvor beschriebenen ersten Ausführungsform verwendet. Ferner werden im Folgenden nur die Unterschiede zu der zuvor beschriebenen ersten Ausführungsform eingehender beschrieben.
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Die in 4 schematisch dargestellte Filmverdampfer-Brenneranordnung 200 gemäß der dritten Ausführungsform unterscheidet sich darin von der zuvor beschriebenen ersten Ausführungsform, dass die Zuführung der Brennluft zu der Brennkammeranordnung nicht radial von außen an der Seitenwandung 21 erfolgt, sondern die Brennluft mit der tangentialen Strömungskomponente im Wesentlichen in axialer Richtung zu der Brennkammeranordnung zugeführt wird. Die Filmverdampfer-Oberfläche 4 ist an einer rückversetzten Rückwand 3 der Brennkammeranordnung angeordnet.
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Obwohl in Bezug auf die Ausführungsformen jeweils beschrieben wurde, dass die gesamte Brennluft über den Drallkörper 6 zugeführt wird, sind auch Abwandlungen möglich, bei denen nur ein Teil der Brennluft über den Drallkörper zugeführt wird und die restliche Brennluft z.B. an einer anderen Stelle zu der Brennkammeranordnung zugeführt wird.
