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Die
Erfindung betrifft einen Brenner für ein Heizgerät, insbesondere
ein mobiles Heizgerät,
mit einer Brennstoffdüse,
die ein Venturirohr mit einer inneren Mantelfläche aufweist, wobei die Mantelfläche einen
sich trichterförmig
verengenden Einströmabschnitt
für Brennluft,
einen sich anschließenden
verengten Düsenabschnitt
und einen sich weiter anschließenden,
sich trichterförmig
weitenden Ausströmabschnitt
umfasst, und einer Brennstoffzuführeinrichtung,
die mindestens einen Kanal zum Ausbringen von flüssigem Brennstoff in die Brennstoffdüse umfasst.
Ferner betrifft die Erfindung ein Heizgerät, insbesondere für mobile
Anwendungen, mit einem derartigen Brenner, die Verwendung eines
entsprechenden Heizgerätes
in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, sowie ein
Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes, insbesondere für mobile
Anwendungen, mit den Schritten: Zerstäuben von flüssigem Brennstoff an einer
Brennstoffdüse, die
ein Venturirohr mit einer inneren Mantelfläche aufweist, wobei die Mantelfläche einen
sich trichterförmig
verengenden Einströmabschnitt
für Brennluft, einen
sich anschließenden
verengten Düsenabschnitt
und einen sich weiter anschließenden,
sich trichterförmig
weitenden Ausströmabschnitt
umfasst, und Zuführen
von flüssigem
Brennstoff durch eine Brennstoffzuführeinrichtung, die mindestens
einen Kanal zum Ausbringen von flüssigem Brennstoff in die Brennstoffdüse umfasst.
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Heizgeräte der eingangs
genannten Art werden als Wasser- oder Luftheizgeräte insbesondere bei
Kraftfahrzeugen, wie PKW oder LKW, verwendet, um das Kühlwasser
eines Motors des Kraftfahrzeuges vorzuwärmen oder einen Innenraum des
Fahrzeugs zu heizen. Die Heizgeräte
werden dabei als Zuheizer oder als Standheizgeräte ausgebildet.
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Für derartige
Heizgeräte
sind heute drei grundsätzlich
verschiedene Arten von Brennern bekannt, die hinsichtlich ihrer
Art der Brennstoffaufbereitung innerhalb des Brenners unterschieden
werden:
- 1. Verdampferbrenner: Wesentliches
Merkmal eines Verdampferbrenners ist es, dass ein flüssiger Brennstoff
in ein Verdampfermaterial (in der Regel Keramik- oder Metallfasermaterial) eingebracht wird.
In dem Verdampfermaterial wird der Brennstoff verdampft und tritt
dann als Brennstoffdampf in eine Brennkammer des Verdampferbrenners aus.
Das Verdampfermaterial dient bei dem Vorgang zugleich als Speicher
für flüssigen Brennstoff;
- 2. Rotationszerstäuber:
Bei einem Rotationszerstäuber
wird flüssiger
Brennstoff auf eine rotierende Scheibe aufgebracht, auf der er infolge
von Fliehkraft als dünner
Film radial nach außen strömt und in
Form von Lamellen vom Scheibenrand abreist. Die Lamellen zerteilen
sich anschließend
in einzelne Tröpfchen;
und
- 3. Venturibrenner: Ein Venturibrenner besitzt ein Venturirohr,
in dem zugeführte
Brennluft stark beschleunigt wird. Flüssiger Brennstoff wird im Bereich
der größten Strömungsgeschwindigkeit – also im
Bereich des Düsenabschnitts
des Venturirohres drucklos als Brennstoffstrahl zugeführt. Infolge
des Geschwindigkeitsunterschiedes zwischen zugeführter Brennluft und Brennstoff
wird der Brennstoffstrahl innerhalb der Brennluft in Tröpfchen zerrissen.
Es entsteht ein Brennstoffspray, dass in der nachfolgenden Brennkammer verbrannt
wird.
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Bei
Verdampferbrennern und Rotationszerstäuberbrennern sind die langen
Startzeiten, die stark verschleißenden Teile (Rotationsscheibe
und Verdampfermaterial) sowie die vergleichsweise hohen Herstellungskosten
nachteilig.
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Ein
Venturibrenner ist für
flüssige
Brennstoffe mit einem verhältnismäßig niedrigem
Siedepunkt wenig geeignet.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Heizgerät der eingangs
genannten Art bereitzustellen, dessen Brenner vergleichsweise kostengünstig hergestellt
werden kann, wartungsarm ist und zugleich hervorragende Brennwerte
insbesondere bei Brennstoffen mit niedrigem Siedepunkt aufweist.
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Erfindungsgemäße Lösung
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Diese
Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einem
eingangs genannten Brenner gelöst,
bei dem der mindestens eine Kanal in unmittelbarer Nähe der Mantelfläche am Einströmabschnitt
für Brennluft mündet und
der flüssige
Brennstoff an dem sich trichterförmig
verengenden Einströmabschnitt
auf der Mantelfläche
ausgebracht wird. Ferner ist die Aufgabe mit einem Heizgerät gelöst, das
mit einem derartigen erfindungsgemäßen Brenner versehen ist, durch Verwendung
eines erfindungsgemäßen Heizgerätes in einem
Fahrzeug und durch ein eingangs beschriebenes Verfahren bei dem
der flüssige
Brennstoff in unmittelbarer Nähe
der Mantelfläche
am Einströmabschnitt
des Venturirohres an dem sich trichterförmig verengenden Einströmabschnitt
auf der Mantelfläche
ausgebracht wird.
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Die
Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass ein Venturibrenner grundsätzlich für das Verbrennen
von Brennstoffen mit vergleichsweise niedrigem Siedpunkt durchaus
geeignet ist, dass aber mit dem Zerstäuben des Brennstoffs bei einem
herkömmlichen
Venturibrenner unverzüglich
die Verdampfung und Verbrennung einsetzt. Durch die spontane Verdampfung
und Verbrennung ist keine ausreichend homogene Vermischung von Brennluft und
Brennstoff möglich.
Die Verbrennung ist daher lokal stark unterstöchiometrisch, was zu schlechten Bruttoemissionswerten
führt.
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Erfindungsgemäß wird zwar
weiterhin ein Venturirohr als Brennstoffdüse genutzt, jedoch wird in dem
Venturirohr der Brennstoff nicht zerstäubt sondern gezielt auf die
Innenwand bzw. Mantelfläche
des Venturirohres aufgebracht. Der Brennstoff wird insbesondere
im Einströmbereich
für Brennluft
auf der Mantelfläche
ausgebracht, wo er sich über
die Innenwand bzw. Mantelfläche
als dünner
Film auf einer großen
Oberfläche
verteilt (Prinzip einer Prefilming-Düse). Der verteilte Brennstoff
wird von der zugeführten
Brennluft vergleichsweise langsam und homogen abgeführt, wobei
die Vermischung von Brennluft und Brennstoff wesentlich homogener
wird.
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Darüber hinaus
kühlt der
verdampfende Brennstoff die Mantelfläche des Venturirohres und auch
weiterer Bauteile in dessen Umgebung. Mit der Kühlung ergeben sich zwei Vorteile:
- 1. Die Temperaturbelastung der Bauteile ist
wesentlich geringer, so dass Werkstoffe mit einer geringeren Warmfestigkeit
verwendet werden können.
- 2. Durch die geringere Bauteiltemperatur wird die Verdampfung
des Brennstoffs verzögert.
Dieser Zeitverzug kann für
eine gute Vermischung von Brennstoff und Brennluft genutzt werden.
Die Emissionswerte des erfindungsgemäßen Brenners sind aus diesem
Grund im Vergleich mit bekannten Venturi-Brennern, deren Düse als Zerstäuberbrenner
arbeitet, wesentlich besser.
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Bei
einem Brenner mit "Venturidüse als Zerstäuber" besteht prinzipiell
stets die Gefahr, dass Brennstofftröpfchen die Verbrennungszone
verlassen, ohne dass sie verbrannt wurden. Dies führt unter Umständen zu
einer hohen HC-Emission und gegebenenfalls zur Bildung von Ruß sowie
Ablagerungen in einem Wärmeübertrager
des zugehörigen
Heizgerätes.
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Beim
erfindungsgemäßen Brenner
mit "Venturidüse als Prefilming-Düse" entstehen keine
freiliegenden Brennstofftröpfchen,
die HC- und Rußemission
ist daher erfindungsgemäß vergleichsweise
gering.
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Der
erfindungsgemäße Brenner
besitzt auch keine bewegten mechanischen Teile (wie ein Rotationszerstäuberbrenner)
oder Verschleißteile
(wie ein Verdampferbrenner).
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der mindestens
eine Kanal in einem Röhrchen
bzw. einer Brennstoffnadel ausgebildet, das/die sich koaxial zum
Venturirohr erstreckt und in unmittelbarer Nähe der Mantelfläche am Einströmabschnitt für Brennluft
mündet.
Der Einströmabschnitt
bzw. Düseneinlauf
ist vorteilhaft kegelförmig
gestaltet, wobei durch eine entsprechende Anpassung des Kegelwinkels
die Brennstoffverteilung auf der Mantelfläche des Einströmabschnitts
hinsichtlich einer axialen und tangentialen Strömungskomponente optimiert werden
kann. Der Spalt zwischen der Mündung
des Röhrchens
und der Mantelfläche
ist bei diesem Ausführungsbeispiel
vorteilhaft minimiert bzw. besonders klein ausgebildet.
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Alternativ
oder zusätzlich
ist es vorteilhaft, wenn der mindestens eine Kanal sich tangential
zum Venturirohr erstreckt und durch die Mantelfläche hindurch in den Einströmabschnitt
für Brennluft
mündet. Für diese
Weiterbildung kann das Venturirohr beispielsweise im Einströmabschnitt
mit einer tangentialen Bohrung versehen sein, durch die hindurch Brennstoff
direkt auf die Mantelfläche
ausgebracht wird.
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Hinsichtlich
einer gleichmäßigen Verteilung und
nachfolgenden Abdampfung des flüssigen Brennstoffs
an der Mantelfläche
des Venturirohres ist es insbesondere vorteilhaft, wenn der flüssige Brennstoff
am radial äußeren Bereich
des sich trichterförmig
verengenden Einströmabschnitts
für Brennluft zugeführt wird.
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Schließlich ist
bei dem erfindungsgemäßen Brenner
auch vorteilhaft im Zentrum des Venturirohres ausreichend Raum vorhanden,
um dort eine Zündeinrichtung,
insbesondere einen Glühstift und/oder
Flammwächter
auszubilden, die in Längsrichtung
des Venturirohres ausgerichtet in dessen Zentrum am Einströmabschnitt
für Brennluft
angeordnet sein kann. Die Zündeinrichtung
arbeitet dann in unmittelbarer örtlicher
Nähe zum
Ausbringungsort des flüssigen
Brennstoffs, wärmt
das Venturirohr vor und wird selbst von der heranströmenden Brennluft gleichmäßig gekühlt.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele eines
erfindungsgemäßen Brenners
anhand der beigefügten
schematischen Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigt:
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1 einen stark vereinfachten
Längsschnitt
eines erfindungsgemäßen Brenners
zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Wirkprinzips,
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2 einen Längsschnitt
eines ersten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Brenners,
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3 einen Längsschnitt
eines zweiten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Brenners,
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4a und 4b einen Längsschnitt und einen Querschnitt
eines dritten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Brenners.
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Detaillierte
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist das Grundprinzip des
erfindungsgemäßen Brenners 10 veranschaulicht.
Der Brenner 10 ist mit einer Brennstoffdüse 12 ausgebildet,
deren wesentliches Bauelement ein Venturirohr 14 ist, welches
sich entlang einer Längsachse 16 der
Brennstoffdüse 12 erstreckt.
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Das
Venturirohr 14 ist ein rotationssymmetrisches, zylindrisches
Rohr, das an seinen beiden gegenüberliegenden
Endbereichen trichterförmig
gestaltet ist. Das Venturirohr 14 hat daher eine innere Mantelfläche 18 mit
einem sich trichterförmig
verengenden Einströmabschnitt 20 für Brennluft,
mit einem sich daran anschließenden
Düsenabschnitt 22 und einem
sich weiter anschließenden,
sich trichterförmig aufweitenden
Ausströmabschnitt 24.
Der Düsenabschnitt 22 weist
im Vergleich zum Einströmabschnitt 20 und
Ausströmabschnitt 24 den
kleinsten Strömungsquerschnitt
auf, so dass Brennluft, welche durch das Venturirohr 14 strömt, in dem
Düsenabschnitt 22 ihre
größte Strömungsgeschwindigkeit
annimmt.
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Die
Erfindung sieht vor, dass in das Venturirohr 14 flüssiger Brennstoff
im Bereich des Einströmabschnitts 20 unmittelbar
auf die Mantelfläche 18 aufgebracht
wird und sich dort als dünner
Brennstofffilm 28 verteilt. Ferner wird erfindungsgemäß der Brennstoffdüse 12 vorteilhaft
ein verdrallter Brennluftstrom 26 auf der Seite des Einstromabschnitts 20 zugeführt. Mit
dem Brennluftstrom 26 wird der Brennstofffilm 28 über den
Düsenabschnitt 22 und
den Ausströmabschnitt 24 hin
verteilt. Der Brennstoff wird auf der Mantelfläche 18 dünn verteilt
und verdampft von dieser. Der Brennstoff wird dabei mit der herangeführten Brennluft
besonders gleichmäßig vermischt, so
dass insgesamt eine hohe Verbrennungsgüte mit besonders geringen Emissionswerten
erzielt werden kann.
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In 2 ist an einem Brenner 10 ein
Ausführungsbeispiel
einer Brennstoffzuführeinrichtung 30 und
einer Brennluftzuführeinrichtung 32 veranschaulicht,
mit denen der flüssige
Brennstoff unmittelbar auf die Mantelfläche 18 am Einströmabschnitt 20 aufgebracht
werden kann. Die Brennstoffzuführeinrichtung 30 gemäß 1 umfasst einen Brennstoffkanal 34,
der in Gestalt einer Brennstoffnadel außermittig und koaxial zur Längsachse 16 ausgerichtet
ist. Ferner sind mehrere sich im wesentlichen schräg radial erstreckende
Brennluftkanäle 36 an
dem bezogen auf 2 linken
Ende des Venturirohres 14 angeordnet, mittels denen der
verdrallte Brennluftstrom 26 erzeugt wird.
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Bei
dem Brenner 10 gemäß 2 sind die Brennstoffaustrittsgeschwindigkeit
an dem Brennstoffkanal 34 und die Strömungsgeschwindigkeit der Brennluft
in den Brennluftkanälen 36 derart
aufeinander abgestimmt, dass der zugeführte flüssige Brennstoff nicht von
der zugeführten
Brennluft fortgetragen wird, sondern eine Benetzung der Mantelfläche 18 im Bereich
des Einströmabschnitts 20 erfolgt.
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Der
Querschnitt des Venturirohres 14 verringert sich in Strömungsrichtung
der Brennluft in das Venturirohr 14 hinein bis zum Düsenabschnitt 22. Durch
die Querschnittsverringerung steigt die Strömungsgeschwindigkeit der Brennluft
stark an. Ferner legt sich durch die Verjüngung die Strömung an
die Mantelfläche 18 an.
Mit dem derart geleiteten Brennluftstrom ist ein optimaler Transport
und eine hervorragende Verteilung des Brennstoffs auf der Mantelfläche 18 sichergestellt.
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Der
gleichmäßig verteilte
Brennstoff verdampft daher besonders homogen innerhalb der Brennstoffdüse 12.
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In 3 ist eine Variante mit
einer Brennstoffzuführeinrichtung 30 dargestellt,
die mittels eines außermittig
angeordneten Brennstoffkanals 34 ausgebildet ist, der in
Längsrichtung
ausgerichtet ist und am radial äußeren Ende
des Einstromabschnitts 20 in den Brennluftkanal 34 hinein
mündet.
Die Mündung
des Brennstoffkanals 34 ist dabei durch nur einen kleinen
Spalt von der Mantelfläche 18 beabstandet.
Brennstoff, der durch den Brennstoffkanal 34 gemäß 3 ausgebracht wird, gelangt
daher unmittelbar auf die Mantelfläche 18 und verteilt
sich dort gleichmäßig, um
nachfolgend von der Mantelfläche 18 zu
verdampfen.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 3 (siehe auch 4a) ist im Einströmabschnitt 20 ein zentraler
Bereich 38 in Gestalt eines Kegelstumpfes ausgebildet,
mit dem der sich verengende Einströmabschnitt in der Mitte im
Wesentlichen gefüllt ist,
so dass eine ringförmiger
Kanal zum Zuführen
der Brennluft verbleibt. In dem zentralen Bereich 38 kann ein
nicht dargestellter Glühstift
oder Flammwächter angeordnet
sein, der sich entlang der Längsachse 16 erstreckt
und in den Düsenabschnitt 22 des
Venturirohres 14 hineinragt.
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In
den 4a und 4b ist ein Ausführungsbeispiel
eines Brenners 10 veranschaulicht, das im Wesentlichen ähnlich aufgebaut
ist, wie die Brenner 10 gemäß den 2 und 3.
Der einzige wesentliche Unterschied dieses weiteren Ausführungsbeispiels
liegt darin, dass der Brennstoffkanal 34 am Einströmabschnitt 20 des
Venturirohres 14 tangential zur Mantelfläche 18 ausgerichtet
ist, das Venturirohr 14 durchsetzt (siehe 4b) und in der Mantelfläche 18 mündet.
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Abschließend sei
angemerkt, dass sämtlichen
Merkmalen, die in den Anmeldungsunterlagen und insbesondere in den
abhängigen
Ansprüchen genannt
sind, trotz des vorgenommenen formalen Rückbezugs auf einen oder mehrere
bestimmte Ansprüche,
auch einzeln oder in beliebiger Kombination eigenständiger Schutz
zukommen soll.
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- 10
- Brenner
- 12
- Brennstoffdüse
- 14
- Venturirohr
- 16
- Längsachse
- 18
- Mantelfläche
- 20
- Einströmabschnitt
- 22
- Düsenabschnitt
- 24
- Ausströmabschnitt
- 26
- verdrallter
Brennluftstrom
- 28
- Brennstofffilm
- 30
- Brennstoffzuführeinrichtung
- 32
- Brennluftzuführeinrichtung
- 34
- Brennstoffkanal
- 36
- Brennluftkanal
- 38
- zentraler
Bereich