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Verbrennungsvorrichtung für flüssige Brennstoffe Die Erfindung betrifft
eine Verbrennungsvorrichtung für flüssige Brennstoffe mit einer zylindrischen, an
einer Seite durch einen Boden abgeschlossenen Wirbelkammer, die auf ihrer anderen
Seite in eine gleichachsig zur Wirbelkammer liegende zylindrische Verbrennungskammer
mündet, und die auf dem Zylindermantel der Wirbelkammer angeordnete, tangential
einmündende Lufteinlaßschlitze sowie eine die Wirbelkammer konzentrisch umgebende
Luftzufuhrkammer aufweist.
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Es ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Verbrennen verschiedener
Brennstoffe, z. B. Öl, Gas und Kohlenstaub, bekannt, bei der ein Wirbel, z. B. durch
Einleiten der Verbrennungsluft mit verhältnismäßig hoher Geschwindigkeit zwischen
tangential angeordneten Schaufeln in eine offene, ringförmige oder zylindrische
Wirbelkammer unter Druck, erzeugt wird. Die Richtung der Luftströme bewirkt eine
Wirbelströmung, die durch die auf die Luftteilchen wirkenden Fliehkräfte eine Wirbelsenke
erzeugt. Der Brennstoff wird durch etwa mittig am offenen Ende der Wirbelkammer
angeordnete Brennstoffdüsen eingeleitet und durch die aus der Wirbelkammer austretende
Luft gründlich zerstäubt bzw. vergleichmäßigt.
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Eine gründliche Vermischung hat bei verschiedenen flüssigen Brennstoffen
eine besondere Bedeutung für die Verbrennung. Die Flüssigkeitsteilchen, die sich
mit einer etwas geringeren Geschwindigkeit als die der Luft bewegen, sind in der
schraubenförmig verlaufenden Strömung einer gleichbleibenden Scherwirkung unterworfen,
wenn sie durch die Luftschichten laufen, die sich mit einer unterschiedlichen, sich
mit dem Abstand von der Mittelachse ändernden Geschwindigkeit drehen. Da die größten
Brennstoffteilchen nach außen in den Bereich der Schaufeln streben, werden sie durch
die eintretende Luft, die der Fliehkraftwirkung entgegenwirkt, weiter zerkleinert.
Dabei lassen sich Brennstoffteilchen unterhalb 0,020 mm erzielen, und das sich ergebende
Brennstoff-Luft-Gemisch, das als Spiralstrom mit hoher Geschwindigkeit an die Brennkammer
abgegeben wird, ermöglicht an sich eine wirksame Verbrennung.
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Um aber eine besonders wirkungsvolle Verbrennung sicherzustellen,
muß die Wirbelbewegung des Brennstoff-Luft-Gemisches möglichst lange aufrechterhalten
werden.
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Es ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe zur Erzielung einer
besonders innigen Durchmischung von flüssigem Brennstoff und Luft, die Wirbelströmung
so stark zu erhöhen, daß die Drehung des Brennstoff-Luft-Gemisches bis weit in die
Verbrennungskammer aufrechterhalten wird.
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Wenn die Wirbelströmung in der Wirbelkammer durch eine Geschwindigkeit
der eintretenden Luft von 15 bis 4.5 m je Sekunde erzeugt wird und wenn nur ein
Teil der Wirbelkammeröffnung zur Gemischabführung dient, während in der Wirbelsenke
sich eine aus dem partiellen Vakuum ergebende, unter niedrigem Druck stehende Einlaßzone
ausbildet, erfolgt der Gemischabstrom aus der Wirbelkammer bei einer Geschwindigkeit,
die um ein Mehrfaches größer als die der eintretenden Luft ist.
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Die stark erhöhte Temperatur in der Verbrennungskammer bewirkt eine
starke Volumenvergrößerung des Brennstoff-Luft-Gemisches. Die Verbrennungskammer
weist daher ein entsprechend größeres Volumen auf, um die Geschwindigkeit des in
die Verbrennungskammer eintretenden Gemisches aufrechtzuerhalten. Deshalb werden
erfindungsgemäß die Abmessungen der Verbrennungskammer und ihre Form so bestimmt,
daß sich eine gleichmäßige, geschlossene und dichte Flamme ausbildet, die ebenfalls
wirbelförmig verläuft. Die Flamme erscheint dabei ringförmig einen hohlen Kern zu
umgeben, der, wie die Wirbelsenke in der Wirbelkammer, aus einer Zone verminderten
Druckes besteht. Die Flamme bildet also ebenfalls eine Wirbelsenke.
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Zusätzlich bewirkt die durch die Brennerausbildung nach der Erfindung
erreichte hohe Geschwindigkeit und vertikale Säulenform des Brennstoff-Luft-Gemisches
eine Wirbelbildung, die eine Primärverbrennung ebenso wie den Weiterbrand und die
Stabilität der Flammenausbildung sicherstellt.
Die Wirbelbildung
in der Verbrennungskammer zeigt sich deutlich durch das Hereinziehen der Flamme
in den mittleren Kern, und dies bewirkt eine überführung heißer Brenngase aus der
Verbrennungskammer nach unten in das eintretende Brennstoff-Luft-Gemisch, das auf
diese Weise durch Konvektion und Strahlung vorgewärmt wird. Es findet dabei eine
Rückführung des Brennstoffes in die Flammenfläche statt, die nicht nur eine Wiederentzündung
jedes aus dem heißesten Teil der Flamme ausgetretenen Teilchens bewirkt, sondern
ebenso eine außergewöhnliche Flammenstabilisierung sicherstellt und die Neigung
unverbrannter Teilchen an der Wand der Verbrennungskammer zu verkohlen vermindert.
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Ein weiterer wichtiger Vorteil der wirbelförmigen Verbrennung besteht
in der Geschlossenheit der Flamme. Da das Brennstoff-Luft-Gemisch im wesentlichen
tangential strömt und dabei der Strom durch die ringförmige Ausbildung der Verbrennungskammer
begrenzt wird, wird der Brennstoff nicht aus der Suspension herausgesaugt, und es
wird eine sehr innige Verbrennung in einem verhältnismäßig kurzen Stück der Verbrennungskammer
erreicht. Bei manchen Anlagen ist dies von außerordentlicher Bedeutung, da ein Nachbrennen
und ein Flammenaufprall, wie sie bei bekannten Brennern durch Verminderung der Wirbelung
in der Brennkammer auftreten, sich im allgemeinen nachteilig auswirken. Im vorliegenden
Fall werden diese nachteiligen Eigenschaften vollständig vermieden. Daß die Verbrennung
im wesentlichen vollständig ist, wird durch die CO.-Analyse bewiesen, die 15% C02
in den Verbrennungsprodukten zeigt.
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Die Erfindung ist also auf die Ausbildung einer Verbrennungsvorrichtung
gerichtet, in deren Wirbelkammer durch eine Brennstoff-Luft-Mischvorrichtung eine
aus einem schraubenförmigen Wirbel bestehende hohle Säule eines innigen Brennstoff-Luft-Gemisches
mit hoher Geschwindigkeit aufgegeben wird. Dadurch werden zwei Flammenfronten gebildet,
wobei im Außenwirbel die Primärverbrennung mit verminderter Luftzuführung erfolgt,
wogegen die Nachverbrennung und Stabilisierung durch weitere Luftzuführung in die
Flammenzone durch die Umwälzung in der Wirbelsenke erreicht werden. Gleichzeitig
übt der innere Wirbel eine Zugwirkung in die Flamme aus und bewirkt eine Rückführung
des Brennstoffes und die Erzeugung einer innigen Verbrennung.
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Diese Vorteile werden erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Verbrennungsluft
ausschließlich durch die tangentialen Lufteinlaßschlitze der Wirbelkammer zugeführt
wird, und daß der Innendurchmesser der Wirbelkammer das 0,25- bis 0,67fache des
Durchmessers der Verbrennungskammer und die Länge der Verbrennungskammer das 0,8-
bis 1,5fache des Durchmessers der Verbrennungskammer betragen.
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An Hand der Zeichnung, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
darstellt, soll die Erfindung im folgenden näher erläutert werden. Die Zeichnung
zeigt einen Vertikalschnitt durch die Verbrennungsvorrichtung mit Wirbelkammer und
Verbrennungskammer. Die Verbrennungsvorrichtung für flüssige Brennstoffe eignet
sich zum Einbau in einen Ofen, Kessel oder einen anderen Wärmeaustauscher mit einer
Wandung 10. Im Feuerraum befindet sich die zylindrische Verbrennungskammer 11, während
die zylindrische Wirbelkammer 12 am im übrigen geschlossenen Ende der Verbrennungskammer
gleichachsig angeordnet ist.
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Die Wirbelkammer 12 ist von einer Luftzufuhrkammer 20 umgeben, die
als ein die tangentialen Lufteinlaßschlitze 16 der Wirbelkammer 12 umschließender
Windkasten dient, und der die Luft durch den Einlaß 22 zugeführt wird. Diese Luft
wird unter einem Druck von 152 bis 410 mm Wassersäule durch ein nicht dargestelltes
Gebläse zugeführt, so daß durch die Luftwege zwischen den Schaufeln der Lufteinlaßschlitze
16 die Luft eine Geschwindigkeit von 15 bis 45 m je Sekunde aufweist. Die in die
Wirbelkammer 12 tangential eintretende Luft erzeugt eine Wirbelsenke. Der durch
die Leitung 26 herangeführte Brennstoff wird durch eine in der Nähe der Mündung
der Wirbelkammer 12 in die Verbrennungskammer 11 mittig angeordnete Brennstoffzerstäuberdüse
28 eingeleitet und im wirbelnden Luftstrom verteilt. Die Luft wird der Wirbelkammer
12 durch die sie umgebende, in der Ofenwand fest angeordnete Luftzufuhrkammer 20
zugeführt. An der Mündung der Wirbelkammer 12 ist die Luftzufuhrkammer
20
mit einer Stirnplatte 24 versehen. Die Stirnplatte 24 kann Öffnungen aufweisen,
durch die ein Teil der durch die Luftzuführungskammer herangeführten Luft strömen
kann, um die Wirbelkammer zu kühlen. Eine ringförmige Abdeckplatte 18 oberhalb der
Stirnplatte 24 kann diese Wirkung unterstützen.
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Es wurde durch Beobachtung festgestellt, daß die Strömung des Brennstoff-Luft-Gemisches
die Form eines ringförmigen, sich erweiternden Wirbels mit einem Kegelwinkel von
etwa 30 bis 45° zur Längsachse der Verbrennungskammer 11 aufweist. Da das Gemisch
sich auch schnell dreht und den bei der Verbrennung auftretenden Bedingungen unterworfen
ist, werden innere Wirbel im Unterdruckbereich in der Mitte der Verbrennungskammer
11 ebenso wie äußere Wirbel in dem in der Zeichnung in der Verbrennungskammer 11
unten rechts und links dargestellten, ringförmigen Teil der Verbrennungskammer 11
erzeugt. Diese letzteren Wirbel bilden sich durch die Querschnittsänderung der Strömungswege
bei der Strömung des Gemisches aus der Wirbelkammer 12 in die weitere Verbrennungskammer
11. Der dabei auftretende Ausströmeffekt wird durch die gleichzeitige Drehung
des Brennstoff-Luft-Gemisches um die Achse der Kammern 11 und 12 unterstützt.
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Es hat sich herausgestellt, daß in allen Fällen, in denen die gesamte
Luft als Mischluft Verwendung findet, der Innendurchmesser der Wirbelkammer 12 höchstens
das 0,67fache und im allgemeinen nicht weniger als das 0,25fache des Durchmessers
der Verbrennungskammer 11 sein muß. Die wirkungsvollsten Ausführungen unterschreiten
nicht das 0,33fache des Verbrennungskammerdurchmessers, wobei es selbstverständlich
ist, daß die Wirtschaftlichkeit eine möglichst kleine Anlage vorschreibt. Ferner
ist die Länge der Verbrennungskammer annähernd gleich ihrem Durchmesser, und diese
Länge kann sich vom 0,8-fachen bis zum 1,5fachen des Durchmessers der Verbrennungskammer
11 ändern. Im allgemeinen lassen sich die besten Ergebnisse bei flüssigem Brennstoff
mit annähernd gleichem Durchmesser und Länge erzielen. Der Durchmesser ist maßgebend
hinsichtlich der Ausbildung des Wirbels, und die Länge muß so groß sein, daß eine
Kammer erhalten wird, in der die Verbrennung im wesentlichen vollständig ist. Die
feuerfeste Auskleidung der Verbrennungskammer 11
fördert die Verbrennung
durch Wärmerückstrahlung von der Auskleidung zu den Brennstoffteilchen oder den
Dämpfen.
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Als Beispiel einer wirtschaftlichen Verbrennungsvorrichtung sind in
der folgenden Tabelle geeignete Maße der Kammern für verschiedene Wärmekapazitäten
angegeben:
| Durchmesser Wirbelkammer |
| Heizleistung der Ver- (Betrieb bei 20° C |
| in kcal brennungs- Ansauglufttemperatur) |
| kammer Durchmesser - Länge |
| in cm in cm |
| 504000 28 10,5-10,5 |
| 1008000 38 11,4-15,2 |
| 1512000 46 15,2-17,8 |
| 2268000 58 17,8-22,8 |
| 3020000 66 22,8-25,4 |
| 3780000 74 22,8-30,5 |
| 4540000 81 30,5-30,5 |
| 6300000 91 30,5-38 |
| 12600000 136 45,7-53,2 |
| 25200000 188 60,9-76,1 |
Das Anlassen des Brenners verursacht keine allzu große Schwierigkeit, da die Luft
erst zum Erzeugen des Wirbels eingelassen und dann der Brennstoff zugeführt wird,
wobei die Verbrennung durch eine Lunte oder ein anderes Mittel eingeleitet wird.
Verwendet man Bunker-C-Öl, so ist eine Vorwärmung auf 120° C genügend. Asphalt kann
verbrannt werden, wenn man Luft und Asphalt auf annähernd 230c C erhitzt.