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Einrichtung an einem Heizkessel mit einer mit pulsierender Verbrennung
arbeitenden Brennkammer Die Erfindung betrifft eine Einrichtung an einem Heizkessel
mit einer mit pulsierender Verbrennung arbeitenden Brennkammer, die eine unmittelbar
in die Brennkammer mündende Düse zur Zufuhr von vorzugsweise flüssigem Brennstoff,
getrennt von der Brennstoffdüse angeordnete, mit selbsttätig wirkenden Rückschlagventilen
versehene Öffnungen für die Zufuhr von Luft unter atmosphärischem Druck sowie eine
als Wärmeübertrager ausgebildete Abgasleitung aufweist.
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Bei bekannten Brennkammern dieser Art wird die Frequenz der pulsierenden
Verbrennung durch die Resonanzfrequenz der gesamten Anlage erzeugt. Das verbrennungsfähige
Gemisch entsteht hierbei dadurch, daß frische Luft von Atmosphärendruck durch den
von den ausströmenden Verbrennungsprodukten erzeugten Unterdruck in die Brennkammer
hineingesaugt wird, während der Brennstoff getrennt von der Verbrennungsluft zugeführt
wird. Derartige Resonanzfrequenzanlagen haben den Vorteil eines einfachen konstruktiven
Aufbaus, und zwar hauptsächlich wegen ihrer automatisch wirkenden Rückschlagventile
bzw. Rückströmdrosseln in den Luftzufuhröffnungen und wegen der bei ihnen in Fortfall
kommenden Luftverdichter. Die Resonanzfrequenz hängt nun aber von vielen, im einzelnen
nicht genau genug zu erfassenden Faktoren ab, so daß es im allgemeinen nicht möglich
ist, die Resonanzfrequenz im voraus festzulegen. Daher kommt es dabei zu derartigen
Schallfrequenzen, die eine unzulässige Lärmbelästigung bilden, so daß die Anwendung
dieser Brennkammern in Dampfheizkesseln und dergleichen Anlagen trotz der damit
erzielbaren hohen Gasgeschwindigkeiten und der diesen entsprechenden beträchtlichen
Wärmeübergangszahlen stark eingeschränkt ist.
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Bei anderen bekannten Brennkammern ist es gelungen, die Pulsationsfrequenz
der Verbrennung von der Resonanzfrequenz der Brennkammer dadurch unabhängig zu machen,
daß ein gasförmiger oder vergaster Brennstoff mit Verbrennungsluft gemischt über
ein mit einstellbarer Geschwindigkeit umlaufendes Drehschieberventil in die Brennkammer
eingebracht wird. Diese Mischung hat ein verhältnismäßig großes Volumen, weshalb
die Einführung derselben in die Brennkammer sich über eine vergleichsweise lange
Zeitperiode erstrecken muß. Man erhält somit nur eine allmähliche Verbrennung unter
mäßiger Drucksteigerung und dadurch auch nur niedrigere Gasgeschwindigkeiten, die
einen Rückgang der Wärmeübergangszahlen zur Folge haben. Auch weist das zum Betrieb
dieser Anlage erforderliche, mechanisch angetriebene Ventil erfahrungsgemäß eine
beträchtliche Störanfälligkeit auf. Das Abgasrohr der Verbrennungskammer hat dabei
eine Luftkühlung und scheidet somit für die unmittelbare Wärmeübertragung an das
Kesselspeisewasser aus.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammer der einleitend
beschriebenen Art zu schaffen, die die Nachteile der bekannten Ausführungen nicht
aufweist und insbesondere bei kleinen Abmessungen und einfachem Aufbau eine hohe
Wärmeübertragung gestattet, wobei die Pulsationsfrequenzen unabhängig von der Resonanzfrequenz
der Brennkammer so gewählt werden können, daß durch den Betrieb der Brennkammer
keine unzulässige Geräuschbelästigung eintritt, durch die deren Verwendung in Heizungsanlagen
eingeschränkt wäre. All das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Brennstoffdüse
eine den Brennstoff der Brennkammer absatzweise mit einer einstellbaren Frequenz
von weniger als 50 Perioden pro Sekunde zuführende Brennstoffpumpe vorgeschaltet
ist, wobei der Brennstoff der Brennkammer während so langer Perioden zugeführt wird,
daß der Brennstoff gezündet und die Verbrennung in Gang gesetzt wird, ehe die vom
Schwingsystem bestimmte Periode beendet ist, und die Brennkammer mit anschließender,
mehrfach gewundener, als Kanal von engem Querschnitt und großer Länge ausgebildeten
Abgasleitung von dem Heizkesselwasser umgeben ist. Für die mit dieser
Einrichtung
einstellbaren niedrigen Frequenzen ist das menschliche Ohr bedeutend weniger empfindlich
als für höhere Frequenzen. Da die Abgasgeschwindigkeit sehr hoch ist, kann die Brennkammer
mit hoher Wärmebelastung betrieben und daher klein ausgeführt werden. Infolge der
zwangläufig gesteuerten absatzweisen Brennstoffzufuhr läßt sich außerdem bei niedrigen
Frequenzen die Dauer der Verbrennungsperioden durch entsprechende Wahl der Dauer
der Brennstoffzufuhrperioden verlängern. Eine ausgeprägte Explosion der Brennstoffe
kann deshalb in der Kammer nicht eintreten.
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Vorteilhaft ist die Fördermenge der Brennstoffpumpe bei gleicher Frequenz
veränderbar. Damit läßt sich zusätzlich auch noch die Lautstärke der einzelnen Brennstoffverpuffungen
auf solche Werte herabsetzen, die unter dem Gesichtspunkt der Lärmentwicklung als
zulässig anzusehen sind. Zweckmäßig wird daher als Brennstoffpumpe eine Kolbenpumpe
mit veränderlicher Drehzahl und mit veränderlicher wirksamer Hubhöhe verwendet.
Insgesamt verläuft hierbei der Verbrennungsablauf wesentlich stabiler als bei einer
kontinuierlichen Brennstoffzufuhr, bei der die Explosionen von der absatzweisen
Luftzufuhr abhängig sind, die sich ergibt, wenn die Vorrichtung mit ihrer Eigenfrequenz
arbeitet. Das liegt daran, daß bei der praktischen Verbrennung stets mit Überschußluft
gearbeitet werden muß und sich bei der kontinuierlichen Brennstoffzufuhr ein zeitlich
veränderliches Brennstoff-Luft-Verhältnis einstellt, während durch die absatzweise
Brennstoffzufuhr der gesamte Verbrennungsablauf mit einem voreinstellbaren Luftüberschußfaktor
abläuft. Damit erreicht man einerseits eine vollständigere und somit auch wirtschaftlichere
Verbrennung, während andererseits die Voraussetzungen für die Regelungsmöglichkeit
und für die Ingangsetzung der Brennkammer verbessert werden. Der konstruktiv einfache
Aufbau der neuen Brennkammer gestattet deren wirtschaftliche Fertigung und deren
mit wenig Wartungsaufwand verbundenen Betrieb.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.
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Eine Brennkammer 1 hat eine Brennstoffdüse 2, die Brennstoff absatzweise
von einer Pumpe 3 erhält, die beispielsweise in derselben Weise ausgebildet sein
kann wie eine Pumpe für Dieselmotoren. Die Brennkammer 1 hat Lufteinlaßöffnungen
4, die durch Rückschlagventile 5 geregelt werden und an den Enden kurzer
Rohrstutzen 6 liegen. Eine elektrische Zündvorrichtung ist bei 7 angedeutet.
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An die Brennkammer 1 schließt sich ein einziger, verhältnismäßig langer
Auslaßkanal 8 an, der schlangenförmig gebogen ist, wobei vor jeder Krümmung ein
Diffusor 9 vorgesehen ist zwecks Verminderung der Geschwindigkeit und der Verluste
in den Krümmungen. Auch am Ende des Auslaßkanals 8 ist ein Diffusor 10 angebracht.
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Die Brennkammer 1 und der Auslaßkanal 8 sind von einem
Mantel 11 umgeben, der mit Wasser für Heizzwecke oder Dampferzeugung gefüllt sein
kann.
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Die beschriebene Vorrichtung arbeitet in folgender Weise.
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Ein durch die Düse 2 eingespritzter zerstäubter Brennstoffstrahl mischt
sich mit der in der Brennkammer 1 befindlichen Luft und wird mehr oder weniger explosionsartig
entzündet, wodurch sich der Druck in der Kammer 1 erhöht. Infolgedessen werden die
Rückschlagventile 5 geschlossen und die Abgase mit großer Geschwindigkeit durch
den Auslaßkanal8 ausgetrieben. Infolge der lebendigen Kraft der ausströmenden Gasmasse
ergibt sich sehr schnell eine Saugwirkung, die in der Brennkammer 1 einen
Unterdruck hervorruft. Frischluft strömt dabei mit großer Geschwindigkeit durch
die Rückschlagventile 5 in die Brennkammer hinein, und nach Zufuhr einer weiteren
Brennstoffmenge durch die Pumpe 3 wiederholt sich der beschriebene Verlauf. Nach
einer Weile steigt die Temperatur in der vorzugsweise mit feuerfesten Ziegeln od.
dgl. bekleideten Brennkammer 1 so weit an, daß das Brennstoff-Luft-Gemisch sich
selbst ohne Zuhilfenahme der elektrischen Zündvorrichtung 7 entzündet.
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Aus dem oben Gesagten ist ersichtlich, daß die Frequenz der absatzweisen
Verbrennung durch die Drehzahl der Pumpe 3 bestimmt ist. Diese Frequenz ist erfindungsgemäß
verhältnismäßig niedrig und jedenfalls niedriger als 50 Perioden je Sekunde, so
daß die Lautstärke der Vorrichtung annehmbare Werte hat, da wie gesagt die Empfindlichkeit
des menschlichen Ohres für niedrige Frequenzen beträchtlich geringer ist als bei
hohen Frequenzen. Durch Änderung der Drehzahl der Pumpe läßt sich die Frequenz ändern,
und durch Änderung des wirksamen Pumphubes lassen sich die Dauer der Einspritzperiode
und die eingespritzte Brennstoffmenge bei gleicher Frequenz ändern. Dadurch ergibt
sich die Möglichkeit, bei Änderung der Leistung der Vorrichtung die Verhältnisse
stets so anzupassen, daß sich das bestmögliche Ergebnis hinsichtlich der Lautstärke
ergibt.
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Obwohl in der Zeichnung nicht dargestellt, können Mittel vorgesehen
sein, um die während jeder Ansaugperiode in die Brennkammer einströmende Luftmenge
zu regeln. Diese Mittel können beispielsweise aus Drosseln od. dgl. für die Luft
bestehen.
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Wie aus der Zeichnung ersichtlich, sind die Rückschlagventile 5 am
Ende der Rohrstutzen 6 in einem Abstand von der eigentlichen Verbrennungszone
in der Brennkammer 1 angeordnet. Infolgedessen sind sie durch kalte Luftkissen in
den Rohrstutzen verhältnismäßig gut geschützt, so daß sie nicht nennenswert erhitzt
werden und nicht aus einem hochwertigen Baustoff bestehen zu brauchen. Sie können
beispielsweise als Membranen aus Gummi, Kunststoff od. dgl. ausgebildet sein.
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Zwecks Sicherstellung einer wirksamen Vermischung des Brennstoffes
und der Luft können in den Rohrstutzen 6 Leitschaufeln od. dgl. vorgesehen sein,
die die einströmende Luft in Drehung versetzen. Auch können die Rohrstutzen derart
in die Brennkammer 1 einmünden, daß die Gase in der Kammer eine kreisende
Bewegung erhalten. An Stelle der in der Mitte angeordneten Düse 2 können mehrere
Düsen an verschiedenen Stellen vorgesehen sein, beispielsweise je eine Düse bei
jedem Stutzen 6.
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An Stelle der unmittelbar mit der Brennstoffdüse verbundenen Pumpe
läßt sich eine unter Druck stehende Brennstoffquelle verwenden, wobei die absatzweise
Brennstoffzufuhr durch ein selbsttätig oder maschinell angetriebenes, absatzweise
arbeitendes Abschlußventil geregelt werden kann. Bei Verwendung einer Kolbenpumpe
braucht diese natürlich nicht für so hohe Drücke ausgebildet zu sein wie eine Dieselmotorpumpe,
sondern kann von einfacherer Bauart sein.