DE19529994A1 - Verdampferbrenner für ein Heizgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Verdampferbrenner mit Brennkam­ mer für ein Heizgerät oder eine thermische Regeneration ei­ nes Abgas-Partikelfilters, mit einer Umfangs-Begrenzungs­ wand, welche einen seitlichen äußeren Stutzen für die Unter­ bringung einer Zündeinrichtung aufweist, einer Stirn-Begren­ zungswand, welche eine zentrale Öffnung besitzt, einem ko­ axial in die Brennkammer hineinragenden Luftzuführungsstut­ zen, welcher radiale Luftaustritte durch die Stutzenwand auf­ weist, und mit einer Brennstoffzuführung.

Bisher bekannte Verdampferbrenner besitzen Brennkammern, wel­ che nach dem Prinzip arbeiten, daß der Brennstoff auf einer Wand aufgetragen oder in ein poröses Material eingeleitet und von dort abgedampft und verbrannt wird. Abdampfen, Reaktion und Verbrennung geschehen in einem, sind also nicht getrennt. Die Verbrennungsluft wird entweder der Brennkammer direkt zugeführt und in der gesamten Brennkammer verteilt oder radial über Bohrungen (über den Außenmantel) oder über ein zentrales Luftrohr zugeführt, das mit Bohrungen versehen ist und das in einem bestimmten Abstand vom Rohraustritt ein Flammrohr besitzt. Diesen Brennkammern ist gemein, daß sie eine relativ geringe Leistungsdichte, d. h. eine relativ ge­ ringe abgegebene Leistung bezogen auf das Brennkammervolu­ men, besitzen.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verdampferbren­ ners der eingangs genannten Art, welcher auf vielen Gebieten verwendet werden kann, eine gegenüber dem vorgenannten Stand der Technik anders geartete, effiziente Verbrennung ermög­ licht und insbesondere einfach und kompakt aufgebaut ist so­ wie rationell gefertigt und montiert werden kann.

Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch einen Verdampferbrenner gemäß den Merkmalen des Patentan­ spruchs 1.

Vorteilhaft weitergebildet wird der Erfindungsgegenstand durch die Merkmale der Unteransprüche 2 bis 31.

Insbesondere ist vorgesehen, dem Luftzuführungsstutzen der Brennkammer eine Leiteinrichtung zuzu- und insbesondere vor­ zuordnen, welche dafür sorgt, daß im Betrieb des Brenners die Verbrennungsluft in einer Drallströmung dem (zylindri­ schen) Luftzuführungsstutzen zugeleitet wird. Die Drallströ­ mung ist eine dreidimensionale Strömung, deren Hauptkomponen­ te tangential im wandnahen Bereich es Luftzuführungsstutzens verläuft, wobei die Radialkomponente der Strömung relativ schwach und die Axialkomponente der Strömung relativ stark ausgebildet sind. Die radialen Luftaustritte durch die Stut­ zenwand sorgen dafür, daß die hohe tangentiale Geschwindig­ keitskomponente umgelenkt und beschleunigt wird, wobei der "Drall" im wesentlichen vernichtet oder ein positiver oder negativer Restdrall eingerichtet wird. Dies ergibt eine be­ sonders gute "Ladung" des Ringraumes mit Luft und erhöht die Effizienz der Verbrennung. Die radialen Luftaustritte können endseitig offene Längsschlitze oder geschlossene Durchgangs­ fenster in der Stutzenwand und auf dem Umfang der Stutzen­ wand verteilt, gegebenenfalls in Schräglage angeordnet und/oder mit abgewinkelten Rändern ausgebildet sein, um vorge­ nannten (positiven oder negativen) Restdrall einzurichten.

Bevorzugt ist vorgesehen, die Leiteinrichtung für die einzu­ richtende Drallströmung in Form von Leitschaufeln auszubil­ den, die insbesondere integral bzw. einstückig mit dem Luft­ zuführungsstutzen ausgebildet sein können, wobei Stutzen und Leitschaufeln z. B. ein einziges Gußteil sind.

Der Brennkammer ist bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ein koaxiales Flammrohr nachgeordnet, welches im Betrieb die Flamme stabilisiert und der Abgas-(Heißgas-)füh­ rung dient.

Eine besonders kostengünstige Fertigung und Montage des Bren­ ners ergibt sich, wenn das Flammrohr und die Umfangs-Begren­ zungswand bzw. der Brennkammermantel einstückig insbesondere als Blech(tiefzieh)teil ausgebildet sind, während insbeson­ dere der Rest der Brennkammerteile Gußteile, bevorzugt ein einziges Gußteil, sind.

Blech(tiefzieh)teil und Gußteil können miteinander ver­ schweißt oder für eine "thermische Entkopplung" über ein Isolierelement, z. B. eine Flachdichtung, fest miteinander verbunden sein. Bei letztgenannter Variante ist im Betrieb des Brenners eine direkte Anbindung der Heißteile unterbro­ chen.

Die Brennstoffzuführung zum Brennkammer-Ringraum erfolgt einmal über einen Ringkanal in stirnseitiger Vorordnung zum Brennkammermantel oder alternativ über den seitlichen äußeren Stutzen, in welchem die Zündeinrichtung, z. B. eine Glühkerze oder ein Glühstift, in verschiedener Lage (schräg, axial, radial, tangential bezüglich zur Brennkammerachse) angeordnet ist.

An der Innenseite des Brennkammermantels bzw. an der Umfangs-Be­ grenzungswand der Brennkammer kann eine poröse Auskleidung zum Abdampfen von zugeführtem Brennstoff vorgesehen sein.

Der Luftzuführungsstutzen kann an seinem stirnseitigen strom­ abwärtigen Ende geschlossen oder in vorteilhafter Weiterbil­ dung offen und mit einer Abschlußblende versehen sein. Durch die zentrale Durchgangsöffnung der Abschlußblende strömt im Betrieb des Brenners teilweise das Abgas oder die Luft im Bereich der Brennerachse bzw. im Wirbelzentrum der zugeführ­ ten Drallstromluft in Axialrichtung zurück und wird abermals durch die radialen Luftdurchtritte in der Stutzenwand dem Brennkammer-Ringraum zugeführt. Dieser zurückgeführte Abgas- oder Luftstrom nimmt zumindest ein weiteres Mal an der Ver­ brennung teil (Rezirkulation), wobei eine schadstoffarme Ver­ brennung mit geringer Schadstoffemission eingerichtet wird. Der Durchmesser der Durchgangsöffnung bzw. der Blendendurch­ messer wird durch Versuch ermittelt.

Es sei erwähnt, daß in einem geschlossenen System (z. B. bei einer Heizung) heißes Abgas oder in einem offenen System (z. B. bei einem Herd) Frischluft durch die Abschlußblende zurückgeführt werden kann.

Wenn von einem "stromabwärtigen" Ende des Luftzuführungs­ stutzens die Rede ist, so ist ausschließlich die Verbren­ nungsluftzuströmung gemeint, nicht die axiale Rückströmung, die in die axiale Gegenrichtung erfolgt. Gleiches gilt bei der Definition des "stromaufwärtigen" Endes in der Beschrei­ bungseinleitung, Figurenbeschreibung und auch in den Ansprü­ chen.

Durch die Erfindung wird die Konstruktion eines Brenners ermöglicht, welcher sehr einfach aufgebaut, einfach zu fertigen und zu montieren und hoch effizient zu betreiben ist. Der Brenner ist insbesondere für Zusatzheizgeräte ge­ eignet, wie Zuheizer, Standheizung, Herd, Campingkocher, aber auch bei sog. Rußbrennern, bei einer Kfz-Katalysator-Vor­ heizung, bei einem Kühlschrank, einer Feldküche, Haushei­ zung oder bei Feuerungsanlagen schlechthin. Der Brenner ist vorzugsweise ein sog. Blaubrenner mit Abgasrückführung, was eine schadstoffarme Verbrennung zur Folge hat. Der Brenner ist vielstoff-tauglich. Es erfolgt eine geringe Bauteilbe­ lastung, da die Diffusionsflamme im Ringbrennraum zwischen dem Luftzuführungsstutzen und der Umfangsbegrenzungswand der Brennkammer erfolgt. Da das Flammenbild homogen ist, läßt sich der Brenner mit hohem Wirkungsgrad auch bei Wärmetau­ schern betreiben.

Wenn bei der Erfindung nach der Abschlußblende des Luftzufüh­ rungsstutzens auch ein koaxialer Flammhalter oder eine ko­ axiale Flammblende vorgesehen sein kann, so kann bei bestimm­ ten Anforderungen und Anordnungen auf derartige Einrichtun­ gen verzichtet werden.

Bei atmosphärischen Brennern bzw. bei atmosphärischen Blau­ brennern kann gegebenenfalls die Umgebungsluft im Betrieb selbsttätig angesaugt werden, wobei die Abschlußblende auch als Strömungskegel od. dgl. ausgebildet sein kann (z. B. bei einem Herd).

Ein homogenes Flammenbild im Ringraum zwischen Umfangsbegren­ zungswand und Luftzuführungsstutzen wird zweckmäßigerweise dadurch unterstützt, daß der flüssige Brennstoff stirnseitig über den gesamten Umfang der porösen Auskleidung zugeführt wird, d. h. zugeführter Brennstoff in der porösen Auskleidung über den gesamten Mantelumfang nach innen in den Ringraum (Vergasungszone) verdampfen kann. Um dies zu erreichen, ist vorzugsweise bei der porösen Auskleidung an der Stirnseite der Ringkanal für den Brennstoff vorgesehen, welcher durch einen im Querschnitt runden oder eckigen, Abschrägungen auf­ weisenden Verteilerring geschaffen wird, welcher in einer zugehörigen inneren Wandtasche im Bereich der Stirn-Begren­ zungswand der Brennkammer gelegen ist. Der Ringkanal weist einen vorzugsweise axialen Anschluß für eine Brennstoffzufüh­ rungsleitung auf, welche sich außerhalb des Anschlußberei­ ches zum Ringkanal abgewinkelt radial nach außen, d. h. parallel zur Stirnbegrenzungswand der Brennkammer erstrecken kann.

Der Verteilerring kann umfangsmäßig insbesondere gleich ver­ teilte Axialdurchbohrungen aufweisen, wobei vorzugsweise die Anzahl der Axialdurchbohrungen gleich der Anzahl der radia­ len Luftaustritte, welche über dem Umfang des Luftzuführungs­ stutzens vorzugsweise gleich verteilt sind.

Zwischen der Stirnseite der porösen Auskleidung, Gespinst, Sintermetall od. dgl., und dem vorgenannten Ringkanal kann ein Übergangsring angeordnet sein, um Herstellungstoleranzen auszugleichen, z. B. ein Tritonring, welcher besonders saug­ fähig und anpassungsfähig ist.

Die Verbrennungsluft wird also über eine Leiteinrichtung verdrallt und einem in die Brennkammer ragenden zentralen Luftverteilerrohr zugeführt. Dieses Rohr ist mit radialen Schlitzen oder Durchbrüchen versehen sowie einer Abschluß­ blende, welche geöffnet oder geschlossen sein kann. Die Ver­ brennungsluft tritt radial über die Schlitze in den Ring­ brennraum. Die dreidimensional zugeführte Verbrennungsluft hat eine hohe tangentiale Geschwindigkeitskomponente, welche an den radialen Schlitzen stark umgelenkt und beschleunigt wird (das heißt, das Schlitzrohr vernichtet den Drall, es arbeitet als Drallvernichter). Die Luftwalze wird sozusagen abgeschält und gerichtet. Die aus den Schlitzen austreten­ den beschleunigten Luftstrahlen bilden in ihrem Randbereich hochturbulente Zonen (Wirbel), welche sich bis zur Brennkam­ merwand erstrecken. Die hoch turbulenten Zonen bilden sich rechts und links von den Schlitzen, das heißt im Bereich der Stege. Je nach geforderter Brennerleistung werden Ringraum­ höhe, Schlitzbreite, Schlitzzahl und Schlitzlänge ermittelt.

Um eine optimale Verbrennung bei bestimmten Brennkammerauf­ bauten zu erzielen, kann es zweckmäßig sein, daß in der Brennkammer ein positiver oder negativer Restdrall erhalten bleibt. Dies kann durch schräg (in einem bestimmten Winkel) angebrachte Schlitze erreicht werden. Die Schlitze bewirken dann eine stärkere oder schwächere Umlenkung der tangentia­ len Geschwindigkeitskomponente.

Die Abschlußblende im zentralen Luftverteilerrohr hat die Aufgabe, die verdrallte Verbrennungsluft über die Schlitze umzulenken. Um eine Verbrennung mit geringen Emissionen zu schaffen, kann über diese Blende (Blendendurchmesser wird im Versuch ermittelt) ein Teilabgasstrom zurückgeführt werden, welcher nochmals an der Verbrennung teilnimmt (Rezirkula­ tion).

Um dies zu erreichen, hat im zentralen Luftverteilerrohr die dreidimensionale Drallströmung im Zentrum zweckmäßigerweise einen Strömungskegel mit negativer axialer Geschwindigkeits­ komponente im Bereich der Blende. Der hierzu notwendige hohe Drall kann mit entsprechender Leiteinrichtung (Schaufelwin­ kel, Schaufelhöhe, Schaufelzahl) erzeugt werden, was aber einen höheren Energieaufwand seitens des Gebläses bedeutet (z. B. eine elektrische Leistungsaufnahme bei einem Haushalts­ brenner).

Ist es gefordert, eine Brennkammer mit geringem Energieauf­ wand (Leistungsaufnahme des Gebläses möglichst gering) zu betreiben (z. B. Fahrzeugstandheizung, Herd), ist es zweck­ mäßig, auf die Ausbildung eines Rückströmkegels zu verzich­ ten und das zentrale Luftverteilerrohr ganz zu verschließen. Damit wird - wie vorher - auch die Verbrennungsluft über die Schlitze umgelenkt, jedoch findet jetzt keine Heißgasrückfüh­ rung mehr statt.

Damit gibt es erfindungsgemäß zwei Brennerverfahren (mit oder ohne Abgasrückführung), die nach dem gleichen Grund­ prinzip arbeiten, hinlänglich erprobt sind und entsprechend ihrem Verwendungszweck Vorteile besitzen.

Vorteil dieser Luftverteilung ist es, daß bei richtiger Aus­ legung der Drallströmung und des Luftverteilerrohres die Ver­ brennung im gesamten Ringbrennraum stattfindet und nach weni­ gen Millimetern abgeschlossen ist, was eine verkürzte Bauwei­ se zuläßt (höhere Leistungsdichte), sowie einen Verzicht auf einen Flammhalter sowie eine Flammblende ermöglicht. Die Ver­ brennungsluftzuführung und Verteilung wird gezielt geführt und ist klar definiert. Jedoch kann es bei bestimmten Anord­ nungen dennoch zweckmäßig sein, zur Erzeugung zusätzlicher Turbulenz zwecks Nachvermischung und Verbrennung eine Flamm­ blende einzusetzen.

Was die Brennstoffaufbereitung anbelangt, so wird Luft über das zentrale Luftverteilerrohr dem Brennraum in einem bestimm­ ten Abstand vom Brennkammerboden in einer bestimmten Zone, welche im Versuch ermittelt wird, zugeführt. Die dazwischen­ liegende axiale Zone zwischen Brennkammerboden und Luftaus­ trittszone dient als Vergasungsraum. In diesem Raum wird ein Großteil des Brennstoffes vorverdampft und gasförmig in die hochturbulente Verbrennungsluftzone gebracht, wo er dann rea­ giert und verbrennt. Der in der Wandauskleidung verbleibende Brennstoff wird in flüssiger Form durch Kapillarwirkung bis in die Verbrennungsluftzone transportiert und dort vollstän­ dig abgedampft und in der Diffusionsflamme verbrannt. Durch die erfindungsgemäße vorteilhafte Brennstoffaufbereitung ist es möglich, eine relativ homogene Verbrennung (Ringraum wird vollständig ausgenutzt) im Ringbrennraum zu erzeugen. Die Verbrennung ist wenige Millimeter nach dem Luftverteilerrohr abgeschlossen.

In oder an dem Vergasungsraum oder Smokeraum wird die Zünd­ einrichtung an- oder eingebracht. Die Zündeinrichtung er­ zeugt im Idealfall eine eigenständige Zündflamme (Pilotflam­ me), welche den Verdampfungsprozeß in der Vorverdampfungs­ zone in Gang bringt. Die Pilotflamme brennt nach Abschalten der Zündhilfe (Glühstift, Glühkerze) selbständig weiter. Der Brennstoff kann direkt in die Brennkammer oder über die Zünd­ einrichtung zugeführt werden. Die Zündeinrichtung verfügt vorzugsweise über eine Zündluftzuführung.

Die Luftführungsbauteile sind vorzugsweise aus Feinguß gefer­ tigt, wobei dies die Leiteinrichtung, das Luftverteilerrohr und - wenn nötig - einen Befestigungsflansch beeinhaltet.

Bei Brennkammern mit verzögerter Anfahrleistung (Zeit bis Erreichen der Maximalleistung) und langen Lebensdauerforde­ rungen oder aus Fertigungsgründen kann es von Vorteil sein, den Brennkammermantel sowie das Heißgasführungsrohr (Flamm­ rohr) ebenfalls aus Feinguß zu fertigen, wobei der Brennkam­ mermantel dann den Luftführungsteilen zugeordnet wird.

Da diese Ausführung den Nachteil hat, daß relativ hohe Mas­ sen aufgeheizt werden müssen und es bei bestimmten Brenneran­ forderungen darauf ankommt, möglichst schnell hohe Leistung fahren zu können (Zuheizer), ist es zweckmäßig, den Brennkam­ mermantel und das Heißgasführungsrohr von den luftführenden Teilen zu trennen und in dünnwandigem Blech auszuführen. Dieses vorzugsweise einstückige Teil hat den Vorteil der geringen Masse und heizt sich damit sehr schnell auf, was für den Vergasungs- und Verdampfungsprozeß von Vorteil ist. Eine weiterer Vorteil ist, daß das Luftführungsteil ein klei­ neres Bauteil ist als eine vollständige Brennkammer, und damit mehr Teile aus einem Abguß entstehen, was den Stück­ zahlpreis senkt.

Vorgenanntes Bauteil kann zur thermischen Entkopplung (Anm.: Luftführungsteile kühlen oder leiten Wärme an Elektromotor weiter) so ausgeführt werden, daß zwischen Brennkammermantel und Luftführungsteil ein Isolator in Form einer Dichtung ein­ gebracht wird.

Der erfindungsgemäße Brenner unterscheidet sich von den eingangs genannten bekannten Brennern einmal in der Art der Luftverteilung und Zuführung zur Verbrennung und zum anderen in der Art der Gemischaufbereitung sowie in seiner hohen Leistungsdichte, was heißt, daß aus vergleichbarem Brennkam­ mervolumen höhere Leistungen erzielt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie­ len unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher be­ schrieben; es zeigen:

Fig. 1 einen Verdampferbrenner in einem schematischen Axialschnitt,

Fig. 2 einen anderen Verdampferbrenner ähnlich Fig. 1,

Fig. 3 eine dritte Ausführungsvariante eines Verdampfer­ brenners in einem Längsschnitt ähnlich den Fig. 1 und 2,

Fig. 4 eine vierte Ausführungsvariante,

Fig. 5 die Einzelheit A der Fig. 4,

Fig. 6 die Einzelheit der Fig. 5 an anderer Umfangsstelle,

Fig. 7 die Einzelheit der Fig. 6 in anderer Ausführung,

Fig. 8 die Ausführungsvariante nach Fig. 7 mit Übergangs­ ring in Richtung poröser Auskleidung,

Fig. 9 einen schematischen Teilschnitt des stromabwärtigen Endes eines Luftführungsstutzens mit Abschlußblende,

Fig. 10 den Querschnitt B-B durch den Luftführungsstutzen nach Fig. 9, und

Fig. 11 einen Querschnitt durch einen Verdampferbrenner mit Darstellung einer seitlichen Zündeinrichtung.

Der in der Fig. 1 veranschaulichte Verdampferbrenner umfaßt eine zylindrische Brennkammer 1 und in einem gemäß Fig. 1 oberseitig offenen Anschluß ein koaxiales Flammrohr 20.

Die Brennkammer 1 umfaßt eine ebene Stirn-Begrenzungswand 6, eine im wesentlichen zylindrische Umfangs-Begrenzungswand 2, die von der Stirn-Begrenzungswand 6 rechtwinklig nach oben vorragt, einen zentral von der Stirn-Begrenzungswand 6 recht­ winklig nach oben vorragenden, zylindrischen Luftzuführungs­ stutzen 8 koaxial zur Umfangs-Begrenzungswand 2 und eine am Innenumfang der Umfangs-Begrenzungswand 2 angeordnete poröse zylindrische Auskleidung 3, wobei in der Umfangs-Begrenzungs­ wand 2 ein integrierter äußerer seitlicher Stutzen 4 für die Unterbringung einer Zündeinrichtung 5, beispielsweise eines Glühstifts, ausgebildet ist.

Über den seitlichen Stutzen 4 erfolgt auch die Brennstoffzu­ führung zur Brennkammer 1, wie nachfolgend noch im Zusammenhang mit Fig. 11 beschrieben.

Im Bereich des seitlichen Stutzens 4 besitzt die poröse Auskleidung 3 zumindest eine radiale Durchgangsöffnung oder ein Zündloch 24, um eine Zündung bzw. einen Flammenübergang vom Stutzen 4 in den Ringraum zwischen Umfangs-Begrenzungs­ wand 2 bzw. poröser Auskleidung 3 und Luftzuführungsstutzen 8 zu ermöglichen, welchem eine integrierte Leiteinrichtung 32 mit Leitschaufeln 31 gemäß Fig. 2 zugeordnet ist, die ins­ besondere angegossen ist.

Der Luftzuführungsstutzen 8 ist mit der Stirn-Begrenzungs­ wand 6 einstückig als Feingußteil ausgebildet und an seinem oberen, d. h. stromabwärtigem Ende geschlossen, jedoch in diesem Abschlußbereich mit radialen Luftaustritten 9 in der Stutzenwand versehen, welche auf dem Umfang des Stutzens gleich verteilt und nachfolgend noch näher beschrieben sind.

Dem Luftzuführungsstutzen 8 koaxial nachgeordnet ist eine Flammblende 19 bzw. ein Flammhalter mit zentraler Öffnung, welche(r) über einen zylindrischen Außenflansch an dem Innen­ umfang der zylindrischen Umfangs-Begrenzungswand 2 befestigt ist.

Flammrohr 20 und Umfangs-Begrenzungswand 2 gem. Fig. 1 sind einstückig aus Blech in Form eines Tiefziehteils ausgebildet und mittels einer Umfangsschweißnaht 25 mit dem vorgenannten Gußteil bestehend aus der Stirn-Begrenzungswand 6 und dem Luftzuführungsstutzen 8 verschweißt. Dadurch ergibt sich eine einfache Fertigung und eine einfache Montage. Das Guß­ teil ist vergleichsweise klein. Demzufolge können in einem einzigen Gießkasten vergleichsweise viele Gußteile gegossen werden, was die Fertigungskosten reduziert. Von Vorteil ist ferner, daß der Luftzuführungsstutzen 8 rundum zugänglich ist (Entformer). Der Brennkammermantel bzw. die Umfangs-Be­ grenzungswand 2 mit integriertem Flammrohr 20 aus Blech benö­ tigen vergleichsweise wenig Material und tragen wesentlich zur Massenreduzierung des Brenners bei. Insgesamt ergibt sich im Betrieb ein schnelles Aufheizen der Verdampferflä­ chen und ein sehr gutes Startverhalten. Die Rauchbildung ist gering.

Die Brennkammer 1 kann im übrigen entgegen der Ausführungsva­ riante nach Fig. 1 auch ohne Auskleidung 3 betrieben werden, da die Brennstoffzuführung und Brennstoffverdampfung über den seitlichen Stutzen 4 der Zündeinrichtung 5 erfolgt (vgl. Fig. 11).

Der Luftzuführungsstutzen 8 weist in koaxialer Vorordnung (gemäß Fig. 1, unten) die (nicht veranschaulichte) Leitein­ richtung 32 gemäß Fig. 2 auf, welche Luft in einer Drallströ­ mung dem Stutzen 8 zuführt, wobei die Drallströmung vornehm­ lich auf dem Innenumfang des Luftzuführungsstutzens 8 ausge­ bildet ist und die Luft mit radial nach außen gerichteter Kraftkomponente durch die radialen Luftdurchtritte 9 in den Brennkammer-Ringraum beschleunigt zugeführt bzw. der Ring­ raum mit Luft "geladen" wird.

Das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel eines Verdampfer­ brenners mit Diffusionsflamme bzw. eines Vergaserbrenners entspricht im wesentlichen demjenigen nach Fig. 1, jedoch sind hier das Blechtiefziehteil bestehend aus Flammrohr 20 und Umfangs-Begrenzungswand 2 und das Gußteil bestehend aus der Stirn-Begrenzungswand 6 und dem Luftzuführungsstutzen 8 sowie der Leiteinrichtung 32 mit Leitschaufeln 31 nicht mit­ tels Schweißnaht 25 verbunden, sondern an dieser Umfangsstel­ le mit einem zwischengeordneten Isolierelement 21 versehen, wobei Blechteil und Gußteil durch (nicht veranschaulichte) Befestigungsmittel fest in abgedichteter Weise miteinander verbunden sind. Blech- und Gußteil sind mithin thermisch entkoppelt. Ein direkte Anbindung an die Heißteile ist unter­ brochen.

Das in Fig. 3 veranschaulichte Ausführungsbeispiel ent­ spricht in seinem Aufbau grundsätzlich demjenigen nach den Fig. 1 und 2, jedoch ist hier keine Flammenblende 19 vorge­ sehen. Ferner ist hier die Umfangs-Begrenzungswand 2 ein­ stückig mit der Stirn-Begrenzungswand 6 und dem Luftzufüh­ rungsstutzen 8 als Feingußteil ausgebildet, während das Flammrohr 20 ein Blechformteil ist.

Der Luftzuführungsstutzen 8 weist an seinem oberen Ende eine Abschlußblende 10 in Form eines Stopfen auf, der auch eine Platte oder ein Strömungskegel sein kann. Die Abschlußblende 10 besitzt eine zentrale Durchgangsöffnung 11, welche exakt koaxial zur Gesamtanordnung verläuft und eine axiale Rück­ strömung R für verbrannte Verbrennungsluft bzw. Abgas bil­ det, wie nachfolgend noch beschrieben wird.

Der Verdampferbrenner gemäß Fig. 3 weist im Gegensatz zu den beiden vorgenannten Varianten, bei denen die Brennstoffzufüh­ rung über den Stutzen 4 der Zündeinrichtung erfolgt, eine Brennstoffzuführung 7 mit einer Brennstoffzuführungsleitung 13 auf, wie dies etwa in der Ausführungsvariante eines Ver­ dampferbrenners gemäß Fig. 4 veranschaulicht ist, welche einen Ringkanal 12 verwendet.

Bei der Brennkammer 1 handelt es sich also im Prinzip um eine Verdampfer-Brennkammer, welche bevorzugt aus einem gegossenen zylindrischen Brennkammergehäuse mit Boden herge­ stellt ist, wobei das Brennkammergehäuse am Mantel in Achs­ richtung eine Tasche für die Zündeinrichtung, z. B. einen Glühstift oder eine Glühkerze, besitzt, und die Zündeinrich­ tung schräg in den Brennkammer-Ringraum hineinragen kann. Weitere Anordnungsmöglichkeiten der Zündeinrichtung sind im Zusammenhang mit Fig. 11 beschrieben.

Im Zentrum des Brennkammertopfes befindet sich der Luftzufüh­ rungsstutzen 8 bzw. die Längsschlitzausbildung, welche die von unten drallförmig zugeführte Luft L gleichmäßig in radia­ ler Richtung zum Brennkammer-Innenmantel hin verteilt, wobei die Drallströmung vorzugsweise in einer vorgelagerten Wirbel­ kammer oder einer Leiteinrichtung erzeugt wird. Die radialen Luftaustritte 9 durch die Wand des Luftzuführungsstutzens 8 können auch schräge Schlitze sowie andere geometrische Öff­ nungen mit zusätzlichen Umlenkkanten od. dgl. sein, z. B. Durchgangsfenster 22 gemäß den Fig. 9 und 10, welche bezüg­ lich der Radialerstreckung des Luftzuführungsstutzens 8 ab­ gewinkelte Ränder besitzen.

Die axial zugeführte Verbrennungsluft ist mithin eine Drall­ strömung L, die ihre Maximalgeschwindigkeit im stutzenwandna­ hen Bereich besitzt und aufgrund der offenen Abschlußblende 10 im Zentrum einen Rückströmungskegel im Bereich der Ab­ schlußblende 10 ausbildet, was bei einer Verbrennung eine Teil-Rückströmung R bewirkt. Die Teil-Rückströmung gelangt abermals durch die radialen Luftaustritte 9 in der Stutzen­ wand in den Ringbrennraum ("Rezirkulation") und nimmt nochmals an der Verbrennung teil, wodurch eine besonders schadstoffarme Verbrennung gegeben ist.

Die Teil-Rückströmung kann eine Abgasrückführung in einem geschlossenen Brennersystem oder in einem offenen System eines atmosphärischen Brenners die Ansaugung von Umge­ bungsluft sein, was dann zu einem Blaubrenner führt.

Die Abschlußblende kann eine Platte, ein Strömungskegel od. dgl. sein und besitzt bevorzugt eine zylindrische zen­ trale Durchgangsöffnung 11, welche auch kegelstumpfförmig und in Richtung der Stirn-Begrenzungswand 6 konisch erwei­ tert ausgebildet sein kann.

Da bei Heizgeräten kleinerer Leistung kleine Brennstoffmen­ gen zugeführt werden müssen, stellt sich das Problem der Brennstoffverteilung. Eine optimale Brennstoffverteilung ist notwendig, um den geringen zur Verfügung stehenden Brennkam­ mer-Ringraum voll zu nutzen. Um diese Brennstoffverteilung bei diesen kleinen Brennstoffmengen darzustellen, ist es notwendig, Kapillaren zu schaffen. Die Kapillaren werden wie folgt dargestellt:
Die Brennstoffzuführung 7 geschieht über den Ringkanal 12 gemäß den Fig. 5 bis 8, welcher innenwandnah am Brennkammer­ boden ausgebildet ist. Dieser Ringkanal 12 wird insbesondere im Bereich der Stirn-Begrenzungswand 6 durch eine brennkam­ merinnenseitige Wandtasche 15 ausgebildet, in welcher ein koaxialer Verteilerring 14 aufgenommen ist. Der Verteiler­ ring kann einen runden Querschnitt gemäß den Fig. 5 und 6 oder einen rechteckigen Querschnitt gemäß Fig. 7 besitzen. Durch den Verteilerring 14 können sich umfangsmäßig gleich oder ungleich verteilte Axialdurchbohrungen 17 erstrecken, um auch die stromabwärtige Seite des Ringkanals mit Brenn­ stoff ausreichend zu versorgen. Über dem Verteilerring 14 befindet sich in direktem Anschluß die poröse Mantelausklei­ dung 3, Gespinst od. dgl., wie dies in den Fig. 5 und 6 dar­ gestellt ist, oder ein Übergangsring 18, vorzugsweise aus Triton od. dgl., der seinerseits an die Stirnseite der porö­ sen Auskleidung 3 angrenzt und Toleranzen in der Fertigung der Einzelteile ausgleicht.

Die Brennstoffzuführung geschieht also über einen Ringraum mit Ausbildung eines Ringkanals 12, der insbesondere recht­ eckig oder auch trapezförmig ausgebildet und/oder mit Run­ dungen versehen sein kann. In diesen Kanal wird durch den Brennkammerboden über die Brennstoffzuführungsleitung 13 der Brennstoff unter einem bestimmten Winkel zugeführt, vorzugs­ weise in Achsrichtung der Brennkammer. Hierbei ist im unmit­ telbaren Bereich des Brennstoffeintrittes der Ringkanal in Richtung der porösen Auskleidung im wesentlichen verschlos­ sen, um zu erreichen, daß der eintretende Brennstoff nach links und rechts umfangsmäßig verteilt wird, wobei auf dem Umfang am Brennkammerboden zwei Ringkapillare ausgebildet werden, die sehr schnell mit Brennstoff gefüllt werden und diesen in Umfangsrichtung verteilen. Da zwischen dem Ringka­ nal 12 durch die Axialdurchgangsbohrungen 17 und/oder durch das Spiel zwischen Verteilerring 14 und Wandtasche 15 ein geringer Spalt vorhanden ist, tritt der Brennstoff über die­ se Durchgangsbohrungen und Spalte in Achsrichtung gemäß Zeichnung nach oben aus und wird von der porösen Auskleidung (bzw. Gespinst oder Sintermetall) aufgesaugt und der Verbren­ nung zugeführt.

Für einen Betrieb wird die Zündeinrichtung 5, z. B. eine Glühkerze, in dem seitlichen Stutzen 4 aufgeheizt, wobei über den seitlichen Stutzen 4 ein Teilluftstrom geschickt wird, der dann in Verbindung mit dem an der dortigen porösen Auskleidung 3 abgedampften Brennstoff ein zündfähiges Ge­ misch bildet. Die kleine Zündflamme (Pilotflamme) erwärmt den Brennkammer-Ringraum und zündet dann den sich abdampfen­ den Brennstoff an. Die aus den Schlitzen oder Fenstern des Luftzuführungsstutzens 8 austretende Verbrennungsluft bildet in radialer Richtung im wandnahen Bereich eine turbulente Zone, mit rechts- und linksdrehenden Wirbelzonen. Bei einer z. B. mit 12 Längsschlitzen versehenen Leiteinrichtung bilden sich dann beispielsweise 12 links- und 12 rechtsdrehende Wirbel. Der durch die Verbrennungswärme abgedampfte Brenn­ stoff wird von diesen Wirbelzonen erfaßt und in einer Diffu­ sionsflamme blauverbrannt. Die Flamme füllt den gesamten Brennkammer-Ringraum aus. Bevorzugt findet eine höhere An­ zahl an Schlitzen Verwendung, da damit die turbulente Zone vergrößert wird. Die Verbrennung findet zum größten Teil im Brennkammer-Ringraum zwischen dem querschnittsebenen Schlitz­ grund und Schlitzhöhe sowie zwischen den Schlitzen, also im Bereich der Stege, statt. Damit ist die Verbrennung im Brenn­ kammerbereich abgeschlossen. Das Flammrohr 20 dient nur der Heißgasführung sowie der Homogenisierung der Temperaturver­ teilung im Rohr, wobei kein Brennstoff in diesem Rohr mehr verbrennt.

Der Verdampferbrenner gemäß Fig. 11 veranschaulicht insbe­ sondere bei einer Brennkammer 1 mit poröser Auskleidung 3 einen seitlichen äußeren Stutzen 4 für eine tangential ange­ ordnete Zündeinrichtung 5, beispielsweise einen Glühstift.

Die Zündeinrichtung kann auch bezüglich der Brennerachse axial oder radial einwärts gelegen sein.

Sowohl die Zündluft 26 als auch der Brennstoff 27 werden über Ringkanäle rund um die Zündeinrichtung 5 zugeführt, welche mit einer porösen Ummantelung 30 oder einem Sieb, Gespinst oder dergleichen umgeben ist. Die Zündung des Brennstoffs erfolgt im seitlichen Stutzen 4, wobei die entstehende Flamme durch das Zündloch 24 in der porösen Auskleidung 3 in den Brennkammer-Ringraum übertragen wird. Da die poröse Ummantelung 30 dicht an die poröse Auskleidung 3 der Brennkammer 1 anschließt, wird der der Ummantelung 30 zugeführte Brennstoff auch auf die poröse Auskleidung 3 übertragen und an der Innenseite des Brenn­ kammermantels verdampft und durch die durch das Zündloch 24 hindurchtretende Flamme entzündet.

Es sei noch angemerkt, daß in den Unteransprüchen enthaltene selbständig schutzfähige Merkmale trotz der vorgenommenen formalen Rückbeziehung auf den Hauptanspruch entsprechenden eigenständigen Schutz haben sollen. Im übrigen fallen sämt­ liche in den gesamten Anmeldungsunterlagen enthaltenen erfin­ derischen Merkmale in den Schutzumfang der Erfindung.

Claims (31)

1. Verdampferbrenner mit Brennkammer (1) für ein Heizgerät oder eine thermische Regeneration eines Abgas-Partikel­ filters, mit einer Umfangs-Begrenzungswand (2), welche einen seitlichen äußeren Stutzen (4) für die Unterbrin­ gung einer Zündeinrichtung (5) aufweist, einer Stirn-Be­ grenzungswand (6), welche eine zentrale Öffnung besitzt, einem koaxial in die Brennkammer (1) hineinragenden Luft­ zuführungsstutzen (8), welcher radiale Luftaustritte (9) durch die Stutzenwand aufweist, und mit einer Brennstoff­ zuführung (7), dadurch gekennzeichnet, dem Luftzuführungsstutzen (8) der Brennkammer (1) eine Leiteinrichtung (32) für eine Drallstrom-Luftzufuhr zugeordnet ist.

2. Verdampferbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiteinrichtung (32) Leitschaufeln (31) umfaßt, welche integrierter Bestandteil des Luftzuführungs­ stutzens (8) sind.

3. Verdampferbrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennkammer (1) ein koaxiales Flammrohr (20) nachgeordnet ist.

4. Verdampferbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Flammrohr (20) und die Umfangs-Begrenzungswand (2) der Brennkammer (1) als einstückiges Teil ausgebil­ det sind (Fig. 1 und 2).

5. Verdampferbrenner nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das einstückige Teil ein Blechteil ist.

6. Verdampferbrenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das einstückige Teil ein Tiefziehteil ist.

7. Verdampferbrenner nach einem der Ansprüche 4-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirn-Begrenzungswand (6) der Brennkammer (1) und der Luftzuführungsstutzen (8) sowie die Leitein­ richtung (32) als einstückiges Gußteil ausgebildet sind (Fig. 2).

8. Verdampferbrenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das einstückige Teil am Gußteil angeschweißt ist (Fig. 1)

9. Verdampferbrenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das einstückige Teil über ein Isolierelement (21) mit dem Gußteil fest verbunden ist (Fig. 2).

10. Verdampferbrenner nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangs-Begrenzungswand (2) der Brennkammer (1) mantelinnenseitig eine poröse Auskleidung (3) besitzt.

11. Verdampferbrenner nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet,
daß die radialen Luftdurchtritte (9) des Luftzuführungs­ stutzens (8) auf dem Stutzenumfang verteilte Durchgangs­ fenster (22) oder am stromabwärtigen Stutzenende offene Längsschlitze sind (Fig. 9).

12. Verdampferbrenner nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgangsfenster (22) oder Längsschlitze bezüglich der Radialerstreckung des Luftzuführungsstut­ zens (8) abgewinkelte Ränder besitzen (Fig. 10).

13. Verdampferbrenner nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzuführung (7) über den Stutzen (4) der Zündeinrichtung (5) erfolgt (Fig. 11).

14. Verdampferbrenner nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzuführung (7) über einen Ringkanal (12) im Bereich der Stirn-Begrenzungswand (6) der Brennkammer (1) erfolgt (Fig. 3-8).

15. Verdampferbrenner nach einem der Ansprüche 1-14, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftzuführungsstutzen (8) am stromabwärtigen Ende stirnseitig geschlossen ausgebildet oder mit einer geschlossenen Stirnwand versehen ist (Fig. 1 und 2).

16. Verdampferbrenner nach einem der Ansprüche 1-14, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftzuführungsstutzen (8) an seinem stromab­ wärtigen Ende eine Abschlußblende (10) mit einer zen­ tralen Durchgangsöffnung (11) für eine axiale Rück­ strömung (R) des Abgases im Wirbelzentrum der zuge­ führten Drallstrom-Luft (L) aufweist.

17. Verdampferbrenner nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschlußblende (10) eine Platte oder ein Strö­ mungskegel ist.

18. Verdampferbrenner nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Durchgangsöffnung (11) der Abschlußblen­ de (10) kegelstumpfförmig ausgebildet ist, wobei die konische Erweiterung in stromaufwärtiger Richtung vorge­ sehen ist.

19. Verdampferbrenner nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die konische Erweiterung einen inneren Ringansatz der Abschlußblende (10) enthält.

20. Verdampferbrenner nach Anspruch 14-19, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamten Stirnfläche der porösen Auskleidung (3) der Ringkanal (12) vorgeordnet ist, welcher an eine brennkammeräußere Brennstoffzuführungsleitung (13) angeschlossen ist, welche vorzugsweise in Axialrichtung der Brennkammer (1) in den Ringkanal (12) einmündet (Fig. 4 und 5).

21. Verdampferbrenner nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkanal (12) durch einen Verteilerring (14) gebildet ist, welcher am stromaufwärtigen Ende des Innen­ umfangs der Umfangs-Begrenzungswand (2) in einer Wand­ tasche (15) mit Spiel eingesetzt ist.

22. Verdampferbrenner nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Verteilerring (14) im Querschnitt rund ist (Fig. 4, 5 und 6).

23. Verdampferbrenner nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Verteilerring (14) im Querschnitt im wesent­ lichen rechteckig, quadratisch oder trapezförmig ist, wobei das stromaufwärtige Ende Abschrägungen (16) besitzt (Fig. 7 und 8).

24. Verdampferbrenner nach einem der Ansprüche 21-23, dadurch gekennzeichnet, daß der Verteilerring (14) auf dem Umfang verteilte Axialdurchbohrungen (17) aufweist.

25. Verdampferbrenner nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Axialdurchbohrungen (17) der Anzahl der radialen Luftaustritte (9) durch die Stutzenwand des Luftzuführungsstutzens (8) entspricht.

26. Verdampferbrenner nach einem der Ansprüche 21-25, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Verteilerring (14) und poröser Auskleidung (3) ein Übergangsring (18) angeordnet ist.

27. Verdampferbrenner nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergangsring (18) aus Triton, aus einem Ge­ strick oder aus keramischen Fasern gebildet ist.

28. Verdampferbrenner nach einem der Ansprüche 1-27, dadurch gekennzeichnet, daß dem Luftzuführungsstutzen (8) in der Brennkammer (1) stromabwärts eine Flammblende (19) bzw. ein Flammhalter koaxial nachgeordnet ist.

29. Verdampferbrenner nach einem der Ansprüche 1-28, dadurch gekennzeichnet, daß im Betrieb eines atmosphärischen Brenners eine selbsttätige Ansaugung von Umgebungsluft erfolgt.

30. Verdampferbrenner nach einem der Ansprüche 1-29, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündeinrichtung (5) schräg in den Brennkammer-Ringraum hineinragt.

31. Verdampferbrenner nach einem der Ansprüche 1-29, dadurch gekennzeichnet, daß der seitliche Stutzen (4) mit innerer Zündein­ richtung (5) dem Brennkammer-Ringraum axial, tangential oder radial vorgelagert ist, wobei der Brennkammer-Ringraum mit dem Stutzen (4) über zumindest ein Zünd­ loch (24) verbunden ist (Fig. 11).