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Verfahren und Vorrichtung zum Zerstäuben von Flüssigkeiten» insbesondere
für Olzerstäubungsbrenner
bezieht sich auf ein Verfahren zum Zerstäuben von Flüssigkeiten, insbesondere von
Heizöl für den Betrieb von Ölbrennerns mittels eines strömenden Trägermediums (Druckluft,
Gas oder Dampf), das in eine mit hoher Geschwindigkeit umlaufende, wirbelnde Axial
strömung versetzt und in diesem Zustand zentrifugal mit der zu zerstäubenden Flüssigkeit
gespeist wird. Überdies bezieht sich
auf eine nach diesem Verfahren arbeitende Zerstäubungsvorrichtung, insbesondere
für Ölbrenner, die eine im wesentlichen zylindrische Wirbelkammer mit einem oder
mehreren am Umfang angeordneten, tangentialen DruckmitteleinlässenX ferner eine
einseitig angesetztej mittlere axiale Druckmittelaustrittsleitung und eine darin
angeordnete Zuführungsleitung für die zu zerstäubende FlAssigkeit aufweist, die
am Ende der Austrittsleitung mit einer oder mehreren radial in diese ausmündenden
Düsen
versehen ist. Dabei ist auch vorgesehen, daß die austrittsleitunO an ihrem Ende
in eine sich erweiternde Düse übergeht.
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Die meisten Heizöle benötigen etwa 15 kg Verbrennun0sluft zur vollständigen
Verbrennung von 1 kg Heizöl. Dieses Verhältnis ist das sog. "stöchiometrische Verhältnis
und besagt nur, daß etwa 15 kr Verbrennungsluft benötigt werden, um so viel Sauerstoff
zu liefern, daß alle in einem kg Heizöl enthaltenen, brennbaren Stoffe wie nohlenstoff,
Wasserstoff usw. vollsändig verbrannt werden. Um sicherzustellen, daß das Heizöl
vollständig verbrannt wird, ist es jedoch üblich, die Verbrennung mit Luftüberschuß
durchzuführen, Der Grund hierfür liagt darin, daß kein Brennstoffzerstäuber in der
Lage ist, einen vollständigen Zerstäubungsnebel zu liefern, dessen Verbrennung-seiOenschaften
die gleichen sind wie bei einer Verdampfung des Heizöl öls, und weil überdies eine
vollständige und homogene Mischung der Verbrennungsluft mit dem zerstäubten Heizöl
niemals vollständig erreicht wird. Ist der notwendige Luftüberschuß größer als etwa
5 % des stöchiometrischen Wertes, so strömt ein wesentlicher Anteil des zugeführten
Sauerstoffes zusammen mit den Verbrennungsgasen aus der Brennkammer ab. Dies ist
aber nachteilig, weil die meisten Heizöle einen Schwefelgehalt haben, der bei richtiger
Bemessung der Verbrennungsluft zu S02 verbrennt. Wird aber mit größerem Luftüberschuß
gearbeitet, so verbrennt ein Teil des Schwefels zu SO3, und dieses letztere verbindet
sich mit dem in den Verbrennungsgasen enthaltenen
Wasserdampf zu H2SO4, die für Metalloberflächen und Kaminauskleidungen stark korrosiv
ist.
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Um mit begrenztem uftüberschuß im Eereich von etwa 5 % oder weniger
arbeiten zu können, ist es notwendig, in der Verbrennungskammmer für eine starke
Umwälzung der Verbrennungsgase zu sorgen, so daß ein Teil der heißen Verbrennungsgase
an Pie Stelle zurickkommt, an der das kalte Luft-Brennstoffgemisch in die Brennkammer
einströmt Die Verbrennungsgase mischen sich dann mit diesem einströmenden Gemisch,
bewirken eine rasche Verdampfung und schnelle Verbrennung und tragen dadurch zu
einer Verbesserung der Verbrennungsleistung bei.
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Die vorliegende Erfindung ist nun auf Maßnahmen für die Durchführung
des Verfahrens und die Ausbildung der Zerstäubungsvorrichtung
gerichtet, durch die die Zerstäubungswirkung verbessert und die Durchführung der
Der brennung mit dem richtigen Luftüberschuß erleichtert werden soll. Im einzelnen
soll erreicht werden» daß der Zerstäuberkopf mit einem großen Sprühwinkel arbeiten
kann9 der die Umwälzung der Verbrennungsgase in der Brennkammer begünstigt.
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Überdies soll eine zufriedenstellende Zerstäubung auch für zähflüssige
Brennstoffe wie Schweröle und Teeröle gesichert werden.
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Zur lösung dieser Aufgabe wird das Zerstäubungsverfahren
erfindungsgemäß so ausgeführt, daß der Wirbel durch tangentiale Einleitung des unter
Druck stehenden Tragermediums für den flüssigen Brennstoff in einer iM wesentlichen
zylindrischen
Wirbelkammer erzeugt, seine lineare Ge schwindigkeit durch schraubenförmige ninwärtsbewegung
vom Um fang zur Mittelachse der Wirbelkammer erhöht, etwa die Hälfte der linearen
Geschwindigkeit durch Einleiten des Wirbels in eine scharfkantig angesetzte, mittlere
Austrittsleitung kleineren Durchmessers in axiale Strömungsgeschwindigkeit umgesetzt
der axial fortschreitende dirbel in der iustrittsleitung au -einen entsprechend
langen Strömungsweg stabilisiert, die zu zerstäubende FlüssiÔeit (Heizöl) vor dem
lande dieses Leitweges zentrifugal i den umlaufenden, axial fortschreitenden Wirbel
ureter druck eingespritzt und das umlaufende Gemisch aus Trägermittel und Flüssigkeit
dicht hinter deren Zuführungsstelle aus der Austrittsleitung zum Ausströmen gebracht
wird.
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In weiterer Ausgestaltung des erfahren nach der Erfindung soll darauf
geachtet werden, daß seine Ausführung unter Einhaltung bestimmter Grenzwerte des
Durchmesserverhältnisses zwischen dem Innendurchmesser der zylindrischen Virbelkammer
und dem Innendurchmesser ihrer scharfkantig angesetzten Austrittsleitung erfolgt.
Diese besonderen Merkmale kommen natürlich auch in der Gestaltung und bemessung
der erfindungswesentlichen Teile der ZerstäubungsvorrichtunS zum Ausdruck.
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Die Zeichnung zeigt ein Beispiel für die Ausführung einer zum Zerstäuben
von Heizöl für den Betrieb von Ölbrennern dienenden Zerstäubungsvorrichtung nach
der Erfindung sowie schematische Darstellungen zur Erörterung ihrer Betriebsweise
und deren Auswertung in einem Diagramms und zwar zeigen
Fig. 1 einen
Längs schnitt durch den Düsenkopf eines mit einem Wirbelzerstäuber versehenen Ölbrenners,
Fig. 2 einen Querschnitt durch den Düsenkopf nach der Linie 2e2 von Figo 1, S .
3, 4 und 5 schematische Querschnitte durch drei Wirbelkammern unterschiedlicher
Größe und Ausführung, ig. 6, 7 und 8 schematische Längsschnitte durch diese Wirbelkamnern
und Fig. 9 ein Energiediagramm für diese unterschiedlichen Wirbelkammeraus führungen.
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Gemäß Fig. 1 weist der Zerstäuberkopf 10 eines Ölbrenners einen an
eine Hülse 12 angeschraubten, nach vorn verjüngten, kegeligen Kopfkörper 14 auf,
der am vorderen Ende eine zylindrische Bohrung 15 enthält, Diese Bohrung geht am
inneren Ende in einen erweiterten Teil 16 über, der eine Abstufung 17 be grenzt
In diese Ausnehmung ist eine Gasdüse 18 eingepaßt, die durch eine dahinter in den
Kopfkörper 14 eingeschraubte Gewindehülse 20 fest eingespannt ist.
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Die Gewindehülse 20 enthält eine Wirbelkammer 21 und umschließt ein
Zuführungsrohr 22, das eine Bohrung 23 der Gewindehülse abdichtend durchragt und
konzentrisch in einer Bohrung 24 der Gasdüse 18 liegt Der Durchmesser der Düsenbohrung
24 ist größer als der Außendurchmesser des Zuleitungsrohres 22, so daß zwischen
beiden ein Ringraum 26 gebildet ist, Das Zuführungsrohr 22 ist mit seinem hinteren
Ende in eine Zuführungsleitung
28 eingepreßt oder eingeschweißt,
die an eine nicht dargestellte Brennstoffleitung angeschlossen ist. Die Zuführungsleitung
28 ist in einen Deckel 30 eingeschraubt, der seinerseits mit einem Gewinde am inneren
Ende des iSopfkörpers 14 abdichtend verschraubt ist.
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Der Zerstäuberkopf 10 wird durch eine nicht darÓestellte Leitung,
die im Innern der Hülse 12 angeordnet und an einem exzentrischen Durchlaß 31 des
Deckels 30 befestigt ist, mit einem gasförmigen Druckmittel beaufschlagt0 Im anschließenden
Beschreibungsteil wird dieses Druckmittel als Dampf bezeichnet, kann sich jedoch
auch in anderem Zustand befinden. Der Dampf strömt zunächst in eine Vorkammer 32
und von dort durch einen tangentialen Einlaß 34 in die Wirbelkammer 21, Gemäß Fig.
2 ist der tangentiale Einlaß 34 so angeordnet, daß der Brnnstoffdampf in der Wirbelkammer
21 gegensinnig zur Drehrichtung des Uhrzeigers rotiert. Der Dampf durchströmt dann
den ringförmigen Zwischenraum 26, der eine koaxiale Auslaßlei tung für die Wirbelkammer
21 bildet. Bei der Umlaufbewegung des Wirbels wandert der Dampf vom Umfang der Wirbelkammer
21 nach ihrer Mitte in den Bereich der ringförmigen Austritts leitung 26, wobei
seine Drehgeschwindigkeit zunimmt, und zwar verändert sich die Zunahme umgekehrt
zur Quadratwurzel des Radius. Der Dampf strömt dann in den ringförmigen Zwischenraum
26 ein, wobei er seine Drehung mit dieser erhöhten Umlaufgeschwindigkeit fortsetzt,
die nur durch Reibung geringfügig abnimmt, und tritt schließlich mit dieser kreisenden
Drehung
am offenen, rechten Ende des ringförmigen Zwischenraums
26 aus.
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Natürlich kann die Wirbelkammer 21 auch mehrere tanÕentiale Einlässe
34 aufweisen sofern ihr Gesamtquerschnitt der verlangten Strömung angepaßt ist0
Geringe Abweichungen von der genau tangentialen Strömung dürften auf die Zerstäubung
ohne Einfluß sein, Die Erfindung beruht auf einer zweistufigen Yerstäubung der zu
zerstäubenden Flüssigkeit. Die erste zerstäubungsstuf stellt eine Radialzerstäubung
dar, die dadurch auftritt, daß der unter Druck zugeführte Brennstoff am Ende des
Zuführungs rohres 2 durch eine oder mehrere querliegende Düsenbohrungen 36 radial
ausströmt. Das Zuführungsrohr 22 ist an seinem freien Ende geschlossen, und seine
radialen Austrittsdüsen 36 sind dicht vor dem geschlossenen Ende angeordnet0 Der
Brennstoff wird daher in dünnen radialen Strahlen zentrifugal in den Dampfwirbel
eingespritzt. Infolge seiner hohen Wirbelgeschwindigkeit bewegt sich die Hauptmenge
des rotierenden Dampfes an der Außenfläche des Wirbels und bildet längs der Wand
der Bohrung 24 einen dünnes umlaufenden Film. Treffen die aus den radialen Düsen
36 ausgespritzten, dünnen Brennstoffstrahlen auf diese umlaufende Dampfschicht,
so werden sie durch die Turbulenz mitgerissen, wodurch eine besonders feine Zerstäubung
zustande kommt.
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Um eine beste Zerstäubungswirkung zu sichern, müssen die Größer Anzahl,
Richtung und der axiale Abstand der Brennstoffdüsen
36 vom geschlossenen
Ende des Rohres 22 genau festgelegt seine Die Größe der Brennstoffdüsen ist so zu
wählen, daß die Düsen von Unreinigkeiten und Rückständen des Brennstoffes nicht
verstopft werden können, Die Anzahl der Brennstoffdüsen muß so bemessen werden2
daß die erforderliche Brennstoffmenge mit dem gewünschten Druck austritt. Statt
der in Fig. 1 dargestellten radialen Lage können die Brennstoffdüsen 36 auch mehr
oder weniger tangential und in axialer Wichtung in jedem Winkel zwischen 0 und 900
oder darüber hinaus geneigt sein, so daß im letzteren Falle der brennstoff sogar
gegensinnig zur Strömungsrichtung des wirbelnden Mediums in das letztere eingeleitet
wird Das ort "zentrifugal" soll im weitesten Sinne alle tangentialen und axialen
ijeigungen einschließen. Die iinordnunO der Düsen 36 ist von unterschiedlichen Erwägungen
abhängig.
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Einerseits sollen die düsen innerhalb des ringförmigen Kanals 26 -liegen,
damit der Brennstoff vom E rbelnden Medium kräftig aufgenommen und zerstäubt wird0
iindererseits müssen die Brenn~ stoffdüsen so dicht am auslaßende des ringförmigen
Kanals 26 angeordnet sein, daß der flüssige Brennstoff nicht mit der Wand der Axialbohrung
24 in Berührung kommen kann. Das Vor handensein der längs der Wand der axialbohrung
24 rotierenden Dampfschicht trägt dazu bei, daß ein etwaiges Benetzen der Bohrungswand
mit flüssigen Brennstoffteilchen nur minimal bleibt.
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Obwohl in der dargestellten Ausführung nach Fig. 1 die Austrittsdüsen
36 für den flüssigen Brennstoff-sämtlich an der gleichen Stelle liegen, können auch
mehrere Sätze von Brennshfdüsen
36 in axialer Richtung hintereinander
liegen und sowohl in axialer Richtung, als auch in Umfangsrichtung zueinander versetzt
sein.
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Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, wenn die Bohrung 24 an ihren
außeren Ende mit einer kegeligen Aufweitung 38 versehen ist, und zwar soll diese
Aufweitung-' vorzugsweise einen Kegel winkel von etwa 300 haben.
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Zwischen der Wirbelkammer und ihrer Austrittsleitung muß ein scharfkantig
begrenzter Übergang vorgesehen werden, und zwar aus folgenden Gründen: Erstens ist
es mit Bezug auf die Leistung wesentlich, daß sich das zerstäubende Medium in Zerstäubungsbereich
mit Schallgeschwindigkeit bewegt. UberschallgeschwindiÕkeiten sind stets mit hohen
Energieverlusten verbunden während Unterschallgeschwindigkeiten bei einer vorgegebenen
Leistung einen ungewöhnlich hohen Verbrauch zur Folge haben Zweitens ist es zur
Erzeilung einer annehmbaren Rezirkulationsbedingung zwischen dem Zerstäubungsmedium
und dem einige spritzen Brennstoff in der Verbrennungskammer notwendig, daß das
Verhältnis der tangentialen Geschwindigkeit zur axialen Geschwindigkeit am-Austritt
des Wirbels aus dem Zerstäubungskopf etwa bei 1 : 1 liegt oder höher ist0 Drittens
muß die Schicht des kreisenden Zerstäubungsmediums am Austrittsende der Auslaßleitung
ausreichend dick sein, um ihre radiale Durchdringung mit dem eingespritzten Brennstoff
zu
verhindern, da diese Durchdringung zur Agglomeration des Srennstoffes auf der Innenflache
der Auslaßbohrung und somit zur Bildung von größeren Brennstoffteilchen führen würde.
Ein GeschwindiÖMkeitsverhältnis von 1 ; 1 stellt aemÓemaß eine mathematische Beziehung
zwischen dem Durchmesser der Austrittsdüse, der Strömungsgeschwindigkeit des zerstäubungsmediums
und seiner axialen Geschwindigkeitskomponente her.
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Der Leistungsbedarf, ausgedrückt in Wärmemengen je Einheitsgewicht
des Zerstäubungsmediums (1 3U/lb. = 0,556 koal/kg), kann durch geeignete Wahl des
Verhältnisses D/d innerhalb eines gegebenen Bereiches vermindert werden, wobei D
der Durchmesser der Wirbelkammer 20 und d der Durchmener ihrer Auslaßleitung (Axialbohrung
24) ist0 Diese Beziehungen werden nachstehend an Hand von Fig. 3 - 9 erläutert9
Sige 4 und 7 zeigen die Ver gleichswerte bei einer ausgeführten Versuchsanlage,
die unter normalen Arbeitsbedigungen hergestellt und betrieben wurde Das Durchmesserverhältnis
D/d betrug 3,312, da der Wirbelkammerdurchmesser D = 8,3 cm und der Durchmesser
ihrer Austrittsleitung (Axialbohrung 24) d = 2,5 cm betrugt Die Wirbelkammer hatte
sechs tangentiale Einlässe 34 von je 3 mm Durchmesser.
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Die Luft wurde den tangentialen Einlässen mit einem Druck von 3,36
at und unter vernachlässigbarer Geschwindigkeit zugeführt, und die Umwandlungen
der zur Verfügung stehenden gesamten Druckenergie beim Durchgang der Luft durch
die untersuchte Wirbelkammer wurden zunächs-t auf der Basis von Messungen mit Staudruckdüsen
bestimmt und dann in einem Diagramm nach der ausge
zogenen Linie
in Fig. 9 aufgezeichnet. Dieses Jiagranim wird anschließend erörtert.
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Die in dem Druckmittel vorhandene verfügbare Gesamtenergie vor dem
Eintritt des Druckmittels in aie tangentialen Einlässe der Wirbelkammer ist durch
den oberen Punkt 1 in Fig, 9 ange geben. An dieser Stelle beträgt die verfügbare
Energie des zur Zerstäubung verwendeten Druckmittels 42,5 BTU/lb. Dabei wird angenommen,
dap das Druckmittel noch keiner Bewegung unterliegt und seine kinetische Energie
somit gleich Null ist, wio dies durch den unteren Punkt 1 des Diagramms angegeben
ist, Bewegt sich das Druckmittel durch die tangentialen Einlasse der Wirbelkammer
gemäß Fig. 4 von der Stelle 1 nach der Stelle 2, wo es,in die Wirbelkammer einströmt,
so ist es auf eie Geschwindigkeit von 270 m/Sek. beschleunigt worden, wobei durch
die Reibung an den tangentialen Einlässen ein kleiner Druckverlust entsteht. Diese
i)ruckverlust ist im oberen-Teil des, Diagramms durch den Abfall der voll ausgezeichneten
Linie vom Punkt 1 zum Punkt 2 angedeutet, an dem die verfügbare Druck energie auf
41,5 BTU/lb. vermindert ist. Der durch die Reibung entstehende Energieverlust beträgt
also 1 BTU/lb. Gleichzeitig wächst die kinetische Energie, wie- dies durch den steilen
anstieg der voll ausgezeichneten Linie im unteren Teil des Diagramms vom Punkt-
1 zum Punkt 2 angegeben ist. Die an dieser Stelle verfügbare Druckenergie der Luft
ergibt sich aus dem Abstand zwischen den beiden mit 2 bezeichneten Punkten, während
die kinetische Energie im Bereich des unteren Punktes 2 etwa
15,5
BTU/lb. beträgt.
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Die Druckluft strömt dann in die Wirbelkammer ein, wobei sie in Fig.
4 und 7 den Weg von der Stelle 2 zur Stelle 3 zurücklegt, also von der Mündung des
tangentialen Einlasses zum höchsten Punkt der Wirbelkammer. Durch die plötzliche
Quer schnittsvergrößerung und auch durch die Richtungsänderung aus der geradlinigen
Zuführung in die Drehung des Wirbels ist ein erheblicher Energieverlust bedingt.
Dies ergibt sich in Fi*o 9 aus dem libfall der beiden voll ausgezeichneten Linien
von den Stellen 2 zu den Stellen 3. Der Übergang der oberen Linie von der Stelle
2 zur Stelle 3 deutet an, daß die Gesamtenergie es Zerstubungsmittels auf etwa 34
BDU/lbo abgefallen ist und daß auch an kinetischer Energie eine erhebliche Verminderung
eine treten ist0 Dagegen ist der Abfall an verfügbarer Druckenergie nur gering,
da der Abstand zwischen den beiden Punkten 3 nicht wesentlich kleiner ist als der
abstand zwischen den beiden Punk ten 2.
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Im weiteren Betriebsverlauf bewegt sich die rotierende Luft schraubenförmig
einwärts zur Mittelachse der Wirbelkammer, wobei ihre kinetische Energie im umgekehrten
Verhältnis zum Durch messer ansteigt0 Die axiale Komponente der Bewegungsenergie
ist gleich Null, ihre radiale Komponente ist vernachlässigbar, und die tangentiale
Komponente steigt von 200 m/Sek. auf 370 m/ck, an der Stelle 4 also vor dem Einlaß
in die Austrittsleitung der Wirbelkammer an. Diese Veränderungen sind in Fig. 9
durch den Verlauf der ausgezogenen Linien von den Stellen 3 nach den
Stellen
4 kenntlich gemacht. Dabei sinkt durch Reibungsverlust die verfügbare Gesamtenergie
geringfügig längs der oberen ausgezogenen Linie von etwa 34 BTU/lb. auf etwa 31Z3
BTU/lb. Während fast die gesamte verfügbare Druckenergie unter erheblicher Geschwindigkeitszunahme
in kinetische Energie- umgesetzt wird, was sich im Diagramm durch den steilen Anstieg
der unteren Linie von 3 nach 4 und durch den geringen Abstand zwischen den beiden
Punkten 4 äußerte Tritt nun der vom Druckmittel erzeugte Wirbel in die Aus trittsleitung
der Wirbelkammer, also in die Axialbohrung 24, ein, so wird ein Teil seiner tangentialen
Geschwindigkeit in axiale Geschwindigkeit ungesetzt. Hierbei tritt ein beträchtlicher
Energieverlust auf, der im Diagramm nach b'ig, 9 durch den verhältnismäßig steilen
Abfall beider Linien von den Punkten 4 nach den Punkten 5 zum Ausdruck kommt, Auf
dem anschließenden Weg in der Austrittsleitung der Wirbelkammer von der Stelle 5
in Fig. 7 zur Stelle 6 wird der axial fortschreitende Wirbel stabilisiert. Durch
die dabei auftretenden Reibungsverluste findet jedoch eine Erwärmung der Luft und
demzufolge eine Zunahme ihres Volumens statt, während der Druck etwas abfällt, so
daß im Endergebnis ein zusätzlicher Anteil der tangentialen Geschwindigkeit in axiale
Geschwindigkeit umgesetzt wird.
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An -der Stelle 6 in Fig 7 also in der sich erweiternden Ausrittsüse
38 nach Fig. 1, wird das Verhältnis der tangentialen Geschwindigkeit zur axialen
Geschwindigkeit konstant.
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Bei der Versuchsdurchführung wurde festgestellt, daß die Luftgeschwindigkeit
im Zerstäubungsabschnitt im Bereich der schallgeschwindigkeit bei 318 m/SekQ liegt
mit einer Tangentialkorn ponente von 234 m/Sek. und mit einer Axialkomponente von
164 m/SekO Im Prinzip wird die gesamte Luft am Umfang abgeblasen, und zwar in einer
Schicht von 2,5 mm Dicke. Im mitte ren Kern ist die Dichte nur gering und die xialgeschwindigkeit:
vernachlässigbar.
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Im Nachstehenden werden nun die Verhältnisse bei der stirbelzerstäubung
erläutert, wenn Wirbelkammern mit unterschied~ lichen Durchmesserverhältnissen D/d
verwendet werden. Dabei wurde angenommen, daß in diesen Fällen die gleiche Leistung
und die gleiche Zerstäubungsfeinheit erreicht werden sollte. Die hinter der Stelle
4 auftretenden Bedingungen sollten also die gleichen sein. Demgemäß sollte auch
der Durchmesser der Austrittsleitung der Wirbelkammern gleich bleiben Von diesen
Voraussetzungen ausgehend wurden die abweichenden Diagrammpunkte vom Punkt 4 aus
rückwärts berechnet, und zwar für ein Durchmesserverhältnis D/d - 1>5, das in
Fig. 5 und 8 dargestellt ist, und für ein Durohmesserverhältnis D/d = 6, das der
Darstellung in Fig. 3 und 6 entspricht.
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Für das Durchmesserverhältnis D/d X 1,5 gemäß Figt 5 und 8 ist die
Geschwindigkeitszunahme von 3" 3 " nach 4, also bei der radialen Einwärtsbewegung
des Wirbels in der Wirbelkammert nur gering, Demgemäß muß die Austsittsgesohwindigkeit
aus den tangentialen
Einlassen der Wirbelkammer, also an den Stellen
2", wesentlich höher liegen und berechnet sich auf einen Wert bei etwa 1,5 Mach.
Dringt jedoch ein Druckmittel mit so hoher Strömungsgeschwindigkeit in eine Wirbelkammer
kleineren Durchmessers, so sind die Energieverluste auf dem Wege von 2" nach 3"
außerordentlich hoch. Demzufolge muß auch der anfängliche Energiebe darf bzw. die
zugeführte Leistung in ßTU/lb. wesentlich höher liegen als bei der geprüften Anordnung
nach Fig. 4 und 7, der gemäß den obigen Ausführungen ein Durchmesserverhältnis D/d
= 3,312 zugrunde 1ag Ist dagegen der Außendurchmesser der Wirbelkammer wesentlich
größer, wie dies in Fig. 3 und 6 für ein Durchmesserverhältnis = = 6 vorgesehen
ist, so ist die Geschwindigkeitszunahme bei der kreisenden Bewegung des Druckmittels
von der Stelle 3' zur Stelle 4, also bei derfadialen Einwärtsbewegung des Wirbels
in der Wirbelkammer, wesentlich hoher. Um dies zu kompensieren, muß die Austrittsgeschwindigkeit
des Druckmittels an der Stelle 2', also beim Verlassen der tangentialen ßinlässe,
entsprechend niedriger sein. Da jedoch ein Teil der Breit zur Umsetzung von Druck
in kinetische Energie nur mit geringerem Wirkungsgrad geleistet werden kann, liegt
der erforderliche Zuführungsdruck des Druckmittels höher als bei der untersuchten
unordnung, und demgemäß muß auch die zugeführte Leistung in BTU/lb. des Zerstäubungsmittels
höher liegen. Diesen Voraussetzungen entsprechen im Diagramm nach Fig. 9 die Stellen
1', 2' und 3' der gestrichelten oberen und unteren Linien und auch die Stellen
2',
3' in Fig. 3 und 6.
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Um jegliche Verwirrung zu vermeiden, ist nachdrücklich darauf hinzuweisen;
daß weder die Güte cer zerstäubung, noch der Bedarf bzw. Verbrauch an Zerstäubungsmedium
von dem Durchmesserverhältnis D/d abhänagt. Bei Durchmesserverhältnissen von 1R5
oder kleiner Óemaß Fig. 5 unci 8 ist jedoch der erforderliche Zuführungsdruck für
das Zerstäubungsmedium übermäßig hoch. dci einem Durchmesserverhältnis von 6 oder
höher ist die Zunahme des Zuführungsdruckes zwar nur mäßig, doch werden die Abmessungen
der Zerstäubungskammer dann so groß; daß ihre Unterbringung Schwierigkeiten bereitet.
Aus diesen Gründen- sind für die aus führung der Erfindung Durchmesserverhältnisse
zwischen 1, 5 und 6 vorzuziehen.
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Die zylindrische Austrittsleitung der Wirbelkanmer in Gestalt der
hxialbohrung 24 bildet einen wesentlichen Teil der Erfindung, weil sie für die Stabilisierung
der Austrittsströmung notwendig ist0 Ohne diese A-ustritt-sleitung waren die Strömungsbedingungen
im Zerstäubungsbereich so unstabil, daß eine gleichmäßige Zerstäubung nicht möglich
wäre.
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Um eine übermüßige Umwandlung der tangentialen Geschwindigkeit in
axiale Geschwindigkeit an der Übergangsstelle des Zerstäubungsmediums aus der Wirbelkammer
21 in die Austrittsleitung 26 zu vermeiden, ist es wichtig, für einen scharfkantigen
Übergang aus der Wirbelkammer in die Austrittsleitung und für deren etwa rechtwinkelige
Lage zur Stirnfläche der Wirbelkammer zu sorgen Dabei ist die scharfkantige Ausbildung
des Überganges
wichtiger als eine genau rechtwinkelige Anordnung
der Austrittsleistung, denn die Betriebsbedingungen werden bei Abweichungen von
der rechtwinkeligen Ausrichtung um 5 oder 10°oder sogar tun mehr nicht beeinträchtig.
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Wird die vordere Stirnwand der Wirbelkammer kegelig ausgebildet,
und zwar mit einem spitzenwinkel, der wesentlich unter 170° liegt und etwa 30 bis
900 beträgt, so hat der Wirbel in der Wirbelkammer und mehr noch in der Austrittsleitung
eine vorherrschende Axialkomponente. Dies hat aber einen sehr kleinen Sprüh- oder
Zerstäubungswinkel am liustrittsende des Brennerkopfes zur Folge, bei dem keine
Umwälzung der Heizgase in der brennkammer mehr stattfindet. Weiterhin müßte wegen
der höheren Axialgeschwindigkeit die Strömungsgeschwindi gke:t des Zerstäu bungsmediums
wesentlich größer sein, um eine für die kräftige Zerstäubung ausreichende. Schichtdicke
des Zerstäubungswirbels im Bereich der Zerstäubungsstelle an der Innenfläche der
tustrittsleitung zu sichern.
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Da sich die Erfindung auf Zerstäubuirsvorrichtungen bezieht» die
mit einem unter hohem Druck stehenden Zerstäubungsmedium arbeiten, ist sie zur Verwendung
von Hochdruckdampf als Zer stäubungsmittel bestens geeignet. In den meisten Fällen
werden bei Zerstäuberbrennern entweder Druckluft oder Dampf zum Der stäuben von
schweren Heizölen verwendet. Wegen der besseren Wirtschaftlichkeit wird in der tiegel
die Verwendung von Dampf als zerstäubungsmittel vorgezogen. Bei der Erzeugung von
Dampf wird der größte Teilder benötigten Energie (Wärme) zur Verdampfung
des
wassers aufgewendet, während die Erzeugung £tes Dampfdruckes nur einen verhältnismäßig
kleinen Teil der au£ge wendeten energie benötigt. Beispielsweise werden zur Erzeugung
von 0,5 kg Dampf (100 %) mit einem Druck von 0,35 at an Wärme 976 BTU benötigt,
während der Wärmebedarf zur Erzeugung der gleichen Dampfmenge bei einem Druck von
5 at bei etwa 1000 BTU liegt, also nur unwesentlich höher ist0 Da der Zerstüuber
nach, der Erfindung einen Brennstoffdampf von 100 % liefert, ist die von dem dampf
bei seiner Expansion auf atmosphärischen Druck gelieferte energie in hohem Grade
vom Dampfdruck abhängig. Beispielsweise sind 5,7 BTU/lb. aus einem Dampf von 0,35
at verfügbar, und 35 BTU/lb. stehen aus einem Dampf von 5 at zur Verfügung. In anderen
Worten läßt sich dies auch so ausdrücken, daß eine Zerstäubungsenergie von 100 BTU
erhalten werden kann etnwerder a) aus ca. 8 kg Dampf von 0,35 at, der mit einen
Wärmeaufwand von 17100 BTU erzeugt werden muß, oder b) aus ca. 1,5 kg Dampf von
5 at, für dessen Erzeugung ein Wärmeaufwand von 3000 BTU benötigt wird0 Hieraus
geht hervor, daß die Benutzung von Hochdruckdampf weit weniger kostspielig ist als
die benutzung vo n Niederdruck~ dampf. Die Benutzung von Niederdruckdampf zur Heizölzerstäubung
ist nur gerechtfertigt1 wenn er praktisch kostenlos zur Verfüngung steht, z.B. als
Turbinenabdampf.