DE2020408C3

DE2020408C3 - Brenner für flüssige Brennstoffe mit Kapillarwirkung

Info

Publication number: DE2020408C3
Application number: DE2020408A
Authority: DE
Inventors: Denis Henry Weybridge Surrey Desty (Grossbritannien)
Original assignee: BP PLC
Current assignee: BP PLC
Priority date: 1969-04-28
Filing date: 1970-04-27
Publication date: 1978-03-30
Also published as: NO126882B; BE749678A; CH507478A; US3635651A; AT301107B; FR2040281A1; NL7005804A; DK140810B; DE2020408A1; DK140810C; NL164382C; DE2020408B2; JPS5313822B1; NL164382B; SE357813B; GB1247406A

Description

Die Erfindung betrifft einen Brt.iner entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs I.

Bei einem bekannten Brenner dieser Art (US-PS 22 27 899) sind in Richtung der Luftströmung übereinander zwei Verdanipferkörper aus zweierlei Material angeordnet. Die Eingangsöffnungen für den Brennstoff sind in Querrichtung am unteren Verdampferkörper angeordnet und holen den Brennstoff durch Kapillarwirkung aus einem umgebenden Bad. Dadurch wird bei den Einsaugöffnungen der Strömung des flüssigen Brennstoffes ein anderer Widerstand geboten als in Richtung der Luftströmung. Es entsteht dadurch ein anisotroper Verdampfer. Mit diesen Brennern wird eine gute Verbrennung mit geräuschlosen blauen Flammen erzielt, aber sie wurden bisher nur für kleine tragbare Heizvorrichtungen verwendet.

Außerdem läßt dieser bekannte Brenner noch Wünsche offen, insbesondere in bezug auf den Wärmeübergang zum flüssigen Brennstoff im Verdampfer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Bren.ier der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, der sich für Zwecke eignet, bei denen eine höhere Leistung erforderlich ist, als sie von kleinen tragbaren Heizvorrichtungen abgegeben werden kann, und für die eine automatische Regelung, beispielsweise bei Zentralheizungssystemen für Wohnhäuser, erwünscht ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der aus einem Metallschwammblock bestehende Verdampfer der Strömung des flüssigen Brennstoffes in Richtung quer zur Verbrennungszone einen geringeren Widerstand als in Richtung der Luftströmung bietet, indem der Metallschwammblock parallel zu seiner Achse derart zusammengedrückt ist, daß die in Richtung

der Luftströmung gemessene Porengröße kleiner ist als die im rechten Winkel dazu gemessene Porengröße.

Die besonderen Vorteile des Brenners gemäß der Erfindung bestehen nicht nur in dem gegenüber den bekannten Brennern besseren Wärmeübergang zum flüssigen Brennstoff im Verdampfer, sondern auch in der besseren Möglichkeit der Bearbeitung des starren Metallschwammblocks gegenüber den bisher verwendeten porösen Materialien.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die in den Figuren dargestellt sind. Es zeigt

F i g. 1 einen senkrechten Schnitt durch einen Brenner nit einem aus einem Metallschwammblock bestehenden Verdampfer,

Fig.2 eine Oberansicht des in Fig. I dargestellten Brenners,

Fig.3 eine andere Ausführung des in Fig. 1 dargestellten Brenners mit waagerechtem Verdampfer und Zuführungsteilen.

Fig.4 eine Abwandlung des in Fig.3 dargestellten Brenners mit gesondertem Zuführungsteil,

F i g. 5 einen senkrechten Schnitt durch einen anderen Verdampfer,

Fig.6 eine Oberansicht des in Fig.6 dargestellten Verdampfers und

Fig.7 einen schematischen Querschnitt durch einen Zentralheizungskessel für ein Wohnhaus mit Verwendung des in F i g. 6 und 7 dargestellten Verdampfers.

Der in Fig. I und 2 dargestellte Brenner weist einen Verdampfer 10 in Form einer waagerechten runden Scheibe 11 eines zusammengedrückten Metallschwammes auf, in die Luftlöcher 14 gebohrt, und zwar im Sechseckmuster angeordnet sind, d. h., um jedes Innenloch sind sechs benachbarte Löcher angeordnet, deren Mittelpunkte ein gleichmäßiges Sechseck bilden.

Der Verdampfer 10 wurde aus einem zylindrischen Block aus Metallschwamm hergestej¹!, indem der Block parallel zu seiner Achse im Verhältnis von 3: I zusammengedrückt und gleichzeitig die Luftlöcher 14 ausgeschnitten wurden. Ursprünglich hatte der Metallschwamm die Form eines dreidimensionalen Netzwerks von röhrenförmigen Nickellitzen, die dodekaedrische Poren mit einem mittleren Durchmesser von 0,3 mm bildeten. Durch das Zusammendrücken wurden die ursprünglichen Poren so abgeflacht, daß sie in senkrechter Richtung dünn wurden.

Der Umfang des Verdampfers 10 steht mit einem Brennstoffbad 13 in Berührung. Während des Betriebes enthält der Verdampfer einen Vorrat an flüssigem Brennstoff, der durch Oberflächenspannung in den Poren gehalten und horizontal durch Fluß von Pore zu Pore weiterbefördert wird. Die Poren bieten dem Fluß in senkrechter Richtung einen hohen Widerstand, so daß kein Brennstoff von der Unterseite abtropft.

Während des Betriebs .des Brenners wird Luft infolge der Verbrennungswärme durch die Luftlöcher 14 angesaugt, während durch die Hitze Brennstoff in die an die Oberfläche des Verdampfers angrenzende Verbrennungszone verdampft wird und dori verbrennt.

Die Wärmeabgabe kann geregelt werden, indem der Zufluß von Brennstoff in das Brennstoffbad 13 verringert und hierdurch die der Verbrennungszone zugeführte Brennstoffmenge verringert wird. Wird die Brennstoffzufuhr abgestellt, geht der Brenner zuerst in der Mitte als Folge des Brennstoffmangels aus. Hierdurch entsteht in der Mitte ein »toter« Bereich, der sich mit kleiner werdender Brennstoffzufuhr ausbreitet,

bis der gesamte Brenner erlischt. Der Brenner läßt sich somit in bezug auf die Wärmeabgabe gut regeln.

Um den Brenner erneut zu zünden, wird wieder Brennstoff zugeführt und eine Flamme an den Brenner gehalten. Hierdurch setzt die Verbrennung wieder ein, und der Brenner arbeitet in der oben beschriebenen Weise.

Der in Fig.3 dargestellte Brenner ist mit einem aus einem Metallschwammblock bestehenden Verdampfer 10 mit Brennstoffzuführungsteil 12 versehen. Der Verdampfer 10 besteht aus dem zusammengedrückten Metallschwamm, während der Brennstoffzuführungsteil 12 aus einem ringförmigen Zylinder aus nicht zusammengedrücktem Metallschwamm besteht. Der Brennstoffzuführungsteil 12 steht in einem Brennstoffbad 13 und hebt den Brennstoff durch die Kapillarwirkung auf die Höhe des Verdampfers 10. Die Übertragung des Brennstoffs über den gesamten Brenner und die Verbrennung finden dann in der oben beschriebenen Weise statt. Die Brennstoffzufuhr zum Brenner wird zweckmäßig durch Veränderung des FlüssitXeitsstandes im Brennstoffbad 13 geregelt. Eine Verdampfung von Brennstoff außerhalb der Verbrennungszone wird durch einen Schutzring 19 verhindert.

Bei der in Fig.4 dargestellten Ausführungsform ist der Verdampfer 10 ebenfalls ein zusammengedrückter Metallschwammblock, aber der Zuführungsteil 12 besteht aus Keramikfasern, die mit dem Verdampfer in Berührung stehen und somit den flüssigen Brennstoff übertragen. Der Zuführungsteil 12 wird durch den Schutzring 19 mit dem Verdampfer 10 in Berührung gehalten.

Mit einem Brenner der in Fig.3 dargestellten Art wurden Laboratoriumsversuche unter Verwendung von Leuchtpetroleum als Brennstoff durchgeführt. Es wurde festgestellt, daß die Verbrennungszone einen runden Querschnitt hatte und die Verbrennung etwa 0,5 cm über der Oberseite des Verdampfers vollständig war. Die wichtigen Abmessungen des Brenners sind in Tabelle 1 und die Versuchsergebnisse in Tabelle 2 genannt.

Tabelle 1

Gesamtdurchmesser 6,4 cm

Durchmesser der Verbrennungszone 4,2 cm Quersdinittsfläche der Verbrennungszone 13,9 cm²

Durchmesser jedes Luftlochs 4mm

Zahl der Luftlöcher 37

Gesamtfläche der Luftlöcher 4,7 cm²

Länge jedes Luftlochs 2 mm

Tabelle 2

Länge des Kamins, cm

Kleinere Verdampferhöhe, mm

Größere Verdampferhöhe, mm

Zufluß von Leuchtpetroleum,

ml/Min.

Gesamtleistung, W

Leistung pro Flächeneinheit, W/cm² 84

CO? im Rauchgas, Vol.-% 10,6 - -

Luftüberschuß, Vol.-% 37 - -

(Die »kleinere Verdampferhöhe« bedeutet den senkrechten Abstand zwischen dem Brennstoffspiegel im Brennstoffbad 13 uni der Unterseite des Verdampfers, die »größere Verdampferhöhe« den Abstand bis zur Oberseite des Verdampfers.)

20	20	20
7	9	10
9	11	12
1,88	0,8	0
1160	490
84	35

Der in Fig.5 und 6 dargestellte Verdampfer m ebenfalls aus dem beschriebenen Metallschwamnt hergestellt. Er besteht aus einem Metallschwammblock aus zwei rechteckigen, 3 mm dicken Platten 20a und 206, die im Winkel von 45° zur Horizontalen geneigt sind und an ihren Unterkanten 21 längs einer Linie verbunden sind. Die Platte 20a ist an ihrer Oberkante mit einem Brennstoffzuführungsteil 12a verbunden. Ebenso ist die Platte 20b mit einem Brennstoffzuführungsteil 12Z> verbunden. Die Platten 20a und 20b sind von runden Luftlöchern 14 durchbohrt, die in gleichmäßigem Sechseckmuster angeordnet sind, d. h., jedes Loch hat sechs nächste Nachbarn. Die Luftlöcher 14 haben einen Durchmesser von 3 mm, und ihre Gesamtfläche macht 30% der Gesamtfläche des Verdampfers aus.

Der Verdampfer wurde hergestellt durch Pressen und Biegen einer flachen Platte des Metallschwamms. Die Krümmung zwischen den BrennstoTzuführungsteilen 12a bzw. 12b und den beiden Platten 2(».<? bzw. 206 wurde gewählt, um eine Überbeanspruchung des Metallschwamms zu vermeiden. Während des Pressens wurde die Dicke des Metallschwamms im Verdampferleil im Verhältnis von 3 : 1 reduziert.

Wird der in F i g. 5 und 6 dargestellte Verdampfer in einen Brenner eingesetzt, so stehen die Brennstoffzuführungsteile 12a und 12b im Brennstoffbad 13, dem flüssiger Brennstoff zugeführt wird. F i g- 7 zeigt eine mit einem solchen Brenner versehene Zentralheizung für Wohnhäuser mit Warmwasserumlauf. Diese Heizung ist mit einer Verbrennungskammer 30 mit rechteckigem Querschnitt und Lufteintritt 31 sowie Rauchgasaustritt 32, die mit einem eingestellten Kamin verbunden sind, versehen. An den längeien Seiten des Rechtecks befindet sich ein Brennstoffbad 39, in dem die Zuführungsteile 12a und 12b eines Verdampfers der in Fig.5 und 6 dargestellten Art stehen. Unter dem Verdampfer ist ein Gebläse 33 und über dem Verdampfer ein Wärmeaustauscher 37 zum Erhitzen des Umlaufwassers angeordnet.

Der Brennstoff wird dem Bad 39 durch eine Brennstoffleitung 38 zugeführt. Die zugeführte Menge wird durch einen Mengenregler 34 geregelt. Die Einstellung des Mengenreglers 34 wird durch einen Thermostaten 35 verändert, der in Vorlaufleitung 36 des Wärmeaustauschers 37 angeordnet ist. Fällt die Temperatur des Wassers in der Vorlaufleitung 36 unter den am Thermostaten eingestellten Wert, erhöht der Mengenregler 34 die Brennstoffzufuhr. Steigt die Temperatur zu hoch, wird die Brennstoffzufuhr reduziert oder unterbrochen, so daß der Brenner ausgeht

Als Sicherheitsfaktor wird gewöhnlich ein nicht dargestellter Standregler vorgesehen. Diewr übergeht den Mengenregler, wenn der Brennstoffstand so hoch steigt, daß Überlaufgefahr besteht.

Der in die in Fig. 7 dargestellte Heizungsanlage eingebaute Brenner arbeitet in der oben beschriebenen Weise. Dip Brennstoffzuführungsteile 12a und 12b heben der. Brennstoff durch die Kapillarwirkung zu den Oberkanten der Platten 20a und 20b. Die Schwere begünstigt die Übertragung des Brennstoffs, der sich in der Flüssigphase befindet, zur Unterkante 21. Beim Durchgang durch Jen Verdampfer verdampft der Brennstoff in die der Oberfläche des Verdampfers benachbarte Verbrennungszone, wo er mit der durch die Luftlöcher 14 strömenden Luft verbrennt.

In einfacher Weise kann mit einem in den

Abbildungen nicht dargestellten elektrischen System eine automatische Zündung erreicht werden. Dieses arbeitet mit einer Heizwicklung zum Erhitzen einer kleinen Fläche des Verdampfers und einer Elektrode zum Erzeugen von Funken im Zusammenwirken mit dem Metallschwammblock. Zur Zündung wird das Zündsystem eingeschaltet und der Brennstoff erneut zugeführt. Erreicht der flüssige Brennstoff die erhitzte Fläche, verdampft ein Teil des Brennstoffs, und die Dämpfe werden durch die Funken gezündet. Hierdurch entsteht eine Flamme, die sich über die gesamte Fläche des Brenners ausbreitet.

Bei allen beschriebenen Brennern grenzt die gesamte Grundfläche der Verbrennungszone an die Oberseite der Verdampfers an. Der Verdampfer und der darin enthaltene flüssige Brennstoff werden somit erhitzt, wodurch Brennstoff in die Verbrennungszone veruampit wii'u.

TcTuäiTipicr βΠιιιαιι CiVtC

Verdampfer zu verwenden, mil dem die notwendige Brennstoffübertragung noch erreicht wird, da die Wärmekapazität des Verdampfers und des darin enthaltenen Brennstoffs um so größer sind, je größer die Dicke ist. Eine niedrige Wärmekapazität erleichtert die Zündung, da der Brennstoff um so leichter auf seine Verdampfungstemperatur gebracht wird, je kleiner die Wärmekapazität ist. So ist eine leichte Zündung besonders wichtig für einen Brenner, der durch ein automatisches Steuersystem ein- und ausgeschaltet wird. Mit einem dünnen Verdampfer wird beim Ausschalten des Brenners ein zusätzlicher Vorteil erzielt. Die Verbrennung gehl weiter, bis der im Verdampfer enthaltene Brennstoffvorrat verbraucht ist, und dieser Verbrauch wird bei einem kleinen Vorrat, d. h. bei einem dünnen Verdampfer, schneller und besser erreicht. Es ist somit zweckmäßig, daß der Verdampfer

Menge des flüssigen Brennstoffs, der sich innerhalb des Verdampfers zu bewegen vermag, wodurch der Brennstoffvorrat im Verdampfer ergänzt wird, während Brennstoff in die Verbrennungszone verdampft. Da der Verdampfer eine gute Brennstoffzufuhr angrenzend an die gesamte Grundfläche der Verbrennungszone gewährleistet, ist eine gleichmäßig verteilte Zufuhr von Brennstoffdämpfen zur Verbrennungszone sichergestellt.

Die Wärmeleitfähigkeit des in Verbindung mit F i g. 1 und 2 erwähnten Metallschwammblockes ergibt einen guten Wärmeübergang zu dem im Verdampfer gehaltenen flüssigen Brennstoff. Die Porengröße ist zweckmäßig für das Zurückhalten und Übertragen von flüssigem Brennstoffen.

Zusammenfassend kann also gesagt werden:

Der aus dem Metallschwammblock bestehende Verdampfer kann waagerecht angeordnet sein oder geneigte Teile enthalten, beispielsweise gewölbt oder schalenförmig sein. Vorteilhaft ist ein Verdampfer mit einem nach unten in Richtung des Brennstoffstromes geneigten Teil, da der Brennstoffübergang begünstigt wird. Besonders geeignet sind Neigungswinkel von 20 bis 70°, vorzugsweise 40 bis 50°, zur Horizontalen. Bevorzugt ist der Verdampfer mit zwei geneigten, vorzugsweise rechtwinkligen, an ihren untersten Bereichen verbundenen Teilen versehen. Die Zuführungsteile sollten an ihren höchsten Stellen mit dem Verdampfer verbunden sein.

Es ist im allgemeinen zweckmäßig, den dünnsten ζ. B für Zentralheizungen in Wohnhäusern, ist es erwünscht, daß der Verdampfer dünner als 5 mm, vorzugsweise dünner als 3 mm ist, um diese besonderen Vorteile zu erzielen.

Für eine gleichmäßige Luftverteilung ist es im übrigen zweckmäßig, daß die Luftlöcher 14, durch die die Verbrennungsluft in die Verbrennungszone strömt, gleichmäßig über den Verdampfer verteilt sind. Die Luftlöcher s^;i;d vorzugsweise rund und haben bevorzugt eine Fläche von 0,1 bis 1 cm². Die Zahl der Löcher ist so gewählt, daß sie 20 bis 50%, vorzugsweise 25 bis 35% der Gesamtfläche des Verdampfers ausmachen.

Der anisotrope Verdampfer in Fonn des verformten Metallschwammblocks bietet der Strömung des flüssigen Brennstoffs in Richtungen quer durch die Verbrennungszone einen geringeren Widerstand als in Richtung der Luftströmung, d. h„ die in Richtung der Luftströmung gemessene Porengröße ist kleiner als die im rechten Winkel dazu gemessene Porengröße. Für Ausführungsformen mit waagerechtem Verdampfer ist der Widerstand gegen die Flüssigkeitsströmung in waagerechter Richtung geringer als in senkrechter Richtung, d. h„ die Poren sind waagerecht gemessen größer als in senkrechter Richtung. Damit wird der Brennstoffstrom in erwünschten Richtungen, d. h. quer über die Verbrennungszone zur Erzielung einer gleichmäßigen Brennstoffverteilung erleichtert, die Brennstoffströmung in unerwünschten Richtungen, d. h. das Herabtropfen aus dem Verdampfer jedoch verhindert.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Brenner für flüssige Brennstoffe mit Kapillarwirkung mit einem porösen Verdampfer, der mit einem Brennstoffvorrat in Verbindung steht und den flüssigen Brennstoff durch Poren überträgt, die den Brennstoff durch Oberflächenspannung zu halten vermögen, wobei der Verdampfer mit Luftlöchern, durch die Verbrennungsluft durch den Verdampfer hindurch in die der Oberfläche des Verdampfers benachbarte Verbrennungszone strömt, ausgestattet ist und flüssigen Brennstoff durch Wärme, die aus der Verbrennungszone in den Brennstoff im Verdampfer übertragen wird, in die Verbrennungszone verdampft, und wobei außerdem der Verdampfer anisotrop ist und der Strömung des flüssigen Brennstoffes in Richtung quer zur Verbrennungszone einen anderen Widerstand als in Richtung der I.uftströmimg bietet, dadurch gekennzeichnet, daß der aus einem Metallschwammblock bestehende Verdampfer der Strömung des flüssigen Brennstoffes in Richtung quer zur Verbrennungszone einen geringeren Widerstand als in Richtung der Luftströmung bietet, indem der Metallschwammblock parallel zu seiner Achse derart zusammengedrückt ist, daß die in Richtung der Luftströmung gemessene Porengröße kleiner ist als die im rechten Winkel dazu gemessene Porengröße.