DE2241912A1

DE2241912A1 - Verfahren zur steuerung der verbrennung in einem brenner fuer fluessige brennstoffe und brenner zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2241912A1
Application number: DE19722241912
Authority: DE
Inventors: Makoto Hori; Toshiyuki Ishiguro; Nerumitu Rokudo; Nara Yamato-Koriyama
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1971-08-25
Filing date: 1972-08-25
Publication date: 1973-03-08
Also published as: BE787969A; DE2241912C3; FR2151399A5; DE2241912B2; IT964281B; DK143212B; NL7211654A; DK143212C; CH569928A5; CA1030053A; GB1406048A

Description

Anwaltsakte Nr. 22 768 25, Aug, 1972

Matsushita Electric Industrial Co., Ltd Osaka-fu, Japan

Verfahren zur Steuerung der Verbrennung In einem Brenner für flüssige Brennstoffe und Brenner gur' Durchführung des

Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Verbrennung in einem Brenner für flüielgen Brennstoff, bei dem ein Zerstäuber für flüssigen Brennstoff mit einem Horn verwendet ist, das mit Ultraschallfrequenz in Schwingung versetzt wird und eine Düse aufweist.

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Bei derartigen Brennern für flüssige Brennstoffe wird die Brennstoffzerstäubungsfläche an einem Ende des Homes mit Ultraschallfrequenz in Schwingung versetzt. Der flüssige Brennstoff bildet durch die Oberflächenspannung des Heizöls einen sehr dünnen Film über der Zerstäubungsfläche, der in fein verteilte Partikel zerstäubt wird, da die Zerstäubungsfläche mit Ultraschallfrequenz schwingt. Bei der Zerstäubung von flüssigem Brennstoff mit Hilfe der Ultraschal lenergie hängt der Zerstäubungsgrad stark von dem Durchmesser der Düse, der Beschaffenheit des dünnen Ölfilms und der Zerstäubungsfläche ab. Wenn diese drei Faktoren nicht voll entsprechen, muß die dem Zerstäuber zugeführte Leistung erhöht werden, und zwar unabhängig von der Durchflußmenge des Brennöls. Wenn die fein verteilten Partikel groß sind, und wenn die Zerstäubung nicht gleichmäßig iat, wird nicht nur der Wirkungsgrad der Verbrennung erniedrigt, sondern es kommt auch infolge der Wärmebean spruchung zu Störungen und Unterbrechungen bei dem Zerstäuber, wodurch dessen Lebensdauer erheblich verkürtt wird.

Gemäß der Erfindung wird das Verhältnis zwischen der Stirnfläche der Düse des hohlen Homes, das mittels eines Ultraschallschwingers mit Ultraschallfrequenz in Schwingung versetzt wird, zu dem Querschnitt der Düsenöffnung in Abhängigkeit von den Eigenschaften des zu verwendenden flüssigen Brennstoffs bestimmt.

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Die Erfindung schafft auch einen Brenner für flüssigen Brennstoff, mit dem der zugeführte flüssige Brennstoff vollständig zerstäubt wird und dadurch der Wirkungsgrad der Verbrennung erhöht wird. Weiterhin kann der Brenner so ausgebildet sein, daß ein hoher Wirkungsgrad bei der Zerstäubung des flüssigen Brennstoffs bezüglich der dem Ultraschallwellengenerator zugeführten Eingangsleistung erreicht wird.

Bei dem Brenner gemäß der Erfindung, bei dem als Zerstäuber für flüssigen Brennstoff ein Horn dient, das mittels eines Ultraschallschwingers mit Ultraschallfrequenz in Schwingung versetzbar ist und eine Düse aufweist, ist das Verhältnis der Stirnfläche, der Düse oder der Zerstäubungsfläche zu der Querschnittsfläche der Düsenöffnung in Abhängigkeit von den Eigenschaften des verwendeten flüssigen Brennstoffs bestimmt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert, wozu auf die beigefügten Zeichnungen bezug genommen wird. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise im Schnitt wiedergegebene Seitenansicht eines Brenners für flüssigen Brennstoff, wie er bei, den Untersuchungen zur Bestimmung des optimalen Verhältnisses der Stirnfläche oder Zerstäu-

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hungsfläche der Düse zu der Querschnittsfläche der Düsenöffnung für eine optimale Zerstäubung des Brennöls verwendet wurde;

Fig.2A und 2B Schnittansichten von Düsen, um die unterschiedliche Zerstäubung von flüssigem Brennstoff infolge der unterschiedlichen Fläche der Düsenöffnung zu erläutern;

Fig.2C bis 2E Längs- und Querschnitte verschiedener, bei der Erfindung verwendeter Düsen; und

Fig.3 Kurven, in denen die Beziehung zwischen der dem Ultraschallwellengenerator zugeführten Leistung in Watt und der Brennerleistung in kcal/h dargestellt ist, wenn die vorerwähnte Beziehung verändert wird.

In Fig.l ist ein bei den Untersuchungen verwendeter Brenner für flüssigen Brennstoff dargestellt; an einem Ende des Wandlers 2 eines Ultraschallgenerators, der über eine Leitung 3 an einen Oszillator 4 angeschlossen ist, sitzt ein Horn 1 zur Verstärkung der Amplitude der Ultraschallschwingung. Das Horn 1 ist horizontal ausgerichtet durch ein Tragteil 6a gehaltert das an dem Horn 1 in dessen Knotenpunkt 5 angebracht ist, in dem die Amplitude null ist; das Halteteil 6a ist seinerseits an einer Unterlage

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befestigt. Eine ölzufuhrleitung 7 verläuft in horizontaler Richtung koaxial im Horn 1 und ist im Knotenpunkt 5 unter einem rechten Winkel nach oben abgebogen, so daß sie aus dem hohlen Horn 1 herausführt. Sie ist mit einer Ölzufuhrleitung 8 verbunden, die ihrerseits an eine ölzumeßvorrichtung 9 angeschlossen ist, die mit einem nicht dargestellten ölbehälter oder dergl. verbunden ist. Zur Prüfung der Zerstäubung werden die am vorderen Ende oder an der Zers täub ungs fläche der Düse A des Homes I zerstäubten, fein verteilten Partikel 11 aus flüssigem Brennstoff^ in einem Behälter Io gesammelt. Die Querschnittsfläche der Düsenöffnung ist mit s und die Fläche des Düsenendes· (die Querschnittsfläche der Düsenöffnung s plus die Fläche der Zerstäubungsoberfläche) mit S bezeichnet.

In den Fig.2A bis 2E sind verschiedene Arten der Düse A dargestellt. Die in Fig. 2A dargestellte Düse besitzt ein großes Verhältnis S/s, während bei der in Fig.2B dargestellten Düse das Verhältnis S/s klein ist. Die in Fig.2C dargestellte Düse besitzt eine flache, ebene Endfläche, während die in Fig.2D dargestellte Düse ein innen vorstehendes Ende aufweist; die in Flg.2E dargestellte Düse besitzt ein nach innen eingewölbtes Ende. In Abhängigkeit von den Ausbildungen der Düsenenden ändert sich die Fläche S; die Zerstäubung von flüssigem Brennstoff durch die Düse wird in der vorliegenden Beschreibung durch den Wert S/s gekennzeichnet.

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Als nächstes wird die Arbeitsweise des in Fig.l wiedergegebenen Brenners für flüssigen Brennstoff beschrieben. Die Durchflußmenge des durch die Ölleitung 8 und die Ölleitung 7 zu der Düse A fließenden Brennöls wird durch die ölzumeßvorrichtung 9 gesteuert; das die Düse A erreichende öl bildet unter seiner Oberflächenspannung einen dünnen Film auf der Zerstäubungsfläche ύ. Da die Zerstäubungsfläche der Düse A mit Ultraschallfrequenz schwingt, wird der dünne Ölfilm in feine Partikel 11 zerstäubt.

Das Zerstäubungsvermögen der Düse A hängt aber von dem Verhältnis S zu s ab. Wenn das Verhältnis S/s groß ist, weil die Düsenöffnung s, wie in Fig.2A dargestellt ist, klein ist, und wenn eine große Menge Brenilöl mit hoher Durchflußgeschwindigkeit zugeführt wird, dann bildet das öl keinen gleichmäßigen dünnen Film auf der Zerstäubungsfläche sondern es bildet sich eine kleine ölansammlung in der Mitte der Düse, so daß das öl herabtropft, wie dies bei a in Fig.2A dargestellt ist. Wenn andererseits das Verhältnis S/s klein ist, weil die Düsenöffnung s, wie in Fig.2B dargestellt ist, groß ist, dann wird die Düsenöffnung nicht mit öl ausgefüllt, so daß sich eine ziemlich dicke ölansammlung nur in der unteren Hälfte der Zerstäubungsfläche ausbildet. In diesem Fall wird, selbst wenn die zugeführte Leistung erhöht wird, die ölansammlung nicht vollständig und ausreichend zerstäubt; ein

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Teil des Öls tropft dann herab, wie bei a in Pig.2B dargestellt ist.

Wenn das Verhältnis S/s nicht richtig gewählt ist, ist die Dicke des sich auf der Zerstäübungsfläche B bildenden Ölfilms nicht gleichmäßig, wodurch die Zerstäubung ungünstig beeinflußt wird und große ölpartikel herabtropfen. Wenn das Brennöl beispielsweise Kerosin ist, wird wegen der langsamen Verdampfungsgeschwindigkeit großer Kerosinpartikel giftiges Kohlenmonoxyd erzeugt. Weiterhin kommt es zu einer stoßweisen Verbrennung, da sich die Flamme nicht gleichmäßig ausbreitet.

Es wurden Versuche mit dem in Pig.l dargestellten Brenner und mit Kerosin durchgeführt, um das Verhältnis zwischen der dem Ultraschallwellengenerator zugeführten Eingangsleistung in Watt und der Brennerleistung in kcal/h zu erhalten, wenn das Verhältnis S/s geändert wird. Die Versuchsergebnisse sind in Pig.3 dargestellt. Bei den Versuchen wurden die zerstäubten Partikel 11 in dem Behälter Io gesammelt, um zu messen wieviel Kerosin in cm-⁵ pro Stunde zerstäubt werden kann; das Volumen der gesammelten zerstäubten Partikel wurde dann mit 8l5o kcal/Liter, dem Heizwert von Kerosin multipliziert. Abgesehen von den Fällen in denen das Verhältnis S/s 4,16 und 32 betrug, wurde kein Abtropfen von öl beobachtet.

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Für die mit der in Fig.l wiedergegebenen Einrichtung
durchgeführten Versuche sind in der unten angegebenen Tabelle jeweils die Durchmesser D und d der Zerstäubungsflächen und der Düsenöffnungen wiedergegeben.

S/s	D in mm	d in mm
4	10	5
*,5	10,6	5
5	10	1,5
6	9,8	4
8	11,4	4
9	12	4
10	12,55	4
12	12	3,5
16	8	2
32	11,4	2

Wenn wie aus Fig.3 zu ersehen ist, das Verhältnis S/s
gleich 16 bzw. 32 ist, dann wird die Durchflußmenge bzw, die Strömungsgeschwindigkeit des Kerosins in der Brennstoffleitung 7 zu groß bzw. zu schnell, wenn die Kerosinzufuhr erhöht wird, so daß Kerosin vorne auf die Zerstäubungsfläche der Düse 8 geschoben wird, bevor der dünne
Ölfilm gebildet und zerstäubt ist; dies führt dann zu einem Abtropfen von öl. Wenn das Verhältnis S/s gleich 4
ist, d. h., wenn die Düsenöffnungsfläche s zu groß ist,

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dann bildet das Kerosin auf Grund der Schwerkraft nur einen Film auf der unteren Hälfte der Zerstäubungsfläche der Düse A, so daß, wenn die Durchflußmenge erhöht wird, die Dicke des Ölfilms zunimmt, da die Zerstäubungsfläche zu klein ist. Auch in diesem Fall wird dann ein Teil des zugeführten Kerosins nicht zerstäubt und tropft ab, selbst wenn die zugeführte Leistung erhöht wird. Wenn die zugeführte Leistung über einen bestimmten Bereich hinaus erhöht wird, dann nimmt die Größe der zerstäubten Partikel derart zu, daß der Wirkungsgrad der Verbrennung verringert wird. Um eine Zunahme bei der Größe der zerstäubten Partikel zu verhindern, muß die Zufuhr von Kerosin verringert werden, wodurch unvermeidlich auch die Menge der zerstäubten Partikel abnimmt.

Wenn das Verhältnis S/s von 4 auf 4,5,5, 6, 8, 9 erhöht wird, nimmt die Verbrennungsleistung allmählich zu; wenn dann das Verhältnis S/s auf 10, 12, 16, 32 erhöht wird, nimmt die Verbrennungsleistung wieder ab. Wenn das Verhältnis S/s in dem Bereich zwischen 5 und 12 liegt, nimmt die Verbrennungsleistung allmählich zu, wenn die zugeführte Eingangsleistung erhöht wird, so daß das Verhältnis S/s einen Wert in diesem Bereich hat. Die Abmessungen des hohlen Homes sind vorzugsweise so klein, daß es leicht mit Ultraschallfrequenz in Schwingung versetzt werden kann. Der vorteilhafteste Bereich von S/s liegt zwischen

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5 und 9. Hierbei ist vom technischen Standpunkt her gesehen zu berücksichtigen, daß Verhältnisse, die den in Fig.3 dargestellten ähnlich sind, selbst dann erreicht werden, wenn das Verhältnis S/s sich innerhalb eines Bereichs von +_ 5% ändert.

Eine Beziehung, die der in den Fig.3 dargestellten entspricht, wird auch, abgesehen von den folgenden Gesichtspunkten erreicht, wenn ein anderer flüssiger Brennstoff, beispielsweise Schweröl, verwendet wird. Erstens ist die Viskosität von Schweröl größer als die von Kerosin, so daß, wenn das Verhältnis S/s größer als 36 ist, das Schweröl sich nicht über die Zerstäubungsfläche verteilen kann, um einen gleichmäßigen dünnen Ölfilm zu bilden. Folglich wird der Schwerölfilm nur auf einer sehr beschränkten, an die Düsenöffnung angrenzenden Fläche zerstäubt; wenn die Durchflußmenge erhöht wird, nimmt auch die Dicke des Ölfilms zu, so daß die zugeführte Eingangsleistung entsprechend erhöht werden muß. Wenn die Durchflußmenge einen bestimmten Punkt überschreitet, führt dies unabhängig von der dem Ultraschallgenerator zugeführten Leistung zu einem Abtropfen von öl, so daß die öltropfen mit den fein zerstäubten Partikeln gemischt werden; hieraus ergibt sich dann eine Abnahme des Verbrennungswirkungsgrads wie bei der Verwendung von Kerosinbrennstoff.

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Wenn andererseits das Verhältnis S/s kleiner ist und beispielsweise zwischen 6 und 4 und darunter liegt, füllt das Schweröl die Brennstoffleitung 7 nicht ausreichend und vollständig aus, da das spezifische Gewicht von Schweröl größer ist als das von Kerosin, so daß Schweröl nur in der unteren Hälfte der Innenwandung der Brennstoffleitung 7 fließt und nur einen Ölfilm in der unteren Hälfte der Zerstäubungsfläche der Düse bildet. Die zerstäubten Schwerölpartikel konzentrieren sich daher nur in dem unteren Teil und v/erden nicht gleichmäßig mit Luft vermischt. Weiterhin wird die zugeführte Eingangsleistung nicht ausgenützt und die Dicke des Ölfilms entlang dem Außenumfang der Zerstäubungsfläche nimmt zu, so daß öltropfen abtropfen.

Wie aus der obigen Beschreibung zu entnehmen ist, kann also, wenn gemäß der Erfindung das Verhältnis S/s entsprechend gewählt ist, der Verbrennungswirkungsgrad eines Brenners mit einem hohlen Horn, das mit Ultraschallfrequenz schwingt, verbessert werden, während die dem Ultraschallwellengenerator zugeführte Eingangsleistung verringert ist. Da der hohe Verbrennungswirkungsgrad mit einer geringen Eingangsleistung erreicht werden kann, sind die Schwierigkeiten, die durch die Erwärmung des Ultraschallwellengenerators und des Wandlers entstehen, überwunden.

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In der Beschreibung ist die Beziehung zwischen der Endfläche der Düse und der Düsenöffnungsfläche in Form des Ausdrucks S/s ausgedrückt; selbstverständlich kann die Beziehung aber auch durch die Radien oder Durchmesser der Endfläche der Düse und der Düsenöffnung ausgedrückt werden.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

/1.!Verfahren zur Steuerung der Verbrennung in einem Brenner für flüssigen Brennstoff, in dem ein Zerstäuber für flüssigen Brennstoff mit einem hohlen Horntrienter verwendet ist₉ der mit Ultraschallfrequenz schwingt und eine Düse aufweist» dadurch gekennzeichnet,, daß das Verhältnis der Endfläche der Düse zu der Fläche der Düsenöffnung so gewählt ist, daß dadurch die Zerstäubungsbedingungen für den flüssigen Brennstoff gesteuert werden.
2. Brenner für flüssigen Brennstoffs bei dem ein Zerstäuber für flüssigen Brennstoff mit einem Horn verwendet ist, das mit UItrasGhalifrequenz schwingt und eine Düse aufweist, insbesondere sur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch I₃ dadurch gekennzei chnet_s daß das Verhältnis der Endfläche der Düse zu der Fläche der Düsenöffnung

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in Abhängigkeit von den Eigenschaften des verwendeten flüssigen Brennstoffs bestimmt ist, um dadurch die Zerstäubungsbedingungen für den flüssigen Brennstoff zu steuern.
3. Brenner für flüssigen Brennstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis in dem Bereich zwischen 5 und 9 liegt,

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