DE2241912C3 - Brenner für flüssigen Brennstoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner für flüssigen Brennstoff, bei dem als Zerstäuber für den Brennstoff ein Horn verwendet ist, das mit Ultraschallfrequenz schwingt und eine Brennstoffdüse aufweist, deren zentrale Düsenöffnung von der Zerstäubungs;fläche umgeben ist.

Bei derartigen Brennern für flüssigen Brennstoff wird die Brennstoff-Zerstäubungsfläche an einem Ende des Homes mit Ultraschallfrequenz in Schwingung versetzt. Der flüssige Brennstoff bildet durch die Oberflächenspannung des Heizöls einen sehr dünnen Film Ober der Zerstäubungsfläche, der in fein verteilten Partikeln zerstäubt wird, da die Zerstäubungsfläche mit Ultraschallfrequenz schwingt Bei der Zerstäubung von flüssigem Brennstoff mit Hilfe der Ultraschallenergie hängt der Zerstaubumgsgrad stark von dem Durchmesser der Düse, der Beschaffenheit des dünnen Ölfilms und J5 der Zerstäubungsfläche ab. Wenn a.ese 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 Partikeln groß sind und wenn die Zerstäubung nicht gleichmäßig ist, wird nicht nur der Wirkungsgrad der Verbrennung erniedrigt, sondern es kommt auch infolge der Wärmebeanspruchung zu Störungen und Unterbrechungen bei dem Zerstäuber, wodurch dessen Lebensdauer erheblich verkürzt wird.

Es ist bekannt, die Düsenöffnung der Brennstoffdüse so zu bemessen, daß die Zerstäubungsfläche des Horns benetzt wird, wobei es auf die Bemessung der Stirnfläche des Horns im Verhältnis zu der Düsenöffnung wesentlich ankommt. Bei einer zu großen Düsenöffnung spuckt der Brenner, während bei einer zu kleinen öffnung die Stirnfläche nicht benetzt wird. Außerdem kann man aus einem bekannten Untersuchungsbericht über Ultraschallzerstäuber an Heizölbrennern ableiten, daß sich für eine große Düsenöffnung verhältnismäßig günstige Werte für die Rußzahlen, den CCVGehalt, den Gebläsedruck und die Kokssternchen bei der Verbrennung des Heizöls ergeben (»öl- und Gasfeuerung« 1964, Heft 7, S. 718-723 und 1967, Heft 2, S. 140-148).

Durch die Erfindung wird die Aufgabe gelöst, einen zu guten Zerstäubiingsergebnissen für flüssige Brennstoffe führenden Bereich des Abmessungsverhältnisseis der Endfläche der Brennstoffdüse zum Düsenöffnungsquerschnitt anzugeben. b5

Die Erfindung läßt sich für einen Brenner mil den eingangs erwähnten Merkmalen dadurch kennzeichnen, daß das Verhältnis der Fläche des Endes der Brennstoffdüse, die sich aus der Zerstäubungsfläche und der Querschnittsfläche der Düsenöffnung zusammensetzt, zu der Querschnittsfläche der Düsenöffnung in dem Bereich zwischen 6 und 9 liegt

Wenn erfindungsgemäß in dem angegebenen Bereich gearbeitet wird, läßt sich eine weitestgehende Zerstäubung sowohl für leichte flüssige Brennstoffe, wie Kerosin, als auch schwere Brennstoffe, wie Schweröl, sowie ein guter Zerstäubungswirkungsgrad und damit Verbrennungswirkungsgrad bei gegebener Eingangsleistung des Ultraschallgebers erreichen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert, wozu auf die Zeichnungen Bezug genommen wird. Es zeigt

F i g. 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 Zerstäubungsfläche der Düse zu der Querschnittsfläche der Düsenöffnung für eine optimale Zerstäubung des Brennöls verwendet wurde,

F i g. 2A bis 2C Längs- und Querschnitte verschiedener, bei der Erfindung verwendeter Düsen, und

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

In F i g. 1 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 6 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 dergleichen verbunden ist. Zur Prüfung der Zerstäubung werden die am vorderen Ende oder an der Zerstäubungsfläche B der Düse A des Homes I zerstäubten, fein verteilten Partikeln 11 aus flüssigem Brennstoff in einem Behälter 10 gesammelt. Die Querschnittsfläche der Düsenöffnung ist mit s und die Fläche des Düsenendes (die Querschnittsfläche der Düsenöffnung plus die Fläche der Zerstäubungsfläche ß)mit5bezeichnet.

In den F i g. 2A bis 2C sind verschiedene Arten der Düse A dargestellt Die in Fig.2A dargestellte Düse besitzt eine flache, ebene Endfläche, während die in Fig.2B dargestellte Düse ein vorstehendes Ende aufweist; c'ie in Fig.2C 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.

Als nächstes wird die Arbeitsweise des in Fig. 1 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 dönnen Film auf der Zerstäubungsfläche B, Da die Zerstäubungsfläche der Düse A mit Ultraschallfrequenz schwingt, wird der dünne Ölfilm in feine Partikeln 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 klein ist, und wenn eine große Menge Brennöl mit hoher Durchflußgeschwindigkeit zugeführt wird, dann bildet das Ol keinen ι ο gleichmäßigen dünnen Film auf der Zerstäubungsfläche, sondern es bildet sich eine kleine ölansammlung in der Mitte der Düse, so daß das öl herabtropft Wenn andererseits das Verhältnis S/s klein ist, weil die Düsenöffnung s 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 Teil des Öls tropft dann herab.

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

Es wurden Versuche mit dem in F i g. 1 dargestellten Brenner und mit Kerosin durchgeführt, um das Verhältnis zwischen der dem Ultraschallwellengenerator zugeführten Eingangsleistung in Watt und der J5 Brennerleistung in kj/h zu erhalten, wenn das Verhältnis S/s geändert wird. Die Versuchsergebnisse sind in Fig.3 dargestellt Bei den Versuchen wurden die zerstäubten Partikeln 11 in dem Behälter 10 gesammelt, um zu messen wieviel Kerosin in cm³ pro Stunde zerstäubt we den kann; das Volumen der gesammelten zerstäubten Partikeln wurde dann mit 34 122 kj/l, dem Heizwert von Kerosin, multipliziert Abgesehen von den Fällen in denen das Verhältnis SA 4,16 und 32 betrug, wurde kein Abtropfen von Öl beobachtet.

Für die mit der in Fig. 1 wiedergegebenen Einrichtung durchgeführten Versuche sind in der unten angegebenen Tabelle jeweils die Durchmesser D und d der Zerstäubungsflächen und der Düsenöffnungen wiedergegeben.

55

60

S/s	D in mm	din mm
4	10	5
4,5	10,6	5
5	10	4,5
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 F i g. 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 Kerosinzufubr erhöhi wird, so daß Kerosin vorne auf die Zerstäubungsfläche der Düse A 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 zu groß ist, dann bildet das Kerosin aufgrund 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 Partikeln derart zu, daß der Wirkungsgrad der Verbrennung verringert wird. Um eine Zunahme bei der Größe der zerstäubten Partikeln zu verhindern, muß die Zufuhr von Kerosin verringert werden, wodurch unvermeidlich auch die Menge der zerstäubten Partikeln abnin-rnt

Wenn das Verhältnis S/s von 4 auf 4,5-JS. 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 5 und 9. Hierbei ist vom technischen Standpunkt her gesehen zu berücksichtigen, daß Verhältnisse, die den in F i g. 3 dargestellten ähnlich sind, selbst dann erreicht werden, wenn das Verhältnis S/s sich innerhalb eines Bereichs von ± 5% ändert.

Eine Beziehung, die den in 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 Verhrennungswirkungsgrades wie bei der Verwendung von Kerosinbrennstoff.

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 'jnd nur einen Ölfilm in der unteren Hälfte der Zerstäubungsfläche der Düse bildet. Die zerstäubten Schwerölpartikeln konzentrieren sich

daher nur in dem unteren Teil und werden 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 in Ultraschallfrequenz schwingt, verbessert werden, wäh rend 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.

In der Beschreibung ist die Beziehung zwischen der Endfläche der Düse und der DUsenöffnungsfläche in Form des Ausdrucks S/s ausgedrückt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch;

   Brenner für flüssigen Brennstoff, bei dem als Zerstäuber für den Brennstoff ein Horn verwendet ist, das mit Ultraschallfrequenz schwingt und eine Brennstoffdüse aufweist, deren zentrale Düsenöffnung von der Zerstäubungsfläche umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis (Sä; der Fläche ^des Endes der Brennstoffdüse (A), die sich aus der Zerstäubungsfläche (B) und der Querschnittsfläche (s) der Düsenöffnung zusammensetzt, zu der Querschnittsfläche (s) der Düsenöffnung in dem Bereich zwischen 6 und 9 liegt

   15