DE2333880C2

DE2333880C2 - Brenner für flüssigen Brennstoff

Info

Publication number: DE2333880C2
Application number: DE19732333880
Authority: DE
Inventors: Makoto Nara Hori; Tshiyuki Yamatokoriyama Ishiguro; Nerumitsu Yamatokoriyama Nara Rokudo
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1972-07-04
Filing date: 1973-07-03
Publication date: 1983-05-26
Also published as: ATA584473A; AU5770873A; DK139853C; GB1440237A; DE2333880A1; CH578152A5; NL7309363A; NO135487C; CA998331A; NL166113C; NL166113B; FR2237530A5; DK139853B; IT990878B; SE400116B; NO135487B; AT354593B

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner für flüssigen Brennstoff gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einem derartigen Brenner, gemäß dem betriebsinternen Stand der Technik, wie er aus der nicht vorveröffentlichten DE-OS 22 20 538 hervorgeht, werden die von der schwingenden Zerstäubungsfläche abgestoßenen, zerstäubten Brennstoffteilchen von dem entlang der Umfangsfläche des Horns durch den Ringspalt zwischen der Zerstäubungsfläche und der inneren Leiteinrichtung zuströmenden Luft mitgerissen und in die Drallströmungen am Austritt der inneren und äußeren Leiteinrichtung eingetragen, so daß eine gute und gleichmäßige Durchmischung erfolgt, was Voraussetzung für einer, guten Verbrennungswirkungsgrad ist. Eine andere wesentliche Voraussetzung für einen guten Verbrennungswirkungsgrad ist jedoch eine möglichst gute Stabilisierung der Flamme, wozu es auf gewisse Bedingungen für die Anordnung und Bemessung der die Luft führenden Teile relativ zueinander und zu der Zerstäubungsfläche ankommt.

Durch die Erfindung wird die Aufgabe gelöst, bei einem Brenner mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen für einen guten Verbrenriungswirkungsgrad durch möglichst gute Stabilisierung der Flamme zu sorgen.

Dies wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale erreicht.

Durch die Anordnung der Zerstäubungsfläche in Höhe eines der vorderen Enden der inneren U iteinrichtung und des mit der äußeren Leiteinrichtung (6) stromab abschließenden Innenrohres oder zwischen diesen vorderen Enden ist gewährleistet, daß die Flamme einerseits nicht zu weit stromab der Zerstäubungsfläche beginnt und sich dort stark ausbreitet, so daß sie von den Luftströmungen gestört würde, andererseits nicht an oder zu nahe an der Zerstäubungsfläche entsteht, was zur Verrußung der Zerstäubungsfläche und damit ebenfalls zur Erzeugung einer instabilen Flamme führen kann. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung der Zerstäubungsfläche hingegen wird die entstehende Flamme von den Luftströmungen gehalten, so daß eine stabile Verbrennung erzielt wird.

Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brenners, die jeweils zur Verbesserung des Wirkungsgrades durch Stabilisierung der Flamme beitragen, sind Gegenstand jeweils der Ansprüche 2 bis 4.

Die Erfindung wird anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert, wozu auf die Zeichnung Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigt

Fig. IA einen Längsschnitt durch einen Brenner mit Ultraschallzerstäubung,

F i g. 1B die Vorderansicht des Brenners,

F i g. 2 in vergrößertem Maßstab eine Teilansicht des in F i g. IA dargestellten Brenners,

Fig.3A bis 3C Ansichten zur Erläuterung der Flammenfront in Abhängigkeit von der Relativanordnung der Zerstäubungsfläche zu den Leiteinrichtungen,

Fig.4A bis 4D Ansichten ?mt Erläuterung der Flammenfront, welche erhalten wird, wenn die Verhältnisse zwischen drei Luftaustrittsöffnungen verändert werden.

In F i g. 1 weist ein Außenrohr 2 einen sich kegelstumpfförmig verjüngenden Abschnitt 2a auf, der an das Ende eines Gehäuses 1 anschließt In dem Außenrohr 2 ist ein kegelstumpfförmiges hohles Horn 5, das mit seinem hinteren Ende fest an einem Ultraschallschwinger 4 angebracht ist, mittels einer Anzahl von Trägern 15 gehalten, welche an dem Horn an solchen Stellen 16 befestigt sind, an welchen ein Schwingungsknoten der Schwingung vorhanden ist, mit welcher das Horn schwingt. Ein Innenrohr 3, welches in dem Außenrohr 2 auslaßseitig angeorndet ist, begrenzt eine äußere Leiteinrichtung 6 und eine innere Leiteinrichtung 7, welche beide mit einer Anzahl von Leitschaufeln ausgestattet sind, wie am besten aus F i g. 1B ersichtlich ist.

Eine Zündkerze 8 erstreckt sich durch das Außenrohr 2 und ist rechtwinklig zu dessen offenem Ende hin abgebogen, so daß seine Mittenelektrode 11 oberhalb und an der Oberseite des kegelstUfflpfförmigen Horns 5 angeordnet ist. Die Zündkerze 8 ist über ein Kabel 12 mit einem Zündtransformator 13 verbunden. Ein Oszillator 18 ist über eine Leitung 17 an den Schwinger 4 angekoppelt. Eine die Brennstoffzufuhr steuernde Einrichtung 10 ist an eine Ölversorgungsleitung 9 angeschlossen, welche an dem Knotenpunkt der Hornschwingung in das Horn 5 eintritt und mit einem

öldurchlaß 14 in Verbindung steht, der in dem hohlen Horn 5 entlang dessen Achse susgebildet ist, wie am besten aus F i g, 1A zu ersehen ist.

Der Brennstoff fließt über die Leitung 9 und den Durchlaß 14 zu der Zerstäubungsfläche am Ende des s Horns und bildet infolge seiner Oberflächenspannung einen dünnen Film auf der Zerstäubungsfläche, Dieser dünne Brennstoffilm wird mittels der UltrascbaUschwingungen des Horns 5 zerstäubt Um durch Misqhen der zerstäubten Brennstoffpartikel mit Luft eine stabile Zündzone und damit eine vollständige Verbrennung sicherzustellen, sind die äußere und innere Leiteinrichtung 6 und 7 vorgesehen, damit eine Umfangsströmung der Luft vorhanden ist Das heißt, die zerstäubten Brennstoffteilchen werden durch den an der Umfangsfläche des Horns austretenden Luftstrom von der Zerstäubungsfläche des Horns 5 weggeführt und dann in die Umfangsluftströmung eingetragen, die von der inneren und der äußeren Leiteinrichtung 6 und 7 erzeugt wird, so daß die zerstäubten Brennstoffpartikel mit der Luft gemischt werden. Wenn das innenrohr 3 nicht vorgesehen wäre, entstünde eine unvollständige Verbrennung.

Damit eine stabile Verbrennung erhalten werden kann, sind das Horn 5, die Leiteinrichtung 6, 7 das Innenrohr 3 und die Zerstäubungsfläche des Horns 5 in bestimmter Weise relativ zueinander angeordnet und bemessen, was im folgenden diskutiert wird.

Wie in F i g. 2 dargestellt, sei Λ/der Abstand zwischen dem vorderen Ende des Innenrohres 3 und dem vorderen Ende der inneren Leiteinrichtung 7, während m der Abstand zwischen der Zerstäubungsfläche am vorderen Ende des Horns 5 und dem vorderen Ende des Innenrohrs 3 sei.

Durchgeführte Versuche haben gezeigt, daß bei der Bedingung 0 > m, d. h. wenn das vordere Ende des Horns 5 vor dem vorderen Ende des Innenrohrs 3 angeordnet ist, der Luftstrom, der entlang dem Außenumfang des Horns 5 strömt, weniger Störungen aufweist, so daß die kinetische Energie, welche auf die zerstäubten Brennstoffpartikel in der Axialrichtung des hohlen Horns 5 übertragen wird, übermäßig groß wird. Hierdurch befindet sich dann, wie in F i g. 3A dargestellt, die Stelle, an welcher die Flamme erzeugt wird, in einem verhältnismäßig großen Abstand von der Zerstäubungsfläche des Horns 5, so daß der Oral·:-Luftstrom auf die Flammenfront auftrifft. Dadurch wird die Flamme gestört und schwankt schon bei einer verhältnismäßig kleinen Druckänderung in dem Brennraum, so daß die Verbrennung instabil isi. Ferner wird ein Teil der Flamme aus der Mischzone verschoben, was eine unvollständige Verbrennung zur Folge hat Wenn der Zug bzw. die Luftströmung zu stark ist, wird die Flamme ausgeblasen.

Wenn das vordere Ende des Horns 5 hinter den vorderen Enden des Innenrohrs und der inneren Leiteinrichtung angeordnet ist, d. h. wenn M < m ist, wird der Luftstrom am Umfang des Horns 5 stärker, wie in F i g. 3C dargestellt ist, und es wird ein Unterdruck in dem an die Zerstäubungsfläche des Horns 5 angrenzenden Bereich erzeugt, so daß die Flamme zu der Zerstäubungsfläche zurückgezogen wird. Die Flamme entsteht dann an der Zerstäubungsfläche selbst und ein Teil der Flamme schlägt in die innere Leiteinrichtung zurück, was ebenfalls eine unvollständige Verbrennung zur Folge hat. Hierdurch schlägt sich Ruß auf der Zerstäubungsfläche des Horns 5 und den Schaufelblättern der inneren Leiteinrichtung nieder, so daß sie Überhitzt und oxydiert werden, was seinerseits eine kürzere Lebensdauer zur Folge hat

Wenn hingegen 0 < m < M ist, beginnt die Flammenfront an einer Stelle, welche in kleinem Anstand von der Zerstäubungsfläche des Horns 5 Hegt, wie in F i g. 3B dargestellt, so daß die bei den in Fig.3A und 3C dargestellten Anordnungen auftretenden Fehler beseitigt werden können.

Ein weiterer Einfluß auf die Stabilisierung der Flamme besteht in der Ausbildung einer weitgehend ungestörten Luftströmung. Die durch das Gehäuse strömende Luft trifft auf das hintere Ende des Horns 5 auf, wodurch es zu Störungen in Form von Turbulenzen kommt Wenn die turbulente Luft in die innere und die äußere Leiteinrichtung 6 und 7 eingeleitet wird, wird auch die austretende Umfangsströmung gestört, so daß die zerstäubten Brennstoffpartikel nicht gleichmäßig mit Luft gemischt werden, was wieder zu einer unvollständigen Verbrennung, einer turbulenten Flamme und abnormen, ungewöhnlich starken Verbrennungsgeräuschen führt

Um diese Schwierigkeit zu beseitigen, ist das hintere Ende des Innenrohrs 3 hinter den Leiteinrichtungen 6 und 7 im Abstand von diesen angeordnet Ferner hat der kegelstumpfförmig sich verjüngende Abschnitt 2a des Außenrohres 2 genau die gleiche Neigung wie die Verjüngung des Horns 5, so daß der Luftstrom laminar wird, bevor er in die Leiteinrichtungen einströmt Die Länge der inneren Leiteinrichtung 7 sei L und der Abstand zwischen den hinteren Enden des Innenrohrs 3 und der inneren Leiteinrichtung 7 sei /. Wenn der Abstand / so klein ist, daß ^Lh < / < ^LU ist, wird der Luftstrom, der auf das hintere Ende des Innenrohrs 3 auf.ritt, derart gestört daß er mit Störungen in die äußere und die innere Leiteinrichtung eintritt Infolgedessen wird es schwierig, ein vorgegebenes Verhältnis zwischen den Luftmengen, die in die äußere und die innere Leiteinrichtung 6 und 7 einströmen, einzustellen. Auch dies führt wieder zu einer unvollständigen Verbrennung.

Wenn der Abstand / groß ist, so daß beispielsweise W2 < I ist dann nähert sich das hintere Ende des Innenrohrs 3 dem hinteren Ende des Horns 5, an welchem der turbulente Luftstrom sehr stark ist. Die Luft strömt daher in die äußere und die innere Leiteinrichtung 6 und 7 turbulent ein, so daß die ausströmende Luft ebenfalls gestört wird, was wiederum eine unvollständige Verbrennung zur Folge hat

Die Lage des hinteren Endes des Innenrohrs 3 muß daher so festgelegt werden, daß der Luftstrom, der an dem hinteren Ende des Horns 5 gestört wird, in dem Durchlaß zwischen dem sich kegelstumpfförmig verjüngenden Abschnitt 2a des Außenrohres 2 und dem Horn 5 hinreichend laminar ist, bevor er das hintere Ende des Innenrohrs 3 erreicht, und daß ferner der am hinteren Ende des Innenrohrs 3 gestörte Luftstrom ebenfalls entsprechend laminar wird, bevor er in die äußere und die innere Leiteinrichtung 6 und 7 einströmt Umfangreiche Untersuchungen haben gezeigt, daß für den Abstand / die Bedingung ^LU < 1 < ¹Ii erfüllt sein muß. Ein Brenner, der den vorbeschriebenen Bedingungen genügt, hat die folgenden Eigenschaften.

1. Die Flammenfront ist stabilisiert, da der Umfangsluftstiom nicht ^nstört wird,

2. das Schwanken der Flamme ist begrenzt, so daß das Verbrennungsgeräusch vermindert werden kann,

3. in der Luft-Brennstoff-Mischzone kann ein optima-

les Luft-Brennstoff-Verhältnis erhalten werden, so daß eine vollständige Verbrennung sichergestellt werden kann.

Um die vorerwähnten Vorteile zu erhalten, muß ein optimales Verhältnis zwischen der Luftmenge, welche durch die innere Leiteinrichtung strömt, und der Luftmenge, welche durch die äußere Leiteinrichtung strömt, festgelegt werden. Die Fläche des Ringspaltes zwischen dem vorderen Ende des Horns 5 und der inneren Leiteinrichtung 7 sei S, der Austrittsquerschnitt der inneren Leiteinrichtung 7 sei D und der Austrittsquerschnitt der äußeren Leiteinrichtung 6 sei P.

Durch den Luftstrom durch die Fläche S des Ringspaltes werden die zerstäubten Brennstoff partikel laminar nach vorne vor die Zerstäubungsfläche des Horns 5 getragen. Der Luftstrom durch den Austrittsquerschnitt D der inneren Leiteinrichtung hat eine

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Brennstoff-Luft-Mischzone und Zündzone, welche ihrerseits die nicht gestörte Flamme hält. Der Luftstrom durch den Austrittsquerschnitt P der äußeren Leiteinrichtung hat ebenfalls eine Umfangskomponente und dient dazu, die Flamme in der Zündzone ungestört zu halten, und bestimmt ferner die Ausbildung der Flamme ebenso wie das Luft-Brennstoff-Verhältnis.

Wenn das Verhältnis des Austrittsquerschnitts D der inneren Leiteinrichtung zu der Fläche 5 des Ringspaltes groß ist, fällt der Luftdruck am vorderen Ende des Horns 5 ab. Hierdurch nähert sich die Stelle, an welcher die Flammenfront beginnt, dem innenumfang der inneren Leiteinrichtung 7, wie durch die Linien a in F i g. 4A gezeigt ist. Hierdurch schlage sich dann Ruß auf den Schaufeln der inneren Leiteinrichtung nieder, so daß die Fläche S des Ringspaltes vermindert wird und die vorbeschriebene nachteilige Wirkung noch weiter zunimmt.

Wenn das Verhältnis D/S klein ist, steigt der Druck der durch die Fläche 5des Ringspaltes strömenden Luft zu stark an, so daß die Stelle, an welcher die Flamme beginnt, im Abstand von dem vorderen Ende iles Horns 5 zu liegen kommt, wie durch die Linien b in F i g. 4A gezeigt ist. Hierdurch wird auch die Zündung nachteilig beeinflußt und die Flamme schwankt, was zu einer instabilen Verbrennung führt.

Wenn das Verhältnis D/S groß ist, wird die Länge der Flamme kurzer und sie divergiert, so daß die zerstäubten Brennstoffteilchen, weiche noch nicht verbrannt worden sind, aus der Luft-Brennstoff-Mischzone ausströmen. Dies führt seinerseits zu einer Abnahme des Vcbrennungswirkungsgrades. Wenn das Verhältnis D/S kleiner ist, läuft die Flammenfront in Form eines Zylinders und wird länger.

Wenn das Verhältnis P/D des Austrittsquerschnittes P der äußeren Leiteinrichtung zu dem Austrittsquerschnitt D der inneren Leiteinrichtung groß ist, wird der Unterdruck im wesentlichen über dem ganzen vorderen Ende der äußeren Leiteinrichtung 6 erzeugt, wie durch die Linien c in F i g. 4B dargestellt ist, so daß die Flamme im wesentlichen die Querschnittsfläche der äußeren und inneren Leiteinrichtung 6 und 7 überdeckt und mit diesen in Berührung kommt Hierdurch schlägt sich Ruß auf der äußeren und inneren Leiteinrichtung nieder. Die Flamme wird im Querschnitt groß, aber kürzer, während das Luftvolumen in der Flamme nicht ausreicht, um eine vollständige Verbrennung sicherzustellen.

Wenn das Verhältnis P/D klein ist, nimmt der Druck am vorderen Ende des Horns 5 sehr stark zu, wie durch die Linien d in F i |{. 4B gezeigt ist, so daß die Stelle, an welcher die Flammenfront beginnt, in einem verhältnismäßig großen Abstand von dem vorderen Ende des Horns 5 entfernt liegt. Hierdurch wird dann die Flamme gestört und es besteht Gefahr, daß sie abreißt.

Wenn das Verhältnis P/S des Austrittsquerschnitts P der äußeren Leiteinrichtung 6 zu der Fläche S des Ringspaltes groß i:;t, dann wird die durch die Linien e in Fig.4C gegebene Flamme erhalten. Sie ist daher im wesentlichen so ausgebildet, wie durch die Linien c in Fig.4B dargestellt ist, so daß die entsprechenden nachteiligen Wirkungen auftreten. Wenn das Verhältnis P/S klein ist, bildet sich eine Flamme aus, die durch die Linien /in Fig.4C dargestellt ist, die zwischen den Linien e in F i g. 4C und den Linien ft in F i g. 4A liegen.

Die vorbeschriebenen nachteiligen Wirkungen ergeben sich bei den folgenden Bedingungen:

a:
b: c: d. e: f:

D/S > 12 D/S< 7 P/D> 6 P/D < 3 P/S > 60 P/S < 35

Die optimale Verbrennung kann daher bei den folgenden Bedingungen erhalten werden:

7 < D/S< 12; 3 < P/D < 6; und 35 < P/S < 60.

In Fig.4D ist mit den Linien g die Flamme dargestellt, die unter den angegebenen Bedingungen erhalten wird, wenn die Luftverteilung optimal ist. In diesem Fall ergeben sich die folgenden Zustände.

1. Der Hauptteil der zerstäubten Brennstoff partikel wird durch den Luftstrom durch den Ringspalt zwischen der Außenfläche des Horns 5 und der inneren Leiteinrichtung 7 laminar weggetragen und die Flamme entsteht sehr nahe am vorderen Ende des Horns 5. Die Zündung erfolgt definiert und die Flamme ist stabilisiert. Auch schwankt die Flamme nicht und die Schwingungen und damit das Verbrennungsgeräusch sind kleiner.

2. Die Luft-Brennstoff-Mischzone ist durch die Luft, die durch den Austrittsquerschnitt der inneren Leiteinrichtung strömt, ausgedehnt genug, um die Verdampfung von Brennstoffpartikeln zu begünstigen. Dadurch ist auch die Verbrennung verbessert und es kann ^^:ne im wesentlichen vollständige Verbrennung erreicht werden.

3. Der Luftstrom durch den Austrittsquerschnitt der äußeren Leiteinrichtung umgibt die Verbrennungszone, welche durch die Luftströme durch den Austrittsquerschnitt der inneren Leiteinrichtung und durch den Ringspalt gebildet ist, und dient zur Mischung der unverbrannten Brennstoffpartikel mit Luft, wodurch eine vollständige Verbrennung sichergestellt ist

Wenn beispielsweise das Verhältnis D/S = 8, das Verhältnis P/D = 5 und das Verhältnis P/S = 40 ist, dann beträgt der Anteil an Kohlendioxid 9 bis 10%, an Kohlenmonoxid 0,005 bis 0,01% und die Rußzahl 1.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Brenner für flüssigen Brennstoff, mit einem innerhalb eir.es Außenrohres koaxial angeordneten Ultraschallzerstäuber, dessen sich stromab kegel- s stumpfförmig verjüngendes Horn an seinem vorderen Ende die Zerstäubungsfläche für den Brennstoff aufweist und koaxial von einer inneren Leiteinrichtung und einer äußeren Leiteinrichtung umgeben ist, die der jeweils im wesentlichen axial zuströmenden to Luft einen Drall erteilen und durch ein sich axial über die Leiteinrichtungen hin erstreckendes Innenrohr voneinander getrennt sind, wobei zwischen der gegenüber der äußeren Leiteinrichtung axial zurückgesetzten inneren Leiteinrichtung und dem vorderen is Teil des Horns ein radialer Ringspalt gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäubungsfläche in Höhe eines der vorderen Enden der inneren Leiteinrichtung (7) und des mit der äußeren Leiteinrichtung (6) stromab abschließenden Innenrohres (3) oder zwischen diesen vorderen Enden angeordnet ist

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hintere Ende des Innenrohres (3) über das hintere Ende der inneren Leiteinrichtung (7) um eine Länge (I) hinaussteht, die zwischen der Hälfte und dem Viertel der axialen Länge (L) der inneren Leiteinrichtung (7) liegt.

3. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Außenrohr (2) stromauf der Leiteinrichtungen (6,7) einen sich entsprechend der Verjüngung des Horns (5) kegelstumpfförmig verjüngenden Abschtvitt (2a,>-:.dfweisL

4. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Austritts· aerschnitt (D) der inneren Leiteinrichtung (7) das 7- bis 12fache der Fläche (S) des Ringspaltes zwischen dem vorderen Ende des Horns (5) und der inneren Leiteinrichtung (7) und der Austrittsquerschnitt (P) der äußeren Leiteinrichtung (6) das 3- bis 6fache des Austrittsquerschnitts (D) der inneren Leiteinrichtung (7) und das 35- bis 60fache der Fläche (S) des Ringspaltes betragen.