DE2401473A1

DE2401473A1 - Brennerelement

Info

Publication number: DE2401473A1
Application number: DE2401473A
Authority: DE
Inventors: James Peter Granger; Kenneth Hirst; David Montagu Whitehead
Original assignee: BP PLC
Current assignee: BP PLC
Priority date: 1973-01-15
Filing date: 1974-01-12
Publication date: 1974-07-18
Also published as: CA1022056A; GB1441392A; ZA74145B; BE809771A; US3947227A; DK137771C; DE2401473C2; FR2214083B1; DK137771B; FR2214083A1

Description

PATENTANWÄLTE

DR.-ING. VON KRiISLER DR.-iNG. SCHÖN WALD DR.-ING. TH. MEYER DR. FUES DIPL-CHEM. ALEK VON KREISLER DIPL.-CHEM. CAROLA KELLER DR.-ING. KLDPSCH DIPL-ING. SELTING

5 KÖLN 1, DEICHMANNHAUS

Köln, den ¹³-· Januar 1974

Ke/Ax 24GU73

The British Petroleum Company Limited,

Britannic House, Moor Lane, London EC2Y (England).

Brennere1ement

Die Erfindung betrifft Brenner, die mit verdampfbaren flüssigen Brennstoffen, z.B. Kerosin (Leuchtpetroleum), "betrieben werden.

Es ist bekannt, flüssige Brennstoffe für Heizzwecke in Dochtbrennern zu verbrennen, in denen der Docht den Transport des Brennstoffs aus einem Vorratsbehälter zur Verbrennungszone ermöglicht. Ein Beispiel dieses Brennertyps wird in der britischen Patentschrift 1 .247 406 beschrieben.

Gegenstand der Erfindung ist ein vorbessertes Brennerelement oder ein verbesserter Docht, mit dem verbesserte Verbrennungscharakteristiken erzielt, werden.

Wenigstens ein Teil des Brennereiements gemäß der Erfindung kann flüssigen Brennstoff durch Kapillarwirkung festhalten. Dieses Element ist für den Kontakt mit einer.Brennstoffzuführung ausgebildet, die Brennstoff unter Druck dem Element zuführt, das von Luftdurchgängen durchzogen ist, so daß während des Gebrauchs des Elements als Teil eines flüssigen Brennstoff verbrennenden Brenners die Verbrennung zwischen der durch die Luftdurchgänge strömenden Luft und

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dem Brennstoff stattfindet. ' . ^

Als Brennstoffzuführung werden vorzugsweise ein oder mehrere Brennstoffzuführungsrohre verwendet.

Die Verbrennungszone liegt im allgemeinen im wesentlichen angrenzend an das Brennerelement, jedoch ist es auch möglich, das brennbare Gemisch einer vom Element entfernten .Stelle zuzuführen, wo dann die Verbrennung stattfindet.

Das Brennerelement ist vorzugsweise aus einem Metallschaum hergestellt. Als Werkstoff eignet sich ein Metallschaum aus nickelplattiertem Kunststoff (offenzelliges Polystyrol) mit einem Festigkeit verleihenden oberflächlichen Chromüberzug. Auch andere Werkstoffe, z.B. metallgefüllte Kunststoffe, poröse Keramikmaterialien und Sintermetalle, sind geeignet. . '

Die Brennstoffzuführungsleitung kann auch zwischen Schichten von Brennerelementen sandwichartig eingefügt sein.

Es ist im allgemeinen erwünscht, ein Brennstoffelement mit der geringst möglichen Dicke, die mit der Erzielung des notwendigen Brennstofftransports im Einklang ist, zu verwenden, da die Wärmekapazität des Elements und des darin enthaltenen Brennstoffs umso größer ist, je größer die Dicke ist. Eine geringe Wärmekapazität erleichtert die .Zündung, da der Brennstoff umso leichter verdampft und entzündet wird, je geringer die Wärmekapazität ist. (Leichte Zündung ist besonders wichtig bei einem Brenner, der durch ein automatisches Regelsystem ein- und ausgeschaltet wird.) Ein dünnes Element hat einen weiteren Vorteil, wenn der Brenner ausgeschaltet wird. Die Verbrennung geht weiter vonstatten, bis der noch im Element enthaltene Brennstoff verbraucht ist, und dieser Verbrauch vird schneller und besser erreicht, wenn die im Element enthaltene Brennstoffmenge gering, d.h. das Element dünn ist. Bevorzugt werden Elemente einer Dicke von weniger als 10 mm. Für gewisse Anwendungen, z.B. für Zentralheizungen von Wohngebäuden,

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wird ein Element einer Dicke von weniger als 5 mm bevorzugt und ein Element einer Dicke von weniger als 3 mm besonders "bevorzugt. j

Um gleichmäßige Verteilung der Luft zu erzielen, ist es zweckmäßig, die Luftdurchgänge gleichmäßig über das Element zu verteilen. Die Luftdurchgänge haben vorzugsweise die Form von Luftlöchern, die vorzugsweise rund sind und"

2 vorzugsweise eine Fläche von 0,01 "bis 1,0 cm aufweisen. ; Die Zahl der Luftlöcher wird; so gewählt, daß sie vorzugsweise 25 "bis 55$ der Gesamtfläche des Elements ausmachen. Die Luftdurchgänge können auch die Form von Schlitzen oder' andere geeignete Formen haben. j

Die Erfindung umfaßt sowohl starre als auch nicht-starre Dochte. Nicht-starre Dochte werden aus flexiblem Material, z.B. Keramikfasern, hergestellt. Daher müssen sie in Verbindung mit einem Träger- oder Stützelement, das den Docht in der erforderlichen Gestalt hält, verwendet werden, da der Docht sonst unter seinem Eigengewicht zusammenfallen würde« Andererseits vermögen starre Dochte, z.B. Dochte aus einem porösen Metall,z.B. Metallschaum, ihr Eigengewicht zu tragen, so daß kein Träger- oder Stützelement notwendig ist. . !

Für die meisten Anwendungen sind anisotrope Dochte besonders gut geeignet. Als Beispiele solcher Dochte sind eingedrückter Metallschaum, dessen Porengröße in Richtung der Luftströmung geringer ist als im rechte.n Winkel dazu, und eine Matte aus Keramikfasern zu nennen, bei der der Widerstand, der der Strömung der Flüssigkeit entgegengesetzt wird, in waagerechter Richtung geringer ist als in senkrechter Richtung.

Anisotrope Dachte haben die Fähigkeit, den Brennstofffluß in der gewünschten Richtung (d₄h. quer durch das Element zur Erzielung gleichmäßiger Brennstoffverteilung) zu erleichtern, jedoch den Brennstofffluß in nicht gewünschte

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Richtungen zu behindern (z.B. in waagerechter Lage, um dem Abtropfen von Brennstoff aus dem Docht entgegenzuwirken).

Die Zündung des Brenners kann von Hand, z.B. durch eine offene Flamme, oder automatisch, z.B. elektrisch "beispielsweise mit Hilfe von Funkenzündung, erfolgen.

Vorzugsweise wird unter dem Brennerelement ein Auffangtrog vorgesehen, der überschüssigen Brennstoff aufnimmt, der von den Bre.nnstoffaustrittsöffnungen des Zuführungsrohres 'herabtropft.

Die Zuführung des Brennstoffs zum Brennerelement unter Druck bedeutet, daß das Element normalerweise mit Brennstoff getränkt ist und etwaiger überschüssiger Brennstoff, der vom Element herabtropft, im Auffangtrog gesammelt wird. Das Element oder ein Teil des Elements wird somit ständig gespült. Diese Spülung trägt mit dazu bei, den durch Krakken des Brennstoffs verursachten Ansatz von Kohlenstoff zu vermindern.

Der Brennstoff ist ferner in einem System enthalten, das die Möglichkeit des Überlaufs außerhalb des Brenners verringert. Der Brenner hat ein geringes Brennstoffassungsvermögen außerhalb des Elements, so daß schneller Brennschluß und schnelle Entfernung von Brennstoff aus dem Brenner "möglich sind.

Die Brennstoffaustrittsöffnungen'in der Zuführungsleitung können eine beliebige geeignete Form haben. Beispielsweise werden runde oder schlitzförmige Öffnungen in geeigneter Weise so angeordnet,daß eine gleichmäßige Brennstoffverteilung über das gesamte Brennerelement erzielt wird. Vorzugsweise ist die gesamte Querschnittsfläche der Brennstoffaustrittsöffnungen eines Zuführungsrohres nicht größer als die Querschnittsfläche des Zuführungsrohres.

Das Brennerelement wird normalerweise in im wesentlichen waagerechter Lage verwendet, jedoch kann es in Abhängigkeit

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von der erforderlichen Anwendungsweise des Brennerelements anders, z.B. senkrecht ausgerichtet sein.

Die Erfindung wird nachstehend ausführlich in Verbindung mit den Abbildungen beschrieben«

Fig.1 ist ein senkrechter Schnitt durch einen Brenner mit einem Brennerelement aus Schaummetall.

Pig.2 zeigt eine Draufsicht auf den in Fig.1 dargestellten Brenner.

Fig.3 zeigt eine Ausführungsform des Brennerelements mit doppelter Brennstoffzuführung.

Fig.4 veranschaulicht einen Brenner im praktischen Betrieb beispielsweise in einer Zentralheizungsanlage mit einer hochliegenden, d.h. über dem Brennstofftank montierten Brennereinheit.

Das in Fig.1 dargestellte Brennerelement 1 hat die Form einer flachen rechteckigen Tafel aus eingedrücktem Metallschaum. Das Element ist von Luftlöchern 2 durchzogen, die in einem Sechseckmuster angeordnet sind. Im vorliegenden Fall wurde als Schaum ein aus nickelplattiertem offenzelligen Polystyrol hergestellter Metallschaum mit einem oberflächlichen, Festigkeit verleihenden Chromüberzug verwendet.

Das Element 1 wurde aus einem Blook eines Metallschaums, der einen mittleren Porendurchmesser, von 0,3 mm hatte, durch Eindrücken parallel zu seiner Achse im Verhältnisvon 3:1 hergestellt. G-leichzeitig wurden die Luftlöcher eingeschnitten. Durch dieses Zusammendrücken wird ein anisotropes Element erhalten. Durch das Eindrücken wurden die Poren (die ursprünglich die Form von unregelmäßigen Zwölfecken hatten) in Hohlräume umgewandelt, die in senkrechter Richtung dünn waren.

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Ein Brennstoffzuführungsrohr 3 ist an der Unterseite des Elements mit Hilfe eines Klebers "befestigt. Dieses Brennstoffzuführungsrohr 3 hat Brennstoffaustrittsöffnungen 13 von geeigneter Form, z.B. in Form von runden Löchern, Schlitzen usw., auf der Oberseite und in Berührung mit der Unterseite des Elements "1. Die Brennstoffaustrittsöffnungen 13 sind so verteilt, daß gleichmäßige Verteilung des Brennstoffs über das gesamte Element 1 erzielt wird, wenn Brennstoff in das Brennstoffzuführungsrohr 3 gepumpt wird. An der Unterseite des Brennstoffzuführungsrohres ist ein Auffangtrog 4 so angeordnet, daß er etwaigen überschüssigen Brennstoff, der von den Brennstoffaustrittsöffnungen 13 herabtropfen kann, auffängt.

Fig.2 zeigt eine Draufsicht auf das aus Metallsehaum bestede Brennerelement 1. Bei Verwendung von Kerosin als Brennstoff hat das Element eine optimale Dicke von etwa 1 mm. Ein etwas dickeres Element wird verwendet, wenn Gasöl als Brennstoff verwendet wird.

Ein typisches Brennerelement mit runden Luftlöchern hat

die folgenden· Abmessungen:

Lange . 245 mm

Breite 45 mm

Dicke 1,2 mm

Durchmesser der Luftlöcher 3,0 mm

Zahl der Luftlöcher 480

Gesamtfläche der Luftlöcher 33»95 cm

Fig.3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der das Brennstoffzuführungsrohr 3 zwei Einlaßstellen für die Aufnahme von Brennstoff aufweist. Diese Anordnung ermöglicht die Erzielung einer besseren Verteilung des Brennstoffs im dem Brennerelement 1. Während der Brennstoff dem Zuführungsrohr 3 unter einem geringen Druck zugeführt wird, wird das Brennerelement 1 mit Brennstoff getränkt, und der Überschuß tropft nach unten in den Auffangtrog 4. Dies

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bedeutet, daß das Element 1 ständig mit Brennstoff gespült und der Ansatz von Kohlenstoff als Folge der Einwirkung der Hitze oder einer unvollständigen Verbrennung vermindert wird. Der überschüssige Brennstoff wird aufgefangen und mit Hilfe der Rücklaufleitung 7 zurückgeführt.

Luft wird der Unterseite des Elements unter Druck, d.h. . unter Verwendung einer luftpumpe zugeführt. ^:

Bei der in Fig.4 dargestellten Heizungsanlage wird Brennstoff dem Brennerelement 1 .aus einem Brennstofftank 10, . der unter der Höhe des Brenners liegt, mit Hilfe einer Pumpe 8 zugeführt. Im vorliegenden Fall wurde als Pumpe eine elektrisch betriebene Membranpumpe verwendet. Eine Brennstoffstandregelung 9 ist in der Brennstoffzuführungsleitung zwischen der Brennstoffpumpe 8 und dem Brennstofftank 10 angeordnet und ferner mit der Brennstoffrücklaufleitung 7 des Elements 1 verbunden, um die Kreislaufführung von überschüssigem Brennstoff zu ermöglichen.

Die Brennstoffstandregelung 9 wird verwendet, um zu vermeiden, daß die Pumpe 8 Luft zurücksaugt. Dies würde der Ball sein, wenn die Rücklaufleitung 7 unmittelbar mit der Saugleitung 11 der Pumpe verbunden wäre.

Im Betrieb der Brenneranlage wird Brennstoff aus der Brennstoff Standregelung 9 durch die Ansaugleitung 11 der Pumpe in die Pumpe 8 und dann durch die Druckleitung 12 der Pumpe in das Brennerelement gepumpt. Der Druck, unter dem der Brennstoff dem Brennerelement zugeführt wi,rd, liegt nur "in der Größenordnung von wenigen Zoll WS. Wenn der Brennstofftank 10 über dem Brennerelement 1 liegt, kann die BrennstoffStandregelung 9 innerhalb des Gehäuses 14 angeordnet werden. Es ist ferner möglich, die Pumpe 8 und die Brennstoffstandregelung 9 durch eine genaue Brennstoffdosierpumpe zu ersetzen.

Automatische Zündung wird zweckmäßig durch ein (in den

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Abbildungen nicht dargestelltes) elektrisches System erreicht. Das System kann entweder mit einer Zündspule, die eine kleine Fläche des Elements erhitzt und zündet, oder einer Elektrode, die im Zusammenwirken mit dem Element (Metallschaum) Funken erzeugt, versehen sein. Um die Zündung zu erreichen, wird das Zündsystem eingeschaltet und wieder mit der Zufuhr von Brennstoff begonnen. Wenn der flüssige Brennstoff die erhitzte Fläche erreicht, verdampft ein Teil des Brennstoffs, und die Dämpfe werden durch die Funken entzündet. Hierdurch entsteht eine Flamme, die sich über die gesamte Fläche des Brenners ausbreitet.

Die beschriebenen Brenner können zu einer Zentralheizungsanlage für Wohngebäude, z.B. vom Heißwasserumwälztyp gehören. Ferner ist das in Fig.4 dargestellte Brennersystem nicht von Fallspeisung abhängig, so daß es die unterirdische Brennstofflagerung oder die Brennstofflagerung im Keller ermöglicht.

Es erwies sich als möglich, das Brennersystem kontinuierlich für eine Zeit bis zu 1000 Stunden zu betreiben, bevor übermäßig starker Kohlenstoffansatz auf dem Element gebildet wird. Es hat sich gezeigt, daß durch Ein-Aus-Betrieb die Geschwindigkeit der Bildung von Kohlenstoffansatz auf dem Element verringert und somit die Betriebszeiten des Brenners weiter verlängert werden.

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Claims

240H73 Patentansprüche ;

1) )Brennerelement, in dem wenigstens ein Teil flüssigen

Brennstoff durch Kapillarwirkung festhält, dadurch ' gekennzeichnet, daß es für den Kontakt mit einer Brennstoffzuführung für den unter Druck zugeführten Brennstoff ausgebildet und von Luftdurchgängen durchzogen ist.

2) Brennerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzuführung aus einem oder mehreren Brennstoffzuführungsrohren (3) besteht.

3) Brennerelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es aus·einem Metallschaum hergestellt ist.

4) Brennerelement nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallschaum aus nxckelplattiertem Kunststoff mit einem oberflächlichen Chromüberzug besteht. :

5) Brennerelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem metallgefüllten Kunststoff, einem porösen Keramikmaterial oder einem Sintermetall besteht. ■ !

6) Brennerelement nach Anspruch 1 bis 5» dadurch" gekennzeichnet, daß es eine Dicke von weniger als 10 mm, vorzugsweise von weniger als 3 mm hat. . ^;

7) Brennerelement nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftdurchgänge die Form von runden Luftlöchern (2) haben.

8) Brennereleraent nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Luftloch (2) eine Fläche von 0,01

bis 1,0 cm hat.

9) Brennerelement nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekenn-

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zeichnet, daß die Luftlöcher (2) 25 bis 55$ der Gesamtfläche des Elements ausmachen.

10) Brennerelement nach Anspruch t bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftdurchgänge die Form von Schlitzen haben,

11) Brennerelement nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtquerschnittsfläche der Brennstoff austrittsöffnungen (13) des Brennstoffzuführungsrohres (3) nicht größer ist als die Querschnittsfläche des Brennstoffzuführungsrohres«

12) Brennerelement nach Anspruch 1 bis 11, gekennzeichnet durch einen Brennstoffauffangtrog (4).

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