DE2637700A1 - Vorrichtung zum mischen oder zerstaeuben von fluiden - Google Patents
Vorrichtung zum mischen oder zerstaeuben von fluidenInfo
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Description
Vorrichtung zum Mischen oder Zerstäuben von Fluiden
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Mischen oder Zerstäuben von Fluiden, die keine bewegbaren Teile enthält.
Mittels der Vorrichtung können zwei oder mehr Fluide miteinander in Berührung gebracht werden, etwa zum Mischen
viskoser Flüssigkeiten, zur Herstellung von Dispersionen und Emulsionen, zum Dispergieren eines Gases in einer Flüssigkeit,
zum Versprühen oder Ausstoßen einer Flüssigkeit mit einem Gas unter Druck, etwa als Antriebsmittel, zum Versprühen
eines flüssigen Brennstoffes in eine Heizvorrichtung, zum in Berührung bringen zweier Flüssigkeiten im Gegenstrom,
zur Flüssig-Flüssig-Extraktion, zum in Berührung bringen einer Flüssigkeit und eines Gases im Gegenstrom, zum Waschen
oder Absorbieren eines Gases mittels einer Flüssigkeit, zum Destillieren, zum Wärmeaustausch u.a.
Es ist bekannt, zwei oder mehr Fluide in Berührung zu bringen oder zu mischen, indem man sie zusammen in eine Kammer,
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ein Rohr oder eine Säule einbringt, die eine Beschichtung, Hindernisse oder einen Propeller enthält. Derartige Vorrichtungen
sind im großen Umfang bekannt, und einige von ihnen arbeiten sehr wirksam, jedoch mit einem verhältnismäßig
großen Druckverlust.
Es ist auch bereits ein Mischer mit nur stationären Elementen bekannt (US-PS 3 286 992), der ein zylindrisches Rohr
aufweist, in das nacheinander gekrümmte Schaufeln eingesetzt wurden, wobei in einer Richtung gekrümmte Schaufeln
mit in entgegengesetzter Richtung gekrümmten Schaufeln abwechseln. Jede Schaufel teilt den Abschnitt des Rohres in
zwei Abschnitte und ist gegenüber der vorhergehenden und der folgenden Schaufel um 90° versetzt. Mit einem Mischer
dieser Art mit 6 bis 12 Schaufeln ist es möglich, ein sehr viskoses Produkt zu mischen, wobei sich ein verhältnismäßig
geringer Druckverlust über den Mischer ergibt. Zur Herstellung von Emulsionen kann ein Mischer mit 12
bis 30 Schaufeln verwendet werden. Das Betriebsverhalten geometrisch ähnlicher Mischer ist jedoch nicht gleich,
und es kann sehr schnell in Abhängigkeit vom Durchmesser der Vorrichtung abfallen.
Darüber hinaus ist die Herstellung dieser Art von Mischern verhältnismäßig arbeitsaufwendig, weil die Schaufeln an
ihren Berührungspunkten durch Hartlötung verbunden werden. Da eine Einheit von 6 bis 30 Schaufeln benötigt wird, die
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dann in ein enges Rohr eingeführt werden muß, ist es klar,
daß dies zu Schwierigkeiten führen kann, zumal die Schaufeleinheit
leicht beschädigt werden kann. Für viele Anwendungsfälle des Mischers müssen die seitlichen Kanten aller
Schaufeln an der Innenwand des Rohres durch Hartlötung befestigt
werden, und dieser Arbeitsvorgang ist verhältnismäßig schwierig. >
Es ist demgegenüber Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum in Berührung bringen von zwei· oder mehr Fluiden
zu schaffen, die verhältnismäßig robust aufgebaut ist und sich einfach und leicht herstellen läßt. Dabei soll diese
Vorrichtung einen hohen Wirkungsgrad haben und gleichzeitig einen geringen Druckverlust erzeugen.
Zur Lösung dieser.Aufgabe dient eine Vorrichtung, die sich
auszeichnet durch einen hohlen Rohrkörper mit einer im wesentlichen zylindrischen Innenwand, durch ein im wesentlichen
koaxial im Rohrkörper angeordnetes, sich im Abstand von dessen Innenwand befindenden Kernelement, das in seiner
Oberfläche mindestens einen nicht geschnittenen, wendeiförmigen Kanal aufweist, der sich im wesentlichen durchgehend
über die gesamte Länge der Oberfläche erstreckt, und durch eine sich dicht an der Innenwand des Rohrkörpers
und dicht an der Oberfläche des Kernelementes um dieses erstreckende Kanalbildungseinrichtung, die aus
mindestens einer Schicht mindestens einer nicht geschnit-
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tenen, wendeiförmigen Windung besteht, wobei jede Windung einer Schicht entgegengesetzt zu jeder Windung der nächsten
Schicht verläuft und jede Windung in der dem Kernelement am nächsten liegenden Schicht entgegengesetzt zu jedem Kanal
im Kernelement gerichtet ist.
Die Erfindung ermöglicht die Herstellung einer Vorrichtung mit großem Durchmesser, in der Fluidströme fein verteilt
werden können, wobei die ihnen zur Verfügung stehenden Durchlässe ein dreidimensionales Netzwerk aus einer Vielzahl von
Sieben bilden. In senkrechter Stellung kann eine derartige Vorrichtung eine Säule oder einen Turm bilden, die bzw.
der vorteilhafterweise dazu verwendbar ist, im Gegenstrom ein Gas und eine Flüssigkeit oder zwei unmischbare Flüssigkeiten
in Berührung miteinander zu bringen.
Da jedoch die Herstellung der Vorrichtung sehr einfach ist, ist auch eine Miniaturisierung ohne weiteres möglich. Das
Kernelement ist vorzugsweise im wesentlichen zylindrisch, und die Kanalbildungseinrichtung besteht vorzugsweise aus
einer einzigen Schicht einer wendeiförmigen Windung. Eine sehr einfache und wirksame erfindungsgemäße Vorrichtung zum
Mischen oder Zerstäuben hat ein Kernelement, das aus einem schraubenartigen Element oder einem Spiralbohrer besteht.
Jede Schicht und vorzugsweise nur eine einzige Schicht ist so geformt, daß sie um den Kern eine Windung in entgegengesetzter
Richtung bildet. Die Windung kann beispielsweise
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ein Streifen, eine im Querschnitt kreisförmige oder halbkreisförmige
Stange/ ein im Querschnitt rechteckformiger oder quadratischer Stab o.a. sein. Die Windung muß eine
gewisse Steifigkeit aufweisen. Statt einer einzigen Kern/ Windungs-Einheit im Rohrkörper können in diesem in Längsrichtung
zwei oder mehr Einheiten angeordnet werden, vorzugsweise ohne einen zwischen ihnen vorgesehenen Spalt.
In der Praxis reicht es häufig aus, die Windung an jedem
Ende des Kernelementes durch Hartlötung o.a. zu befestigen und dann die gesamte Einheit im Preßsitz oder Reibsitz
in den Rohrkörper einzuführen.
Für jede Art von Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ergibt sich eine größere Wirksamkeit mit einer Erhöhung der Anzahl von Gängen auf dem Kernelement und in
der Kanalbildungseinrichtung. Wenn jedoch die Anzahl von
Gängen zu groß wird, kann der Druckabfall über die Vorrichtung unnötig groß werden. Die Anzahl und die Steigung
wird daher in Abhängigkeit von dem speziellen Anwendungszweck gewählt, für den die Vorrichtung bestimmt ist. Als
allgemeine Regel kann gelten, daß für jedes Element mindestens zwei volle Gänge erwünscht sind. In den meisten
Fällen liegt die optimale Gangzahl jedes Elementes zwischen 2 und 8. .
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Im Gebrauch der Vorrichtung werden die zu mischenden oder
in Berührung zu bringenden Fluide an einem Ende des Rohrkörpers eingeführt, und die wendeiförmigen Elemente wirken
auf den Fluidstrom, wobei einige Schubkräfte ausüben, die eine Drehung des Stromes in einer Richtung, und andere
Schubkräfte ausüben, die eine Drehung des Stromes in entgegengesetzter Richtung bewirken. Vorzugsweise ist die
Zahl der Elemente der Vorrichtung so abgeglichen, daß die resultierenden Schubkräfte, die eine Drehung des Stromes
in einer Richtung verursachen, gleich sind den resultierenden Schubkräften, die eine entgegengesetzte Drehung
hervorrufen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat eine Anzahl Vorteile.
So läßt sie sich aus sogenannten Halbzeugen üblicher Art herstellen, die lediglich eine geringe Anzahl von Verformungs-
und Montagevorgängen benötigen. Sie arbeitet bei einem sehr geringen Druckverlust sehr wirksam, und sie hat
die bemerkenswerte Eigenschaft, daß sie Durchlässe für die Fluide bildet,«deren Querschnitt im wesentlichen konstant
ist. Sie weist keine Verengungen oder Einschnürungen auf, durch die der Strömung unnötig entgegengewirkt wird und
die Stauungen erzeugen könnten.
Die erfindungsgemäße. Vorrichtung kann benutzt werden, um
in einem Durchlauf zwei oder mehr Flüssigkeiten, insbesondere hochviskose Flüssigkeiten zu mischen. Sie kann einge-
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setzt werden, um ein Fluid von zwei nicht mischbaren Flui-,
den in dem anderen Fluid zu dispergieren, wobei ein Fluid ein Gas sein kann, und es können auf diese Weise Emulsionen
hergestellt oder chemische Reaktionen durchgeführt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist jedoch besonders vorteilhaft im Bereich von Brennern mit pneumatischer Versprühung
flüssiger Brennstoffe einzusetzen.
In den deutschen Patentanmeldungen P 24 55 103.9 und P 26 22 531.0 sind beispielsweise Verfahren sowie Brenner
beschrieben, mit denen Brennstoff durch die Expansion eines Hilfsgases in einem stationären Mischer ausgedehnt
und versprüht werden. Dieser Mischer besteht aus einer länglichen Kammer, in die feste Einrichtung eingesetzt
sind, die auf den Strom der Fluide mehrfach Scherkräfte oder Richtungsänderungen oder mehrfache aufeinanderfolgende
Trennungen und Zusammenfassungen ausüben.
Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, einen Brenner für das
sowie ein Verfahren zum Verbrennen eines flüssigen Brennstoffes in veränderbarer oder modulierbarer Weise zu schaffen, um so die erwünschte veränderbare Wärmemenge zur Verfügung
zu stellen, wobei vorzugsweise an einen Anwendungsbereich
für Brenner für leichtes Heizöl mit verhältnismäßig geringerer Leistung im Bereich von 2 kW bis 50 kW und insbesondere
im Bereich von 2 kW bis 20 kW gedacht ist.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Brenner der vorstehend erwähnten Art mit einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zum Mischen ausgerüstet und so aufgebaut, daß insbesondere seine Länge sowie der Gesamtquerschnitt der
den Fluiden zur Verfügung stehenden Durchlässe derart berechnet
sind, daß bei den gewünschten Verteilung die zum Versprühen des Brennstoffes erforderliche Energie durch
Expansion des Gases entlang der Versprühvorrichtung zur Verfügung gestellt wird. Der gemäß der Erfindung ausgestaltete
Brenner weist vorzugsweise außerdem eine am Ausgang der Versprühvorrichtung eingepaßte Düse auf, um dem
Strahl des versprühten Brennstoffes das gewünschte Profil bzw. die gewünschte Form zu geben, und vorzugsweise sind
auch Röhren vorgesehen, die den flüssigen Brennstoff sowie das unter Druck stehende Hilfsgas dem Eingang der
Versprühvorrichtung zu führen. Die Düse kann eine oder
mehrere öffnungen haben, deren Querschnitt ausreichend groß ist, um der Strömung nur einen vernachlässigbaren
Widerstand entgegenzusetzen. Ein austretender konischer Sprühstrahl mit einem öffnungswinkel von 20 bis 25° ist
ein übliches Sprühprofil.
Die durch die Expansion des Hilfsgases entlang der Sprühvorrichtung
gewonnene Energie wird mit sehr gutem Wirkungsgrad benutzt, um die. Kohäsionskräfte des flüssigen Brennstoffes
zu überwinden.
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Die erforderliche Energie kann durch eine verhältnismäßig
geringe Zufuhr eines Hilfsgases geliefert werden, das unter
hohem Druck dem Einlaß der Versprühvorrichtung zugeführt wird. Es ist somit möglich, deren Aufbau zu errech-.nen,
insbesondere seine Länge und den Gesamtquerschnitt der den Fluiden zur Verfügung stehenden Durchlässe, um ein
Versprühen eines schweren Heizöls.mit nur 5 % bis 15 % seines Dampfgewichtes zu erreichen, wenn dieser mit einem
Druck von 5 bar bis 20 bar dem Einlaß der Versprühvorrichtung zugeführt wird.
Andererseits kann die gleiche Energiemenge mit einer verhältnismäßig
hohen Zufuhr eines-Hilfsgases erreicht werden,
das unter einem verhältnismäßig geringen Druck an den Einlaß der Versprühvorrichtung gelangt, deren Aufbau
entsprechend errechnet wird. Somit ist es vorteilhafterweise möglich, leichtes Heizöl mit Luft zu versprühen,
die unter einem wirksamen Druck von nur 0,2 bar bis 2 bar, vorzugsweise 0,3 bar bis 1 bar dem Einlaß der Versprühvorrichtung zugeführt wird, wobei die Luftzufuhr 1,3 Mor-
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mal-m bis 13 Normal-m je kg Brennstoff beträgt.
Der den Fluiden zur Verfügung stehende Querschnitt der
Durchlässe ist über die Länge der Versprühvorrichtung genau konstant, und die Gefahr von Stauungen ist praktisch
vollständig vermieden.
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Die Erfindung umfaßt ferner ein Verfahren zum Verbrennen eines flüssigen Brennstoffes mit veränderbarer Rate in
einer Verbrennungszone, um veränderbare Wärmemengen zu
erzeugen. Dieses Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß ein unter einem den Druck in der Verbrennungszone übersteigenden
Druck stehendes Hilfsgas und der Brennstoff in das
stromaufwärts liegende Ende der Versprühvorrichtung eingebracht v/erden und dadurch eine Emulsion aus im Gas dispergiertem
Brennstoff gebildet wird, daß die Emulsion am stromabwärts liegenden Ende der Versprühvorrichtung in Form
eines den Brennstoff im Hilfsgas dispergiert enthaltenden Aerosols in eine zylindrische oder sich kegelstumpfförmig
erweiternde Verbrennungskammer abgegeben wird, die sich zumindest vom stromabwärts liegenden Ende der rohrförmigen
Versprühvorrichtung erstreckt, wobei die zum Dispergieren des Brennstoffes im Hilfsgas und zum Ausstoßen des dispergierten
Brennstoffes in Form eines Aerosols in die Verbrennungskammer sowie zum Eintritt der Luft in die
Verbrennungskammer erforderliche Energie im wesentlichenvollständig
durch das in die Versprühvorrichtung eintretende, unter Druck stehende Hilfsgas aufgebracht wird,
und daß die Zufuhrrate des Brennstoffes zum stromaufwärts liegenden Ende der Versprühvorrichtung verändert wird.
Vorzugsweise weist das stromaufwärts liegende Ende der Verbrennungskammer ein sich von ihrer Wand zur Außenwand
der Versprühvorrichtung radial nach innen erstreckendes Ringelement auf.
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Die Verbrennungskammer kann öffnungen zum Durchtritt von
Luft in ihren Innenraum aufweisen. Es können Einrichtungen
zum allmählichen Öffnen und Schließen dieser öffnungen
vorhanden sein, um so eine Regelung des Lufteintrittes in den Innenraura der Verbrennungskammer zu bewirken.
Die Verbrennungskammer ist vorzugsweise entweder zylindrisch, d.h. sie weist parallele Seiten auf, oder sie erweitert
sich stromabwärts kegelstumpfförmig.
Vorzugsweise kann ein unter Druck stehendes, Sauerstoff enthaltendes Gas, etwa Luft, das zumindest einen Teil des
Hilfsgases bildet, am stromaufwärts liegenden Ende der
Versprühvorrichtung mit im wesentlichen konstanter Rate zugeführt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird im wesentlichen
die gesamte Energie zur Umwandlung des Brennstoffes und des Hilfsgases in der Versprühvorrichtung in
eine Emulsion, zur Abgabe eines Aerosols aus dem stromabwärts liegenden Ende der Versprühvorrichtung sowie zur
Vermischung von sekundärer Verbrennungsluft mit dem Aerosol
oder Verbrennungsprodukten in der Verbrennungskammer von dem Strom des unter Druck stehenden Hilfsgases zur
Verfügung gestellt.
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Der Brenner hat vorzugsweise am stromabwärts liegenden Ende der Versprühvorrichtung eine Düse, mit der das Aerosol in
einer gewünschten Sprühverteilung in die Verbrennungskammer eingegeben wird.
Die vom Brenner erzeugte Wärme kann zumindest in einem Teil des Arbeitsbereiches durch Vergrößerung oder Verringerung
der Zufuhrrate des Brennstoffes zur Versprüheinrichtung erhöht oder verringert werden, ohne daß die Zufuhrrate des
Hilfsgases verändert werden müßte.
Es können Einrichtungen zum Pumpen von flüssigem Brennstoff zum stromaufwärts liegenden Ende der Versprüheinrichtung
sowie zur Zufuhr des Brennstoffes im wesentlichen entlang der Achse der Versprühvorrichtung vorgesehen sein, und die
die Eintrittsrate des Brennstoffes sowie des Hilfsgases in die Versprühvorrichtung können regelbar sein. Das Hilfsgas
kann in etwa dem gleichen Bereich wie der Brennstoff eingebracht werden, und zwar zweckmäßigerweise in radialer
Richtung.
Für die Erfindung wird als Hilfsgas zum Dispergieren des Brennstoffes vorzugsweise Druckluft benutzt, die mit praktisch
konstantem Druck und konstanter Zufuhrrate am Einlaß der Versprühvorrichtung eingepreßt wird. Der bevorzugte
Brennstoff ist leichtes Heizöl oder irgendein anderer
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flüssiger Brennstoff, dessen Viskosität vorzugsweise weniger
als 10 cSt bei 2O°C beträgt, überraschenderweise
läßt sich leichtes Heizöl mittels der Erfindung sehr zufriedenstellend
mit Druckluft versprühen, die am Eingang der Versprüheinrichtung einen Druck von nur 0,2 bar bis
2 bar hat, wenn die Zufuhrrate der Druckluft ausreichend groß im Verhältnis zur Zufuhrrate des Heizöls ist.
Die Druckluft, die zum Versprühen benutzt wird, wird im folgenden als Primärluft bezeichnet. Die Zufuhrrate des
leichten Heizöls kann zwischen 0,08 kg/m und 0,8 kg/m Primärluft liegen. .
Heizöl kann mit im wesentlichen der gleichen Luftmenge
oder einer Menge größer als der stöchiometrischen Menge
versprüht werden. Somit erfolgt mit einer Heizölmenge gleich oder etwas weniger als 0,08' kg pro Normal-m Primärluft
in der Brennkammer des Brenners eine Verbrennung in einer vollständig vorgemischten Flamme. Es ergibt sich
dann eine ganz blaue Flamme.
Wenn das Verhältnis von zugeführtem Brennstoff und Primärluft
0,08/kg/Normal-m überschreitet, wird der Verbrennungskammer auf irgendeine übliche Weise zusätzliche
Luft, im folgenden Sekundärluft genannt, zugesetzt, um eine vollständige Verbrennung sicherzustellen. Es hat sich
gezeigt, daß die Bewegung des aus der Düse austretenden
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Strahls aus Primärluft und zerstäubtem Brennstoff im allgemeinen
ausreicht, um die erforderliche Menge an Sekundärluft anzusaugen. Vorteilhafterweise wird daher der Brennstoff
in einer Einrichtung versprüht, die die Form eines Ejektors bzw« einer Strahlpumpe hat, in der das Antriebsfluid
der Strahl aus Primärluft und versprühtem Brennstoff und das gepumpte Fluid Sekundärluft ist.
Um eine Regulierung der abgegebenen Wärmemenge zu erreichen,
wird der Brenner erfindungsgemäß vorteilhafterweise wie folgt betrieben:
eine Betriebsweise bei verringertem Druck, bei der die Brennstoffzufuhr geringer als oder gleich O,O8
kg pro Kormal-m Primärluft ist;
eine Betriebsweise mit höherer Ausgangsleistung, die gegebenenfalls veränderbar ist, bei der die Brennstoffzufuhr
zwischen 0,08 kg und 0,8 kg, vorzugsweise zwischen 0,2 kg und 0,5 kg pro Normal-m Primärluft
liegt und bei der die zusätzlich notwendige Sekundärluft der Flamme stromabwärts von der Mischeinrichtung
zugeführt wird, vorzugsweise unter Ausnutzung der Bewegungsgröße des die Düse verlassenden Strahles aus
versprühtem Brennstoff und Primärluft.
Der Brennstoff wird vorzugsweise mittels einer geeichten öffnung in den Einlaß der Versprüheinrichtung eingebracht,
und die Brennstoffzufuhr wird durch Änderung des Druckes
über der öffnung verändert. Die öffnung kann vorzugsweise
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aus dem offenen Ende einer Kapillarrohre mit geeigneten
Abmessungen bestehen. Die Strömungsrate einer Flüssigkeit in einer Kapillarrohre ist proportional dem Druck pro Längeneinheit
der Röhre und proportional der vierten Potenz ihres Durchmessers. Die Strömungsrate ist außerdem umgekehrt
proportional der absoluten dynamischen Viskosität der Flüssigkeit. Aus diesen Angaben lassen sich ohne weiteres die Länge und der Durchmesser einer Röhre bestimmen,
mit der der gewünschte Zufuhrbereich unter Berücksichtigung der Viskosität des Brennstoffes Und der vorhandenen
Drücke abgedeckt werden kann.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Ausführungsbeispiele zeigenden Figuren näher erläutert.
Figuren zeigen in einer Teildarstellung Schnitte durch un ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Versprühvorrichtung.
Figur 3 zeigt einen Schnitt durch einen Brenner mit einer Versprühvorrichtung gemäß Figur 1.
Figur 4 zeigt schematisch die Hauptelemente eines anderen Brenners.
Die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Versprühvorrichtung ist besonders geeignet für Brenner für leichtes Heizöl. Das
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Kernelement 21 hat zwei breite, tiefe, gewendelte Kanäle oder
Nuten, die jeweils drei vollständige Windungen oder Gänge bilden. Die Form dieses Elementes stimmt mit der eines
Spiralbohrers überein. Sein Durchmesser beträgt 4 mm und seine Länge 80 mm. Um dieses Element sind zwei Drähte 22
gewickelt, die jeweils einen Durchmesser von 1 mm haben und deren Windungsrichtung entgegengesetzt zur Gangrichtung der
Windungen des Kernelementes verläuft. Jeder Draht bildet über die Länge von 80 mm drei vollständige Gänge und ist
durch wenige Hartlötpunkte am inneren Kernelement befestigt.
Diese Einheit wird unter Reibung in einen zylindrischen Rohrkörper 23 eng passend eingeschoben, dessen innerer Durchmesser
6 mm beträgt und der am stromabwärts liegenden Ende eine Düse 25 mit einer öffnung von 3 ram Durchmesser aufweist.
Der in Figur 3 dargestellte Brenner 10 hat einen zylindrischen Rohrkörper 23 mit einem Innendurchmesser von 6 mm,
in dem sich das innere Kernelement 21 und die Windungen 22 befinden, sowie eine Düse 25, wie dies bereits in Zusammenhang
mit den Figuren 1 und 2 beschrieben wurde.
Die eine zylindrische Öffnung von 3 mm Durchmesser aufweisende
Düse 25 ist unmittelbar stromabwärts der Versprüheinrichtung 21 bis 23 angeordnet, um ein Zusammenballen der
dispergierten Brennstofftröpfchen zu vermeiden. Der stromabwärts
liegende Bereich des Rohrkörpers 23 wird koaxial
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von einem zylindrischen Rohr 29 mit einer Länge von 200 mm und einem Durchmesser von 56 mm bis 60 mm sowie einem zylindrischen
Rohr 30 mit einer Länge von 145 mm und einem Durchmesser von 44 mm bis 48 mm umgeben. Diese beiden Rohre
29 und 30 sind in einem Flanschteil 31 befestigt, das parallel zur Achse der Rohre verlaufende Bohrungen 32, 33, 34,
35 aufweist. Ein Ringteil 28 ist um seine Achse drehbar, um diese Bohrungen entsprechend der Zufuhrrate des Heizöls
zu öffnen und Sekundärluft eintreten zu lassen. Das Rohr 29 erstreckt sich stromabwärts über die Düse 25 hinaus und
bildet die seitliche Begrenzung für den Verbrennungsraum.
Leichtes Heizöl wird mittels einer Kapillarrohre 18, deren
Länge 8 mm und deren Innendurchmesser 0,254 mm beträgt, am
Einlaß des Brenners 10 eingebracht.
Der in Figur 4 dargestellte Brenner 110 enthält einen Rohrkörper
111 mit im wesentlichen kreisförmigen Innenquerschnitt. An seinem stromabwärts liegenden Ende (in der Figur rechts)
trägt der Rohrkörper eine Düse 112 zur Bildung eines Sprühstrahls aus Brennstoffaerosol gewünschter Form. Innerhalb
des Rohrkörpers 111 befindet sich eine Versprüheinrichtung
113, die von irgendeiner der erfindungsgemäßen, vorstehend beschriebenen Arten sein kann und vorzugsweise der Versprüheinrichtung
gemäß Figuren 1 und 2 entspricht* Die Versprüheinrichtung erstreckt sich stromaufwärts von dem stromabwärts
liegenden Ende des Rohrkörpers, um so wenig wie möglich freien
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Raum zwischen dem stromabwärts liegenden Ende des Rohrkörpers 111 und der Versprühexnrichtung 113 freizulassen, so daß eine
Zusammenballung von Brennstofftröpfchen vermieden wird, die
in Form einer Emulsion im Hilfsgas mittels der Versprüheinrichtung 113 dispergiert wurden.
Flüssiger Brennstoff, etwa leichtes Heizöl, wird mittels einer Pumpe 114 von einer Vorratsleitung 115 mit einem Rückschlagventil
116 unter verhältnismäßig niedrigem Druck (weniger als 12 bar) über ein Regulierventil 117 in eine kapillarförmige
bzw. sehr dünne Röhre 118 gepumpt, die an oder nahe dem stromaufwärts liegenden Ende in den Rohrkörper 111 mündet.
Eine von einem Motor 120, zweckmäßigerweise einem Elektromotor
angetriebene Luftzufuhrpumpe 119 pumpt über ein Rückschlagventil
122 Luft in eine Leitung 121, und die Luft gelangt mit einem gewünschten Druck und einer gewünschten Förderrate,
bei denen die gesamte für den Betrieb des Brenners 110 erforderliche Energie zur Verfügung steht, in die Leitung
123. Die Luft kann bis zu 1,5 bar und die Luftströmungsrate bis zu 3 Normal-m /h betragen. Die Leistung des Motors
120 für derartige Antriebe kann verhältnismäßig klein sein, beispielsweise weniger als 0,5 kW. Die Luft tritt vorzugsweise
in den Rohrkörper 111 an etwa der gleichen Stelle wie das stromabwärts liegende Ende der Röhre 118 ein und kann,
wie dargestellt, nahe diesem Ende durch ein radial angeordnetes Rohr 24 zugeführt werden.
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Der Brennstoff und die Luft bewegen sich durch die Versprüheinrichtung
11 3 zum stromabwärts liegenden Ende des Rohrkörpers 111, und die Expansion der Luft zusammen mit der Wirkung der Versprüheinrichtung 113, die eine wiederholte Scherung
und Richtungsänderung und/oder wiederholte Teilung und Ztisammenführung der Brennstoff- und Luftströme hervorruft,
bildet eine Emulsion aus in der Luft dispergiertem Brennstoff. Die Emulsion wird in Form eines Brennstoff—in-Luft-Aerosols
aus der Düse 112 in eine Verbrennungskammer 125 geleitet, die
einen kreisförmigen Querschnitt hat und koaxial bezüglich der
Achse des Rohrkörpers 111 angeordnet ist. Die Verbrennungskammer
125 ist mit einem feuerfesten Material beschichtet und erstreckt sich im wesentlichen stromabwärts von der senkrechten
Ebene durch das stromabwärts liegende Ende des Rohrkörpers 111. Das stromaufwärts liegende Ende der Verbrennungskammer
ist mittels eines Ringelementes geschlossen, das sich
zur Außenfläche des Rohrkörpers 111 radial nach innen erstreckt.
Obwohl die Verbrennungskammer 125 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine zylindrische Seitenwand
hat, kann sie auch kegeistumpfförmig ausgebildet sein und
sich stromabwärts erweitern. Für die meisten Anwendungsfälle in Wohnungen und Häusern kann der Innendurchmesser der Verbrennungskammer
125 im Bereich von 30 mm bis 100 mm, vorzugsweise
etwa 50 mm liegen, und die Verbrennungskammer kann eine wirksame axiale Länge von 45 bis 180 mm, vorzugsweise
etwa 150 mm haben..
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Das Brennstoff-in-Luft-Aerosol wird zur Erzeugung einer
Flamme 126 in üblicher Weise gezündet, und vom stromabwärts liegenden Ende der Verbrennungskammer kann Sekundärluft in
diese eintreten, wie dies durch die Pfeile 127 angedeutet ist. Die kinetische Energie des aus der Düse 112 austretenden
Aerosols, welche nahezu vollständig aus der über die Leitung 123 in den Rohrkörper 111 eintretenden Luft gewonnen
wird, reicht aus, um eine gute Umwälzverbrennung bei
hohen Intensitäten innerhalb der Verbrennungskammer 125 zu erzeugen und um die erforderliche Sekundärluft anzusaugen,
wenn die Brennstoffzufuhr hoch ist. Die Flamme 126 ist im wesentlichen nicht leuchtend, selbst bei höchster Wärmeabgabe.
Gegebenenfalls kann die Flamme 126 mittels eines bekannten, in der Verbrennungskammer angeordneten Stabilisierungskörpers
(nicht gezeigt) stabilisiert werden, über einen verhältnismäßig großen Betriebsbereich ist die einzig
erforderliche Regelung die des Ventils 117 für die Steuerung der Brennstoffzufuhr. Um den Regelbereich noch
mehr zu erweitern, kann es erwünscht sein, die Luftzufuhr zur Leitung 123 mittels eines geeigneten Ventils (nicht
dargestellt) zu steuern, wodurch dann Wärmeabgaben außerhalb des vorstehend erwähnten Betriebsbereiches erhalten
werden.
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Es wurde eine Vorrichtung gemäß Figur 3 benutzt, die entsprechend
der Figur 4 betrieben wurde. In den Einlaß der Versprühvorrichtung wurde durch das Kapillarrohr 18 mit
einer Länge von 8 mm und einem Innendurchmesser von 0,254 nun
leichtes Heizöl eingebracht. Die Heizölzufuhr konnte durch Veränderung des Heizöldruckes von·2,4 bar bis 11,7 bar am
Einlaß der Kapillarröhre von 0,2 kg/h bis 1,5 kg/h verändert
werden. Die Primärluft, deren Expansion in der Versprühvorrichtung das Versprühen des Heizöls sicherstellt,
wurde mit praktisch konstantem Druck und in konstanter Menge
pro Zeiteinheit durch das Rohr 24 zugeführt. Bei einem wirksamen Druck von 0,3 bar am Einlaß der Versprühvorrichtung
betrug die Luftzufuhr 2,0 Normal-m /h, und die Verbrennung
des Heizöls erfolgte vollständig zufriedenstellend.
Die Versprühvorrichtung wurde dann durch eine an sich bekannte
Versprühvorrichtung mit einem zylindrischen Rohr mit einem Innendurchmesser von 4 mm, in das 21 gekrümmte,
eine Wendel bildende Schaufeln eingeführt waren, ersetzt.
Jede Schaufel teilt das Innere des Rohres in zwei Durchlässe gleich großen Querschnitts und gibt den Fluiden eine
Drehung von 180° um die Achse des Rohres. Die Länge jeder
Schaufel beträgt 8 mm, und in einer Richtung gekrümmte
Schaufeln wechseln mit in entgegengesetzter Richtung gekrümmten Schaufeln ab.
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In diesem Fall war es erforderlich, Druck und Zufuhrmenge
der Primärluft auf 0,6 bar bzw. 2,2 Normal-m /h zu vergrößern,
um eine zufriedenstellende Verbrennung des Öls über den gleichen Zufuhrbereich von 0,2 kg/h bis 1,5 kg/h zu
erhalten.
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Claims (10)
- AnsprücheVorrichtung zum Mischen oder Zerstäuben von Fluiden, gekennzeichnet durch einen hohlen Rohrkörper mit einer im wesentlichen zylindrischen Innenwand, durch ein im wesentlichen koaxial im Rohrkörper angeordnetes, sich im Abstand von dessen Innenwand befindendes Kernelement, das in seiner Oberfläche mindestens einen nicht geschnittenen, wendeiförmigen Kanal aufweist, der sich im wesentlichen durchgehend über die gesamte Länge der Oberfläche erstreckt, und durch eine sich dicht an der Innenwand des Rohrkörpers und dicht an der Oberfläche des Kernelementes um dieses erstreckende Kanalbildungseinrichtung, die aus mindestens einer Schicht mit mindestens einer nicht geschnittenen, wendeiförmigen Windung besteht, wobei jede Windung einer Schicht entgegengesetzt zu jeder Windung der nächsten Schicht verläuft und jede Windung der dem Kernelement am nächsten liegenden Schicht entgegengesetzt zu jedem Kanal im Kernelement gerichtet ist.
- 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernelement im wesentlichen zylindrisch ist.
- 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernelement 2 bis 8 vollständige Gänge jedes nicht geschnittenen wendeiförmigen Kanals aufweist.7098 10/0338
- 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schicht der Kanalbildungseinrichtung 2 bis 8 vollständige Gänge jeder nicht geschnittenen wendeiförmigen Windung aufweist.
- 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalbildungseinrichtung aus einer Schicht einer wendeiförmigen Windung besteht.
- 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Kanäle im Kernelement und die Anzahl der Kanäle in der Kanalbildungseinrichtung jeweils so gewählt sind, daß im Betrieb mit Fluiden die resultierenden, einander entgegengesetzten Drehkräfte im wesentlichen abgeglichen sind.
- 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernelement zwei parallele, wendeiförmige Kanäle und die Kanalbildungseinrichtung nur eine Schicht aufweist, die aus zwei parallelen, wendeiförmigen Windungen besteht.
- 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine am stromabwärts liegenden Ende des Rohrkörpers vorgesehene Düse zum Versprühen von Brennstoff in einer vorgewählten Sprühverteilung für eine nachfolgende Verbrennung.70981 0/0338
- 9. Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 in einem Brenner zum Versprühen von flüssigem Brennstoff.
- 10. Verfahren zum Verbrennen eines flüssigen Brennstoffes mit veränderbarer Rate in einer Verbrennungszone unter Verwendung einer Vorrichtung■gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein unter einem den Druck in der Verbrennungszone übersteigenden Druck stehendes Hilfsgas und der Brennstoff in das stromaufwärts liegende Ende der Vorrichtung eingebracht und dadurch eine Emulsion aus im Gas dispergiertem Brennstoff hergestellt wird, daß die Emulsion am stromabwärts liegenden Ende der Vorrichtung in Form eines den Brennstoff im Hilfsgas dispergiert enthaltenden Aerosols in eine zylindrische oder sich kegelstumpfförmig erweiternde Verbrennungskammer abgegeben wird, die sich zumindest vom stromabwärts liegenden Ende der Vorrichtung erstreckt, wobei die zum Dispergieren des Brennstoffes im Hilfsgas und zum Ausstoßen des dispergierten Brennstoffes in Form eines Aerosols in die Verbrennungskammer sowie zum Eintritt der Luft in die Verbrennungskammer erforderliche Energie im wesentlichen vollständig durch das in die Vorrichtung eintretende, unter Druck stehende Hilfsgas aufgebracht wird, und daß die Zufuhrrate des Brennstoffes zum stromaufwärts liegenden Ende der Vorrichtung verändert wird.7098 10/0338Leerseite
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