DE2637700A1

DE2637700A1 - Vorrichtung zum mischen oder zerstaeuben von fluiden

Info

Publication number: DE2637700A1
Application number: DE19762637700
Authority: DE
Inventors: Jacques Bouvin French
Original assignee: Esso SA
Current assignee: Esso SA
Priority date: 1975-08-27
Filing date: 1976-08-21
Publication date: 1977-03-10
Also published as: BE845576A; IT1066399B; CH617359A5; CA1060774A; SE7609135L; GB1553875A; NL7609450A; US4133485A; JPS5228712A; SE431581B

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,

709810/0338

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

709810/0338

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-

709 81 0/03-3 8 ■

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

709 810/0338

25377

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. .

709 8 10/03 39

263770

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-

709810/0338

2837700

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.

709810/0338

2B37700

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.

709810/0338

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-

3 3

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.

0-981.Ö/Ö-338

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.

709810/0338

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.

709810/0338

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

709810/0338

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

7098 10/03 38

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

709810/0338

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

709810/0338

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

709810/0338

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

709810/0338

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.

709810/0338

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..

7 09810/0338

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.

709810/0338

Beispiel -

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.

709810/0338

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.

709810/0338

Claims

Ansprüche

Vorrichtung 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 10/0338

Leerseite