DE2719573C2 - Verfahren zur Regelung der Heizleistung eines Ölbrenners - Google Patents

Description

2,9 kg/h ergeben würden, so daß zwar insgesamt in etwa die angestrebte geringe Wärmeerzeugung erreichbar

wäre. Der Betrieb einer Heizungsanlage bzw. eines

Brenners mit einer Düse in der Größenordnung von weniger als 1,9 kg/h bereitet jedoch erhebliche Schwie-

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung 35 rigkeiten der oben angegebenen Art. So ist ein sicherer der Heizleistung eines ölbrenners zur Verbrennung von Betrieb mit 1,14 und 1,52 kg/h-Düsen bei einer öltem-Heizöl mit einer Viskosität von weniger als 11,8 cSt bei peratur von 10⁰C und einem Öldruck von 10 bar über-20⁰C, insbesondere von etwa 5 cSt, in zwei Leistungsbe- haupt nicht möglich; sogar 1,9 und 2,28 kg/h-Düsen mareichen, wobei in einem ersten Leistungsbereich das chen die Anwendung höherer Drücke erforderlich, um Heizöl mittels einer Druckzerstäuberdüse bei einem 40 eine brauchbare Zerstäubungsgüte erreichen zu kön-Pumpendruck von etwa 10 bar unterhalb seiner Verkok- nen. Höhere Drücke führen jedoch zu größeren stündlikungs- und Verkrackungstemperatur mit einer Druck- chen Gewichtsdurchsätzen, so daß stets Wärme in zu Zerstäuberdüse für einen Durchsatz bis zu etwa 2,3 kg/h großer Menge erzeugt wird. Im übrigen besteht gegenzerstäubt wird. wärtig die Erkenntnis, daß in dem bekannten Stand der Bei Ölheizungsanlagen, in denen ein leichtes oder ex- 45 Technik bei stündlichen Durchsatzgewichten von wenitra leichtes Heizöl mit niederer Viskosität verbrannt ger als 2 kg keine brauchbare Zerstäubung erreichbar wird, wird von ölbrennern Gebrauch gemacht, die nach
dem Druckzerstäubungsprinzip arbeiten. Hierzu ist
dann eine Förderpumpe für das Öl vorgesehen, die letzteres mit einem Druck in der Regel in der Größenordnung von 10 bar einer Druckzerstäuberdüse zuführt. In
dieser Druckzerstäuberdüse ist eine Wirbelkammer
vorgesehen, der das öl von außen nach innen längs etwa
spiralförmig zu bezeichnender Bahnen zugeführt wird,

des zweiten Leistungsbereichs der Pumpendruck auf 5 bar reduziert wird, wodurch eine weitere Reduzierung des gewichtsbezogenen, stündlichen Durchsatzes um etwa 29,3% erreicht wird.

Aus diesem Grunde wird in Hinblick auf die betriebssichere Betreibung einer entsprechenden Heizungsanlage bei Einfamilienhäusern Gebrauch von Heizkesseln und Brennerdüsen gemacht, die an sich überdimensioniert sind. Insbesondere werden ungern Düsen unter 1,9 kg/h verwendet, da die Betriebssicherheit ansonsten nicht gewährleistet wäre. Demzufolge wird also zum einen ein zu großer Heizkessel verwendet und zum anderen überhaupt zuviel öl verbrannt. Die zuviel erzeugte Wärme wird in Form übermäßig heißer Abgase an die Umwelt abgegeben. Demzufolge sind also die bisher zum Einsatz gebrachten Heizungsanlagen von Einfamilienhäusern mit geringen Leistungen hinsichtlich ihrer Wirtschaftlichkeit vollständig unbefriedigend. Im übrigen besteht stets eine erhebliche Umweltbelastung bei jeder Neueinschaltung der Heizanlage, da während der Anlaufphase ganz besonders schlechte Verbrennungs-

Grundsätzlich verhält es sich so, daß für die Erzeugung 65 bedingungen herrschen, die zu einer unvollkommenen geringer Wärmemengen Düsen mit geringem stündli- Verbrennung führen.

chen Durchsatzvolumen auszuwählen sind. Derartige Die US-PS 25 79 215 befaßt sich mit einer Vergröße-

Düsen sind zwar bei Einhaltung einer verhältnismäßig rung des Einsteilbarkeitsbereiches einer von einer

so daß das Öl in der Wirbelkammer eine Rotationsbewegung ausführt und an der unmittelbar nachgeschalteten Düsenaustrittsöffnung austritt. Der Austritt des verwirbelten und in Rotation stehenden Öls erfolgt dabei in der Form eines mehr oder weniger dicken Wirbelfilms längs der Wandung der Austrittsöffnung.

Die jeweils verwendete Größe der Druckzerstäuberdüse hängt von der beabsichtigten Größe der Wärmeerzeugung ab. Die Düsen sind dabei klassifiziert nach dem erreichbaren stündlichen Durchtrittsvolumen in kg/h.

Di uckzerstäuberdüse Gebrauch machenden Brenneranlage. Im einzelnen wird angegeben, daß dip Einstellbarkeit dadurch verbessert bzw. vergrößert werden soll, daß die Viskosität des Brennstoffs verändert wird, möglicherweise gleichzeitig einhergehend mit einer Veränderung des Zuführungsdrucks des Brennstoffs. Diese Angaben beruhen auf der richtigen Erkenntnis der theoretischen Grundlagen, nämlich daß bei der Verwendung von Druckzersiäuberdüsen die Reduzierung der Viskosität aus den in der US-PS im einzelnen angegebenen Gründen tatsächlich zu einer Reduzierung des Stundendurchsatzes führt Des weiteren richtig erkannt ist die Tatsache, daß auch eine Reduzierung des Zuführungsdrucks des Brennstoffs zu einer Reduzierung des Stundendurchsatzes führt. Bei der Vergrößerung des Einstellbarkeitsbereichs eines Brenners, wie diese in der US-PS angegeben ist, ging es nicht darum, einen Brennerbetrieb unter Verwendung der kleinsten bisher zufriedenstellend arbeitenden Düsen bei noch weiter reduzierter Heizleistung zu ermöglichen. Es wird zwar der Viskositätsbereich mit Zahlenwerten belegt, die im Bereich von 5 bis 80 cSt liegen sollen. Insoweit scheint die Überschneidung mit dem Anmeldungsgegenstand gegeben zu sein, jedoch nur auf den ersten Blick. Denn es ist zu beachten, daß in der US-PS ausdrücklich gesagt wird, daß eine Erhöhung der Brennstofftemperatur zu einer Reduzierung der Viskosität des Brennstoffs und damit zu einer Reduzierung des Stundendurchsatzes führt. Wird nun in der US-PS als unterster zahlenmäßig belegter Wert der Viskosität der Wert von 5 cSt betrachtet, so ist davon auszugehen, daß es sich hierbei um einen Viskositätswert des Brennstoffs handelt, der dann feststellbar ist, wenn der Brennstoff bereits zur Reduzierung des Stundendurchsatzes und der Viskosität erwärmt ist. Dies bedeutet, daß der verwendete Brenntoff im Normalzustand, d. h. bei Raumtemperatur, eine offenbar deutlich höhere Viskosität besitzt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges Verfahren zum Verbrennen von leichtem oder extra leichtem Heizöl zwecks Erzeugung einer Wärme in der Größenordnung von etwa 6.000 bis 25.000 Kcal/h anzugeben, mit dem niedere Leistungsbereiche störungsfrei erschlossen werden können.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß die erzeugte Wärmemenge eine direkte Funktion des der Verbrennung zur Verfügung gestellten ölgewichtes ist. Das durch eine Druckzerstäuberdüse durchtretende ölgewicht ist jedoch einerseits eine Funktion des stündlichen Durchtrittsvolumens der Düse, also eine Funktion der jeweils gewählten Düse, und andererseits eine Funktion des Drucks, unter dem das öl der Düse zugeführt wird. Des weiteren besteht jedoch eine eindeutige Funktion zwischen der Temperatur und der Viskositäi des Öls. Da die Viskosität des Öls ein sehr erhebliches Kriterium für das bei einer bestimmten Düse durchtretende Ölgewicht ist, besteht somit eine klare gegenseitige Beeinflussung zwischen den folgenden Größen, nämlich der Öltemperatur, dem Ölzuführungsdruck, der jeweils gewählten Düse und der erreichten Wärmeerzeugung.

Zur Lösung der ihr zugrundeliegenden Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß zur Erzielung des zweiten, niedrigen Leistungsbereiches das Heizöl unmittelbar vor Erreichen der Druckzerstäuberdüse in einem Durchflußerhitzer auf eine Temperatur von vorzugsweise etwa 100⁰C; maximal 150⁰C, erwärmt wird, so daß die Ölviskosität in einem Ausmaß absinkt, in deren Folge der Durchsatz der Zerstäuberdüse bei gleichem Pumpendruck um etwa 20% abnimmt und daß zum Umschalten in den ersten Leistungsbereich die Vorwärmung des Heizöls abgebrochen wird.

Vorteilhaft ist vorgesehen, daß zur weiteren Leistungserniedrigung des zweiten Leistungsbereiches der Pumpendruck auf 5 bar reduziert wird, wodurch eine weitere Reduzierung des gewichtsbezogenen, stündlichen Durchsatzes um etwa 293% erreicht wird.

Diese Ausbildung des Verbrennungsverfahrens macht sich also die verschiedenen, oben angesprochenen, gegenseitigen Abhängigkeiten zunutze und bietet jetzt erstmalig eine Möglichkeit, Düsen mit beispielsweise 1,9 kg/h zu verwenden, ohne daß die oben angegebenen, entsprechenden Nachteile zu beobachten sind.

Eine Verbrennung in der erfindungsgemäßen Weise unter Verwendung einer Düse mit 1,9 kg/h ist dabei sogar einer herkömmlichen Verbrennung unter Verwendung einer Düse mit nur 1,52 kg/h in Hinblick auf die angestrebte geringe Wärmeerzeugung überlegen, wozu die

weitere Überlegenheit hinzutritt, daß jetzt erstmalig eine absolut betriebssichere Verbrennung durch verbesserte Zerstäubungsgüte möglich ist. Die Betriebssicherheit einer Verbrennung ist in keineswegs zu unterschätzender Weise von erheblicher Bedeutung, da Heizungsanlagen bzw. die zugehörigen Brenneranlagen auch in Hinblick auf die Kosten nur einmal jährlich inspiziert werden sollten. Im übrigen muß während des gesamten Jahres, also sowohl während kalter als auch während warmer Jahreszeiten, eine einwandfreie Betriebsweise bei gleichzeitig einwandfreier, umweltschonender Verbrennung gewährleistet sein.

Wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verbrennungsverfahrens mit einer solchen Vorwärmung des Öls gearbeitet, daß der gewichtsbezogene, stündliche Durchsatz der Zerstäuberdüse um etwa 20% reduziert ist, was allein bereits durch die Tatsache der Erwärmung erreichbar ist, so ist dann insgesamt eine Reduzierung des gewichtsbezogenen, stündlichen Durchsatzes um etwa 40% möglich. Diese weitere Reduzierung beruht auf

dem Umstand, daß bei reduzierter Viskosität das Öl ohne Beeinträchtigung der Verwirbelungsgüte und damit der Zerstäubungsgüte unter einem geringeren Druck der Druckzerstäuberdüse zugeführt werden kann. Da sich bei reduzierter Druckzuführung jedoch ein geringerer gewichtsbezogener, stündlicher Durchsatz einstellt, kann eine in erfindungsgemäßer Weise betriebene Anlage bei identischer Düse insgesamt mit um etwa 40% reduziertem gewichtsbezogenem, stündlichem Durchsatz betrieben werden, so daß erstmalig in betriebssicherer und umweltschonender Weise Wärme in der gewünschten kleinen Größenordnung und gleichzeitig unter wirtschaftlichen Bedingungen erzeugbar ist, was ohne die erfindungsgemäße Verbrennung bei Düsen von höchstens 1,9 kg/h nicht möglich wäre. Dabei tritt als keinesfalls zu unterschätzender Nebeneffekt eine erhebliche Geräuschreduzierung ein, die auf der Absenkung des ölzuführungsdruckes beruht. Geräuschmessungen allerdings bei gleichbleibender Wärmeerzeugung, also bei Verwendung einer hinsichtlich ihres stündlichen Durchtrittsvolumens größeren Düse bei Vorwärmung bzw. entsprechend reduzierter Viskosität des Öls jnd Reduzierung des ölzuführungsdruckes, haben ergeben, daß der Geräuschpegel von 66 db auf 56 db reduziert wird, was eine sehr erhebliche Geräuschminderung darstellt.

Es ist festzuhalten, daß eine gesetzmäßige Abhängigkeit zwischen Temperatur und Durchsatzmenge besteht. Die Temperatur von 100⁰C ist auf einen Durch-

satz von 1 kg/h bezogen. Der im einleitenden Teil des Patentanspruches angeführte Durchsatz von 2,3 kg/h bezieht sich auf die unterste Grenze des Durchsatzes, der ohne Vorwärmung erreicht wird.

Als Durchlauferhitzer kommt insbesondere eine elektrisch beheizbare Einrichtung in Frage, da eine derartige Einrichtung in sehr kleiner Baugröße realisierbar ist und daher nur einen geringen Platzbedarf beansprucht.

Der Heizblock des Durchlauferhitzers kann im Zentrum einer Ölleitungsschlange angeordnet sein, die in Längsrichtung des Heizblocks um diesen herumgeführt ist Durch diese Ausbildung wird gewährleistet, daß es zu keinem Wärmestau in bestimmten Bereichen eines Ölbades oder dergleichen kommt, da das öl ja fortlaufend durch die Leitungsschlange hindurchgeführt wird, also in ständiger Bewegung steht

Im folgenden wird die Erfindung weiter ins einzelne gehend und unter besonderer Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben; im einzelnen zeigt

F i g. 1 ein Viskositäts-Temperatur-Diagramm Heizöl,

Fig.2 ein Druck-Durchsatz-Diagramm für Druckzerstäuberdüsen,

F i g. 3 ein Durchsatz-Druck- bzw. Durchsatz-Tempedruck deutliche Reduzierungen des gewichtsbezogenen, stündlichen Durchsatzes zeigen.

Die Diagramme der F i g. 1 bis 4 zeigen die verschiedenen gegenseitigen Abhängigkeiten, von denen die vorliegende Erfindung Gebrauch macht und die bisher offensichtlich nie zusammenfassend betrachtet worden sind. Durch die offenbar erstmalige zusammenfassende Betrachtung ist das erfindungsgemäße Verbrennungsverfahren überhaupt erst ermöglicht worden.

Hinsichtlich der durch das erfindungsgemäße Verbrennungsverfahren erreichten Vorteile kann zu deren Klarstellung nochmals darauf hingewiesen werden, daß es bisher für kleine Heizleistungen an sich erforderlich gewesen ist, entsprechend klein-dimensionierte Düsen zu verwenden. Diese klein-dimensionierten Düsen führten jedoch zu Betriebsstörungen in großer Zahl. Zur Vermeidung dieser Betriebsstörungen ist daher bisher stets eine zu große Düse verwendet worden mit der Folge, daß auch zu große gewichtsbezogene, stündliche für 20 Durchsätze erreicht wurden, die zu einer übermäßigen Wärmeerzeugung geführt haben. Es wurde also bisher in absolut unzufriedenstellender Weise eine entsprechende Heizanlage betrieben. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es jetzt erstmalig ermöglicht wor-

ratur-Diagramm für eine bestimmte Druckzerstäuber- 25 den, die an sich zu großen gewichtsbezogenen, stündlidüse, chen Durchsätze größerer Düsen zur Erzeugung kleiner

F i g. 4 ein Temperatur-Durchsatz-Diagramm für stündlicher Wärmeleistungen heranzuziehen. In diesem zwei bestimmte Druckzerstäuberdüsen. Zusammenhang kann auf die besondere Angabe der

F i g. 1 zeigt ein Viskositäts-Temperatur-Diagramm F i g. 3 verwiesen werden, aus der zu ersehen ist daß für übliches Heizöl. Aus diesem Diagramm ist zu erse- 30 dann, wenn eine 1,9 kg/h-Düse statt mit einem öl mit hen, daß übliches Heizöl bei 10⁰C eine Viskosität von 10⁰C bei einem Betriebsdruck von 10 bar mit Öl von etwa 1,65° E besitzt während bei 12O⁰C lediglich eine 110⁰C bei einem Betriebsdruck von 5 bar benutzt wird, Viskosität von 1,0° E zu beobachten ist der gewicntsbezogene, stündliche Durchsatz um etwas

F i g. 2 zeigt ein Druck-Durchsatz-Diagramm für ins- 42,7% reduziert werden kann. Dies kann andererseits gesamt 7 Druckzerstäuberdüsen unterschiedlicher 35 natürlich auch so verstanden werden, daß dann, wenn stündlicher Durchtrittsvolumina, woraus zu ersehen ist, der gewichtsbezogene, stündliche Durchsatz nicht redudaß mit fallendem Druck auch die gewichtsbezogene, ziert werden soll, eine hinsichtlich ihres Durchtrittsvolustündliche Durchtrittsmenge abnimmt Des weiteren ist mens größer ausgelegte Düse verwendet wird mit der aus diesem Diagramm zu ersehen, mit welchem Druck Folge, daß bei dieser dann bei entsprechender Vorwärdie einzelnen Düsen gefahren werden müssen, wenn 40 mung des Öls und entsprechender Reduzierung des Bekaltes Öl von 10° C bei betriebssicherem Verhalten ver- triebsdruckes gearbeitet werden kann, wodurch verbesserte Betriebsbedingungen, eine umweltfreundlichere Verbrennung und nicht zuletzt eine sehr erhebliche Reduzierung des Geräuschpegels erreicht werden.

brannt werden soll. Andererseits ist aber auch zu ersehen, mit welchen Drücken die verschiedenen Düsen gefahren werden können, wenn wiederum in betriebssicherer Weise gearbeitet werden soll, aber warmes öl mit einer Temperatur von 110° C zur Verfugung steht

F i g. 3 zeigt ein Durchsatz-Druck-Diagramm für eine 13 kg/h-Düse bei 10 bar und ein Durchsatz-Temperatur-Diagramm für die gleiche Düse bei 110⁰C. Aus dem uurchsatz-1 emperatur-Verlauf (obere Linie) ist zu ersehen, daß bei einer Temperatursteigerung um 100⁰C bei gleichbleibendem Betriebsdruck von 10 bar bei einer 13 kg/h-Düse der gewichtsbezogene, stündliche Durchsatz um etwa 183% reduziert wird. Aus dem Durchsatz-Druck-Verlauf ist zu ersehen, daß bei einer Öltemperatur von HO⁰C in Verbindung mit einer 1,9 kg/h-Düse bei einer Druckreduzierung um 5 bar eine Reduzierung des gewichtsbezogenen, stündlichen Durchsatzes um etwa 293% erreichbar ist Beide Durchsatzreduzierungen gemeinsam bedeuten eine Gesamtreduzierung von etwa 42,7%.

Fig.4 zeigt ein Temperatur-Durchsatz-Diagramm für zwei verschiedene Düsen bei gleichen Betriebsdrükken. Aus dem entsprechenden Verlauf ist zu ersehen, daß jede dieser ganz speziellen Düsen eines einzigen bestimmten Herstellers, dessen Düsen für die dargestellten Meßergebnisse verwendet worden sind, mit zunehmender öltemperatur bei konstantem Betriebs-Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche: kleinen Stufung für zahlreiche stündliche Durchtrittsvolumina im Handel erhältlich. Die Verwendung sehr kleiner Düsen, d. h. die Verwendung von Düsen mit einem kleinen stündlichen Durchtrittsvolumen, bereitet jedoch in der Praxis sehr erhebliche Schwierigkeiten. Zum einen sind diese Düsen nur sehr schwierig herstellbar, und zwar wegen des kleinen Durchmessers ihrer Austrittsöffnung. Zum anderen neigen diese Düsen zu einer verhältnismäßig schnellen Verstopfung, beispielsweise in-

1. Verfahren zur Regelung der Heizleistung eines
ölbrenners zur Verbrennung von Heizöl mit einer
Viskosität von weniger als 11,8 cSt bei 20⁰C, insbesondere von etwa 5 cSt, in zwei Leistungsbereichen,
wobei in einem ersten Leistungsbereich das Heizöl
mittels einer Druckzerstäuberdüse bei einem Pumpendruck von etwa 10 bar unterhalb seiner Verkok- io folge zu grober Bestandteile des jeweils verwendeten kungs- und Verkrackungstemperatur mit einer Öls oder infolge evtl. Ablagerungen an der Innenwan-Druckzerstäuberdüse für einen Durchsatz bis zu et- dung der Austrittsöffnung. Andererseits besteht bei wa 23 kg/h zerstäubt wird, dadurch gekenn- kleiner werdenden Düsen eine Tendenz zur Verschlechzeichnet, daß zur Erzielung des zweiten, niedri- terung des Zerstäubungseffektes. Die Güte des Zerstäugen Leistungsbereichs das Heizöl unmittelbar vor 15 bungseffektes ist jedoch für die Güte der Verbrennung Erreichen der Druckzerstäuberdüse in einem sowohl hinsichtlich der Ausnutzung der im öl zur Verfü-Durchflußerhitzer auf eine Temperatur von vor- gung stehenden chemischen Verbrennungsenergie als zugsweise etwa 100⁰C, maximal 150⁰C, erwärmt auch hinsichtlich der Sauberkeit der Verbrennung von wird, so daß die ölviskosität in einem Ausmaß ab- maßgeblicher Bedeutung. Im übrigen ist bei kleiner sinkt, in deren Folge der Durchsatz der Zerstäuber- 20 werdendem Durchmesser der Düsenaustrittsöffnung zu düse bei gleichem Pumpendruck um etwa 20% ab- beobachten, daß die Zerstäubungsgüte abnimmt, weil nimmt und daß zum Umschalten in den ersten Lei- das öl zu zäh ist, um den angestrebten Grad der Verwirstungsbereich die Vorwärmung des Heizöls abge- belung erreichen zu lassen.

brachen wird. Bei Heizungsanlagen für beispielsweise Einfamilien-

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 25 häuser, die lediglich einen Wärembedarf von etwa 6.000 zeichnet, daß zur weiteren Leistungserniedrigung bis 25.000 Kcal/h haben, wäre daher an sich die Verwendung von Düsen mit 1,14 bis 2,85 kg/h erforderlich, die bei einer Temperatur des Öls von 10⁰C und einem Förderdruck von 10 bar einen öldurchsatz von 1,1 bis