DE2729321A1

DE2729321A1 - Verfahren zur regelung der verbrennung von fluessigen brennstoffen

Info

Publication number: DE2729321A1
Application number: DE19772729321
Authority: DE
Inventors: Johannes Wilhelmus Graat; Hans Theodoor Remie; Johannes Schaap
Original assignee: Smit Ovens Nijmegen BV
Current assignee: Smit Ovens Bv Nijmegen Nl
Priority date: 1977-06-29
Filing date: 1977-06-29
Publication date: 1979-01-04
Also published as: DE2729321C2; JPS5413019A; EP0000358B1; US4334854A; EP0000358A2; EP0000358A3; JPS6124602B2

Description

Anmelder: Smit Ovens Nijmegen B.V., Nijmegen (Niederlande?

Verfahren zur Regelung der Verbrennung von flüssigen Brennstoffen

Die Erfindung bezieht oich auf ein Verfahren zur Regelung einer im wesentlichen stöchiometrischen Verbrennung von flüssigen Brennstoffen in einer Brenneranordnung, in der ein Brenn stoffstrahl mit Hilfe einer Düse (z.B. Injektions-, Druck-, Rotationszerstäuber-Düse) erzeugt und mit einer dem vorzugsweise regelbaren Düseneingangsdiuck entsprechenden Tröpthengröße bzw. Brennstoffmenge pro Zeiteinheit in eine Mischzone eingesprüht wird, der von der Seite der Brennstoffstrahlachse wenigstens ein Teil der Verbrennungsluft als Zerstäubungsmedium zugeführt wird, dessen Strömung nach Durchsatz und Geschwindigkeit steuerbar ist, sowie mit nachfolgender Verbrennung des Brennstuffl.uft-Gemisches in einer an die Mischzone anschließenden Verbrennungszone.

Unter einer "stöchiomet sehen Verbrennung" wird eine solche verstanden, bei der weder Ruß (gemessen nach BACIIARACH: Rußzahl Null), noch ein nennenswerter Sauerstoffanteil der Verbrennungsgase auftritt (Sauerstoffgehalt in der Größenordnung 0,01 bis 0,1 %). Die Regelung kann sich auch auf eine

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^ S-

unterstöchiometrische Verbrennung zur Erzeugung einer reduzierenden Atmosphäre beziehen, bei der relativ hohe CO-Gehalte (5 - 6 %) ohne Rußbildung vorkommen. Unter "flüssigen Brennstoffen" werden insbesondere Heizöle verstanden. Hierbei kann es sich um Heizöle EL, L oder S handeln. Die entsprechenden Viskositätswerte dieser Brennstoffe sind gemäß DIN festgelegt. Bei den ölen sinkt die Viskosität mit der Erwärmung stark ab, so daß unter Umständen aus einem schweren Heizöl durch Erwärmung ein solches mit Viskositätseigenschaften eines mittelschweren Heizöles werden kann. Es eignen sich zur Verbrennung jedoch auch Altöle, schlammförmige Brennstoffe und ähnliches-.

Das eingangs genannte Verbrennungsverfahren mit zweistufiger Zerstäubung wird beispielsweise bei einem Brenner gemäß US-Patent 3 870 456 praktiziert. Bei diesem und anderen Brennern, die mit den genannten flüssigen Brennstoffen betrieben werden, kommt es im wesentlichen darauf an, die energietragende Flüssigkeit in möglichst feinverteilter Form in die Verbrennungszone einzuspeisen, um sie leichter vergasen zu können. Dabei wird bei der stöchiometrischen Verbrennung von niederviskosen Brennstoffen im allgemeinen eine sogenannte blaue Flamme erzielt, die darauf hindeutet, daß praktisch kein Kohlenstoffüberschuß vorhanden ist. Blaue Flammen erfordern im allgemeinen, daß die Tröpfchengröße

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bei der Zerstäubung des Brennstoffes unt,i;r «'inen festgelegten Wert je nach Brennstoff absinkt. Dus Flammenspektrum kann aber auch nach gelb bei stöchio-

Weim metrischer Verbrennung verschoben sein,VHochviskose, aschereiche oder leicht verunreinigte Brennstoffe verbrannt werden.

In der ersten Stufe der Verbrennung können mechanische Zerstäubungsdüsen angewandt werden, die in verschiedenen Bauausführungen bekannt sind. Dabei bestimmt sich die Tröpfchengröße, die sich bei Austritt aus der Düse einstellt, durch folgende Parameter:

a) Zerstäubungscharakteristik der Düse;

b) Viskosität des Brennstoffes;

c) Oberflächenspannung des Brennstoffes;

d) am Düseneingang anstehender Druck ρ bzw.

e) Brennstoffdurchsatz, der in fester Beziehung zum Druck steht.

In der bei der Druckzerstäubung auftretenden Verteilung der Tröpfchengröße wird ein sogenannter mittlerer TröpJbhendurchmesser nach SAUTER dadurch definiert, daß der mittlere Tröpfchendurchmesser dieselbe spezifische Oberfläche hat, wie dem Durchmesser des Tröpfchens entspricht.

(SMD = Sauter Mean Diameter):
_M 0,282 . 0,204

SMD =

_p 0,397 (/u m) (1)

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M Strömungszahl des Zerstäubers (Q/ Vρ) Q Durchsatz (kg/h)

O kinematische Viskosität des Brennstoffes (cSl) ρ Zerstäubungadruck (kp/cni )

(siehe HANSEN; ölfeuerungen; Springer-Verlag, Berlin 1970; S. 67).

Tatsächlich treten bei der Zerstäubung verschiedene Tröpfchengrößen gemäß einer Verteilungsfunktion uuf. Charakteristische Tröpfchengrößen bei gleichem Eingangsdruck liegen gemäß KÄMPER (Zeitschrift Cl- und Gasfeuerung; 1972; S. 490) bei Injektionszerstäubern bei 60 /Um, bei Druckzerstäuberdiisen 100 ,um, Rotationszerstuuberdusen 250 ,um.

Bei einem Zweistufenzerstüuber, der dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrunde liegt, wird der Brennstoffstrahl, der ungestört beispielsweise als ölnebel mit einer kegelförmigen Raumausdehnung in die Mischkammer eintritt, von der Seite der Achüe her mit einem Zerstäubungsmedium beaufschlagt. Eh ißt dies die ganze oder ein Teil der Verbrennungsluft; vorzugsweise wird die gesamte Verbrennungsluft als Zerstäubungsmedium verwendet. Dabei tritt das gasförmige Medium mit einer Relativgeschwindigkeit zn den im Mittel in Achsenrichtung fliegenden Tröpfchen hinzu. Die Energie bzw. der Impuls, der sich den fliegenden Öltröpfchen von dem Zerstäu-

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htingemedium mitteilt, iut duher von der Helütivgeschwindigkei t zwischen Ol tröpfchen und Zerstäubungemedium ubhängig. Da gemitLelt. angenommen werden kann, duß alle öltröpfchen sieh in Achsenrichtung bewegen, ist offensichtlich die UbI etivgeschwindigkeit zu dieser Acheenrichtung die Bezugngröße, wenn die Wechselwirkung zwischen Zerutäuhungnmediuia und den öltröpfchen größenmüßig abzuschätzen ist. Hei dieser Betrachtung kann vernachlässigt werden, daß auch bei. Fehlen eines Zerstäubungsmediuus die öltröpfchen nicht nur an der Zerstäubungsdüse zerstäubt werden, sondern auch bei ihrem Durchflug durch die "stillstehende" Atmosphäre der Mischkammer zerteilt werden. Immerhin liegt die Geschwindigkeit beim Ablösen von uer Düse bei den Tröpfchen etwa zwischen 40 bis 60 m/sek. (Kämper, a.a.O.).

Auf die sich in Bewegung befindlichen Tröpfchen wirkt dus Zerstaubungsmedium ein. Dabei wirken deformierende Kräfte auf die Tropfenoberfläche, denen die inneren Kohäuionskräfto der Flüssigkeit entgegenwirken. Ist die hierdurch ausgelöste Oberflächenspannung geringer ale der äußere Druck, so wird der Tropfen bis zur Teilung deformiei Mit der Verkleinerung wäclut die Oberflächenspannung. Die neugebildeten Tröpfchen runden sich; bei ausreichender Energie kann es zu einer weiteren Teilung kommen.

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Grundsätzlich lassen sich mit jedem Düsenzerstäubungssystem eine grobe bis feine Vernebelung der flüssigen Brennstoffe durch Veränderung des Eingangsdruckes verwirklichen. Jedoch erfordert eine primäre Zerstäubung, die zu sehr kleinen Tröpfchen führen soll, eine hohe Energie beim Eindrücken des Brennstoffes. Es ist daher wirtschaftlicher, zur weiteren Vernebelung eine sekundäre Zerstäubung vorzusehen.

Allerdings war bisher die sekundäre Zerstäubung nur unter dem Gesichtspunkt betrachtet worden, eine Zerkleinerung der Tröpfchen um etwa eine Gr Anordnung zu erreichen. Bei dem eingangs genaunten Brenner gelang dies bei Verwendung von Heizöl EL mit einer primären Zerstäubung der Tröpfchen zu etwa 50 /um großen Tröpfchen. Bei optimal eingestellten Bedingungen der sekundären Zerstäubung konnte die Tröpfchengröße in Mittel bis auf 5/Um verkleinert werden. Hierzu war es jedoch erforderlich, daß das Zerstäubungsmedium unter kritischem Druck, d.h. mit spezifischer Schallgeschwindigkeit, durch die seitlichen Zerstäubungsdüsen eingedrückt wurde. Der hohe Druck erforderte relativ kostspielige Gebläse und eine hohe Energie, die der Wirtschaftlichkeit des bekannten Verbrennungsverfahrens Abbruch taten.

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Bei der erwünschten stöchiometrischen Verbrennung, die bei Verwendung des bekannten Brenners auch unter verschiedenen Lastbereichen möglich war, konnten der Sauerstoffgehalt und die Rußzahl auf ein bisher bei handelsüblichen Brennern nicht gekanntes Minimum herabgedrückt werden. Diese Ergebnisse sollen auch bei Anwendung des neuen Brennverfahrens erzielt werden, wobei jedoch die Wirtschaftlichkeit gesteigert und der Regelbereich erweitert werden sollen.

Es stellt sich demnach die Aufgabe, ein Verfahren für die Regelung einer vorzugsweise «töchiometrischen (evtl. unterstöchiometrischen) Verbrennung anzugeben, bei dem der zur Verbrennung gelangende ölnebel bei verschiedenen Betriebsbedingungen ei.ien solchen mittleren Tropfchtjndurchmesser erhält, so daß ein rußfreies und praktisch sauerstoffreies bzw. reduzierendes Verbrennungsgas erzeugt wird.

Diese Aufgabe wird gelöst bei einem Verfahren gemäß Erfindung, bei dem die mittlere Relativgeschwindigkeit der eingeführten, als Zerstäubungsmedium wirkenden Verbrennungsluft gegenüber dem im Strahl geführten Brennstoff entsprechend dem Düseneingangsdruck verändert wird.

Vorzugsweise wird selbstverständlich die gesamte Verbrennungsluft als Zerstäubungsmedium eingesetzt, um deren Energiegehalt möglichst vollständig zu nutzen. Damit läßt sich auch erreichen, daß nur ein relativ

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geringer Luftdruck für die einströmende Verbrennungsluft eingehalten werden muß. Als weiterer, bedeutender Vorteil ist anzusehen, daß die Brennstoffteilchen mit der Luft völlig homogen durchmischt sind und damit eine sehr kurze Ausbrennzeit erreicht wird,

Wie die zitierte Gleichung (I) für den SMD klar ausweist, hangt die Tröpfchengröße vom Einpnngsdruck bzw. Durchsatz ab. Die IK gulierung der Wärmeabgabe des Brenners erfordert es aber, daß größere oder kleinere Durchsatzmengen an Brennstoff eingesprüht werden, wobei die Regelung über den Öldruck bzw. die Änderung des Leitungsquerschnittes erfolgt. Dabei galt es bisher als hinzunehmende Tatsache, daß bei Unterschreitung eines bestimmten Druckes eine stöchiometrische Verbrennung unmöglich war, weil das zugefiihrte Zerstäubungsmedium einen Luftüberschuß

zur

Folge hatte. Deshalb wurden die bisher üblichen zweistufigen Brenner im wesentlichen nur mit Vollast gefahren.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es nun, über weite Lastbereiche stöchiometrisch eine Verbrennung durchzuführen. Dabei ist erstaunlich, daß gerade im unteren Lastbereich und selbst bei einem

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von der Düae erzeugtem kontinuierlichen Brennstoffstrahl eine stöchiometridche Verbrennung gewährleistet werden kann.

Das Verfahren gemäß Erfindung beruht dabei auf dem Grundgedanken, daß die anfängliche TrO₁ iChengröße verkleinert und daß die hierfür aufzubringende Energie von dem in der zweiten Stufe zugeführten Zerstäubungsmedium aufgebracht werden muß. Da Jedoch bei einer stöchiometrischen Verbrennung das Verhältnis zwischen zugeführter Brennstoff- und Luftmenge einer genauen Proportionalität unterliegt, war von der Erfindung die Aufgabe zu lösen, unter Beachtung dieser Proportionalität den Tröpfchendurchmesser zu verkleinern.

Es wird gemäß Erfindung vorgeschlagen, insbesondere Jie Geschwindigkeit der Verbrennungsluft durch die Veränderung der Fläche des Eintrittsquerschnittes der Luft in die Mischkammer zu steuern. Dabei kann auf der einen Seite der Luftdruck bei der Zuführung der Verbrennungsluft relativ niedrig sein, was einfach ausgelegte Gebläse verwendbar macht. Auf der anderen Seite kann ein Ölzufuhr-Regelventil mit einer die Zuführungsfläche verändernden Vorrichtung mechanisch gekoppelt werden. Der Luftdruck kann überraschend gering sein, jedenfalls weit unter-

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halb des kritischen Druckes Hegen, ζ. B. bei Werten von 0,1 bar.

Dabei bietet sich an, die relative Geschwindigkeit über den gesamten Umfang der Brennkammer pjleich zu machen; das bedeutet, daß die Zuführung der Luft in die Mischzone rotationssymmetrisch verttüi, und um die Achse des BrennstoffStrahles erfolgt. Weiterhin ist möglich, daß die der Mischzone zugeführte Luft bei Eintritt in die Mischzone in einem Winkel von 10 bis 60° in Abweichung von der Norronleprichtung, jedoch etwa senkrecht zur Brennstoffstrahlachse eingesprüht wird. Diese Einsprühung wird allgemein als die tangentiale bezeichnet. Auch ist möglich, die Luft schräg zur Strahlachse einzuleiten. Der mittlere, bei Austritt aus der Zerstäubungsdüse zu messende Tröpfchendurchmesser (SMD) liegt im allgemeinen zwischen 50 und 200 /um, und die Rel^tivgeschwindigkeit ν des Luftstromes in Bezug auf die Brennstoffstrahlachse liegt zwischen 4o und 25o m/sek. Dabei ist diese Geschwindigkeit nicht direkt gemessen worden, sondern auf Grund von Messungen der Größen Q und A aus der nachfolgenden Gleichung (2) ermittelt worden.

ν --S. ₍₂₎

v: Geschwindigkeit;

Q: Menge on Luft in der Zeiteinheit; A: Querschnittsfläche.

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Diese Geschwindigkeitswerte gewährleisten, daß der Tröpfchendurchmesser unter einen Wert von IO ,um absinkt und damit eine "blaue Flamme" bei stöchiometrischer Verbrennung erzeugen läßt. Wie bereits erwähnt, ist eine stöchiometrische Verbrennung nicht nur bei blauer Flamme gegeben, sondern auch bei Flammen mit gelben Farbanteilen, insbesondere dann, wenn hochviskose oder aschereiche Brennstoffe verbrannt werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es sogar möglich, daß ein kompakter Brennstoffstrahl (Tröpfchengröße theoretisch unendlich) durch die Zerstäubungsluft soweit zerschlagen wird, daß noch eine den eingangs genannten Bedingungen genügende Verbrennung in der Verbrennungszone erfolgt. Hierbei liegt die Geschwindigkeit gemäß obiger Definition bei V» 180 - 250 m/sek.

Zur Durchführung des Verfahrens wird eine Brenneranordnung vorgeschlagen, die mit einer Zerstäubungsdüse ausgestattet ist, der ein von einem Mantel umschlossener Kanal als Mischzone nachgeordnet ist, in den der Brennstoffstrahl eingesprüht wird; die Brenneranordnung besitzt weiterhin wenigstens eine in den Mantel eingearbeitete Öffnung, durch die die Verbrennungsluft von der Seite des Strahles her dem

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Kanal zuführbar ist. Gemäß der Erfindung ist die öffnung bzw. sind die öffnungen zur Zuführung der Verbrennungsluft in Abstand von der Mündung der Sprühdüse stromabwärts angeordnet und in ihrem Öffnungsdurchschnitt veränderbar. Es hat sich erwiesen, daß diese Anordnung in einem Regelschema relativ einfach zu verwenden ist.

Die Mischzone bzw. der Kanal können oo ausgeführt sein, daß von der Mündung der Brennstoffdüse bij zum übergang in die Verbrennungszone der Querschnitt überall gleich ist. Vorzugsweise ist dabei der Kanal als Zylinder ausgeformt.

Mechanisch läßt sich die Veränderung des Luftzuführungsquerschnittes dadurch in einfacher Weise verwirklichen, daß der den Kanal umschließende Mantel auf der von der Mischzone abgewandten Seite mit einem LuftZuführungskanal verbunden ist, und daÄ mit Steuerungsvorrichtungen an d.-τ Außenseite des Mantels der Querschnitt der öfinungen im Mantel veränderbar ist. Insbesondere kann eine Schiebehülse auf der Innenseite des Mantels angebracht sein, die eine öffnung bzw. öffnungen mit wechselnden Durchlaßquerschnitt bedeckt. Diese

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Schiebehülse ist vorzugsweise von außen zu betätigen. Weiterhin ist möglich, daß eine an ihrer Spitze mit ucr Brennstoffdüse versehene Lanze axial verschieblich in der Brennerachse angeordnet ist und daß das Vorderteil der Lanze als Schiebehülse in den Kanal hineinragt. Es wurde angedeutet, daß eine einzige Öffnung als Zuführöffnung für die Zerstäubungsluft dienen kann. Es ist jedoch auch - vorzugsweise möglich, daß über Umfang und Länge des Mantels verteilte einzelne Bohrungen oder Scnlitze als öffnungen vorgesehen sind.

In Abweichung von der bereits genannten Ausführungsform kann es sich für bestimmte Betriebsbedingungen auch empfehlen, daß der Kanal in Achsenrichtun_bt von der Verbrennungszone her gesehen, zunächst eine zylindrische Kammer mit einem kleineren, anschliessend eine Kammer mit einem größeren Durchm« ..er aufweist und daß in den Wandungen beider Kämmten öffnungen münden. Bei letztgenannter Ausführungeform ist möglich, daß die kleinere Kammer direkt in die Lanze eingebaut ist.

Weitere, in den Unteransprüchen erwähnte Ausführungeformen werden in der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnung erläutert.

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Vorgeschlagen wird dabei insbesondere, die Brenneranordnung so zu steuern, daß die Vorrichtung zur Steuerung des Luftzuführungsquerschnittes mit einer die Züfiihrungsmenge des Brennstoffes einstellenden Vorrichtung (Ventil) gekoppelt ist.

Schließlich ist möglich, die Brenneranordnung so abzuwandeln, daß sie auch zur Verbrennung von Heizgas verwendet werden kann. Hierzu wird vorgeschlagen, daß unter Umgehen der Zerstäuberdüse ein weiterer Kanal in die Mischzone einmündet, der mit einer Gaszuführung verbunden ist und dessen Querschnitt für die Aufnahme von zu verbrennenden Gasen bemessen ist.

Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie von möglichen Ausführungsformen der Vorrichtung gemäß Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt:

Figur 1 zeigt ein Schema zur Steuerung einer Brenneranordnung unter Ausnutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Figur 2 zeigt ein Diagramm, bei dem für eine bestimmte Düse auf der Abszisse verschiedene, voneinander abhängende Parameter aufgetragen sind (Zerstäubungsdruck; öldurchsatz pro Stunde; Luftbedarf); auf der Ordinate ist die Tröpfchengröße in Mikrometer aufgetragen.

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Figur 3 zeigt einen Brenner iu einer ersten Ausführungsform;

Figuren 4a, b zeigen Stellungen des Brennstoff-

Steuerungssystems gemäß der Ausführungsform der Figur 3;

Figur 5 zeigt einen Querschnitt durch den Mischkammerkanal einschließlich Zuführungsbohrungen mit einer Steuerung;

Figur 6 zeigt einen Querschnitt in Achsenrichtung mit einer weiteren Steuerung;

Figuren 7 ktii Hb zeigen Querschnitte in Achsenrichtung mit weiteren Steuerungsmöglichkeiten;

Figur 12 zeigt eine weitere Ausführungsfora eines Zweistoff-Brenners.

Figur 1 gibt ein Regelschema wieder, bei dem im Mittelpunkt eine Brenneranordnung 101 steht, mit der vorzugsweise flüssige Brennstoffe verbrannt werden. Ein Brennstoffstrahl wird mit Hilfe einer Düse 4 zerstäubt und mit einer dem Düseneingangsdruck entsprechenden Tröpfchengröße bzw. Brennstoffmenge pro Zeiteinheit in eine Mischzone 7 eingesprüht. Von der Seite des BrennstoffStrahles her wird die Verbrennungsluft als Zerstäubungsmedium eingeführt, deren Strömung nach Durchsatz und Geschwindigkeit steuerbar ist. Die Luft wird zunächst aus der Atmosphäre durch ein Luftfilter 102 durch ein Gebläse 103 mit Motor 104 angesaugt und über

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eine Leitung 105 einem I.uftführungskanal 106 zugeführt. Von hier aus gelangt die Luft durch Cffangen 10 in die genannte Mischzone 7- Zur Steuerung und Überwachung der Luftzuführung 3ind ein Manometer (P) 10? und ein Druckschalter (P,S) 106· vorgesehen.

l>er Brenneranordnung IuI wird der Brennstoff über ein Absperrventil 110, ölfilter 111, ölpumpe 112 über di Leitung 113 zugeführt. Zur Überwachung der Leitung dient ein Manometer (P) 114. Wichtiges Element der Steuerung ist ein Regelventil 115» das mechanisch über eine Hebelstange 116 mit einem Hebel 117 mit einer beweglichen Lanze 118 verbunden ist, die an ihrer Spitze die Brennstoffdüse 4 trägt. Die ^nze 118 ist innerhalb eines sie umgebenden Stutzens 6 verschiebbar angeordnet, und zwar so, daß die Spitze der La. ze je nach Stellung innerhalb des Mantels öffnungj*»10 mehr oder weniger weit bedeckt. Durch diese Querschnittsveränderung der öffnungywird die Menge bzw. Geschwindigkeit der in die Mischkammer eintretenden Verbrennuiigs-Zerstäubungsluft geändert. Die Veränderung erfolgt proportional der durch das Ventil 115 gesteuerten Zuführung der Brennstoffmenge.

Als Brennstoff eignen sich vorzugsweise wegen ihrer Reinheit leichte Heizöle. Es ist jedoch ohne weit.or...

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möglich, insbesondere bei Verwendung einer ölvorwürmung, auch schwerere Heizölqualitäten einzusetzen.

In der Mischkammer erfolgt eine weitere Zerschlagung der öltröpfchen. Anschließend tritt das entstandene Brennstoff-Luft-Gemisch in eine Verbrennungskammer 120 ein, in der die eigentliche Verbrennung erfolgt. Die Zündung besorgt ein Zündbrenner mit ^ündelek-1rode 122. Zur überwachung dient ein UV-Detektor 121. Bei Aussetzen der Verbrennung wird über eine Steuerleitung 123 ein Magnetventil 124 geschaltet, das die Brennstoffzufuhr unterbricht.

Die Funktion der Steuerung ist demnach wie folgt: Diο Leistung bzw. die Wärmeabgabe der Brenneranordnung wird gesteuert durch die Zufuhr der jeweils benötigten Brennstoffmenge (Hegelventil 115)· Mit der Regelung des Ventils 115 wird die Bewegung der Lanze 118 gesteuert, welche die öffnungen 10 verkleinert bzw. vergrößert. Dabei ist die Größe der Cffnungen 10 jeweils so bemessen, daß jedenfalls eine genau dosierte Zuführung der Verbrennungsluft erfolgt. Die Menge der Verbrennungsluft ist jeweils proportional der zuströmenden ölmenge bemessen. Die Geschwindigkeit der zugeführten Verbrennungsluft hängt von der Querschnittsfläche der öffnungen 10 ab. Der Druck vor der Verbrennungsdüse 4 und die Geschwindigkeit der zugeführten

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Zerstäubungs- und Verbrennungsluft stehen in einem umgekehrt proportionalen Zusammenhang. Neben der Regelung des ölstromes im Zustrom können auch Sprühdüsen eingesetzt werden, bei denen eine Regelung im Rückstrom erfolgt. Derartige Düsen sind an sich bekannt; das Erfindungsprinzip bleibt auch bei Benutzung dieser Düsen gewahrt.

Das Diagramm der Figur 2 zeigt die Zusammenhänge zwischen den wichtigsten Größen. Auf der Abszisse ist aufgetragen, welcher Zerstäubungsdruck ρ t iem bestimmten öldurchsatz entspricht. Weiter ist der erforderliche Luftbedarf an Verbrennungsluft aufgetragen. Diesem Verhältnis liegen bestimmte Düsenabmessungen zugrunde. Die Meßwerte des Diagramms sind an einer handelsüblichen Düse des Typs Spraymaster, Art.-Nr. 113, Nr. 80 (Hersteller Fuelmaster, Den Haag, Niederlande) gewonnen worden. Auf der Ordinate ist die Tröpfchengröße (SMD) in einer Kurve 1 aufgetragen, die gemäß der Formel von SAUTER (1) berechnet ist. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß zu kleineren Drücken hin und entsprechend geringeren Durchsätzen die Tröpfchengröße immer mehr ansteigt, bis sie schließlich "unendlich" groß ist, was einem durchgehenden, ununterbrochenen Strahl entspricht. Diese Verhältnisse treten zunächst unter der Voraussetzung ein, daß keine seitlich eintretende Zerstäubungsluft vorhanden ist. Durch entsprechende Steuerung der Zutrittsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft, die rechnerisch bei Werten etwa zwischen 40 m/sek und 200 m/sek liegt, läßt sich aufgrund des Impulses der auf die öltröpfchen auftreffenden Zerstäubungsluft eine weitere Zerkleinerung der öltröpchen erreichen, wobei die Kurve 2 zugrundezulegen ist. Im

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allgemeinen wird angestrebt, daß die Tröpfchengröße unterhalb von IO /um eingestellt ist, um weitgehende Blaufärbung der Flaume und stöchiometrische oder reduzierende Verbrennung zu erreichen. Je kleiner der Tröpfchendurchmesser im Mittel ist, der aus der Düse austritt (Kurve I)₉ umso geringer ist die benötigte Geschwindigkeit der zugeführten Verbrennungsluft. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Menge der Verbrennungsluft bei entsprechend höherem Gldurchsatz wesentlich vergrößert ist.

Zusammengefaßt läßt sich dem Diagramm gemäß Figur 2 daher entnehmen, daß es erforderlich ist, empirisch zu bestimmen, welche Luftgeschwindigkeiten bei Eintritt in die Verbr nungskammer erzielt werden, um die Tröpfchengröße wirksam zu verkleinern. Auf jeden Fall ist es nicht möglich, eine blaue Flamme bzw. wirkungsvolle, stöchiometrische Verbrennung mit Tröpfchen zu erzielen, die im Mittel größer sind als 50 /um.Dabei kann die Zerkleinerung der Tröpfchen durch Zerstäubungsluft erreicht werden, die nicht unter sogenannten kritischen Druckverhältnissen zugeführt wird, sondern die beispielsweise bei einem Druck νοη^,Ι bar oder weniger zugeführt wird.

In der Figur 3 ist ein Querschnitt durch eine Brenneranordnung gezeigt, wie sie beispielsweise bei dem in Figur 1 dargestellten Hegelschema verwendet wer-

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den kann. Die Brenneranordnung weist ein Gehäuse 1 auf, das außen zylindrisch geformt ist und mehrere, konzentrisch zueinander angeordnete Teile besitzt. Das Gehäuse 1 umgibt von außen nach innen gesehen zunächst einen zylinderförmigen Luftkanal 16, dem über die Leitung 105 Luft unter einem Druck von ca. 0,1 bar zugeführt wird. Konzentrisch im Inneren des Luftkanals ist beweglich die Lanze 118 mit der Brennstoffdüse 4 angeordnet. Die Lanze ragt mit ihrer Mündung 5 in einen Stutzen 6 hinein, der ebenfalls zylindrische Form hat und dessen Mantel durch zwei Arten von öffnungen 10, 11 unterbrochen ist:

a) verhältnismäßig große, etwa über 2/3 der lunge des Stutzens reichende Schlitze 10,

b) demgegenüber wesentlich kleinere Bohrungen oder Schlitze 11, welche innerhalb einer vor der Düsenöffnung befindlichen Kammer 7' münden.

Der Stutzen 6 wiederum ist verbunden mit einem Abschlußteil 21, das mit einer konisch geformten öffnung 22 sich in Richtung eines Brennerrohrs 23 öffnet. Das Abschlußteil 21 ist vorzugsweise Teil einer Wandung eines Kessels oder dergleichen.

Die Lanze 118 ist langgestreckt und zentrisch mit einer Leitung 125 ausgestattet. Die Lanze ragt mit ihrem hinteren Ende aus dem Gehäuse 1 heraus und ist dort mit zwei Anschlüssen versehen, nämlich einem Ölleitungsanschluß 41 und einem Gasanschluß

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Ferner weist die Lanze, die innerhalb des Gehäuses 1 verschiebbar angeordnet ist, an ihrer Außenseite einen Gewindekörper 4 3 auf, der mit einer p^ewendelten Nutführung ^|4" vorsehen ist. Durch Verdrehung eines Hebels 117 mit der drehbaren Büchse ]]7' wird die Lanze aus dem Gehäuse 6 heraus- und hineingezogen. Die Stirnwand 117'' liegt dabei die Büchse|ill7' in Achsenrichtung fest.

Vorzugsweise wird dem Inneren der Lanze (Leitung 125) ein flüssiger Brennstoff zugeführt. Die Brennstoffleitung endet vor der Zerstäuberdüse 4, die mit einer Ventilnadel ausgestattet ist. Andere, an sich bekannte Zerstäuberdüsen, auch solche mit Rücklaufkontrolle, können gegen die dargestellte ausgewechselt werden, so daß Einzelheiten der Düse nicht beschrieben zu werden brauchen. Aus der Mündung 5 der Düse 4 tritt das Cl, in mäßig feine Tröpfchen verteilt, als ülnebel in die Mischzone 7 ein.

Bei Verbrennung von Heizgas wird der Anschluß 41 gesperrt und das Gas über die Zuleitung 42 zugeführt. Die Luftzuführung erfolgt dabei wie bei der ölverbrennung, die im folgenden beschrieben wird.

Die Figuren 4a und b zeigen den vorderen Teil der Lanze innerhalb des Stutzens 6 in verschiedenen Stellungen. Die Mischzone, in der die Verbrennungs-

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luft auf das öl trifft, kann mit der Stellung der Lanze verändert werden. In dem Vorderteil der Lanze ist der kleinere Teil der Mischzone als Mischkammer 7' fest eingebettet und wird über die öffnungen 11 ständig mit Verbrennungsluft beaufschlagt. Durch Bewegung der Lanze 118 aus dem Stutzen heraus wird jedoch eine wesentlich größere Mischkammer 7¹' geschaffen, die dann durch die freigelegten Schlitze 10 innerhalb des Stutzens 6 mit einer entsprechend größeren Menge an Verbrennungsluft beaufschlagt wird. Die seitlich zugeführte Verbrennungsluft ist zwar bei Stellung gemäß Figur 4b wesentlich größer als gemäß Figur 4a; jedoch ist die Geschwindigkeit der Verbrennungsluft auch geringer, so daß die Tröpfchengrößen, die aus der Düse treten, nicht mehr um so vieles weiter zerkleinert werden, wie dies bei der Stellung gemäß Figur 4a der Fall ist. Hier trifft die Verbrennungsluft in einem relativ kleinen Volumen unter hoher Geschwindigkeit auf Tröpfchen, die infolge des geringeren Druckes ρ in der Leitung 125 relativ groß bemessen sind. Ja, es ist sogar möglich, mit Hilfe der Verbrennungsluft einen durchgehenden Strahl soweit zu zerschlagen, daß er in der anschließenden Brennkammer stöchiometrisch verbrannt wird. Durch die gestrichelten Pfeile bzw. durch den gestrichelt angedeuteten Kegel sind die Luftwege bzw. der Brennstoffnebel dargestellt.

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Figur 4a zeigt demnach die Stellung bei kleinem und Figur 4b die Stellung bei großem Wärmebedarf. Die Geschwindigkeit der Luft, die bei Stellung gemäß Figur 4a großer ist als gemäß Figur 4b, resultiert aus mehreren, zusammenwirkenden Faktoren. Unter diesen seien genannt: der Gegendruck in der Mischkammer, beruhend auf dem eingedrückten ölnebel und der sich stauenden Luft, läßt nach bei geringerer Last. Bei üblichen Ventilatoren steigt der Lieferdruck an,wenn die geförderte Luftmenge sich verringert.

Bei der in der Figur 3 und 4a/b dargestellten Ausführungsform erfolgt die Steuerung der Luftzufuhr durch Verschieben der Lanze 118, die die Luftzuführungsöffnungen 10, 11 mehr oder weniger abdeckt. Lie Offnungen können sowohl Bohrungen als auch längliche Sculitze sein. Sie verteilen sich über den Umfang des Stutzens vorzugsweise in rotationssymmetrischer Anordnung.

Die weiteren Figuren zeigen andere Ausführungsformen, bei denen das Prinzip der Steuerung der Luftzuführung abgewandelt ist.

Figur 5 zeigt einen Querschnitt durch eine Konstruktion, bei der ein Stutzen 6 der Mischkammer 7 mit Bohrungen 12 versehen ist. Der Stutzen ist von außen von einer drehbaren Hülse 13 umgeben, die weitere Bohrungen 13'. aufweist, die in dem Luftkanal 16 münden. Durch eine Drehung der Hülse 13 gegenüber dem Stutzen 6' läßt sich der Zuleitungsquerschnitt verändern und damit die entsprechende Luftzuführungsregulierung erreichen. Dabei liegt die Lanze mit der Brennstoffdüse gegenüber dem Gehäuse fest. Ihre Stellung entspricht in etwa der bei Figufc 4b.

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Figur 6 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die Mischzone 7 von einer mit dem Abschlußteil verbundenen Hülse 53 mit drehbarer Innenbuchse verbunden ist. Die Innenbuchse 50 ist mit Bohrungen51 versehen, die bei Koinzidenz mit entsprechenden Bohrungen 52 der festliegenden äußeren Hülse 53 einen maximalen Luftdurchla (^ ergeben; bei Verdrehung der Buchse 51 gegenüber dem äußeren Teil werden die Bohrungen immer mehr zugestellt, so daß schließlich die Luftzuführung auf ein Minimum herabgedrückt ist. Die Verdrehung der Buchse erfolgt gemäß dem Prinzip der Erfindung über einen Stelltrieb 60, der über ein Zahnrad die Buchse 50 verdrehbar macht. Hierdurch läßt sich innerhalb der Mischkammer 7 eine variierte Beeinflussungsmöglichkeit des aus der Düse 4 kommenden Brennstoffstrahles durch die Verbrennungsluft erreichen.

Figur 7 zeigt eine mithilfe des Stelltrietp60 verdrehbare Innenbüchse 50', die mit dreieckförmigen Schlitzen 55 verseben ist. Die Außenhülse 53 ist dagegen mit ia Querschnitt rechteckigen Schlitzen 52' versehen. Wenn die Innenbuchse 50' verdreht wird, öffnet eich der koinzidierende Querschnitt durch fortschreitende Uberdeckung der Schlitze 52' und 55 immer mehr.

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Iu Umkehrung des Prinzipes der verschiebbaren Lanze gemäß Figur 3 stellt Figur 8 die konstruktive Möglichkeit dar, bei festliegendem Stutzen mit Schlitzen 52 im Bereich der Wand der Mischkammer 7 eine verschiebbare Innenbuchse 50'' vorzusehen, die mit mehreren, in ihrem Querschnitt unterschiedlichen Sohlitzen 55' versehen ist. Bei Verschieben der Buchse 50'' mit Hilfe eines Gestänges 61 können die Schlitze 52 variabel freigelegt und dadurch die Luftzufuhr gesteuert werden.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 9 ist eine verschiebbare Innenbuchse 56 innerhalb eines festliegenden äußeren Stutzens 6 mit Bohrungen 5^ dargestellt, die mit dreieckförmigen Schlitzen 57 versehen ist, die bei Vc schieben der Innenbuchse mit Hilfe eines Gestänges 61 zum Luftkanal führende Bohrungen 5^ mehr oder weniger freigegeben und dadurch die Luftzuführung veränderbar macht.

Figur 10 zeigt dagegen die Möglichkeit, mit einer verschiebbaren Lanze 118 eine Innenbuchse zu schaffen, die innerhalb des Stutzens verschiebbar und mit im Querschnitt verschiedenen Bohrungen 64 versehen ist. Die Schlitze des Stutzens werden bei Zurückziehen der Lanze nach und nach freigegeben. Hierbei entsteht eine mehrfach gestufte Mischkammer 7> 7'» 7'¹·

In der Figur 11a und 11 b ist analog zu Figur 10 die Möglichkeit vorgesehen, die Lanze 118 verschiebbar

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OFUGINAL INSPECTED

zu machen. Jedoch ist der Stutzen auf seiner Länge nicht mit mehreren Bohrungsreihen versehen, sondern mit länglich geformten Schlitzen (Figur lib) durchbrochen. Als Ausfuhrungsbeispiele bieten sich fast rechteckige Schlitze 70', spitz zulaufende Schlitze 71', dreiefckförmige zulaufende Schlitze 72 und weitere Formen an.

Figur 12 schließlich gibt ein weiteres Ausführungsbeispiel wieder, bei der besonderer Wert auf die duale (Gas-Öl) Anwendungsmoglichkeit des Brenners gelegt ist. Wie bereits erläutert, läßt sich das Prinzip der Brennertechnologie auch anwenden auf sogenannte Zweistoff-Brenner. Hierbei ist es erforderlich, daß die Lanze mit einer Gaszufuhr verbunden ist. Um eine optimale Gasverbrennung zu erreichen, wird vorgeschlagen, im Bereich der Düse Umgehungskanäle 42' vorzusehen, die innerhalb der Mischkammer 7 unter Umgehung der Düse 4 münden. Die Regelung der Gaszufuhr erfolgt durch eine drehbare Lochscheibe 41, die den Kanal 42' durch Verdrehen der Bohrung 41' nach und nach freigibt. Die Lochscheibe 41 ist mit einer drehbaren Außenhülse 18 gekoppelt, die bei öHverbrennungs-Betrieb die Luftzufuhr steuert und mit einem Stellmotor 26 verbunden ist.

Die Mischkammer 7 ist im Schnitt kegelförmig mit einem öffnungswinkel von etwa 30° gestaltet. Die Gaszufuhrkanäle 42' münden seitlich in den Kegel-

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mänteln, während die Brennstoffdüse 4 in der Kegelspitze angeordnet ist. Eine verdrehbare Außenhülse 18 mit Schlitz sorgt für eine Querschnittsveränderung der Luftzuführung durch den Stutzen 6, der ebenfalls mit Bohrungen 11 versehen ist. Die drehbare Hülse 18 ist mit einer an der Hülse außen angebrachten Verzahnung 19 versehen, mit der ein Zahnrad 24 kämmt. Über eine Welle 25 ist das Zahnrad 24 mit einem Stellmotor 26 verbunden. Der Stellmotor empfängt seine Signale beispielsweise von einer zentralen Steuereinheit (nicht dargestellt), die sowohl die Öl- als auch die Luftzufuhr steuert. Es ist auch möglich, einen Regelkreis vorzusehen, der entsprechend dem Wärmebedarf bzw. der gemessenen Mischung oder der Eigenschaften der Verbrennungsgase die ölzufuhr bzw. die Luftzufuhr steuert, so daß immer optimale und gewünschte Verbrennungsdaten gegeben sind.

Die Abmessungen des Brenners und der Brenneranordnung können sich in weiteren Bereichen bewegen, üblicherweise werden sie an die an sich bekannten und im freien Handel erhältlichen Zerstäuberdüsen angepaßt.

Bei Versuchen hat sich herausgestellt, daß bei Verwendung der Ausführungsform gemäß Figur 1 der Benutzer in der Lage ist, das zerstäubte Ol bei einem

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Luftunterschuß bei etwa 70 % des stöchiometrischen Bedarfs rußfrei und stetig zu verbrennen. Darüberhinaus ist möglich, einen großen Regelbereich für die Luftzufuhr vorzusehen, der sich an den jeweils stündlich verbrauchten Brennstoffmengen orientiert. Da der Luftdruck im Luftkanal nur gering bemessen ist, sind nur entsprechend gering ausgelegte Ventilator-Gebläse notwendig. Kostspielige Druckgebläse brauchen nicht eingebaut zu werden. Die durch die Bohrungen 10, 11 einströmende Luft ist trotz des rfcj/ativ geringen Impulses in der Lage, eine weitere Zerschlagung der öltröpfchen zu bewirken.

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Claims

Patentansprüche ;

Verfahren zur Regelung einer im wesentlichen stouhiometrischen Verbrennung von flüssigen Brennstoffen in einer Brenneranordnung, in der ein Brennstoffstrahl ■it Hilfe einer Düse (z.B. Injektions-, Druck-, Rotationszerstäuberdüse) erzeugt und mit einer dem vorzugsweise regelbaren Düseneingangsdruck entsprechenden Tröpfchengröße bzw. Brennstoffmenge pro Zeiteinheit in eine Mischzone eingespeist wird, der von der Seite der Brennstoffstrahlachse her wenigstens ein Teil der Verbrennungsluft als Zerstäubungsaedium zugeführt wird, deren Strömung nach Durchsatz und Geschwindigkeit steuerbar ist, sowie ■it nachfolgender Verbrennung des Brennstoff-Luft-Gemisches in einer an die Mischzone anschließenden Verbrennungszone, dadurch gekennzeichnet« dafi die mittlere Relativgeschwindigkeit der eingeführten, als Zerstäubungsmedium wirkenden Verbrennungsluft gegenüber dem im Strahl geführten Brennstoff entsprechend im Düseneingangsdruck verändert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dafi die Geschwindigkeit der Verbrennungsluft steuerbar ist durch die Veränderung der Pläche des Eintrittequerschnittes der Luft in die Mischkammer.

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3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsquerschnittsfläche proportional einer Kennlinie der zugeführten Brennstoffmenge pro Zeiteinheit verändert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung der Luft in die Mischzonc rotationssymmetrisch verteilt um die Achse des Brennstoffstrahles erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die der Mischzone zugeführte Luft bei Eintritt in die Mischzone in einem Winkel von 10 bis 60 in Abweichung von der normalen Richtung, jedoch etwa senkrecht zur Brennstoffstrahlachse, eingesprüht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere, bei Austritt aus der Zerstäubungsdüse zu messende Tröpfchendurchmesser (SMD) zwischen 50 und 200 #um und die Relativgeschwindigkeit des Luftstromes in Bezug auf die Brennstoffstrahlachse zwischen 40 und 250 m/sec beträgt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem durchgehenden Brennstoffstrahl die Luftgeschwindigkeit zur Zerschlagung etwa 180 bis 250 m/sec beträgt.

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8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischzone (7) wenigstens zwei Bereiche (7'» 7¹¹) mit unterschiedlichen Querschnitten aufweist.

9. Brenneranordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Zerstäubungsdüse, der ein von einem Mantel umschlossener Kanal als Mischzone nachgeordnet ist, in den der Brennstoffstrahl eingesprüht wird, und mit wenigstens einer in den Mantel eingearbeiteten Öffnung, durch die die Verbrennungsluft von der Seite des Strahles her dem Kanal zuführbar ist,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Öffnung bzw. die Öffnungen (10, 11) zur Zuführung der Verbrennungsluft im Abstand von der Mündung der Sprühdüse stromabwärts angeordnet und in ihrem Öffnungsquerschnitt veränderbar sind.

10. Brenneranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß über Umfang und Länge des Mantels verteilte einzelne Bohrungen oder Schlitze als Öffnungen vorgesehen sind.

11. Brenneranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal von der Brennstoffdüsenmündung (5) bis zum Übergang in die Verbrennungszone querschnittsgleich ist.

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12. Brenneranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß über den Umfang des Mantels verteilt in rotationssymmetrischen Anordnungen drei bis zwanzig, vorzugsweise zwölf, Bohrungen oder Schlitze verteilt sind.

13. Brenneranordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung bzw, die Bohrungen bezüglich ihrer Achsen tangential zu einem innerhalb des Verbrennungsraums angeordneten Kreis eingestellt sind.

14. Brenneranordnung nach Anspruch 11 bis 13» dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzuführung schräg zur Strahlachse erfolgt.

15· Brenneranordnung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, dab der den Kanal umschließende Mantel auf der von der Mischzone abgewandten Seite mit einem Luftzuführungskanel (16) verbunden ißt und daß mit verstellbaren Hülsen (18', 50, 50', 50'', 56, 118) die konzentrisch zu dem Mantel liegen, der Querschnitt der öffnungen im Mantel veränderbar ist.

16. Brenneranordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Innenseite des Mantels eine die öffnung bzw. die öffnungen mit wechselndem Durchlaßquerschnitt bedeckende, von außen zu betätigende Schiebehülse (50, 50', 50'.', 118) angebracht ist.

17. Brenneranordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine an ihrer Spitze mit der Düse

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versehene Lanze (118) axial verschieblich längs der Brennerachse angeordnet ist, und daß das Vorderteil der Lanze als Schiebehülse in die Mischzone (7) einschiebbar ist,

IB. Brenneranordnung nach Anspruch 9« dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal in Achsenrichtung, von der Verbrennungszone her gesehen, zunächst eine zylindrische Kammer (?'') mit einem größeren, anschliessend eine Kammer (7') mit einem kleineren Durchmesser aufweist, und daß in den Wandungen beider Kammern Offnungen münden.

19. Brenneranordnung nach Anspruch 1 und 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung der kleineren Kammer (7¹) zusammen mit der Lanze (118) verschiebbar ist.

20. Brenneranordnung nach Anspruch 9» gekennzeichnet durch eine Steuerungseinrichtung, bei der die Vorrichtung zur Steuerung des Luftzuführungsquerschnittes mit einem die Zuführungsmenge des Brennstoffes regelnden Ventil (115) verbunden ist.

21. Brenneranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprache, dadurch gekennzeichnet, daß unter Umgehen der Zerstäuberdüse ein weiterer Kanal (42*) in die

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Mischzone einmündet, der mit einer Gaszufuhrung verbunden ist und dessen Querschnitt für die Auf nahme von zu verbrennenden Gasen bemessen ist.

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