DE2729321C2 - Verfahren zur Verbrennung von flüssigem Brennstoff sowie Brennereinrichtung zurDurchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

SMD =

„0.397

(um)

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrennung worin bedeuten:

M Strömungszahl des Zerstäubers {Q/Ypj Q Durchsatz (kg/h)
ν Zerstäubungsdruck (kp/cm²)
(siehe HANSEN, Ölfeuerungen: Springer-Verlag, Berin 1970, S. 67).

Wie die zitierte Gleichung (1) für den SMD klar aufweist, hängt die Tröpfchengröße eines gegebenen Brennstoffes vom Eingangsdruck bzw. Durchsatz Q ab. Die Regulierung der Wärmeabgabe eines Brenners mit Druckzerstäubung erfordert es aber, daß größere oder kleinere Durchsatzmengen an Brennstoff eingesprüht werden, wobei die Regelung über den Brennstoffdruck bzw. die Änderung des Leitungsquerschnittes cfolgt.

* Bei Brennern mit Druckzerstäubung und zusätzlicher ;^:' Anwendung von Zerstäubungsluft galt es bisher als hinzunehmende Tatsache, daß bei Unterschreitung eines '■'■■ bestimmten Druckes eine stöchiometrische Verbrennung Y unmöglich war, weil die als Zerstäubungsmedium zuge- ; - führte Luftmenge einen Luftüberschuß eines Brennstoffji Luft-Gemisches zur Folge hatte. Deshalb konnte der '■'■: bekannte, mit von einem Mantel umschlossenen Kanal als Mischzone ausgestattete und mit zweistufiger Zerstäu-';t bung arbeitende Brenner gemäß DE-OS 23 20442 im ϊΐΐ wesentlichen nur mit Vollast gefahren werden.
■f; Es stellt sich damit die Aufgabe, ein Verfahren und eine ψ Brennereinrichtung der gattungsgemäßen Art anzugeben, iji mit denen über einen großen Regelbereich der Brennstoff fs mit Hilfe der als Zerstäubungsmedium dienenden Ver- £ brennungsluft in einen zur Verbrennung gelangenden p Nebel zerschlagen wird, dessen Tröpfchen einen derarti-[I gen mittleren Durchmesser haben, daß ein rußfreies und fe dabei praktisch sauerstofffreies Verbrennungsgas erzeug-H bar ist

fi Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens dadurch f-i gelöst, daß der Eingangsdruck des Brennstoffes und die j!f Geschwindigkeit der als Zerstäubungsmedium eingeführif ten Verbrennungsluft umgekehrt proportional zueinander i| steuerbar sind, wobei über einen weiten Regelbereich das U Verhältnis von Brennstoff- zu Luftmenge im wesentlichen $ gleich ist.

fi Bei Verwendung der gesamten Verbrennungsluft als § Zerstäubungsmedium ist deren Energiegehalt vollständig zu nutzen. Damit läßt sich auch erreichen, daß nur ein relativ 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. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, über weite Lastbereiche stöchiometrisch eine Verbrennung durchzuführen. Dabei ist erstaunlich, daß gerade im unteren Lastbereich und selbst bei einem erzeugten kontinuierlichen Strahl aus kompaktem Brennstoff eine stöchiometrische Verbrennung gewährleistet werden kann. Es ist also gleichgültig, ob viel oder wenig Luft bei der jeweiligen Last benötigt wird. Hierbei unterliegt das Verhältnis zwischen zugeführter Brennstoff- und Luftmenge immer einer genauen Proportionalität.

Vorteilhafterweise beträgt bei einem mittleren, an einem als Zerstäubungsdüse gestalteten Auslaß erzeugten Tröpfchendurchmesser von 50 bis 200 pm gemäß Anspruch 2 die Geschwindigkeit der als Zerstäubungsmedium eingeführten Verbrennungsluft zwischen 40 und 250 m/s. Diese Geschwindigkeit ergibt sich als Quotient des Durchsatzes geteilt durch die Querschnittsfläche, stellt also im Prinzip die Luftgeschwindigkeit bei Einführung in die Mischzone dar.

Die Geschwindigkeitswerte gewährleisten, daß der mittlere Tröpfchendurchmesser unter 10 pm verkleinert wird und damit eine »blaue Flamme« bei stöchiometrischer Verbrennung erzeugbar ist. Allerdings ist eine stöchiometrische Verbrennung nicht nur bei blauer Flamme gegeben, sondern auch bei Flammen mit gelben Farbanteilen, insbesondere dann, wenn hochviskose, aschereiche oder verunreinigte Brennstoffe verbrannt werden.

Mit dem Verfahren gemäß Anspruch 3 ist es sogar möglich, daß ein kompakter Brennstoffstrahl (Tröpfchengröße theoretisch unendlich) durch die Zerstäubungsluft so weit zerschlagen wird, daß noch eine den eingangs genannten Bedingungen genügende Verbrennung in der Verbrennungszone erfolgt. Hierbei liegt die Geschwindigkeit gemäß obiger Definition zwischen 180 und 250 m/s.

Vorrichtungsgemäß wird die gestellte Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 4 gelöst.

Die Geschwindigkeit der als Zerstäubungsmedium dienenden Verbrennungsluft bei der erfindungsgemäßen Brennereinrichtung ist durch die Veränderung der Fläche des Eintrittsquerschnittes der Luft zu steuern. Dabei kann

ίο auf der einen Seite der Luftdruck bei der Zuführung der Verbrennungsluft relativ niedrig sein, jedenfalls weit unterhalb des kritischen Druckes liegen, was einfach ausgelegte Gebläse verwendbar macht Dabei bietet sich an, die Geschwindigkeit über den gesamten Umfang der Mischzone gleich zu machen; das bedeutet, daß die Zuführung der Luft in die Mischzone rotationssymmetrisch verteilt und um die Achse des Brennstoffstrahles erfolgt. Auf der anderen Seite kann ein Ölzufuhr-Regelventil mit einer die Zuführungsfläche verändernden Vorrichtung mechanisch gekoppelt werden.

Zu berücksichtigen ist, daß aus der D£-AS 1266433 bereits bekannt ist, an einem Ölbrenner eine von einem Mantel umschlossene Vergasungskammer mit eingearbeiteten Luftzuführöffnungen vorzusehen, die zu öffnen und zu schließen sind. Jedoch ist hieraus nicht bekannt, das die Zuführungsmenge steuernde Brennstoffventil und das Überdeckungselement zu verbinden. Außerdem ist bei der bekannten Vorrichtung der Luftstrom, der in der Vergasungskammer eintritt, nur ein aus dem Hauptstrom der Verbrennungsluft abgezweigter Nebenstrom. Eine Zerschlagung oder gar weitere Atomisierung des von der Druckzerstäubungsdüse erzeugten Brennstoffstrahles durch den Nebenluftstrom ist nicht erwähnt, insbesondere auch nicht die Möglichkeit, einen kompakten Brennstoffstrahl mit Hilfe der Verbrennungsluft zu zerschlagen und gleichzeitig die Vorrichtung so zu steuern, daß eine stöchiometrische Verbrennung über einen großen Lastbereich möglich ist.

Vorbekannt ist weiterhin eine Vorrichtung gemäß

■»ο US-PS 23 03 104, in der ein Brenner beschrieben wird, der mit Druckzerstäubung und zusätzlicher Dampfzerstäubung sowie mit einer Zuführung nicht als Zerstäubungsmedium dienender Verbrennungsluft arbeitet. Darüber hinaus ergibt sich aus S. 2, rechte Spalte, Zeilen 50 ff die Anweisung, daß dann, wenn der Druck in der Brennstoffleitung reduziert wird, der Druck des Zerstäubungsmediums proportional erhöht werden solle. Bei einem nicht ausgesprochenen Austausch des Zerstäubungsmediums Dampf gegen die Verbrennungsluft würde das bedeuten, daß ein wesentliches Luft-Überangebot zur Verfugung stünde, so daß der Bereich der Stöchiometrie sofort verlassen würde. Bei dem Verfahren und der Brennereinrichtung wird dagegen die Geschwindigkeit der Zerstäubungsluft erhöht, wobei gleichzeitig berücksichtigt wird, daß der Bedarf an Verbrennungsluft sinkt.

Mechanisch läßt sich die Veränderung des Luftzuführungsquerschnittes bei Ausgestaltung der Brennereinrichtung gemäß Ansprüchen 5 bis 7 in einfacher Weise verwirklichen. Das erfindungsgemäße Verfahren sowie Ausführungsformen der Brennereinrichtung gemäß Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schema zur Steuerung einer Brennereinrichtung unter Ausnutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 ein Diagramm, bei dem für eine bestimmte Düse auf der Abszisse verschiedene, voneinander abhängige Parameter aufgetragen sind (Zerstäubungsdruck,

Öldurchsatz pro Stunde, Luftbedarf); auf der Ordinate ist die Tröpfchengröße in Mikrometer aufgetragen.

Fig. 3 eine Brennereinrichtung in einer ersten Ausfuhrungsform;

Fig. 4a, b Stellungen des Luft-Steuerungssystems gemäß der Ausführungsform der Fig. 3;

Fig. 5 einen Querschnitt durch die Mischkammer einschließlich der Einrichtungen für die Steuerung der Luftzufuhr;

Fig. 6 bis 11b Querschnitte durch die Mischkammer mit weiteren Steuerungsmöglichkeiten;

Fig. 12 eine weitere Ausfuhrungsform der Brennereinrichtung als Zweistoff-Brenner.

Fig. 1 gibt eine Regelschema wieder, bei dem im Mittelpunkt eine Brennereinrichtung 1 steht, mit der flüssige Brennstoffe verbrannt werden. Ein Brennstoffstrahl wird mit Hilfe eines Brennstoffauslasses (Zerstäuberdüse) 4 zerstäubt und mit einer dem Düseneingangsdruck entsprechenden Tröpfchengröße bzw. Brennstoffmenge pro Zeiteinheit in eine Mischzone 3 eingesprüht. Von der Seite des Brennstoffstrahles her wird die Verbrennungsluft als Zerstäubungsmedium eingeführt, dessen Strömung nach Durchsatz der Geschwindigkeit steuerbar ist. Die Luft wird .zunächst aus der Atmosphäre durch ein Luftfilter 2 durch ein Gebläse 5 mit Motor 6 angesaugt und über eine Leitung 7 einem Luftführungskanal 8 zugeführt. Von hier aus gelangt die Luft durch Öffnungen 10 in die genannte Mischzone 3. Zur Steuerung und Überwachung der Luftzuführung sind ein Manometer 11 und ein Druckschalter 12 vorgesehen.

Der Brennereinrichtung 1 wird der Brennstoff über ein Absperrventil 13, ein Ölfilter 14 und eine Ölpumpe 15 über die Leitung 16 zugeführt. Zur Überwachung der Leitung dient ein Manometer 17. Wichtiges Element der Steuerung ist ein Steuerventil 18, das mechanisch über eine Hebelstange 19 mit einem Hebel 20 mit einer beweglichen Lanze 21 verbunden ist, die an ihrer Spitze die Zerstäuberdüse 4 trägt. Die Lanze 21 ist innerhalb eines sie umgebenden Stutzens 22 verschiebbar angeordnet, und zwar so, daß die Spitze der Lanze je nach Stellung innerhalb des Mantels Öffnungen 10 mehr oder weniger weit abdeckt. Durch diese Querschnittsveränderung der Öffnungen wird die Menge und die Geschwindigkeit der in die Mischzone eintretenden, als Zerstäubungsmedium dienenden Verbrennungsluft geändert. Die Veränderung erfolgt proportional der durch das Steuerventil 18 gesteuerten Brennstoffmenge.

Als Brennstoff eignen sich wegen ihrer Reinheit leichte Heizöle. Es ist jedoch auch möglich, insbesondere bei Ölvorwärmung, schwere Heizölqualitäten einzusetzen.

In der Mischzone 3 erfolgt durch die Luft eine weitere Zerschlagung der Oitröpfchen. Anschließend tritt das entstandene Brennstoff-Luft-Gemisch in eine Verbrennungskammer 24 ein, in der die Verbrennung erfolgt. Die Zündung besorgt ein Zündbrenner mit Zündelektrode 25. Zur Überwachung dient ein i/K-Detektor 26. Bei Aussetzen der Verbrennung wird über eine Steuerleitung 27 ein Magnetventil 28 geschaltet, das die Brennstoffzufuhr unterbricht.

Die Funktion der Steuerung ist demnach wie folgt: Die Leistung bzw. die Wärmeabgabe der Brennereinrichtung wird durch die Zufuhr der jeweils benötigten Brennstoffmenge vom Steuerventil 18 gesteuert Zusammen mit der Bewegung des Ventils 18 wird die Bewegung der Lanze 21 gesteuert, welche die Öffnungen 10 verkleinert bzw. vergrößert. Dabei ist die Größe der Öffnungen 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 zugefuhrten Verbrennungsluft hängt von der Querschnittsfläche der Öffnungen ab. Der Druck vor der Zerstäubungsdüse 4 und die Geschwindigkeit der zugeführten Zerstäubungsund Verbrennungsluft stehen in einem umgekehrt proportionalen Zusammenhang. Neben der Regelung des Ölstroms im Zustrom können auch Sprühdüsen eingesetzt werden, bei denen eine Regelung im Rückstrom ίο erfolgt Derartige Düsen sind an sich bekannt; die Erfindung kann auch bei Benutzung dieser Düsen angewendet werden.

Das Diagramm der Fig. 2 zeigt die Zusammenhänge zwischen den wichtigsten Größen. Auf der Abszisse ist aufgetragen, welcher Zerstäubungsdruck einem bestimmten Öldurchsatz entspricht.

Weiter ist der erforderliche Luftbedarf aufgetragen. Diesem Verhältnis liegen bestimmte Düsenabmessungen zugrunde. Die Meßwerte des Diagramms sind an einer handelsüblichen Düse 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 geringen 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 (vgl. S. 4 u.) bei Werten zwischen 40 m/s und 250 m/s liegt, läßt sich aufgrund des Impulses der auf die Oitröpfchen auftreffenden Zerstäubungsluft eine weitere Zerkleinerung des Öltröpfchens erreichen, wobei die Kurve 2 zugrunde zu legen ist. Im allgemeinen wird angestrebt, daß die Tröpfchengröße unterhalb von 10 pm eingestellt ist, um weitgehende Blaufärbung der Flamme und stöchiometrische oder reduzierte Verbrennung zu erreichen. Je kleiner der Tröpfchendurchmesser im Mittel ist, der aus der Düse austritt (Kurve 1), um so geringer ist die benötigte Geschwindigkeit der zugeführten Verbrennungsluft. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Menge der Verbrennungsluft bei entsprechend höherem Öldurchsatz wesentlich vergrößert ist

Zusammengefaßt läßt sich dem Diagramm gemäß Fig. 2 daher entnehmen, daß es erforderlich ist, empirisch zu bestimmen, welche Luftgeschwindigkeiten bei Eintritt in die Mischzone erzielt werden, um die Tröpfchengröße wirksam zu verkleinern. Auf jeden Fall ist es nicht möglich, eine blaue Flamme bzw. stöchiometrische Verbrennung mit Tröpfchen zu erzielen, die irn Mitte! größer sind als 50 pm. Dabei kann die Zerkleinerung der Tröpfchen durch Zerstäubungsluft erreicht werden, die nicht unter sogenannten kritischen Druckverhältnissen zugeführt wird, sondern die beispielsweise bei einem Druck von 1,3... 1,1 bar oder weniger zugeführt wird.

Inder Fig. 3 ist ein Querschnitt durch eine Brennereinrichtung gezeigt, wie sie beispielsweise bei dem in Fig. 1 dargestellten Regelschema verwendet werden kann. Die Brennereinrichtung weist ein Gehäuse 31 auf, das außen zylindrisch geformt ist und mehrere konzentrisch zueinander angeordnete Teile besitzt Das Gehäuse 31 umgibt von außen nach innen gesehen zunächst einen zylinderförmigen Luftkanal 32, dem über die Leitung 7 Luft unter einem Druck von ca. 1,1 bar zugeführt wird. Konzentrisch im Inneren des Luftkanals ist beweglich die Lanze 21 mit der Brennstoffdüse 4 angeordnet. Die I anze

ragt mit ihrer Mündung 33 in einen Stutzen 22 hinein, der ebenfalls zylindrische Form hat. Es sind zwei Arten von Öffnungen 10, 30 vorgesehen:

a) verhältnismäßig große, etwa über 2/3 der Länge des Stutzens reichende schlitzförmige Öffnungen 10,

b) demgegenüber wesentlich kleinere Bohrungen oder Schlitze 30 in der Lanze 21, welche innerhalb einem vor der Düsenöffhung befindlichen Mischzonenbereich 3' münden.

Der Stutzen 22 wiederum ist verbunden mit einem Abschlußteil 34, das mit einer konisch geformten Öffnung 35 sich in Richtung eines Brennerrohrs 36 öffnet. Das Abschlußteil 34 ist Teil einer Wandung eines Kessels oder dergleichen.

Die Lanze 21 ist langgestreckt und zentrisch mit einer Leitung 37 ausgestattet. Die Lanze ragt mit ihrem hinteren Ende aus dem Gehäuse 31 heraus und ist dort mit zwei Anschlüssen versehen, nämlich einem Ölleitungsverschluß 41 und einem Gasanschluß 42. Ferner weist die Lanze, die innerhalb des Gehäuses 31 verschiebbar ist, an ihrer Außenseite einen Gewindekörper 43 auf, der mit einer gewendelten Nutfuhrung 44 versehen ist. Durch Verdrehung des Hebels 20 mit der drehbaren Büchse 20' wird die Lanze 21 aus dem Stutzen 22 heraus- und hineingezogen. Die Stirnwand 45 legt dabei die Büchse 20' in Achsenrichtung fest.

Durch die Leitung 37 im Inneren der Lanze 21 wird ein flüssiger Brennstoff zugeführt. Die Brennstoffleitung endet in der Zerstäuberdüse 4, die mit einer Ventilnadel ausgestattet ist. Andere, an sich bekannte Zerstäuberdüsen, auch solche mit Rücklaufkontrolle, können verwendet werden, so daß Einzelheiten der Düse nicht beschrieben zu weiden brauchen. Aus der Mündung 33 der Düse 4 tritt das Öl, in mäßig feine Tröpfchen verteilt, als Ölnebel in den Mischzonenbereich 3' ein.

Die Brennereinrichtung kann auch zur Verbrennung von Heizgas verwendet werden. In diesem Falle wird der Anschluß 41 gesperrt und das Gas über die Zuleitung 42 zugeführt. Die Luftführung erfolgt dabei wie bei der Ölverbrennung, die im folgenden beschrieben wird.

Die Fig. 4a und b zeigen den vorderen Teil der Lanze 21 innerhalb des Stutzens 22 in verschiedenen Stellungen. Der Mischzonenbereich, in dem die Verbrennungsluft auf das Öl trifft, kann mit der Stellung der Lanze verändert werden. In dem Vorderteil der Lanze ist ein kleberer Teil der Mischzone als Mischzonenbereich 3' fest eingebettet und wird über die Öffnungen 30 ständig mit Verbrennungsluft beaufschlagt Durch Bewegung der Lanze 21 aus dem Stutzen heraus wird jedoch ein wesentlich größerer Mischzonenbereich 3" geschaffen, der dann durch die freigelegten Schlitze 10 innerhalb des Stutzens 22 mit einer entsprechend größeren Menge an Verbrennungsluft beaufschlagt wird. Die seitlich zugeführte Menge der Verbrennungsluft ist zwar bei Stellung gemäß Fig. 4b wesentlich größer als gemäß Fig. 4a; jedoch ist die Geschwindigkeit der Verbrennungsluft auch geringer, so daß die Tröpfchen, die aus der Düse treten, nicht mehr um so vieles weiter verkleinert werden, wie dies bei der Stellung gemäß Fig. 4a der Lanze der Fall ist Hier trifft die Verbrennungsluft in einem relativ kleinen Volumen unter hoher Geschwindigkeit auf Tröpfchen, die infolge des geringen Zerstäubungsdruckes in der Leitung 37 relativ groß bemessen sind. Ja, es ist sogar möglich, mit Hilfe der Verbrennungsluft einen durchgehenden Strahl so weit 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 Brennstofmebel dargestellt Fig. 4a zeigt demnach die Stellung bei kleinem und Fig.4b die Stellung bei großem Wärmebedarf. Die Geschwindigkeit der Luft, die bei der Stellung gemäß Fig. 4a größer ist als bei der der Fig. 4b, resultiert aus mehreren, zusammenwirkenden Faktoren. Unter diesen sei der Gegendruck in der Mischzone genannt, der beruhend auf dem eingedrückten Ölnebel und der sich stauenden Luft bei geringer Last nachläßt. Außerdem steigt bei üblichen Ventilatoren der Lieferdruck an, wenn die geforderte ίο Luftmenge sich verringert, was eine erhöhte Luftgeschwindigkeit zur Folge hat. Bei der in den F i g. 3 und 4a/b dargestellten Ausfuhrungsform erfolgt die Steuerung der Luftzufuhr durch Verschieben der Lanze 21, wobei die Luftzufuhrungsöffnungen 10 mehr oder weniger abgedeckt werden. Die Öffnungen können sowohl Bohrungen als auch längliche Schlitze sein. Sie verteilen sich über den Umfang des Stutzens in rotations-symmetrischer Anordnung.

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

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch eine Konstruktion, bei der ein Stutzen 22, der die Mischzone bildet, mit Öffnungen 46 versehen ist. Der Stutzen 22 ist .von einer drehbaren Hülse 47 umgeben, die weitere Bohrungen 48 aufweist, die in den Luftkanal 32 münden. Durch eine Drehung der Hülse 47 gegenüber dem Stutzen 22 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 in Fig. 4b.

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die Mischzone 3 mit einer mit dem Abschlußteil 34 verbundenen Hülse 53 mit drehbarer Innenbuchse 50 verbunden ist. Die Innenbuchse 50 ist mit Öffnungen 51 versehen, die bei Koinzidenz mit entsprechenden Öffnungen 52 der festliegenden äußeren Hülse 53 einen maximalen Luftdurchlaß ergeben; bei Verdrehung der Buchse 50 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 über einen Stelltrieb 60, der über ein Zahnrad die Buchse 50 verdrehbar macht. Hierdurch läßt sich irinerhalb der Mischzone 3 variierbare Beeinflussung des aus der Düse 4 kommenden Brennstoffstrahls durch die Verbrennungsluft erreichen.

Fig. 7 zeigt eine mit Hilfe des Stelltriebs 60 verdrehbare Innenbuchse 50', die mit dreieckfSrmigen Schlitzen 55 versehen ist Die Außenhülse 53 ist dagegen mit im Querschnitt rechteckigen Schlitzen 52' versehen. Wenn die Innenbuchse 50' verdreht wird, öffnet sich der koinzidie· rende Querschnitt durch fortschreitende Überdeckung der Schlitze 52' und 55 immer mehr. In Umkehrung des Prinzips der verschiebbaren Lanze gemäß Fig. 3 stellt Fig. 8 die konstruktive Möglichkeit dar, bei festliegendem Stutzen 22 mit Schlitzen 52 im Bereich der Wand der Mischzone 3 eine verschiebbare Innenbuchse 50" vorzusehen, die mit mehreren, in ihrem Querschnitt unterschiedlichen Schlitzen 55' versehen ist Bei Verschieben der Buchse 50" mit Hilfe eines Gestänges 61 könen die Schlitze 52 variabel freigelegt und dadurch die Luftzufuhr gesteuert werden.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 ist eine verschiebbare Innenbuchse 56 innerhalb eines festliegenden äußeren Stutzens 22 mit Bohrungen 54 dargestellt, die mit dreieckförmigen Öffnungen 57 versehen ist, die bei Verschieben der Innenbuchse mit Hilfe eines Gestänees 61

die zum Luftkanal führenden Bohrungen 54 mehr oder weniger freigeben und dadurch die Luftzuführung veränderbar machen.

Fig. 10 zeigt die Möglichkeit, mit einer verschiebbaren Lanze 21 eine Innenbuchse zu schaffen, die innerhalb des mit im Querschnitt verschiedenen Öffnungen 64 versehenen Stutzen 22 verschiebbar ist. Die Öffnungen des Stutzens 22 werde bei Zurückziehen der Lanze 21 nach und nach freigegeben. Hierbei entsteht eine mehrfach gestufte Mischzone 3a, 3b, 3c.

In den Fig. 11a und 11b ist analog zu Fig. 10 die Möglichkeit vorgesehen, die Lanze 21 verschiebbar zu machen. Jedoch ist der Stutzen auf seiner Länge nicht mit mehreren Reihen von Öffnungen versehen, sondern mit länglich geformten Schlitzen (Fig. lib) durchbrochen. Als Ausführungsbeispiele bieten sich fast rechteckige Schlitze 70, spitz zulaufende Schlitze 71, dreieckförmig zulaufende Schlitze 72 und weitere Formen an.

Fig. 12 schließlich gibt ein weiteres Ausführungsbeispiel wieder, bei dem besonderer Wert auf die duale (Gas-Öl-JAnwendungsmöglichkeit der Brennereinrichtung gelegt ist. Wie bereits erläutert, läßt sich das Prinzip der Brennertechnologie auch anwenden auf sogenannte Zweistoffbrenner. Hierbei ist es erforderlich, daß die Lame 21 mit einer Gaszufuhr 40 verbunden ist. Um eine optimale Gasverbrennung zu erreichen, sind im Bereich der Zerstäubungsdüse 4 Umgehungskanäle 42' vorgesehen, die innerhalb der Mischzone 3 unter Umgehung der Düse 4 münden. Die Regelung der Gaszufuhr erfolgt durch eine drehbare Lochscheibe 41, die den Kanal 42' durch Verdrehen einer Bohrung AY nach und nach freigibt. Die Lochscheibe 41 ist mit einer drehbaren Außenhülse 38 gekoppelt, die bei Öl- sowie Gasverbrennungs-Betrieb die Luftzufuhr steuert und mit einem Stellmotor 76 verbunden ist.

Die Mischzone 3 ist im Schnitt kegelförmig mit einem Öffnungswinkel von etwa 30° gestaltet. Die Gaszufuhrkanäle 42' münden seitlich in den Kegelmantel, während die Zerstäubungsdüse 4 in der Kegelspitze angeordnet ist. Die verdrehbare Außenhülse 38 mit Schlitzen 52" sorgt für eine Querschnittsveränderung der Luftzuführung durch den Stutzen 22, der ebenfalls mit Bohrungen 30' versehen ist; die drehbare Hülse 38 ist mit einer an der Hülse außen angebrachten Verzahnung 39 versehen, mit der ein Zahnrad 74 kämmt. Über eine Welle 75 ist das Zahnrad 74 mit dem Stellmotor 76 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 der Brenneranordnung können sich in weiten Bereichen bewegen und werden an die im freien Handel erhältlichen Zerstäuberdüsen angepaßt.

Bei Versuchen hat sich herausgestellt, daß bei Verwendung der Ausfuhrungsform gemäß Fig. 1 der Benutzer in der Lage ist, das zerstäubte Öl bei einem Luftanteil bei etwa 70% des stöchiometrischen Bedarfs rußfrei und stetig zu verbrennen. Darüber hinaus ist es 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 Gebläse notwendig. Kostspielige Druckgebläse brauchen nicht eingebaut zu werden. Die durch die Bohrungen 10, 30 einströmende Luft ist trotz der relativ geringen Geschwindigkeit in der Lage, eine weitere Zerschlagung der Öltröpfchen zu bewirken.

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Verbrennung von flüssigem Brennstoff in einer Brennereinrichtung, in der ein Brennstoffstrahl entsprechend dem regelbaren Eingangsdruck mit Hilfe eines Auslasses erzeugt und in eine Mischzone eingepseist wird, in die von der Seite der Brennstoffstrahlachse Verbrennungsluft als Zerstäubungsmedium in über den Eintrittsquerschnitt steuerbarem Durchsatz eingeführt wird, sowie mit nachfolgender Verbrennung des Brennstoff-Luft-Gemisches in einer an die Mischzone anschließenden Verbrennungszone, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsdruck des Brennstoffes und die Geschwindigkeit der als Zerstäubungsmedium eingeführten Verbrennungsluft umgekehrt proportional zueinander steuerbar sind, wobei über einen weiten Regelbereich das Verhältnis von Brennstoff- zu Luftmenge im wesentlichen gleich ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem mittleren, an einem als Zerstäubungsdüse gestalteten Auslaß erzeugten Tröpfchendurchmesser von 50 bis 200 pm die Geschwindigkeit der als Zerstäubungsmedium eingeführten Verbrennungsluft zwischen 40 und 250 m/s beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem kompakten Brennstoffstrahl die Geschwindigkeit der Verbrennungsluft etwa zwischen 180 und 250 m/s beträgt.

4. Brennereinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Brennstoffauslaß zur Erzeugung eines in eine Mischzone gerichteten Brennsloffstrahles, in der zur Einführung von als Zerstäubungsmedium dienender Verbrennungsluft von der Seite des Strahles her wenigstens eine Öffnung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß

a) dem Brennstoffauslaß (4) in an sich bekannter Weise ein von einem Mantel umschlossener Kanal als Mischzone (3) nachgeordnet ist, in welchen die Öffnung (10,46, 52, 52', 54, 64, 70, 71, 72) eingearbeitet ist,

ein gegenüber dem Mantel beweglich angeordnetes, konzentrisches Überdeckungselement (21,47,50,50'. 50", 56) zur Steuerung des Querschnittes der Öffnung vorgesehen ist und
das Überdeckungselement mit einem die Brennstoffmenge steuernden Ventil (18) verbunden ist.

5. Brennereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Überdeckungselement eine verdrehbare oder axial verstellbare Hülse ist.

6. Brennereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal in Achsenrichtung, von der Verbrennungszone her gesehen, zunächst einen zylindrischen Mischzonenbereich (3") mit einem größeren, anschließend einen solchen (3') mit einem kleineren Durchmesser aufweist und daß in den Wandungen beider Mischzonenbereiche (3', 3") Öffnungen (10; 30) münden.

7. Brennereinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung des kleineren Mischzonenbereichs (3') zusammen mit einer den Brennstoffauslaß (4) aufweisenden Lanze (21) axial verschiebbar ist.

von flüssigem Brennstoff nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Sie betrifft außerdem eine Brennereinrichtung zur Durchlührung des Verfahrens entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 4.

Unter »flüssigen Brennstoffen« werden insbesondere Heizöle verstanden. Es eignen sich zur Verbrennung auch Altöle, schlammförmige Brennstoffe und flüssige Brennstoffgemische.

Aus der DE-PS 567291 ist bereits ein Verfahren und

ίο eine Brennereinrichtung der gattungsgemäßen Art bekannt Durch axiale Verschiebung eines Düsenrohres, das den Brennstoffzuführungskanal enthält, kann die zeitlich zugeführte Menge des als Zweitluft dienenden Zerstäubungsluftanteils geregelt werden. Dies geschieht durch Veränderung des Querschnittes des Zweitluftaustrittes, ohne daß der Druck der zugeführten Luft geändert wird, infolgedessen besitzt die Zweitluft an ihrer Austrittsstelle stets volle Geschwindigkeit und übt daher auch stets die volle mechanische Wirkung auf den durch Erstluft vorzerstäubten Brennstoffstrahl aus. Diese Wirkung ist unabhängig von der zeitlich zugefuhrten Menge des Brennstoffes.

Bei der bekannten Brennereinrichtung wird die Zerstäubungsluft zwar geregelt zugeführt; es wird aber nicht angegeben, unter welchen Kriterien dies geschehen muß, damit eine hohe Wirtschaftlichkeit und ein großer Regelbereich gegeben sind. Insbesondere ist es nicht unproblematisch, bei einer Brennereinrichtung über einen großen Lastbereich immer die gleiche Luftgeschwindigkeit auf den Brennstoffstrahl einwirken zu lassen, da damit die Gefahr eines Luftüberschusses bei Leistungsminderung gegeben ist.

Die beschriebene sekundäre Zerstäubung erfordert zur Zerschlagung der Tröpfchen im vorzerstäubten Brennstoffstrahl eine hohe Geschwindigkeit. Wenn auch der DE-PS 5 67 291 keine genauen Werte zu entnehmen sind, so ist doch bekannt - vgl. DE-OS 23 20442 - Zerstäubungsluft unter kritischem Druck, d. h. mit spezifischer Schallgeschwindigkeit, durch seitliche Zerstäubungsdüsen zuzuführen. Damit lassen sich bei optimaler Einstellung die Tröpfchen um eine Größenordnung, d. h. von etwa 50-10" m auf 5· ]0~⁶m mittlerer Tröpfchendurchmesser verkleinern.

In der bei der Druckzerstäubung auftretenden Verteilung der Tröpfchengröße wird ein sogenannter mittlerer Tröpfchendurchmesser nach SAUTER dadurch definiert, daß der mittlere Tröpfchendurchmesser die spezifische Oberfläche hat, die dem Durchschnitt aller Tröpfchen entspricht [SMD= SAUTER MEAN DIAMETER):