DE2807435A1

DE2807435A1 - Verfahren und vorrichtung zum verbrennen fluessiger, gasfoermiger oder pulverfoermiger brennstoffe

Info

Publication number: DE2807435A1
Application number: DE19782807435
Authority: DE
Inventors: Jan Ake Alpkvist; Rolf Goeran Arne Toernkvist; Lars Rikard Wuerzig
Original assignee: Foerenade Fabriksverken AB
Current assignee: Foerenade Fabriksverken AB
Priority date: 1977-02-23
Filing date: 1978-02-22
Publication date: 1978-08-24
Also published as: JPS5735362B2; NL7801395A; CA1083943A; US4255122A; NO780605L; PT67692B; PT67692A; GB1596316A; FI780585A; ES467903A1; FR2381966A1; JPS53111533A; DK80178A

Description

PÖBEHADE

Tullgatan 8

S-Eskilstuna 17. i'ebruar 1978

Verfahren und Vorrichtung zum Verbrennen flüssiger, gasförmiger oder pulverförmiger Brennstoffe

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbrennen flüssiger, gasförmiger oder pulverförmiger Brennstoffe, wobei insbesondere die Brennstoffe unter einem relativ niedrigen Druck sowohl des Brennstoffs als auch der Verbrennungsluft verbrannt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen₅ mittels dessen bzw· derer für eine Verbrennung hoher Kapazität bei kleinen Abmess^^ngen des Brenners gesorgt wird, -so daß bestehende Probleme bei bekannten Verfahren und Vorrichtungen vermieden werden, beispielsweise eine unvollständige Verbrennung, ein hoher Gehalt an Kohlenmonoxid, ein hoher Gehalt an Stickstoffmonoxid, eine Kohlebildung im Brennerkopf usw., eine Überhitzung von verschiedenen Teilen des Brenners usw. Das Verfahren und die Vorrichtung können in vielen verschiedenen technischen Bereichen und für viele verschiedene Zwecke benutzt werden, beispielsweise in Verbindung mit Brennern für Feuersteilen, Dampfmaschinen und Dampfturbinen, Gasturbinen, Heißluftmotoren und Heißgasmotoren usw.

Brenner sind bekannt, die einen Brennerkopf haben, durch den ein flüssiger Brennstoff unter hohem Druck gedrückt

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wird, so daß der Brennstoff "vernebelt wird, wenn er den Brennerkopf "verläßt, oder bei denen der Brennstoff mittels Luft unter hohem Druck durch den Brennerkopf gedrückt wird, so daß die Flüssigkeit ebenfalls vernebelt wird, wenn sie den Brennerkopf verläßt. Solche Brenner sind in verschiedener Hinsicht nachteilig. Sie haben einen relativ schmalen Ilegelungsbereich, der divergierende Winkel für den vernebelten Brennstoff ändert sich in Abhängigkeit vom Druck und der Geschwindigkeit des ausgestoßenen Brennstoffs, es besteht die Gefahr einer Verkohlung des Brennerkopfs, der Brenner erfordert eine Hochdruckpumpe für den Brennstoff oder die Einspritzluft_s die Brennflamme ist oft lang, und die Wärme wird in der j?lamme auf einen Bereich konzentriert, der sich in einem Abstand vom Brennerkopf befindet, es sind hohe Anforderungen an die IDigeiischaften der Abdichtungen su stellen, ebenso an die Schließventile und an andere Systeniteile, der Brennerkopf verschließt relativ schnell, die Verbrennung ist relativ nngleichmäßig und beläßt einen hohen Gehalt an Kohlenmonoxid und Stickstoffmonoxid in den Abgasen, der Brenner hat eine rela.tiv geringe leistung, und er muß deshalb in relativ großen Abmesstingen hergestellt werden.

Es ist vorgeschlagen worden, daß ein Brenner mit einem drehbaren Diffusor anstelle des genannten Druckkopfs ausgerüstet wird, und solche drehbaren Diffusoren können als eine drehbare hohle Scheibe mit einer großen Anzahl kleiner Bohrungen um die Peripherie herum ausgebildet sein, wobei der Brennstoff dort je nach der PlieBkraft abgeschleudert wird. Solche Brenner liefern eine bessere Verbrennung als die zuvor erwähnten Vorrichtungen mit Druckbrennerköpfen, itnd der Hauptvorteil d^avon ist, daß keine Notwendigkeit zum Vorsehen einer Hochdruckpumpe für den Brennstoff oder die Verbrennungsluft besteht. Die Vorrichtung ist jedoch in anderer Hinsicht nachteilig: Auch bei diesem Brenner besteht die Gefahr des

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Zusetzens und der Verkohlung in den kleinen Bohrungen an der Peripherie der Brennerscheibe, es wird ein Motor mit sehr hoher Drehzahl zürn Abschleudern des Brennstoffs benötigt, und dieser Motor erfordert eine sehr hohe Fertigungspräzision sowohl "bezüglich der elektrischen Teile als auch bezüglich der.mechanischen Teile, besonders bei den Lagern und Haltevorrichtungen usw. und wegen der sehr geringen 'Toleranzen ist ein solcher Motor relativ teuer. Wie bei den vorstehend genannten Brennern mit Druckbrennerköpfen erfolgt die Vernebelung des Brennstoffs auch in kleine Tröpfchen, aber selbst bei relativ fein vernebelnden Druckköpfen oder drehbaren Brennerköpfen liefert die Vernebelung des Brennstoffs vergleichsweise große Tropfen, die allgemein eine optimale gute Verbrennung nicht erlauben. Außerdem wird bei rotierenden Diffusoren der Brennstoff relativ weit vom Diffusor weggeschleudert und deshalb muß auch der Brenner für solche Diffusoren in relativ großen Abmessungen hergestellt werden.

Sowohl Brenner mit Druckköpfen als auch Brenner mit drehbaren Diffuseoren sind nachteilig insofern, als sie flüssige, allgemein relativ leichte Brennstoffe erfordern, und allgemein ermöglichen sie keine Verbrennung bei schweren Brennstoffen, G-emischen aus schweren und leichten Brennstoffen oder pulverförrnigen festen Brennstoffen.

Erfindungsgemäß soll der Brenner so ausgebildet werden, daß er eine möglichst hohe Kapazität hat und gleichzeitig Abmessungen aufweist, die so klein wie möglich sind, ohne daß die Gefahr einer Fehlfunktion wie überhitzen, Zerbrennen des Brennerkopfs oder anderer im Brenner enthaltenen Teile oder irgendwelche anderen Nachteile bestehen. Es ist schon vorgeschlagen worden, den Brenner als eine Brennkammer herzustellen, in die ein oder mehr röhrenförmige Brennerköpfe öffnen, wobei der Brennstoff aus dem Brennerkopf ausgestoßen wird und in der Brennkammer mit der Verbrennungsluft ge-

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mischt "wird, wobei sich, mindestens ein Teil des Brennerkopf s in die Brennkammer erstreckt. Das ergibt den wesentlichen Vorteil, daß der Brennerkopf oder dsas Brennerrohr erhitzt wird, so daß der Brennstoff im Brennerrohr verdampft mad eine verbesserte Vernebelung des Brennstoffs und eine verbesserte Verbrennung erreicht werden. In einem speziellen Ausführungsbeispiel dieses zuvor vorgeschlagenen Brenners ist das Brennerrohr um 180° gebogen, um dessen Mündung zeigt zum Boden der Brennkammer, so daß der Brennstoff mechanisch zersetzt wird, während er einer Reibung beim Durchfluß ge gen die Wände des Brennerrohrs und beim Aufprall auf dessen Wände am 180 -Bogen ausgesetzt wird, und zwar zur gleichen Zeit, zu der der Brennstoff je nach der Temperatur verdampft. Wegen dieser Verdampfung wird das Brennerrohr allgemein als Verdampferrohr bezeichnet. Brenner mit einem Verdampferrohr ergeben verschiedene Vorteile im Vergleich zu den zuvor genannten Brennern. Sie können beispielsweise bei niedrigem Druck sowohl des Brennstoffs als auch der Verbrennungsluft arbeiten, es besteht praktisch keine Gefahr eines Zusetzens oder einer Verkohlung des Verdampferrohrs, sie können für verschiedene Arten von flüssigen oder pulverförmigen Brennstoffen oder Gemischen daraus benutzt werden, sie haben eine ausgeprägt hohe leistung, und sie können eine wesentlich verbesserte Verbrennung und einen geringeren Gehalt an Kohlenmonoxid und Stickstoffmonoxid als die vorstehend erwähnten bekannten Brenner ergeben.

Brenner mit einem Verdampferrohr sind jedoch insofern nachteilig, als die Gefahr der Überhitzung sowohl der Brennkammer als auch des Verdampferrohrs besteht, je nach der leistung des Brenners und der Höhe der Betriebstemperaturen. Es hat sich gezeigt, daß das Verdampferrohr an der Bogenpartie leicht ZHerbrennt, wenn der U-förmige Bogen rund ist, und es hat sich außerdem gezeigt, daß die Gefahr einer Überhitzung und eines Zerbrennens der Brennkammer besteht, wenn die Ver-

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ORiGiNAL INSPECTED

brennungsluft in die Brennkammer so eingepumpt wird, daß ein erheblicher Teil der Verbrennung einer Flamme folgt, die eine radiale Komponente enthält.

Um das Problem der Überhitzung zu lösen, ehat man vorgeschlagen, die Wände der Brennkammer dadurch zu kühlen, daß ein Teil der Verbrennungsluft radial nach innen durch die Brennkammenvände eingeleitet wird, diese Methode verringert aber die Leistung des Brenners und macht die Verbrennung weniger gut. Han hat ferner vorgeschlagen, mehrere kleine Verdampferrohre in einem Radius von der Mitte der Brennkammer anstatt ein einziges mittig liegendes Verdampferrohr vorzusehen, aber auch in diesem EaIl ist ein Kühlen erforderlich, indem ein Teil der Luft durch die Brennkammerwände eingeleitet wird, und darüber hinaus ist die Vorricirfrung relativ teuer.

Srfindungsgemäß ist das Verdampferrohr,mit einem scharfkantigen U-3ogen versehen, rind ein Teil der Verbrennungsluft wird sowohl zum Kühlen dea?sVerdampferrohrs als auch zur Verbesserung der Zersetzung des Brennstoffs während seines Durchflusses durch das Verdampferrohr benutzt, und die Verbrennungsluft wird im wesentlichen in axialer Richtung im G-egenstrom zum eingespritzten Brennstoff eingeleitet. Das Ausbilden des Ü-Bogens mit scharfen Kanten ist insofern vorteilhaft, als der Brennstoff durch den scharfen Wechsel in der Jließrichtung einer mechanischen Einwirkung unterzogen wird, was die Zersetzung des Brennstoffs erleichtert und beschletuiigt, und der Brennstoff erhält außerdem eine Wirbelbewegung, die das Vermischen von Luft und Brennstoff zur gleichen Zeit mit der gleichmäßigen Verteilung der Temperatur im .!Brennstoff und der Kühlung des verdampften Brennstoffs erleichtert. Indem ein Teil der Verbrennungsluft schon in das Verdampferrohr eingeleitet wird ₃ vorzugsweise an einer Stelle vor der Stelle, an der das Verdampferrohr

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in die Brennkammer eintritt, hat es sich herausgestellt, daß eine wesentlich, bessere Zersetzung des Brennstoffs in kleine Tröpfchen erreicht wird und daß eine v/es entlich gleichförmigere Verbrennung erreicht wird, die zu einem geringen Anteil an Kohlenmonoxid und Stickstoffmonoxid in den Verbrennungsgasen führt. Zur gleichen Zeit sorgt die kalte Luft, die mit dem Brennstoff vermischt wird, für ein Abkühlen des Verdampferrohrs.

Ausgedehnte Versuche haben gezeigt, daß die Abmessungen. des Verdampferrohrs von großer Bedeutung für die gute ]?unktion der Vorrichtung sind, und mindestens die folgenden Größen müssen untersucht werden:

Das Volumen des Rohrs unter Berücksichtigung des Druckabfalls des Brennstoffs oder der Verbrennungsluft und die Möglichkeit der Vermischung des Brennstoffs und der Verbrennungsluft ;

Die Hassenbesiehung zwischen Brennstoff und Verbrennungsluft;

Die äußere Wärmeübertragungsfläche des Rohrs, die ausreichend groß sein muß, um eine Verdampfung einer maximalen Menge Brennstoff au ermöglichen, die aber immer noch so klein sein muß, daß das Rohr bei geringen Brennstoffmengen nicht verbrennt;

Die Porm des Bogens des Verdampferrohrs; Die Menge an Verbrennungsluft, die mit dem Brennstoff im Verdampferrohr vermischt wird.

Ausgedehnte Versuche haben gezeigt, daß der ieil des Verdampferrohrs, der sich in der Brennkammer befeindet, eine Beziehung zwischen der Außenfläche und dem Volumen des Hohrs haben muß, die zwischen bestimmten Grenzwerten liegt, nämlich zwischen 0,3 und 0,8 und vorzugsweise zwischen 0,35 und 0,50. Mathematisch kann diese Beziehung wie folgt aus-

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·· e drückt we rd en:

«f . Dy . L _ 4 Dy

ρ- e= 0,3 - 0,8, insbesondere

T- t^di) * ^h ^(di) 0,35 - 0,50

±n dieser !Formel ist Ώγ der Außendurchmesser des Verdampferrohrs, di ist der Innendurchmesser des Verdampferrohrs, und L ist die Ge samt länge des Teils des Verdampferrohrs, der sich in der Brennkammer befindet. Empirisch hat sich gezeigt, daß

der Wert 4 Dj^: (di) zwischen 0,3 und 0,8 oder vorzugsweise zwischen 0,35 und 0,50 liegen muß, und wie aus der vorstehenden Joriael evident ist, ist der Wert unabhängig von der Länge des Verdampferrohrs· Es hat sich außerdem gezeigt, daß der Wert auch relativ unabhängig von der Art des Brennstoffs ist, der benutzt wird.

Ss ist offenkundig, daß ein Wert von 4 Dy : (di) von weniger als 0,3 relativ grobe Rohre ergibt, was zu langsamen ELießgeschwindigkeiten des Brennstoffs, relativ großen Tropfen und beeinträchtigter Verbrennung und beeinträchtigter Vermischung von Luft und Brennstoff führt. Ein Wert von mehr als 0,8 ergibt schmale Rohre mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffs oder des Brennstoff-Luft-Gemisches, was zu Druckstößen und zu Rauch führen kann, und man erhält ein beeinträchtigtes Gemisch aus dem Brennstoff und dem Teil der Verbrennungsluft, die dem Verdampferrohr zugeleitet wird.

Es hat sich außerdem gezeigt, daß die Längefenbeziehung zwischen den verschiedenen Teilen des Verdampferrohrs, d.h. der Einlaßpartie, der 90°-Partie und der 180°-Partie, einigen Einfluß auf die Zersetzung und die Verdampfung des Brennstoffs und die Mischfähigkeit des Brennstoffs mit der Verbrennungsluft in der Brennkammer haben kann. Folglich soll die 180°-Partie oder die Mündung des Verdampferrohrs langer

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als die 9O°-Partie sein«, Um für eine gute "Verdampfung des Brennstoffs zu sorgen, ferner für ein gutes Vermischen des Brennstoffs mit der Luft, die direkt dem Verdampferrohr zugeleitet wird, und für eine gute mechanische Zersetzung des !Brennstoffs, muß die Einlaßpartie des Rohrs wesentlich langer als die 9O°-Partie sein. Die gegenseitige Beziehung in der Länge zwischen den verschiedenen Partien muß jedoch unter Berücksichtigung der "beabsichtigten Leistung berechnet werden, d.h. der maximalen Menge an eingespritztem Brennstoff, der Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffs und der Luft usw. Vorzugsweise befindet sich ein wesentlicher Seil der Einlaßpartie im Inneren desBrennraums, so daß diese Partie die Verbrennungswärme assimiliert und für eine gute Verdampfung des Brennstoffs sorgt. Das Ende oder der Auslaß der 180°-Partie muß möglichst weit vom Boden der Brennkammer liegen, damit der Brennstoff oder das Brennstoff-Luft-G-emisch im wesentlichen vollständig verbrennt oder in Richtung aus der Brennkammer weg gerichtet wird, ehe er bzw. es den Boden der Brennkammer erreicht, damit der Brennstoff nicht auf den Boden der Brennkammer gesprüht wird.

Wie vorstehend erwähnt, soll dem Brenner eine möglichst kleine Abmessung gegeben werden, dadurch ergibt sich aber das Problem, so hohe Temperaturen zu vermeiden, daß die Wände der Brennkammer nicht beschädigt werden, beispielsweise dadurch, daß Verzunderungserscheinungen auftreten. Es ist beispielsweise in Verbindung mit Strahlantrieben bekannt, daß Zusatzluft radial in die Brennkammer durch die Brennkammerwände eingeleitet wird, dadurch wird aber die Verbrennungstemperatur abgesenkt, und es wird eine weniger gute Verbrennung erreicht, insbesondere deshalb, weil es nicht möglich ist, effektiv die Beziehung zwischen Brennstoff und Luft zu regeln. Im Falle des Strahlantriebs soll ein möglichst hoher Gasdruck erreicht werden, während nicht beabsichtigt ist, eine möglichst hohe Verbrennungstemperatur zu erreichen,

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weil eine vollständige Verbrennung möglich, ist, und der Brenner soll in seinen Abmessungen so klein wie möglich •gehalten v/erden. Die schon "bekannte Methode ist deshalb für diesen Pail nicht "brauenbar. Weiter soll erfindungsgemäß deshalb ein Brenner geschaffen werden, der eine möglichst hohe Leistung und eine möglichst vollständige Verbrennung bei möglichst kleinen Abmessungen erbringt, wobei das Problem der Beschädigung der Wände der Brennkammer durch Überhitzen gelöst ist.

Wach einem anderen Aspekt der Erfindung wird das genannte Problem dadurch gelöst, daß der Einlaß für die Verbrennungsluft am Boden der Brennkammer vorgesehen ist, so daß die Verbrennungsluft in die Brennkammer im wesentlichen in axialer Richtung gelangt, und daß der Einlaß aus mehxeren radialen Schiitken besteht, von denen jeder einen Fließleitflügel hat, der dem Luftstrom eine Schraubeilbewegung verleiht, mit dem "Effekt, daß ein sehr effizientes Gemisch aus Luft und Brennstoff entsteht und dadurch die Verbrennung praktisch einheitlich erfolgt, ohne daß Wärmekonzentrationen an den Wänden der Brennkammer auftreten, wie das bei den bekannten Anordnungen der Pail ist. In einem speziellen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Verbrennungsluft auch durch einen Labyrinthfließweg außerhalb der becherförmigen Brennkammer eingeleitet, so daß die kalte Verbrennungsluft im Gegenstrom zur Verbrennungsrichtung längs der Wände der Brennkammer strömen kann, um damit die Wände zu kühlen, ehe die Luft zum Lufteinlaß am Boden der Brennkammer gelangt«

Die Erfindung ist nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert· In den Zeichnungen sinds

1 eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Brenners gemäß der Erfindung zum Verbrennen von flüssigen^ gasförmigen oder pul-

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verförmigen Brennstoffen, im vollen Maßstab, Jigο 2 ein axialer Schnitt durch, einen Brenner mit einem Verbrennungsrohr in einer Ausführung, die in Pig. 1 gezeigt ist,

Jig. 5 ein axialer Schnitt durch einen Brenner nach der Erfindung in Anwendung auf eine Vorrichtung zum Erhitzen eines Wärmeaustauschmediuins und Fig. 4 ein Schnitt an der Linie IV-IV der Pig. 3.

Pig. 1 zeigt allgemein eine Brennkammer 1 mit einem Brenner 2 nach der Erfindung.

In herkömmlicher Weise ist die Brennkammer als ein Becher ausgebildet, der Brennkammerwände 3 und einen BrennkammerDoden 4 hat, welcher vorzugsweise etwas konkav oder konisch in Züchtung nach außen konvergierende ausgeführt ist. Im Boden 4 der Brennkammer befindet sich ein Einlaß für Luft, der durch mehrere Luftschlitze 5 gebildet ist, welche radial um die Mitte 6 der Brennkammer herum angeordnet sind und welche mit Eließleitflügeln 7 versehen sein können, die der einströmenden Verbrennungsluft eine rotierende Bewegung geben.

Der Brenner besteht aus einem Brennerrohr oder Verdampferrohr 8, das sich durch den Boden 4 der Brennkammer erstreckt, und dessen Jlündung 9 befindet sich im Innen der Brennkammer Das Verdampferrohr 8 besteht aus drei Rohrpartien, die in einem Winkel von etwa 90 miteinander verbunden sind. Die Sinlaßpartie 8a des Verdampferrohrs erstreckt sich axial in die Brennkammer durch deren Boden 4, und vom Ende der Einlaßpartie 8a erstreckt sich eine Zwischenpartie 3b unter einem Winkel von 90°, und von dieser Zwischenpartie erstreckt sich eine Auslaßpartie 8c, die unter einem v/eiteren Winkel von etwa 90 von diesem gebogen ist.

Am Einlaßende der Einlaßpartie 8a ist das Verdampferrohr mit

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einer Mischkammer 10 für Brennstoff und luft ausgeführt, und in diese Mischkammer 10 öffnen eine Brennstoffleitung 11 und eine Luftleitung 12. Wie am testen in Pig. 2 dargestellt ist, ist die Brennstoffleitung 11 mit einer Brenstoffquelle 15 über ein Regelventil 15 und eine Brenstoffpumpe 14 verbunden. Die Brennstoffquelle 15 kann ein Tank oder ein Behälter für flüssigen, gasförmigen oder pulverförmigen Brennstoff sein. In der jimlaßseite ist die Brennstoffpumpe 14 mit einer Rückleitung 16 mit einem Rückleitungsventil 17 verbunden, tan ein ständiges Laufen der Brennstoffpumpe 14 zu ermöglichen, gleichgültig, in welcher Position das Regelventil 13 sich befindet. Die Brennstoffpumpe 14 kann in relativ einfacher Ausführung vorgesehen sein, die einen relativ geringen Druck liefert, weil der Brenner nach der Erfindung keinen Brennstoff unter hohem Druck erfordert.

Die Luftleitung 12 ist ihrerseits mit einer Quelle zum Hervorrufen eines Luftstroms verbunden, beispielsweise eine Luftpumpe 18, wie sie in Pig. 2 dargestellt ist, und diese ist vorzugsweise mit einer Luftkammer 19 verbunden, aus der alle 7erbrennungsluft aufgenommen wird und von der ein kleiner Teil der Verbrennungsluft zur Luftleitung 12 abgezweigt wird. Die Luftpumpe -18 kann wie die Brenst off pumpe 14 in einfacher Ausfürung vorgesehen sein, weil der Brenner auch keinen hohen Druck der Luft benötigt.

Erfindungsgemäß wird etwas Luft mit Brennstoff in der Mischkammer 10 vermischt, ehe der Brennstoff in das "Verdampferrohr 8 gelangt, und es hat sich gezeigt, daß das Einleiten von Luft einen sehr guten Effekt hat, um für eine optimal gute Verbrennung mit geringem Gehalt an Kohlenmonoxid und Stickstoffoxiden zu sorgen. Das Einleiten von Luft in die Mischkammer 10 muß jedoch innerhalb bestimmter Grenzwerte liegen. Wenn Luft in die Mischkammer in einer Menge von bis zu 8 Gew.-% der Gesamtmenge an Verbrennungsluft eingeleitet wird, wird die Verbren-

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ständig verbessert, und der Gehalt an Kohlen- und Stickstoffoxiden wird verringert, wahrscheinlich deshalb, daß die eingeleitete Luftmenge die mechanische Zersetzung des Brennstofffs in kleine tröpfchen erleichtert und auch die thermischen jii'inflüsse auf den Brennstoff zum Verdampfen desselben erleichtert. Von einer Menge von 8 bis 15 Gew.-?o eingeleiteter Luft und darüber hinaus an kann nur eine wenig bessere Verbrennung beobachtet werden, wenn die Menge an eingeleiteter Luft jedoch einen Betrag von 15-20 Gew.-% erreicht, kann die Gefahr bestehen, daß das Brennstoff-luft-Gemisch bereits in dem Verdampferrohr entzündet wird, was zu einer Beeinträchtigung der Verbrennung und zur Gefahr der Überhitzung des Verdampferrohrs und damit einhergehenden Verbrennungsschaden führen kann. Die eingeleitete Luft kann eine niedrige {Temperatur haben, vorzugsweise die Temperatur der TJmgebungsluft, und dadurch unterstützt die Luft die Kühlung des Verdampferrohrs, um damit ein Überhitzen und Verbrennen des Rohrs zu verhindern. Wenn die Menge eingeleiteier Luft sich im Bereich des oberen Grenzwerts von 15 bis 20 Gew.-% befindet, besteht allerdings die Gefahr, daß die Luft für eine zu starke Abkühlung des ' Brennstoff-Luft-Gemisches sorgt, besonders bei hoher Leistung und einer hohen Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoff-Luft-Gemisches, was zu einer Beeinträchtigung der Verbrennung führt. Unter Berücksichtigung der Möglichkeit der Regelung des Brenners soll die Menge an eingeleiteter Luft zwischen 4 und 15 Gew.-^ oder vorzugsweise zwischen 8 und 12 Gew.-^ό liegen.

Versuche sind unternommen worden, bei denen die Verdampferrohre eine gerundete Wendepartie haben, es hat sich aber gezeigt, daß das zu einer weniger guten Verberennung führt,und gleichzeitig erhöht sich die Gefahr der Überhitzung des Verdampferrohrs an dessen Wendepartie. Es ist deshalb wichtig, daß das Verdampferrohr an scharfen Kanten umgebogen ist. Das Verdampferrohr kann jede geeignete Querschnittsform haben, vorzugsweise besteht es jedoch aus Rundrohr.

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Um für eine effektive Brennung zu sorgen, ohne daß die Gefahr einer 'überhitzung der Wände der Brennkammer besteht, wird die Verbrennungsluft axial durch den Boden 4 der Brennkammer 1 eingeleitet, und das Verdampferrohr 8 ist so angeordnet, daß dessen Auslaßpartie Sc sich axial und konzentrisch zur Achse 6 der Brennkammer erstreckt. Um die Gefahr der Überhitzung der Wände der ."Brennkammer weiter zu verringern, kann die Menge an Verbrennungsluft, die durch den Boden 4 der Brennkammer 1 eingeleitet wird, zum Durchströmen eines Labyrinths 21 veranlaßt werden, wie das in Pig. 2 dargestellt ist, wodurch die Verbrennungsluft im G-egenstrom au den Abgasen die Wände der Brennkammer 1 während ihres Rückstroms zum Boden 4 der Brennkammer abkühlt. In entsprechender Weise können auch die Abgase dadurch abgekühlt werden, daßfsie nach hinten in eine Abgaskammer 22 geleitet werden, wodurch das vom Brenner zu erwärmende Medium in einem Bereich an der Mündung der Brennkammer vorgesehen ist, so daß die heißen Verbrennungsgase durch das Medium geleitet werden, ehe sie in die Abgaskammer 22 gelangen.

In dem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in Pig. 3 gezeigt ist, ist die Brennkammer 1 als ein Kreiszylinder ausgebildet, der aus 1/änden 3 und einem Boden 4 besteht, in dem der Einlaß 5 für die Verbrennungsluft vorgesehen ist. Die Brennkammer muß so lang sein, daß die Verbrennung im wesentlichen beendet ist, wenn das Brennstoff-Luft-Gemisch die Brennkammer verläßt, und sie kann wie im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Beziehung von Länge zu Durchmesser von etwa 1:1 haben, je nach den Betriebsbedingungen kann diese Beziehung aber größer als oder kleiner als 1:1 sein. Der Lufteinlaß am Boden der Brennkammer ist durch mehrere Schlitze 6 gebildet, die Fließleitflügel 7 haben_s die vom Boden weggebogen sind»

Die Pließleitflügel 7 sind aus dem Boden der Brenfenkammer herausgestanzt, sind aber längs einer Kante 7a einstückig damit

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verbunden, und sie sind auf einen Winkel von etwa 25° vom Boden 4 der Brennkammer abgebogen. Im dargestellten Pail kann die ZaJiI der luft schlitze acht betragen, und zusammen mit den Pließleitflügein 7 bilden sie einen vvirbeleinlaß, mittels dessen der Luft eine Schrauben.bewecung verliehen wird, wenn sie den Einlaß passiert. Um den besten Luftstrom su erhalten, ist der Boden 4 der Brennkammer konisch nach außen um einen Kegelwinkel von etwa 140 divergierend ausgeführt, lim einen geräuscharmen Betrieb und die best-mögliche Verbrennung zu erhalten, können auch die Wände 3 der Brennkammer etwas in Richtung nach außen divergieren, beispielsweise um einen Winkel von 5 bis 10°.

Es hat sich gezeigt, daß die vorstehend genannte Zugabe von Luft zum Brennstoff, der durch die Brennstoffleitung 11 geht, besonders vorteilhaft bei flüssigen Brennstoffen ist, bei denen die Luftmenge weiter die Größe der Brennstofftropfen verringern hilft und dadurch die Verdampfung des Brennstoffs beschleunigt und verbessert. Die Verbrennungsluft wird von der Luftkammer 19 aufgenommen, die dichtend mit dem äußeren Ende der Brennkammer 1 verbunden ist und die mit einem Lufteinlaß versehen ist, durch den Luft mittels der Pumpe oder des Gebläses 18 über ein Regelventil 24 zugeleitet wird. Zwischen den iiänden 3 der Brennkammer und den äußeren Wänden 25 der Luftkammer 19 ist ein Ringraum gebildet, der in das Luftlab^rrinth 21 mittels eines Labyrinthkörpers 26 unterteilt ist, dessen Vfönde 27 sich in den Ringraum erstrecken und diesen in zwei im wesentlichen gleiche Teile unterteilen. Das äußere Ende des Labyrinthkörpers 26 befindet sich im Abstand vom 32n.de der Luftkammer 19, um ein Wenden der Luft vom äußeren Labyrinthteil 21a in den inneren LAByrinthteil 21b zu ermöglichen. Zwischen dem Boden 28 der Luftkammer 19 und dem Boden 29 des Labyrinthkörpers 26 ist die Lufteinlaßkammer vorgesehen, von der der Hauptteil der Luft in die Brennkammer durch die LabjTinthteile 21a bzw. 21b eingeführt wird, und ferner ist dort eine Atisdehnungskammer 30 vorgesehen, die

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zwischen dein Boden 4 der Brennkammer und dem Boden 19 des Labyrinthkörpers vorgesehen ist. Beim Passieren des äußeren Labyrinthteils 21a erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit der Luft, und die Strömungsgeschwindigkeit wird weiter erhöht, wenn die Luft den inneren labyrinthteil 21b passiert, Lind daraufhin verringert sich die Strömungsgeschwindigkeit in der Ausdehnungskammer 30, von der aus die Luft in die Brennkammer mit relativ geringer Geschwindigkeit durch die Luftschlitze 5 der Brennkammer geleitet wird.

Die Menge der Verbrennungsluft und des Brennstoffs wird durch die Yentile 15 bzw. 24 geregelt, und diese Ventile sind vorzugsweise durch eine gemeinsame Regelung 31 miteinander verbunden. Die einströmende Verbrennungsluft, die am Einlaß die Umgebungstemperatur hat, wird langsam während des Durchgangs durch den äußeren Labyrinthfließweg 21a erwärmt, und sie wird auf einen wesentlich höheren Wert weiter erwärmt, während sie durch den inneren Labyrinthfließweg 21b geht, und zur gleichen Zeit kühlt die Luft die Wände der Brennkammer im Gegenstrom zur Fließrichtung der Verbrennungsgase, weil die !Temperatur der Luft wesentlich niedriger als die Temperatur der Verbrennungsgase ist.

In einem speziellen Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Brennkammer einen Durchmesser von 107 mm, eine Länge von 115 mm hatte und 1,5 g flüssigen Brennstoffs durch das Verdampferrohr 8 pro Sekunde gepumpt wurden, was einer Leistung von 50 kW entsprach, wurde eine maximale Temperatur von etwa 2200⁰C in den Verbrennungsgasen erreicht, während die Verbrennungsluft am Einlaß 23 eine Temperatur von etwa 20°C und eine Temperatur in der Ausdehnungskammer 30- von 75O⁰C hatte. Wegen der Kühlung der Wände 3 der Brennkammer mittels der Verbrennungsluft konnte die Temperatur der Wände 3 wesentlich unter der kritischen Temperatur gehalten werden, die der Verzunderungstemperatur entspricht, weilche in diesem Pall 115O⁰C betrug. Wegen der effektiven Kühlung mittels der

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Verbrennungsluft und wegen des speziellen Einlaßstromverwirbelers am Boden der !Brennkammer konnte eine sehr hohe Leistung bei einem sehr geringen Volumen des Brenners erreicht werden.

In I¹Ig. 3 und 4 ist der Brenner mit einem Heizer 35 für Wasser, Gras, Luft oder einem anderen Hedium verbunden. Ein sehr spezieller Verwendungsbereich ist der von Heißluft- oder Heiß-,^asmotoren, bei denen die Betriebsluft oder das Betriebsgas schnell auf eine sehr hohes Temperatur erhitzt werden muß, und in diesem Pail ist der Heizer 35 als ein geschlossenes Luft- oder (faskanalsystem mit Wärmeaufnahmeröhren 36 ausgeführt, von denen nur vier gezeigt sind, und mit Kollektoren 37 versehen. Die Wärmeaufnahmeröhren 36 sind als Schlangen angeordnet, die sich axial unmittelbar außerhalb der Brennkammer 1 erstrecken, so daß die Verbrennungsgase zwischen den Wärmeaufnahmeröhren 36 durchfließen und durch einen Abgaskanal 39 abfließen können. Der Abgaskanal 39 ist zwischen den äußeren Wänden 25 der Luftkammer 19 und einem Abgasmantel 38 gebildet, der sowohl den Brenner 2 als auch den Heizer 35 umschließt. Die in Richtung nach hinten durch den Abgaskanal 39 strömenden Abgase werden im G-egenstrom zur Luft gekühlt, die den äußeren Labyrinthteil 21a passiert.

Um für eine Zündung des Brennst of f-Luft-G-emisches zu sorgen, wenn der Brenner kalt ist, ist eine Zündkerze 40 in der Brennkammer vor der Hündung 9 des Verdampferrohrs 8 vorgesehen, und die Zündkerze 40 ist in an sich bekannter Weise mit einer Stromquelle (nicht dargestellt) verbunden, um einen Zündfunken entstehen zu lassen· Alternativ kann der Zünder 40 in der Mischkammer 10 oder an irgendeiner anderen Stelle des Verdampferrohrs 8 sitzen. Eine Zündung kann auch dadurch hervorgerufen werden, daß die Luftmenge in bezug auf die Brennstoffmenge in einer solchen Beziehung erhöht wird, daß das Brennstoff-Luft-Gemisch entzündet wird.

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Die -vorstehend beschriebene Vorrichtung arbeitet bei niedrigem Druck des Brennstoffs und bei niedriger Strömungsgeschwindigkeit der Terbrennungsluft, und es ist deshalb möglich, einfache Pumpen 14 bzw. 1S zu bemitζen, und es gibt keine speziellen Dichtungsprobleme wie bei den bekannten Hochdrucksystemeen. In Abhängigkeit von dem relativ niedrigen Druck des Brennstoffs und der relativ geringen Strömungsgeschwindigkeit der Luft wird eine effektive SVerbrennung innerhalb einer kleinen Entfernung vom Ausströmungspunkt des Brennstoffs erreicht, und das eröffnet auch Möglichkeiten zur "Verwendung von pulverförmigen Brennstoffen wie Kohlepulver usw, Was auch wegen des relativ großen Innenbereichs des Verdampferrohrs ermöglicht wird.

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Claims

COHAUSZ & FLORACK

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PATENTANWÄLTE:
Dipl.-Ing. W. COHAUSZ · Dipl.-Ing. R. KNAUF ■ Dr.-Ing., Dipl.-Wirtsch.-Ing. A. GERBER · Dipl.-Ing. H. B. COHAUSZ

PÖBENIDE 5'13BIKSTEEKSIi
fullgatan 8

S-Esiklstuna 17. Februar 1978

Ansprüche

Verfahren sinn Verbrennen flüssiger, gasförmiger oder pulverförmiger Brennstoffe, dadurch. gekennzeichnet _t daß der Brennstoff oder ein Brennstoff= Luft-G-emisch einer becherförmigen Brennkammer (1) unter niedrigem Druck durch ein relativ großes Brennerrohr (8) zugeführt wird, derart, daß der Brennstoff während des Durchgangs durch das Brennerrohr (8).sowohl einer mechanischen als auch.einer thermischen Zersetzung dadurch unterzogen wird, daß dem Brennstoff eine bestimmte Menge Luft vor dem Einleiten in das Brennerrohr (8) zugeführt wird, wobei diese Luft mit dem Brennstoff im Brennerohr (8) gemischt wird, und daraufhin das Brennstoff -Luft-G-emi sch zum Boden (4) der Brennkammer (1) hin im Gegenstrom zu zusätzlicher Verbrennungsluft ausgestoßen wird, die durch Lufteinlass e (5) an dem Boden (4) der Brennkammer zugeführt wird und mit der das Brennstoff-Luft-Gemisch gemischt und verbreannt wird«

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß Luft in einer Menge von 4 bis 15 Gew.-^c/o, gerechnet auf der Basis der Gesamtmenge an Verbrennungsluft, dem Brennstoff zugeführt wird, ehe der Brennstoff in das Brennerrohr (8) eingeleitet wird.

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ORIGINAL INSPECTED

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η zeichnet , daß Luft in einer ilenge von 8 bis 12 3-ew.- ?3, .rerechnet auf der Basis der Gesamtmenge an Verbrennungsluft, den Brennstoff zugeführt wird, ehe der Brennstoff in das Bremierrohr (3) eingeleitet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3_t ö. a d u r c Ii ;'■ e I: e η η a e i c Ii η e t , daß Brennstoff und eine bestimmte i-ienge Luft in einer l'üscliicammer (10) gemischt werden, ehe das Brennstoff-Luft-Semisch in das Breimerrohr (8) eingeleitet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h

g eke ii η zeich net , daß Brennstoff und Luft im Brennerrohr (8) suia Vließen in mindestens drei aufeinanderfolgenden i'liefirichtungen gebracht v/erden, die nnter einem winkel zueinander liegen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß sowohl der Brennstoff als auch die Verbrennungsluft hinter niedrigem Druck zugeführt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d χι r c h g e k e η η ζ e i c h net , daß der Brennstoff und eine Menge Luft in ein Brennerrohr (8) eingeleitet werden, das dünne Wände hat und dessen Abmessungen derart sind, daß die Beziehung zwischen der ΰ-esamtfläche des Brennerrohrs (8) und dessen G-esamtvolumen 0,3 bis 0,8 oder vorzugsweise 0,55 bis 0,50 beträgt.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem Brennerrohr, das in eine Brennkammer öffnet, in die Verbrennungsluft eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß dies Brennerrohr (8) sich über einen erheblichen Seil seiner Länge in der Brenn-

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kammer (1) befindet, daß das Breimerrohr (8) um 180 umgewendet ist, daß das Einlaß ende des TBrennerrohrs (8) mit einer liischkammer (10) verbunden ist, der sowohl Brennstoff (11) als auch Luft (12) zugeführt werden, die dort vor dem jSintritt in das Brennerrohr (3) gemischt werden, und daß die Auslaßpartie (Sc) des Brennerrohrs sich koaxial zur Brennkaamner (1) in der axialen Kitte derselben erstreckt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß das Brennerrohr (8) dünne 'Wände hat und daß die Beziehung zwischen der (Je samt fläche des Brennerrohrs (8) und dessen Volumen 0,3-Qß oder vorzugsweise 0,35-0,50 beträgt.

10. Vorrichtung" nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet , daß der Lufteinlaß am Boden (4) der Brennkammer (1) im wesentlichen axial ist und mehrere Liiftschlitze (5) aufweist, die jeweils einen Fließleitflügel (7) haben, der der einströmenden Luft eine Schraubenbewegung verleiht.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn zeichnet , daß die Luftschlitze (5) radial vorgesehen sind und gleichmäßig über den Boden (4) der Brennkammer (1) verteilt sind und daß die FIießleitflügel (7) unter einem Winkel von etwa 25 vom Boden (4) der Brennkammer nach außen gebogen sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (4) der Brennkammer in Richtung nach außen um einen Kegelwinkel von etwa 140° divergiert.

13.. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch g. e k & η η ze i c h η e t , daß die Brennkammer

(1) von einer Luftkammer (19) umschlossen ist, aus der die Verbrennungsluft durch den Lufteinlaß (5) am Boden (4) der Brennkammer durchgeleitet wird.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß die Luftkammer (19) ein Ringraum (21) ist, der die Wände (3) der Brennakmmer (1) umschließt, und daß der Raum (21) in ein Fließlabyrinth durch einen Labyrinthkörper (26) unterteilt ist, der mit einer Y/and (27) im Ringraum (21) sitzt, mittels derer ein äußerer Labyrinthkanal (21a) und ein innerer Labyrinthkanal (21b) gebildet ist.

15« Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß die Luftkammer eine Einlaßluft aufnehmende Kammer (19) aufweist, die hinter der Brennkammer (1) vorgesehen ist und mit dem äußeren Labyrinthkanal (21a) verbunden ist, derart, daß die Verbrennungsluft zunächst durch den äußeren Labyrinthkanal (21a) und danach in den inneren Labyrinthkanal (21b) im G-egenstrom zu den Verbrennungsgas en in der Brennkammer (1) fließt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet , daß der Labyrinthkörper (26) eine Ausdehnungskammer (30) für die Verbrennungsluft bildet, die sich zwischen dem Labyrinthkörper (26) und dem Boden (4) der Brennkammer (1) befindet, wobei aus dieser Kammer (30) die Verbrennungsluft in den Lufteinlaß (5) der Brennkammer gelangt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Mischkammer (10) am Einlaßende des Brennerrohrs (8) außerhalb der Brennkammer (1) vorgesehen ist.

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