DE2854553C2

DE2854553C2 - Verbrennungsvorrichtung

Info

Publication number: DE2854553C2
Application number: DE2854553A
Authority: DE
Inventors: Yoshitaka Nara Kawasaki; Yoshimi Hirakata Osaka Ohmukai; Takeshi Katano Osaka Tomisawa
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1977-12-20
Filing date: 1978-12-18
Publication date: 1984-09-27
Also published as: DE2854553A1; GB2011060B; US4229159A; FR2412787B1; FR2412787A1; GB2011060A

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungsvorrichtung für flüssigen Brennstoff, mit einem Brennerkopf aus hitzebeständigem porösen Material zum kapillaren Ansaugen des flüssigen Brennstoffs und einem Verdampfungsabschnltt zum Verdampfen des flüssigen Brennstoffs, einer Verbrennungskammer zur Verbrennung des verdampften Brennstoffs, LuftzufOhrvorrlchtungen zum Verdampfungsabschnitt und zur Verbrennungskammer sowie einer Vorrichtung zur Regelung der Luftzufuhr.

Um einen sehr guten Veibrennurigswirkungsgrad bei sauberen Abgasen mit einem verringerten Gehalt von Kohlenmonoxid oder Verbrennungsrückständen zu erreichen und dadurch einen hohen Wärmeaustauschwlr-

kungsgrad sicherzustellen. Ist es wünschenswert, einen konstanten Luftüberschuß aufrechtzuerhalten. Wenn jedoch der Heizwert stufenlos variiert wird. Ist es außerordentlich schwierig und meist undurchführbar, einen

Im wesentlichen konstanten Luftüberschuß ungeachtet der Änderungen Im Heizwert aufrechtzuerhalten.

Bei der aus der nicht vorveröffentlichten jedoch zum Stand der Technik zu zählenden DE-OS 28 25 683 bekannten Verbrennungsvorrichtung der eingangs genannten Art dient ein poröser Körper zum /Irsaugen des Ji) Brennstoffs in einen Verdampfungsabschnitt an seiner Oberseite. Den porösen Körper durchsetzende Luftkanäle münden Im Verdampfungsabschnltt, das Brennstoffdampf-Luftgcmlsch wird in einer geradwanJlgen Kammer verbrannt. Diese bekannte Verbrennungsvorrichtung gesputet aber noch keine hinreichend saubere Verbrennung unter wechselnden Betriebsbedingungen.

Aufgabe der Erfindung Ist es daher, eine Verbrennungsvorrichtung für flüssigen Brennstoff der eingangs genannten Art zu schaffen, die mit einfachen Mitteln bei weitgehend ruß- und kohlenmonoxldfreler sauberer Verbrennung eine stufenlose Veränderung des Heizwertes gestattet.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Verbrennungsvorrichtung mit den Im kennzeichnenden Teil des Anspruchs genannten Merkmalen ausgestattet.

Weitere bevorzugte Ausbildungen sind In den Unteransprüchen 2 bis 4 beschrieben.

Die Vorrichtung arbeitet auch bei niedrigen Heizwerten langfristig stabil und ohne Bildung teerartiger Verbrennungsrückstände oder Rußablagcrungen.

Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Verbrennungsvorrichtung anhand der beigefügten Zeichnungen welter erläutert.

Es zeigt
5* Flg. 1 einen Teilschnitt einer ausführungsgemäßen Verbrennungsvorrichtung;

Flg. 2 diagrammatisch das Verhältnis der Gcsaml-Luftflußratc zum Heizwert und dem Luftüberschuß;
Flg. 3 diagrammatisch das Verhältnis des Heizwertes zur COi- bzw. CO-KonzentraClon Im Abgas;
Flg. 4 diagrammatisch das Verhältnis des Heizwertes zum Äqulvalen'-Verhällnls der Primärluftzufuhr zur Brennstoff-Verdampfung und
'·') Flg. 5 diagrammatisch die Wirkung eines Verengungsabschnltts auf den Heizwert.

Flg. 1 zeigt einen Brennerkopf 1 aus hlizcbeständlgem porösen Material, der In seinem oberen Bereich einen Vcrdampfungsabschnltl Γ aufweist und von durchgehenden Kaplllarkanälon durchsetzt Ist. Ein Ansaugtcll 2

steht mit seinem unteren Bereich In einem Brennstoff-Zufuhrkanal 3 mit flüssigem Brennstoff und mit seinem oberen Bereich mil dem Brennerkopf 1 In Berührung, um diesem Brennstoff zuzuführen. Eine Brennsloff-

'·■'· Zuführleitung 4 kommuniziert mit dem Brcnnstoff-Zufuhrkanal 3.

Bei dieser Ausfuhrungsform wird flüssiger Brennstoff von einem nicht dargestellten Brennstofftank durch Schwerkraft, eine Pumpe oder eine ähnliche, nicht dargestellte Vorrichtung dem Zufuhrkanal 3 und dann durch die Kapillarwirkung dem V'mlamplungsabschnllt Γ des Brennerkopfes I zugeführt. Die Brennstoffzuführung

Inschlleßlich des nicht dargestellten Brennstofftanks, der Pumpe oder einer ahnlichen Vorrichtung muß für Vnderungen Im Heizwert ausgelegt sein, so daß beispielsweise bei einem niedrigen Heizwert ein Oberschuß an Jrennstoff nicht In einen unerlaubten Bereich gelangt oder nach außen überfließt. So kann beispielsweise die Jrennstoff-Zuführung so ausgelegt werden, daß sie den Brennstoff In einer dem höchsten Heizwert entsprechenlen Rate zuführt, wobei ein eventueller Überschuß an Brennstoff In den Brennstofftank zurückgeführt wird, s verschiedene andere Anordnungen sind ebenfalls verwendbar.

Flg. 1 zeigt weiterhin eine Luftzuführleitung 5, einen Luftströmungsregler 6, ein Paar gegenüberliegender Luftkammern 7, primäre Zufuhröffnungen 8 zum Einfahren von Primärluft In eine Primär-Verbrennungskamnier 10 und sekundäre Zufuhröffnungen 9 zum Einführen von Sekundärluft in eine Sekundär-Verbrennungstammer 11. Die Luft wird durch ein nicht dargestelltes Gebläse In die Verbrennungsvorrichtung mit der äewünschten Flußrate eingeführt, die durch den Luftströmungsregier 6 einstellbar ist. So wird die Verbrennungsluft aufgeteilt den Verbrennungskammern 10 und 11 zugeführt.

Die Mengen der in d'.e Primär-Verbrennungskammer 10 und die Sekundär-Verbrennungskammer 11 fließenden Luft sind durch die Form, die Abmessungen und die Lage der primären und der sekundären Luftzufuhröffnungen 8 und 9 bestimmt. i>

Ein Verengungsabschnitt 12 verbindet die Prfmär-Verbrennungskammer 10 und die Sekundär-Verbrennungskammer 11; das Bezugszeichen 13 bezeichnet eine Abgasleitung.

Die durchgezogenen Pfeile in F1 g. 1 bezeichnen die Zuführrichtungen für Luft, der gestrichelte Pfeil für Brennstoff.

Bei dem oben beschriebenen Aufbau 1st der Gesamtheizwert durch Einstellen der Primärluftzufuhr steuerbar. Die Verdampfungsrate des flüssigen Brennstoffs ist im wesentlichen proportional dem Untersrh'.ed zwischen dem Dampfdruck des flüssigen Brennstoffs und dem Dampfdruck der Gasphase nahe dem Vercisrnpfungsabschnltt 1', der Dampfdruckunterschied 1st üt;r die Flußrate der Primärluft steuerbar. So 1st die Verdampfungsrate des Brennstoffs und damit der Heizwert durch Einstellen der Primärluftzufuhr steuerbar.

Dafür sind folgende Merkmale notwendig:

1) die Brennstoffzufuhr zum Verdampfungsabschnitt 1' muß ungeachtet eventueller Änderungen Im Heizwert jederzeit In Übereinstimmung mit dem Heizwert (d. h. der Verdampfungsrate des Brennstoffs am Verdampfungsabschnitt Γ) stehen.

2) die Zufuhrkapazität für Brennstoff zum Verdampfungsabschnitt Γ muß jederzeit dem maximalen Heizwert ^M entsprechen;

3) der Im Brennerkopf 1 enthaltene flüssige Brennstoff darf keinesfalls, beispielsweise In die Primär-Verbrennungskammer 10, überfließen und

4) die Kapillarkanäle des Brennerkopfes 1 müssen frei von Staub, Teer oder anderen Ablagerungen bleiben, da eine Verstopfung zu zu niedriger Brennstoffzufuhr führen würde.

Der Verdampfungsabschnitt Γ muß, um den flüssigen Brennstoff zurückzuhalten,

1) eine hohe Hitzebeständigkeit bei relativ geringer thermischer Leitfähigkeit und

2) eine große, die Verdampfung des flüssigen Brennstoffs erleichternde Oberfläche aufweisen. «

Diese Eigenschaften weist der erfindungsgemäße Brennerkopf auf.

Da Primärluftzufuhr und Sekundärluftzufuhr zugleich gesteuert werden. Ist das Verhältnis der Gesamt-Luftflußrate zur Verdampfungsrate des Brennstoffs selbst bei einer Änderung des Heizwerts Im wesentlichen konstant, so daß die Kohlenmonoxldkonzentratlon Im Abgas dabei auf einem sehr niedrigen Wert gehalten ** werden kann. Der Brennerkopf 1 (Flg. 1) weist die In den Flg. 2 und 3 diagrammatisch dargestellten Eigenschaften auf. In Flg. 2 zeigt die Kurve A_x daß der Heizwert etwa proportional zur Gesamt-Luftflußrate ist und Kurve B, daß der zugehörige Luftüberschußfaktor »«« Im wesentlichen konstant Ist. Flg. 3 zeigt, daß die CO-Konzentratlon Im Abgas über einen weiten Bereich des Heizwertes, wie Ihn Kurve A zeigt, sehr niedrig Ist und weiterhin, daß die C0₂-Konzentratlon (Kurve B) Im wesentlichen konstant bleibt. Über den gesamten Bereich ^so der Heizwerte treten keine festen Verbrennungsrückstände auf.

Um den Verdampfungsabschnitt 1' In die Lage zu versetzen, über einen längeren Zeitraum die obigen Eigenschaften aufrechtzuerhalten, muß er von teerartigen Substanzen freigehalten werden. Zusätzlich soll für einen eventuellen Austausch oder eine Wartung der Brennerkopf 1 „briehmbar sein. Falls Brennstoffe nicht unter geeigneten Bedingungen gelagert werden, können sich teerartige Substanzen In dem Brennstoff bilden und sich in dem Verdampfungsabschnitt Γ sammeln. Die mcteten davon sind Substanzen mit hohem Siedepunkt, die bei partieller Zersetzung des Brennstoffs entstehen. Derartige Substanzen vergrößern Ihr Molekulargewicht Im Laufe der Zelt, wandeln sich in Substanzen mit höherem Siedepunkt um, setzen Wasserstoff frei und werden schließlich koksartig.

Im Hinblick auf diese Erscheinungen wurde In einer Reihe von Versuchen gefunden, daß die Bildung teerartl- ^⁰ ger Substanzen durch die Verwendung eines speziellen Materials für den Verdampfungsabsehnlu Γ verhindert werden kann; daher besteht dieser vorzugsweise aus Slllclumdloxld/Alumlnlumoxld, Aluminiumoxid, Mugneslumoxld/Slllclumdloxld, Zeollth, Magnesiumoxid und/oder Nickeloxid.

Die Versuche werden welter unten an Hand der Tabelle beschrieben. Die aufgeführten Teermengen sind als prozentuales Verhältnis der Peakfläche von Teer eines Gaschromatogramms ru der gesamten Peakfläche von " Teer und Kerosin angegeben, was etwa dem gebildeten Teer entspricht.

Obwohl viele andere Materlallen ausprobiert wurden, die, wie beispielsweise Kupferoxid, zur Bildung noch größerer Teermengen führten, sind die Ergebnisse für derartige Versuche nicht aufgeführt. Das Material wurde

In Form von Partikeln, feinen Fasern oder Körnern verwendet. Im wesentlichen das gleiche Ergebnis wird erreicht, wenn ein poröser Körper verwendet wird.

Muterlaliyp

Zusammensetzung

Teermenge

übliche Arten	20% Kunstfaser, 80% ßorosllikalglas
Siliciumdioxid/	(I) 85-90% SlO₂, 2-5% AI₂O,, CaO Na₂O, K₂O
Aluminiumoxid
Siliciumdioxid/	(2) 73-54% SlO,. 8-13% AI₁O₁, Fe₂Oi. MgO
Aluminiumoxid
Siliciumdioxid/	(3) 49,3% SlO,. 50.1% ΑΙ,Ο,
Aluminiumoxid
Siliciumdioxid/	(4) 48% SlO₂. 52¹J. ΑΙ,Ο,
Aluminiumoxid
Siliciumdioxid/	(5) 37,1% SIO,, 62.9% AI₂O₁, TlO,, Fc₂O₁. CaO
Siliciumdioxid/	(6) 84,1% SlO₂, 15.9% ΑΙ,Ο,
Aluminiumoxid	(Oberfläche: 400 mVg)
Siliciumdioxid/	(7) wie oben, lediglich mit vergrößcrier Korngröße
Aluminiumoxid	(Oberfläche: 540 mVg)
Siliciumdioxid/	(8) wie (6)
Aluminiumoxid	(Oberfläche: 450 mVg)
Siliciumdioxid/	(9) wie (7)
Aluminiumoxid	(Oberfläche: 600 mVg)
Siliciumdioxid/	(10) 12% SlO₂, 88% Al₂O,
Aluminiumdioxid
Aluminiumoxid	(I) dehydrallslertes AI₂Oi · χΙΙ,Ο
	(Oberfläche: 160 mVg)
Aluminiumoxid	(2) wie oben, jedoch mit vergrößerter Korngröße
	(Oberfläche: HO mVg)
Aluminiumoxid	(3) 94.1% Al₂O,
Magnesiumoxid/	(I) 18,2% MgO. 81.3% SiO;
Siliciumdioxid	(Oberfläche: 12OmVg)
Magnesiumoxid/	(2) wie oben, jedoch mit vergrößerter Korngröße
Siliciumdioxid	(Oberfläche: 120 mVg)
Nickeloxid	(1) MgO. NlO
	(2) AI₂O₁. NIO
	(3) SlO₂, AI₂O₁. NlO
Zeollth	(I) CaAIjSl₁₀O₂₄ · 7H,O(H-AktivitSl>
Zeoliih	(2) Na₂O- AI₂O, -9.3SlO₂
Zeolith	(31 i Na₂O-J³K₂O AI₂O, ■ 2SlO, χΗ,Ο
Zeollth	(4) JNa₂O ;CaO AI₂O, ■ 2SIO₂ · xH₂O
Zeolith	(5) Na₁₁₁(AlOj)₁₆(SlO₂J₁₀₁, ■ 276H₂O
Zeolith	(6) (Na.K)jCaAI₄Sl2o0₄, ■ 14H₂O
Bemerkune: Die genannten	Oberflächen umfassen die Außenoberflächc der Körner und c
Flächen.

4,086 3,942 1,830 2.911 0.199 3,473 0.264

0.219 0,160 0,197 0.112 0,123 0.072

η ι ^z

υ, 14CU 0,139

2.542 2,482 2.708 0,499 0.270 2.529

2,988

0,031 0,071

Innere Poren gebildeten

Die Tabelle zeigt, daß die Teerbildung In großem Ausmaße durch die Verwendung eines ausgewählten Materials für den Verdampfungsabschnitt Γ verhindert werden kann.

Während bisher hauptsächlich bestimmte Eigenschaften des Brennerkopfs 1 beschrieben wurden. Ist die Verbrennung ebenfalls In starkem Maße abhängig von Form und Aufbau des Brennerkopfes und der Prlmär-Verbrennungskammer 10 sowie von dem stöchlometrlschen Äquivalent-Verhältnis der Primärluftzufuhr zur Brennstoff-Verdampfung.

Fig. 4 zeigt den Einfluß des Verhältnisses verschiedener Eigenschaften auf die Änderung des Heizwertes. Mit A ist ein Gebiet bezeichnet, in dem die Konzentration des Kohlenmonoxlds Im Abgas 100 ppm übersteigt. Im Gebiet B verläuft die Verbrennung mit gelber Flamme und gibt bei einem unstabilen Verhältnis zwischen der Luftflußrate und dem Heizwert Ruß ab. Mit C ist ein Gebiet bezeichnet. In dem die gewünschten Heizwerte wegen ungenügender Verdampfung des Brennstoffs nicht erreichbar sind, wenn der Druckunterschied zwischen Luftkammer 7 und Sekundär-Verbrennungskammer 11 weniger als 10 mm Aq beträgt. Wenn der Druckunter-

schied größer als IO mm Aq Ist, kann der Brcnnsioff In einem Gebiet I) mit sauberer blauer nlchtrußender Flamme verbrennen, wobei die Kohlenmonoxklkonzcntratlon höchsicns 100 ppm betrügt. Wie ersichtlich gewährleistet, wenn das slöchlomelrlsche Äquivalent-Verhältnis der Primärluftzufuhr zur Brennstoff-Verdampfung zwischen 0,1 und 0,5 liegt, die Verbrennungs-Vorrichtung über einen weiten Bereich einen stufenlos varllerbaren Heizwert bei sauberer Verbrennung.

Der Verengungsabschnitt 12 In Flg. I zwischen den Verbrennungskammern 10 und 11 ermöglicht eine verbesserte Mischung des verdampften Brennstoffs mit der Sekundärluft Insbesondere bei niedrigen Heizwerten. Mit einer Vergrößerung seiner lichten Weite A In Flg. 1 verringert sich der Verbrennungswirkungsgrad bei nlyrlgen Heizwerten und das Abgas Ist stärker verunreinigt. Vorzugswelse weist der Verengungsabschnitt 12 eine ilchte Weite von höchstens 18 mm auf. Bei Abnehmen der lichten Weite nimmt der maximale Heizwert pro Längeneinheit der gesamten Verbrennungskammer In Längsrichtung ab, wodurch unerwünschterweise eine längere Brennkammer notwendig wird, um den erwünschten maximalen Heizwert zu erhalten. Flg. S zeigt die Änderungen des Heizwerts mit der lichten Weite des Verengungsabschnitts 12, wenn die gesamte Verbrennungskammer eine Länge von 100 cm besitzt. Die Kurve A stellt die Heizwerte dar, wenn die Kohlenmonoxldkonzentratlon des Abgases über 100 ppm liegt. Die Kurve B zeigt die Heizwerte, wenn der Druckunterschied zwischen den Luftkammern 7 und der Sekundär-Verbrennungskammer 11 10 mm Aq beträgt. Die Darstellung zeigt, daß der Verengungsabschnitt 12 vorzugsweise eine Ilchte Weite von etwa 9 mm haben sollte. Lichte Welten größer als 18 mm erscheinen ungeeignet. Eine sehr kleine Ilchte Weite Ist ebenfalls unökonomisch, wäre dennoch für spezielle Anwendungen verwendbar, bei denen sehr geringe Heizwerte erwünscht sind.

Vorzugsweise erstrecken sich die gegenüberliegenden Seitenwande, die die LuitzufuhrölTnungen 9 aulweisen. In Strömungsrichtung gesehen unterhalb des Verengungsabschnitts 12 nach außen winklig auseinander. Wenn die gegenüberliegenden Wände parallel zueinander liegen, bildet die Sekundärluftströmung einen Luftvorhang, der den Durchfluß des Fluids aus der Prlmär-Verbrennungskammer 10 zur Sekundär-Verbrennungskammer 11 beeinträchtigt. Der Winkel B (Flg. 1) liegt vorzugsweise etwa bei 80°, wobei er mit der Flußrate der Sekundärluft leicht variierbar ist.

Die Luftzufuhröffnungen 9 führen einander gegenüberliegend angeordnet dazu, daß die gegenüberliegenden Sekundärluftströme einander beeinträchtigen, wodurch gelbe rußende Flammen entstehen. Deshalb sind die Luftzufuhröffnungen 9 vorzugsweise gegeneinander versetzt.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verbrennungsvorrichtung für flüssigen Brennstoff, mit einem Brennerkopf (1) aus hitzebeständigem porösen Material zum kapillaren Ansaugen des flüssigen Brennstoffs und einem Verdampfungsabschnitt zum

-' Verdampfen des flüssigen Brennstoffs, einer Verbrennungskammer zur Verbrennung des verdampften Brennstoffs, Luftzuführvorrichtungen zum Verdampfungsabschnitt und zur Verbrennungskammer sowie einer Vorrichtung zur Regelung der Luftzufuhr, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennerkopf (1) durchgehende Kaplllarkanäle mit einem Durchmesser von höchstens 100 μ enthält, eine durch diese bedingte Porosität von mindestens 25% aufweist und zur Ansaugung von mindestens 0,001 g flüssigem Brennstoff pro cm' und Minute auf eine Höhe von 70 mm ausgelegt Ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der Verdampfungsabschnitt (1') des Brennerkopfes (1) um Im wesentlichen aus Sillclumdioxld/Alumtniumoxld, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid/Slllclumdioxld, Zeollth, Magnesiumoxid oder Nickeloxid besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, mit einer Primär-Verbrennungskammer UO), einer dieser In Strömungsrlchtung nachgeschalteten Sekundär-Verbrennungska;Timer (11) und in deren Wandungen angeordneten LuftzufuhröiTnungen (8 bzw. 9) zum Einführen von Primärluft In die Prlmär-Verbrennungskammer und Sekundärluft In die Sekundär-Verbrennungskammer, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennerkopf (1) mit seinem Verdampfungsabschnitt (Γ) In die über einen Verengungsabschnitt (12) mit der Sekundär-Verbrennungskammer (11) verbundene Primär-Verbrennungskammer (10) aufgenommen Ist und der Brennerkopf (1) und die PrlnvS Verbrennungskammer (10) auf ein stöchlomctrlsches Äquivalentverhältnis der Primärluftzufuhr zur Brennstoff-Verdampfung am Verdampferabsehnitt (1) zwischen QJ und 0,5 ausgelegt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verengungsabschnitt (12) eine lichte Weite von höchstens 18 mm und vorzugsweise etwa 9 mm aufweist.