-
Brenneranordnung für nahezu stöchiometrische Verbrennung
-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Brenneranordnung, bei der ein
flüssiger, zerstäubter Brennstoff und Verbrennungsluft zusammengeführt werden und
bei dem der Luftbeiwert n für das zu verbrennende Gemisch in der Nähe des stöchiometrischen
Verhältnisses, vorzugsweise 0,8 = n = 1,2, gehalten wird.
-
In der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung P 28 28
319.4 ist ein Brenner beschrieben, der keine Zerstäubungsdüse für den Brennstoff
besitzt. Vernebelung und Vergasung finden unter weitgehender Zerschlagung der Brennstoffteilchen
in einem begrenzbaren Volumen statt.
-
Der Brenner der Stammanmeldung bedient sich dazu eines Brennverfahrens,
gemäß dem die Luft so geführt ist, daß sie innerhalb der MZK einen Zyklon ausbildet,
wobei der Brennstoff im Bereich der Achse des Zyklons eingeleitet, vorzugsweise
angesaugt wird.
-
Unter "Zyklon" wird hierbei eine Luftbewegung verstanden, die kreisförmig
ist, wobei aufgrund der Fliehkräfte eine geringfügige Luftverdichtung zum Rand der
Mischkammer hin erfolgt. Aufgrund dieser Luftführung ergibt sich ein Unterdruck
im Inneren des Zyklons, der dazu benutzt wird, den Brennstoff anzusaugen. Der Brenner
benötigt demnach grundsätzlich keine Brennstoffpumpe. Es ist lediglich erforderlich,
daß der Brennstoff im Bereich der Achse des Zyklons eingeleitet wird, da hier der
Unterdruck erfahrungsgemäß seinen Höchstwert erreicht.
-
Der eingeführte Brennstoff wird durch die Turbulenzen innerhalb der
Luftbewegung sofort zerrissen und in feinste Teilchen aufgeteilt und bei entsprechenden
Temperaturverhältnissen rußfrei verbrannt.
-
Die Brenner anordnung zur Durchführung des genannten Verfahrens besitzt
eine Eintrittsöffnung für den Brennstoff, der die von einem Mantel umschlossene
Misch-und Zerstäubungskammer nachgeordnet ist. Die Öffnung bzw. die Öffnungen zur
Zuführung der Verbrennungsluft sind in den Mantel der MZK eingearbeitet und gestatten
eine Luftführung, bei der sich, wie bereits erwähnt, ein Zyklon innerhalb der MZK
ausbildet. Im einzelnen wird auf die (nicht vorveröffentlichten) Unterlagen
der
Stammanmeldung verwiesen, in der weitere Einzelheiten des Betriebes und Aufbaus
der Brenneranordnung gemäß Stammanmeldung erläutert sind.
-
Die genannte Brenneranordnung eignet sich aufgrund ihrer Daten und
Eigenschaften vornehmlich dazu, für Haushaltsbrenner eingesetzt zu werden, die nur
einen geringen Heizölverbrauch haben. Beispielsweise werden für Einfamilienhäuser
sogenannte Kleinstbrenner gefordert, die einen Ölverbrauch in der Größenordnung
1 - 3 kg öl pro Stunde aufweisen. Bei entsprechender Verkleinerung der Düse und
Anpassung der übrigen Maße ist ein Brenner nach dem Prinzip der Stammanmeldung zu
bauen, der funktioniert.
-
Es zeigt sich jedoch, daß das Gemisch aus zerstäubtem Öl und Verbrennungsluft
im Bereich des stöchiometrischen Verhältnis relativ schwer zu zünden ist. Erst wenn
das Gemisch angereichert ist mit einem erhöhten Anteil an Öl, ist eine Zündung des
Gemisches durch eine Zündkerze, bei der sich zwischen zwei Elektroden ein Funken
ausbildet, möglich. Die Schwierigkeit, sogenannte Blaubrenner zu zünden, die im
Betrieb mit einem stöchiometrischen Verhältnis von Brennstoff und Luft arbeiten,
werden bei bekannten Brennern dadurch gelöst, daß durch
eine Klappensteuerung
mit Hilfe eines Stellmotors zunächst die Luftzufuhr gedrosselt wird, so daß ein
"fetteres" Brennstoff-Luft-Gemisch an der Zündvorrichtung vorbeistreichen kann (DE-OS
2 700 671 Die Brenneranlage wird jedoch verteuert, der Betrieb komplizierter und
insbesondere das Wiederanzünden nach einem mißlungenen Startversuch schwieriger,
wenn ein Brenner mit einer derartigen Anordnung für die Regelung der Startluft versehen
ist. Ein weiterer Nachteil ist, daß bei einem mißlungenen Startversuch dann, wenn
dieser nicht auf einem Fehlen von Brennstoff beruht, auch eine große Menge von Ruß
und gecrackten Produkten freigesetzt wird, die die Brennkammer stark verschmutzen
können.
-
Es stellt sich daher für eine Brenneranordnung der eingangs genannten
Art die Aufgabe, die Zündung zuverlässig einzuleiten, wobei von Anfang an das Brennstoff-Luft-Gemisch
praktisch stöchiometrisch sein soll, ohne daß komplizierte Zusatzeinrichtungen erforderlich
sind.
-
Mißlungene Startversuche bei vorhandenem öl sollen praktisch ausgeschlossen
sein, da hierdurch eine erhebliche Verschmutzungsgefahr hervorgerufen wird.
-
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß
als Zündvorrichtung
ein beheizbarer Glühkörper im Strom des unverbrannten Brennstoff-Luft-Gemisches
angeordnet ist.
-
Überraschenderweise hat es sich gezeigt, daß bekannte Elektrodenzündkerzen,
auch solche mit Lyra-Elektroden, offensichtlich wegen zu kurzer Zündzeiten, wegen
geringer Energieübertragung oder wegen eines zu kleinen örtlichen Zündbereiches
ein brennstoffarmes Gemisch nicht oder nur sehr unzuverlässig zünden können.
-
Wird dagegen ein Glühkörper eingesetzt, der vorzugsweise als Drahtwendel
oder Zündspirale ausgeführt ist, so kann das Gemisch an einem solchen Körper vorbeistreichen,
wobei die Verbrennungsreaktionsofort einsetzt, wenn Brennstoff der Luft zugemischt
wird. Fehlzündungen werden paktisch überhaupt nicht beobachtet. Offensichtlich sind
Glühkörper als Zünder besonders gut geeignet, da sie auf einer relativ kleinen Fläche
eine große Menge an Wärme an das Brennstoff-Luft-Gemisch örtlich übertragen können,
so daß die Verbrennung zuverlässig eingeleitet wird.
-
Der Einschaltvorgang des Brenners vollzieht sich in mehreren Schritten:
a)
Die Luftzufuhr wird eingeschaltet und die Brennkammer vorgespült. Anschließend wird
der Glühkörper erwärmt, wobei die Luftzufuhr eingeschaltet bleibt. Die Brennstoffzufuhr
ist noch unterbrochen.
-
b) Nach Ablauf einer Aufheizzeit, bei der die Abkühlungsrate des Glühkörpers
durch die Luft berücksichtigt ist, wird ein Brennstoffventil geöffnet und der Brennstoff
der Luft - im endgültigen Verhältnis - zugemischt. Es kommt unmittelbar darauf zur
Zündung, wenn die Oberflächentemperatur des Glühkörpers zu diesem Zeitpunkt reichlich
über der Zündtemperatur liegt, d.h. etwa die Temperatur von 8000C erreicht hat.
Die Einleitung des Zündvorgangs ist ein sehr komplexer Vorgang. Offensichtlich muß
örtlich eine Energieübertragung kontinuierlich über längere Zeit auf das Brennstoff-Luft-Gemisch
einwirken, damit es zur Einleitung der Brennreaktion kommt. Öltröpfchen, die auf
die Oberfläche des Glühkörpers treffen, verdampfen dort und ergeben im Bereich der
heißen Oberfläche ein besonders zündwilliges Gemisch.
-
c) Sobald die Zündung erfolgt ist, wird über einen Zündüberwacher,
beispielsweise einen Ionisationsfühler, der Brennzustand angezeigt und der Zündstrom
ausgeschaltet.
-
Der Glühkörper kühlt ab.
-
Bei der Brennerkonstruktion der Stammanmeldung wird vorzugsweise die
MZK so konstruiert, daß sie querschnittsgleich
von Anfang bis
Ende ist. Die eine Stirnseite wird von der Stirnwand begrenzt, in der sich auch
der oder die Eintrittsöffnungen für den Brennstoffstrahl befinden. Es hat sich als
vorteilhaft erwiesen, die Glühspirale oder den Glühdraht in Form eines Bogensegmentes
mit einem Öffnungswinkel zwischen 30 und 33,00 in kurzem Abstand von der öffnung
der MZK anzubringen. Dabei wird die Öffnung der MZK teilweise eingerahmt von dem
Glühkörper.
-
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den Glühkörper oder
die Zündspirale in einem Abstand zwischen 5 und 30 mm von der Stirnseite der Brennkammer
entfernt anzuordnen.
-
Bei waagerecht liegender MZK ist es vorteilhaft, den Glühkörper bzw.
die Glühspirale unterhalb der Öffnung der MZK anzubringen, so daß evtl. abtropfende
oder nach unten fallende größere öltröpfchen direkt auf die Spirale fallen und dort
zusätzlich zu dem Zerstäubungseffekt auch noch verdampfen können.
-
Der Glühkörper wird allgemein so angebracht, daß er von dem turbulent
aus der MZK austretenden Gemisch-Strahl möglichst intensiv durchsetzt wird, ohne
voll
im Kern oder in der Achse dieses Strahls zu liegen. Vorteilhaft
ist es, ihn benachbart zu der Öffnungskante der MZK anzubringen, da bekannt ist,
daß sich an der Kante Abrißwirbel bilden. Wird die Kante abgerundet, damit aufgrund
des Coanda-Effektes der Weg der Strömung aus der Achsenrichtung herausgetragen wird,
so ist dieser Strömungsausbildung ebenfalls leicht die Anbringung des Glühkörpers
anzupassen. Bei einer solchen Kantenabrundung bildet sich ein Flammenkegel mit einem
Öffnungswinkel zwischen 90 und 1800 aus. Es wird vorgeschlagen, daß sich der Glühörper
in diesem Falle an die Stirnwand anschmiegt bzw. in einer Nut eingepaßt liegt.
-
Üblicherweise liegt der Glühörper bzw. die Zündspirale in dem zwischen
MZK und Flammenfront liegenden, relativ kühlen Bereich der im Betrieb befindlichen
Brenneranordnung. Hierdurch wird einmal gewährleistet, daß vor Beginn der Verbrennung
das aus der MZK tretende Gemisch gut mit dem an der Öffnung liegenden Glühkörper
in Kontakt kommt. Nach Einleiten des Zündvorgangs und Abschalten des Heizstroms
liegt der Glühkörper dann praktisch außerhalb der Flammenfront und wird nur mäßig
erwärmt, so daß er eine lange Lebensdauer hat.
-
Der Glühkörper besteht vorzugsweise aus Keramik oder aus einer verzunderungsamen
legierung, so daß er nicht oder kaum verzundern kann. Die Form des Glühkörpers kann
sehr verschieden sein. Er soll schnell zu erwärmen sein und eine gut wärmeabgebende
Oberfläche besitzen. Es können keramische, kegelförmige Glühkörper mit innenliegender
Heizspirale, elektrisch beheizbare Bänder oder Wendel oder auch Plättchen verwendet
werden. Eigenartigerweise reicht schon eine relativ kleine Fläche aus, wenn sie
während des Zündvorganges kontinuierlich auf eine Temperatur von ca. 8000 C gehalten
werden kann.
-
Die Beheizung kann selbstverständlich auch durch Induktion, HF-Erhitzung
oder verwandte Verfahren geschehen.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt.
Die Figuren zeigen: Figur 1 eine Brenneranordnung gemäß Erfindung; Figur 2 ein Detail
der Brenneranordnung gemäß Figur 1; Figur 3 eine Schnittansicht gemäß Linie III
... III der Figur 2.
-
In der Figur I ist eine Ausführungsform einer Brenneranordnung
dargestellt.
Der Brennstoff, üblicherweise Heizöl EL mit einer Viskosität von etwa 5 cSt bei
200 C wird von einem Vorratsbehälter 31 über eine Leitung 32 dem eigentlichen Brenner
zugeführt. Zwischen Vorratsbehälter und Brenner ist ein Schwimmerregler 33 eingebaut,
der für einen ste-ts gleichen Druck zwischen Brenner-Brennstoffeintritt und Niveau
des Schwimmerreglers 33 sorgt.
-
Damit ist für die Proportionalität zwischen Unterdruck und Menge an
Brennstoff in der Zeiteinheit gesorgt. Die Leitung 32 endet in einer Bohrung 34,
welche mit einer verschließbaren weiteren Bohrung 30 in Verbindung steht.
-
Die Verschlußbohrung 30 kann mit Hilfe einer steuerbaren Ventilnadel
60 geöffnet und verschlossen werden. Die weiteren Einzelheiten des Verschlußmechanismus
sind in der Stammanmeldung in allen Einzelheiten dargesellt und brauchen hier nicht
näher erörtert zu werden.
-
Der flüssige Brennstoff tritt aus der Eintrittsöffnung 30 in eine
Misch- und Zerstäubungskammer 43 ein, die von einem zylindrischen Mantel umgeben
ist, in den in Achsenrichtung hintereinanderliegend zwei Kränze von Lufteinlaßbohrungen
44, 44' enden. Vorzugsweise ist die Mischkammer so ausgelegt, daß sie querschnittsgleich
von der Düse bis zur Mündung ist. Diese Bohrungen sind von der Austrittsöffnung
der Bohrung 30 vorzugsweise
etwa 5 und 8 mm entfernt, gemessen
von einer Projektion des Zentrums der Bohrungen 44, 44' auf die Achse der Kammer
43.
-
Wesentlich ist, daß die Bohrungen 44, 44' so liegen, daß die Luft
wenigstens einer der Kränze bei Eintritt in die Mischkammer in einem Winkel von
10 - 600 in Abweichung von der Normalen-Richtung geführt ist. Die Luft wird demnach
tangential an der Peripherie eines innerhalb der Mischkammer 43 gedachten Kreises
geblasen. Die Luft gelangt an die Düsen 44, 44' über einen ringförmigen Kanalraum
36, der um die Achse der Misch-und Zerstäubungskammer 43 herum angeordnet ist und
über eine Luftleitung 37 über einen Ventilator 40 mit Luft beschickt wird. Eine
Stirnwand 51 bildet den Abschluß eines üblichen Heizkessels, der mit den üblichen
Austauscherrohren (nicht dargestellt) und Seitenwänden 52 ausgestattet ist. Aufgrund
der guten Zerstäubung, Vermischung und Vergasung und anschließender Verbrennung
unter nahezu stöchiometrischen Bedingungen kann darauf verzichtet werden, im Brenner
und im Heizkessel eine Ausmauerung anzubringen.
-
Weiterhin wird vorzugsweise vorgesehen, daß an der Innenseite um die
Mündung der MZK 43 herum ein Brennermantel 63
angeordnet ist, der
gegenüber dem Durchmesser der MZK einen wesentlich größeren Durchmesser hat und
deren Öffnung konzentrisch umgibt. Der Brennermantel 63 kann beispielsweise zylindrisch
geformt oder kegelstumpfartig sich öffnend oder verjüngend gebildet sein. Andere
Formen sind'ebenfalls möglich.
-
Die starke Wirbelbewegung (Zyklon), die innerhalb der Mischkammer
durch das Einblasen der Verbrennungs- und Zerstäubungsluft hervorgerufen wird, setzt
sich demnach in Richtung Brennermantel 63 fort und sorgt für die Festlegung einer
stabilen, konzentrierten Flamme.
-
Der Brennstoffstrahl tritt aus der Auslaßöffnung 30 nicht in Tröpfchenform,d.
h. zersprüht, heraus, sondern anfangs in einem kompakten Strahl mit z. B. 1 mm Durchmesser.
Der Ölverbrauch liegt bei einer solchen Anordnung etwa bei 1 - 4 kg Öl pro Stunde,
wobei unter Umständen bis auf 25 % der Vollast herabgefahren werden kann. Durch
Verengung des Bohrungsdurchmessers und Verkleinerung der üblichen Abmessungen ist
jedoch ein Brenner wirtschaftlich zu betreiben, der nur mit etwa 1 kg Öl pro Stunde
arbeitet. Aufgrund der Turbulenzen und Zentrifugalkräfte, die innerhalb des Zyklons
wirken, wird der Strahl innerhalb und außerhalb der Mischkammer
voll
erfaßt, in feine Tröpfchen zerteilt und anschließend im Bereich innerhalb und außerhalb
des Brennermantels verbrannt. Dabei wird eine rußfreie, im wesentlichen mit blauer
Flamme vor sich gehende Verbrennung beobachtet.
-
Zur Zündung und Auslösung der Verbrennung ist eine Zündspirale 70
vorgesehen, die aus einem etwa 1 mm dicken Draht aus einer warmfesten, verzunderungsarmen
Chrom-Nickel-Legierung besteht. Der Glühdraht der Zündspirale ist so angeordnet,
daß er von dem Strahl des unverbrannt ausströmenden Gemisches beim Ausströmen aus
der Kammer 43 durchsetzt wird und diesen bei einer Eigentemperatur von etwa 7;00
- 9000 C entzündet. Der Zündspirale 70 wird über elektrische Zuleitungen 71 die
Energie für den Glühvorgang zugeführt. Vorzugsweise wird derGlühdraht in Form einer
Wendel oder Schraube gewickelt; es sind jedoch auch andere Konfigurationen denkbar,
beispielsweise eine Zick-Zack-Biegung oder ein flaches Glühband. Es hat sich überraschenderweise
gezeigt, daß die Verwendung des Glühdrahtes ermöglicht, von Anfang an mit einem
sehr mageren, praktisch stöchiometrischen Brennstoff-Luft-Gemisch zu fahren. Es
ist daher nicht erforderlich, zunächst über eine bewegliche Klappe den Luftanteil
geringer zu machen und anschließend nach erfolgter Zündung wieder zu erhöhen.
-
Nach Beendigung des Zündvorganges wird die Zündspirale 70 wieder abgeschaltet.
Sie ist so angeordnet, daß sie in dem Bereich zwischen Öffnungsebene 73 und Flammenfront
liegt, also in einem verhältnismäßig kühlen Bereich, wodurch ihre Lebensdauer beträchtlich
erhöht wird.
-
Der Abstand von der Kante der MZK beträgt etwa zwischen 5 und 40 mm.
Der Abstand'von der Öffnungsebene 73 bzw.
-
Stirnwand 51 beträgt etwa zwischen 5 und 30 mm.
-
Die Figur 2 zeigt eine gegenüber der Figur 1 etwas geänderte Brenneranordnung
von oben gesehen. Zur Uberwachung des Zündvorgangs ist ein Ionisationsfühler 74
vorgesehen, mit dem kontinuierlich überwacht wird, ob eine Verbrennung innerhalb
des Brennermantels stattfindet oder nicht.
-
Figur 3 zeigt einen Blick in den geschnittenen Brennermantel 63 hinein.
Die Zündspirale 70 ist dabei bei waagerecht liegender Achse der Misch- und Zerstäubungskammer
so angeordnet, daß sie unterhalb der offnung der Kammer 43 angebracht ist und in
Form eines Bogensegmentes nur einen relativ kurzen Abstand von der Öffnung der Kammer
43 hat. An dieser Stelle ist
darauf hinzuweisen, daß der Zündkörper
oder die Zündspirale auch eine andere Lage einnehmen können, da es durchaus nicht
erforderlich ist, den Glühkörper unterhalb der MZK anzuordnen. Die Spirale erfüllt
die Forderung, daß die aus der Kammer 43 austretenden Wirbel einen möglichst großen
Raum, der von der Spirale 70 eingenommen wird, durchsetzen und damit die Zündung
sicher und zuverlässig initiieren.
-
Die Kante 75 der MZK ist nach außen abgerundet, damit aufgrund des
Coanda-Effektes der Weg der Strömung teilweise aus der Achsenrichtung herausgezogen
wird. Hierdurch kann ein sehr stark auseinandergezogener Flammenkegel erzeugt werden,
dessen Öffnungswinkel zwischen 90 und 1800 liegt. Bei dieser Gestaltung sollte der
Glühkörper, insbesondere eine Zündwendel, sich an die Stirnwand 51 anschmiegen bzw.
in eine Nut eingepaßt sein.