DE2912101A1 - Pumpenlose brenneranordnung mit nachgeschaltetem mantelrohr - Google Patents

Description

• Pumpenlose Brenner anordnung mit nachgeschaltetem
• Mantelrohr Die Erfindung betrifft eine Brenneranordnung, bei der ein flüssiger Brennstoff und Verbrennungsluft zusammengeführt werden in einer Misch- und Zerstäubungskammer (MZK), die von einem vorzugsweise zylindrischen Mantel umschlossen ist, der eine oder mehrere Öffnungen besitzt, durch die die Luft der MZK derart zuführbar ist, daß ein Zyklon mit einem zentral liegenden Unterdruckbereich innerhalb der MZK gebildet ist und die weiterhin eine im Unterdruckbereich angeordnete, die Stirnwand der MZK durchsetzende Eintrittsöffnung für den Brennstoff besitzt, und mit einem der MZK nachgeordneten, diese umfassenden Mantelrohr, das zur Ofenseite hin offen ist, nach Patent (Patentanmeldung P 28 28 319.4).
• In der Stammanmeldung 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 sereisformig 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 - wie die Erwahrung zeigt - rußfrei verbrannt.
• Die Brenneranordnung zur Durchführung des genannten Verfahrens besitzt eine Eintrittsöffnung, der die von einem Mantel umschlossene Misch- und Zerstäubungskammer (zum) 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.
• Bei dem Betrieb der Brenneranordnung gemäß Stammanmeldung wird die für die Zerschlagung der bltröpfchen erforderliche Energie im wesentlichen nicht mehr über eine gesonderte Ölpumpe umgesetzt, sondern einzig und allein durch die Strömungsenergie der in die MZK einströmenden Verbrennungsluft. Bei den in der Stammanmeldung genannten Abmessungen für Ol- und Luftzuführungsöffnungen sind beispielsweise Luftdrücke von 0,04-0,1 bar erforderlich. Diese Luftdrücke erfordern relativ groß dimensionierte Ventilatoren, um den benötigten Luftdruck aufrecht zu erhalten. Es stellt sich daher zur Verbesserung der Vorrichtung gemäß Stammanmeldung die Aufgabe, den Bedarf an Luftdruck herabzusetzen un kleiner dimensionierte Ventilatoren verwenden zu können.
• Überraschenderweise kann diese Aufgabe dadurch gelöst werden, daß in das Mantelrohr strömungslenkende Elemente eingebaut werden, die eine aus der Achse gerichtete zirkulierende Umwälzung des brennenden Gemischstromes hervorrufen.
• Derartige Einbauten, die eine Zwangsrezirkulation eines Teiles des brennenden Gemisches hervorrufen, sind an sich bekannt. Überraschend ist, daß ein großer Teil der in den Ventilat..oren aufzuwendenden Energie offensichtlich gar nicht dazu verwendet wird, die Zirkulation und die Zerschlagung der öl tröpfchen aufrecht zu erhalten, sondern dazu, gegen den sich in dem Mantelrohr aufbauenden Stau entgegenzuarbeiten. Damit wird eine erhebliche Energie nutzlos verschwendet. Es hat sich nämlich gezeigt, daß dann, wenn gemäß Erfindung Einbauten vorgesehen werden, beispielsweise eine konzentrisch im Mantelrohr liegende, zylindrische Leithülse, die an ihrer im Bereich der MZK liegenden Seite mit peripher verteilten Ansaugöffnungen versehen ist, der aufzuwendende Luftdruck erheblich verringert werden kann. Typisches Beispiel: ohne Einbauten 600 mm Wassersäule - mit Einbauten 250 mm Wassersäule.
• Damit kann der Ventilatordruck wesentlich verringert werden, wodurch sich neben der Energieaufnahme auch die Lärmbelästigung durch das Luftstromgeräusch verringert. Eine solch starke Verminderung des Aufwandes durch relativ einfache Einbauten ist für den vorliegenden Fall nicht zu erwarten. Vielmehr kann von einer Plausibilitätsbetrachtung her nur erwartet werden, daß die Hauptenergie des Luftstromes verwendet wird für die Erzeugung des Zyklons und die Überwindung der Luftreibung in den Zuleitungen und in den Öffnungen, die in die MZK führen.
• Ein weiterer Effekt, der erreicht wird, ist'daß größere Öltröpfchen, die aufgrund der Zentrifugalkraft sich mehr im äußeren Bereich der wirbelnden Strombewegung befinden, nochmals zurückgeführt werden und damit eine längere Strecke zurücklegen, so daß sie vollständiger verdampfen können.
• Um die Leithülse an verschiedene Brennerbedingungen, Wärmebedarfszahlen und dergleichen anpassen zu können, wird sie gegenüber der Stirnwand der Brennkammer verstellbar angeordnet, wobei mit der Verstellung auch die lichte Weise der Ansaugöffnungen veränderbar ist.
• Konstruktiv kann dies einfach dadurch geschehen, daß die Leithülse an mehreren Trägern verschieblich befestigt ist.
• Eine Erhöhung des Umwälzeffektes kann weiterhin dadurch hervorgerufen werden, daß das Mantelrohr des Brenners die Leithülse überragt und im Überstandsbereich eine Verengung aufweist.
• Ein Ausführungsbeispiel der Verbesserungserfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Die Figuren zeigen: eir übersichtszeichnung, die weitgehend der Figur 1 der Stammanmeldung entspricht; Figur 2 eine gegenüber der Figur 1 etwas geänderte Darstellung mit Mantelrohr und Leithülse.
• In der Figur 1 ist eine Ausführungsform einer Brenneranordnung dargestellt. Der Brennstoff, üblicherweise Heizöl EL mit einer Viskosität von etwa 5 oSt bei 200 C, wird von einem Vorratsbehälter 31 über eine Leitung 32 dem eigentlichen Brenner zugeführt. Zwischen Vorratsbehälter und Brenner ist ein Schwimmerregler 33 einder für einen stets gleichen Druck zwischen Brenner-Brennstoff-Eintritt und Niveau des Schwimmer reglezs 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 weiteren, verschließbaren Bohrung 3O in Verbindung steht. Die Verschlußbohrung 30 kann mit Milfe einer steuerbaren Ventilnadel 60 geöffnet und verschlossen werden. Die weiteren Einzelheiten des Verschlußmechanismus and in der Stammanmeldung in allen Einzelheiten dargestellt 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 hintereinander liegend zwei Kränze von Lufteinlaßbohrungen 44, 44' enden. 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 MZK 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 Heizkessel eine Ausmauerung anzubringen.
• titerhin wird an der Innenseite konzentrisch um die Mündung der Misch- und Zerstäuberkammer herum ein Brennermantel 63 angeordnet, der gegenüber dem Durchmesser der SZz einen wesentlich größeren Durchmesser hat und deren Öffnung konzentrisch umgibt. Der Brennermantel 63 kann beispielsweise zylindrisch geformt oder kegelstumpfartig sich öffnend oder verjüngend ausgebildet sein.
• Die MZK ist vorzugsweise so ausgelegt, daß sie querschnittsgleich von der Düse bis zur Mündung ist.
• 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.
• Innerhalb und konzentrisch zum Brennermantel 63 ist eine zylindrische Leithülse 76 vorgesehen, die über Stützen 77 an der Stirnwand 73 befestigt ist. Das in Wirbeln austretende Brennstoff-Luft-Gemisch wird teiweise hinter die Leithülse in den Zwischenraum 78 zwischen Hülse und Brennermantel 63 hineingezogen und über peripher verteilte Ansaugöffnungen 79 wieder in den achsennahen Gemischstrom hineingezogen. Die Strömungsrichtung ist durch die Pfeile deutlich gemacht. Die Leithülse besteht aus warmfestem Material. Sie kann auch zur Verstellung der Hülse in achsialer Richtung Langlöcher aufweisen, so daß die Hülse in verschiedenen Stellungen in Bezug auf entsprechende Träger, dabei verschiedene lichte Weiten der Ansaugöffnungen 79 vorgebend, festgelegt werden kann.
• Bei Anwendung einer Leithülse 76, deren Durchmesser etwa 50 - 80 % desjenigen des Brennermantels ist, läßt sich überraschenderweise der Betriebsluftdruck des Ventilators 40 wesentlich senken. Messungen haben ergeben, daß der Luftdruckbedarf bei gleicher Flammenqualität auf 50 % des Luftdrucks gesenkt werden kann, der ohne strömungsleitende Elemente möglich ist.
• Zur Flammenstabilisierung trägt bei, daß der Brennermantel des Brenners die Leithülse überragt und im Überstandsbereich 80 eine Verengung 81 aufweist. Diese Verengung, in Form eines Kegelstumpfes ausgeführt, kann beispielsweise 5 - 20 % des größten Durchmessers verringern, so daß demnach nur noch 95 - 80 % des ursprünglichen Durchmessers - in bestimmten Fällen auch noch weniger - zur Verfügung stehen.
• Zur Zündung und Auslösung der Verbrennung ist eine Zündspirale 70 vorgesehen, die von dem Strahl des unverbrannt ausströmenden Gemisches beim Ausströmen aus der Kammer 43 durchsetzt wird und diesen bei einer Eigentemperatur von 700 - 900°C entzündet. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß die Verwendung eines Glühdrahtes es ermöglicht, von Anfang an ein senr mageres, praktisch stöchiometrisches Brennstoff-Luft-Gemisch zu fahren. Die Glühspirale wirkt nicht als Glüh- oder Verdampferspirale, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Nach Beendigung des Zündvorganges wird die Spirale wieder abgeschaltet.
• Das Material der Leitelemente bzw. der Leithülse ist vorzugsweise ein keramisches, hochwarmfestes, gesintertes oder gepreßtes Fasermaterial aus Si-, Al- oder Zr-Carbiden, wie sie beispielsweise unter den Bezeichnungen REFRAX (Herst. Carborundum) oder FIBERFAX bekannt sind.

Claims (5)

1. P a t e n t a n s p r ü c h e : 1. Brenneranordnung, bei der ein flüssiger Brennstoff und Verbrennungsluft zusammengeführt werden in einer Misch- und Zerstäubungskammer (MZK), die von einem zugsweise zylindrischen Mantel umschlossen ist, der eine oder mehrere Öffnungen besitzt, durch die die Luft der MZK derart zuführbar ist, daß ein Zyklon mit einem zentral liegenden Unterdruckbereich @erhalb der MZK gebildet ist und die weiterhin eine im Unterdruckbereich angeordnete, die Stirnwand @@@ MZK durchsetzende Eintrittsöffnung für den Brennstoff besitzt, und mit einem der MZK nachgeordneten, diese umfassenden Mantelrohr, das zur Ofenseite hin offen ist, nach Patent (Patentanmeldung P 28 28 319.4), dadurch gekennzeichnet, daß in das Mantelrohr (63 ) zttö@ungslenkende Elemente (76 ) eingebaut sind, die eine aus der Achse gerichtete zirkulierende Umwälzung des brennende Gemischstromes hervorrufen.
2. 2. Brenneranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbauten aus einer konzentrisch zum Mantelrohr liegenden, zylindrischen Leithülse (76) bestehen, die an ihrer im Bereich der MZK liegenden Seite mit peripher verteilten Ansaugöffnungen (79) versehen ist.
3. 3. Brenneranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leithülse in ihrer Achsenrichtung gegenüber der Stirnwand der Brennkammer verstellbar angeordnet ist, wobei mit der Verstellung auch die lichte Weite der Ansaugöffnungen verändert ist.
4. 4. Brenneranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelrohr (63) die Leithülse (76) überragt und im Überstandsbereich (80) eine Verengung (81) aufweist.
5. 5. Brenneranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die strömungslenkenden Elemente (76) bzw. die Leithülse (76) aus temperaturfestem Keramik-Faserinaterial gepreßt sind.