DE2912519C2

DE2912519C2 - Brenner für flüssigen Brennstoff und Verbrennungsluft

Info

Publication number: DE2912519C2
Application number: DE2912519A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dr. 5110 Alsdorf Förster; Berthold Dipl.-Ing. 5100 Aachen Sack
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1979-03-29
Filing date: 1979-03-29
Publication date: 1984-03-15
Also published as: GB2054126B; GB2051323A; GB2054126A; FR2452668B1; US4318689A; FR2452668A1; GB2051323B; JPS55131607A; DE2912519A1

Abstract

Beim Brenner gemaess der Erfindung muendet die Zufuhrleitung fuer den fluessigen Brennstoff in eine geschlossene Kammer, die poroese Waende aufweist, durch die der Brennstoff hindurchtritt. Die Kammer ist innerhalb eines Stroemungsraumes fuer die vorerhitzte Verbrennungsluft angeordnet, so dass der die Waende der Kammer durchdringende Brennstoff an deren dem Stroemungsraum zugewandten Oberflaeche einen Fluessigkeitsfilm bildet und unmittelbar in die vorerwaermte Verbrennungsluft verdunstet. Brennstoff und Verbrennungsluft werden innerhalb des Stroemungsraumes miteinander vermischt und sind nach Austritt aus dem Stroemungsraum zuendfaehig. Die Verbrennungsluft wird auf eine fuer die Verdunstung des Brennstoffs geeignete Temperatur vorgewaermt. Hierzu umschliesst die Rueckfuehrleitung des Abgases den Stroemungsraum in der Weise, dass die Verbrennungsluft noch vor Erreichen der Oberflaeche der Kammer die vorgenannte Temperatur erreicht hat. Durch Rueckfuehren des aus dem Brennraum abstroemenden Abgases zur Vorerhitzung der Verbrennungluft wird der Brennstoffbedarf verringert. ...U.S.W

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner für flüssigen Brennstoff und Verbrennungsluft mit einer Brennstoffzufuhrleitung und einem sich bis zum Brennraum erstreckenden Strömungsraum für Verbren- -to nungsluft und einer letzteren umschließenden Rückführleitung für im Gegenstrom aus dem Brennraum abströmendes Abgas zur Vorwärmung der Verbrennungsluft.

Ein Brenner dieser Art ist aus AT-PS 2 87 163 bekannt. Bei diesem Brenner wird mit vorgewärmter Luft eine Erwärmung des Brennstoffes vor dessen Austreten in den Brennraum nicht angestrebt.

Es ist auch bekannt, den flüssigen Brennstoff mit einer Düse innerhalb eines Mischraumes in vorgewärmte -,0 ^s Verbrennungsluft zu zerstäuben, wobei die gebildeten Brenstofftröpfchen in der Verbrennungsluft verdampfen und in einem nachgeschalteten Brennraum verbrannt werden, vergleiche hierzu R. Buchheini, »Untersuchungen zum Emissionsverhalten von Pkw-Gasturbinejibrennkammern«, Dissertation RWTH Aachen 1977, Seite 254. Zur Erzeugung eines zündfähigen Gemischs mit verdampftem Brennstoff ist jedoch die Luft so weit zu erwärmen, daß die Siedetemperatur des Brennstoffs erreicht wird. ho

In diesem Falle besteht jedoch die Gefahr, daß Crackprozesse auftreten, die zu unerwünschten Niederschlägen und Ablagerungen an Bauteilen führen.

Schließlich ist aus der DE-AS 2129 663 eine Verbrennungsvorrichtung für flüssigen Brennstoff be- (,5 kannt, bei der die Brennstoffzufuhrleitung in eine geschlossene Kammer mündet, an die eine für den Brennstoff durchlässige poröse, von nichtvorgewärmter Verbrennungsluft umströmte Wand angrenzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen gattungsgemäßen Brenner zu schaffen, der es bei einfacher Gestaltung gestattet, aus dem Brennstoff und der Verbrennungsluft ein zündfähiges Gemisch durch Oberführung des flüssigen Brennstoffs in seine Dampfphase zu erzeugen, ohne daß ein Cracken des Brennstoffs durch Überhitzen eintritt.

Diese Aufgabe wird bei einem Brenner der obengenannten Art gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

In vorteilhafter Weise wird dabei erreicht, daß die Verdunstung des flüssigen Brennstoffs auf der Oberfläche der Kammer eine unerwünschte Überhitzung des flüssigen Brennstoffs infolge wirksam werdender Verdunstungskühlung verhindert Brennstoff und Verbrennungsluft werden innerhalb des Strömungsraumes miteinander vermischt und sind nach Austritt aus dem Strömungsraum zündfähig. Die Verbrennungsluft wird auf eine für die Verdunstung des Brennstoffs geeignete Temperatur vorgewärmt. Hierzu umschließt die Rückführleitung des Abgases den Strömungsraum in der Weise, daß die Verbrennungsluft noch vor Erreichen der Oberfläche der Kammer die vorgenannte Temperatur erreicht hat

Beim Brenner gemäß der Erfindung mit Film-Verdunstung des flüssigen Brennstoffes und einer Verbrennungsluftvorwärmung für den Kaltstart wird eine ausreichende Brennstoff-Verdunstung erreicht, die zu einer nahezu rückstandsfreien und schadstoffarmen Verbrennung bei kurzer Verbrennungszone führt. Durch Regulierung der Zufuhr von Verbrennungsluft und Brennstoff, letzteres durch Einstellen des Flüssigkeitsdruckes in der Kammer, lassen sich unterschiedliche Brennstoff-Luft-Gemische einstellen. Wegen der großen Fläche, die die poröse Wand der Filmverdunstung des Brennstoffes anbietet kann die zuzuführende Brennstoffmenge bei geringen DR'ckänderungen in der Kammer rasch geändert werden. Besonders vorteilhaft ist es, daß mit dem Brenner auch Heizöle unterschiedlicher Qualität verbrennbar sind, wobei auch mit schwerem Heizöl eine Verbrennung erzielt wird, wie sie bei Verwendung von leichtem Heizöl eintritt. Eine Vorerhitzung der Verbrennungsluft auf etwa 200⁰C ist hierzu ausreichend. Wegen der Verdunstung des flüssigen Brennstoffes bereits vor einer Zündung im Brennraum bilden sich keine Brennstofftröpfchen, wie beispielsweise bei einer Zerstäubung durch Düsen, und damit auch keine durch Crack-Prozesse entstehenden, schädlichen Niederschläge oder Rückstände im Brennraum. Die Filmverdunstung findet bei verhältnismäßig niedriger Brennstofftemperatur statt. Infolge der Verdunstungskühlung treten auch bei höherer Verbrennungslufttemperatur in der den Brennstoff führenden Kammer nur Temperaturen im Bereich zwischen 120 bis 150⁰C auf.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 angegeben. Danach sind alle Teile des Brenners koaxial symmetrisch angeordnet, so daß sich eine leichte Zugänglichkeit zu den einzelnen Bauteilen ergibt

Um den Kaltstart des Brenners zu erleichtern, ist der Strömungsraum für die Verbrennungsluft von einer vor Zufuhr von Verbrennungsluft einschaltbaren elektrischen Heizung umgeben, Patentanspruch 3. Mittels der Heizung ist die Wand des Strömungsraumes zum Zwecke des Kaltstarts soweit erhitzbar, daß die kalte

Verbrennungsluft beim Einströmen in den Strömungsraum auf eine Temperatur erhitzt wird, die zur Bildung eines zündfähigen Gemisches mit dem verdunstenden Brennstoff ausreichend ist Wird die Betriebstemperatur im Brennraum und damit eine ausreichende Aufheizung der Verbrennungsluft durch Wärmeaustausch mit dem aus dem Brennraum abströmenden Abgas erreicht, wird die elektrische Heizung abgeschaltet.

Die poröse Wand der Kammer besteht aus porösem keramischem oder metallischem Werkstoff, beispielsweise aus Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Aluminium-, Zirkon- oder Magnesiumoxid oder aus Sintermetall, das als Filtermaterial bekannt ist

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung ist ein Brenner 1 ■-, im Längsschnitt wiedergegeben.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, ist am Brenner eine Brennstoff-Zufuhrleitung 1 für flüssigen Brennstoff angeordnet, die in eine im Innenraum des Brenners angeordnete, geschlossene Kammer 2 mit poröser Wand 3 mündet Im Ausführungsbaispiel sind die Stirnseiten der Kammer mit für den Brennstoff undurchlässigen Platten 4 abgeschlossen. Eine in der Brennstoff-Zufuhrleitung 1 angeordnete Förderpumpe 5 sorgt innerhalb der Kammer 2 für den notwendigen Flüssigkeitsdruck, der ausreichend ist, um den Brennstoff durch die poröse Wand 3 hindurchtreten zu lassen. Die Wand 3 besteht aus porösem Sinterwerkstoff. Aus der Kammer 2 führt eine Oberlaufleitung 6, in die eine Drossel 7 eingesetzt ist, zum Vorratsbehälter 8 zurück, jo Hierdurch wird ein Überlaufen des Brennerkopfes durch Überangebot von flüssigem Brennstoff verhindert. Ein Regelventil 9 in der Brennstoff-Zufuhrleitung 1 dient der Einstellung eines konstanten Druckes in der Kammer 2 und damit der Einstellung der erforderlichen a Brennstoffmenge. Über einen Bypass 10 mit Drossel 11 kann überschüssiger Brennstoff unmittelbar hinter der Förderpumpe 5 zum Vorratsbehälter 8 zurückgeführt werden.

Die Kammer 2 wird umgeben von einem einen Strömungsraum 12 für die vorerhitzte Verbrennungsluft bildenden Rohr 13. Zwischen der Kammer 2, die als stirnseitig geschlossener Hohlzylinder ausgebildet und koaxial im Rohr 13 angeordnet ist, und der Innenwand des Rohres 13 wird ein Ringraum gebildet, dessen Querschnitt so bemessen ist, daß die Verbrennungsluft beim Durchströmen des Ringraumes eine ausreichende Menge verdunstenden Brennstoffs mit sich führen kann. Das zündfähige Gemisch aus Brennstoff und Verbrennungsluft wird im Ausffihrungsbeispiel noch in eine -,n gesonderte Homogenisierungskammer 14 geführt. Am stirnseitigen Ende dieser Homogenisierungskammer befindet sich ein Flammhalter 15. Nach Durchtritt durch diesen Flammhalter wird das Gemisch gezündet und verbrennt im Brennraum 16. Der Flammhaker kann als metallisches Netz ausgebildet sein, er kann als Durchströmöffnungen ringförmige Schlitze aufweisen, er kann aber auch als Lochplatte gestaltet sein, wobei der freie Gesamtquerschnitt der Öffnung d>;s Flammhalters so gewählt ist, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches in der Öffnung des Flammhalters größer ist als die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Flamme. Damit wird ein Zurückschlagen der Flamme in die Homogenisierungskammer verhindert

Aus dem Brennraum 16 wird zumindest ein Teil des Abgases in einer Rückführleitung 17 abgeführt. Die Rückführleitung umgibt das Rohr 13 so, daß das Abgas zur Erhitzung der Verbrennungsluft an der Außenwandung des. Rohres 13 entianggeführt wird. Die Länge der Rückführleitung 17 ist so gewählt, daß die Verbrennungsluft im Strömungsraum vor Berühren der porösen Wand 3 der Kammer 2 auf die für die Verdunstung des Brennstoffes geeignete Temperatur erwärmt wird. Zur Ausbildung des Strömungsraumes 12 in diesem Bereich ist im Rohr 13 ein Verdrängungskörper 18 angeordnet. Nach Verlassen der Rückführleitung 17 wird das Abgas über einen Abgasstutzen 19 in die Umgebung abgeblasen.

Die Verbrennungsluft wird von einem Gebläse 20 angesaugt und dem Rohr 13 über eine -Zufuhrleitung 21 zugeführt. Das Rohr 13 weist in seiner de a Strömungsraum 12 umgebenden Länge bis hin zur stirnseitigen Platte 4 der Kammer 2 eine vor der Homogenisierungskammer 14 endende elektrische Heizung 22 auf, die einschalibar ist, bevor Verbrennungsluft vom Gebläse 20 in die Zufuhrleitung 21 gefördert wird. Die Heizung dient dem Kaltstart des Brenners. Das Rohr 13 wird elektrisch so vorgeheizt, daß die danach eintretende kalte Verbrennungsluft auf die für die Verdunstung des Brennstoffes erforderliche Temperatur gebracht wird. Das sich im Strömungsraum bildende Brennstoff-Luft-Gemisch durchströmt die Homogenisierungskammer 14 und den Flammhaker 15 und wird im Brennraum 16 gezündet und verbrannt. Im Ausführungsbeispiel wird nur ein Teil der im Brennraum entstehenden Abgase über die Rückführleitung 17 im Gegenstrom zur Verbrennungsluft zum Abgasstutzen 19 geleitet. Nach Erreichen stationärer Betriebsverhältnisse im Brennraum 16 wird die Heizung des Rohres 13 abgeschaltet. Danach übernimmt das Abgas die Erwärmung der Verbrennungsluft bis zu der für die Filmverdunstung des Brennstoffes notwendigen Temperatur.

Die elektrische Heizung 22 bilden Heizdrähte, die um das Rohr 13 herum oder auch — was in der Zeichnung nicht dargestellt ist — in der Rohrwand innerhalb axial ausgerichteter Kanäle verlegt sind. Im Ausführungsbeispiel sind die das Rohr 13 spiralförmig umgebenden Heizdrähte gegenüber dem Rohr 13 elektrisch isoliert und von einem auf dem Rohr 13 aufgeschrumpften Rohr 23 abgedeckt. Zweckmäßig ist es, das Rohr 13 aus einem elektrisch leitfähigen keramischen Werkstoff, wie SiC. herzusteilen, so daß das Rohr 13 selbst als Heizwiderstand Ttit einer Spannungsquelle verbindbar ist. In letzterem Fall wird eine sehr gleichmäßige Aufheizung der Rohrwand erreicht. Erforderlich ist jedoch eine elektrische Isolation des Rohres 13 gegenüber den übrigen Teilen des Brenners.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Brenner für flüssigen Brennstoff und Verbrennungsluft mit einer Brennstoffzuführleitung und einem sich bis zum Brennraum erstreckenden ^ Strömungsraum für Verbrennungsluft und einer letzteren umschließenden Rückführleitung für im Gegenstrom aus dem Brennraum abströmendes Abgas zur Vorwärmung der Verbrennungsluft, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenn- κ, Stoffzufuhrleitung (1) in eine geschlossene Kammer (2) mit für den Brennstoff durchlässiger poröser Wand mündet,

daß die Kammer (2) innerhalb des Strömungsraumes (12) stromaufwärts vor dessen Mündung in dem ,₅ Brennraum angeordnet ist und
daß der Strömungsraum (12) im Bereich der Kammer (2) der Bildung eines zündfähigen Gemisches aus verdunstetem Brennstoff und vorgewärmter Verbrennungsluft dient. ^₀

2. Brenner nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (2) als stirnseitig verschlossener Hohlzylinder ausgebildet und mit radialem Abstand koaxial innerhalb eines den Strömungsraum (12) bildenden Rohres (13) angeord- _:5 net ist, das koaxial innerhalb der Rückführleitung (17) für das Abgas verlegt ist.

3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsraum (12) für Verbrennungsluft von einer vor Zufuhr von Ver- _J0 brennungsli:ft einschaltbaren elektrischen Heizung (22) umgeben ist