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ölbrenner
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Die Erfindung betrifft einen Ölbrenner mit einer an einem Ende einer
Brennkammer angeordneten Ölzerstäubungsvorrichtung, die eine ölzufuhr aufweist und
an einen Luftkanal angeschlossen ist.
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Bei konventionellen Heizölbrennern wird das öl in eine Brennkammer
gesprüht, wo es sich mit dem von einem Gebläse gelieferten Strom der Verbrennungsluft
mischt und verbrennt. Die im Abgas enthaltene Wärmeenergie wird in einem nachgeschalteten
Wärmetauscher an ein Warmwassersystem abgegeben. Die Gemischaufbereitung erfolgt
mit Dralldüsen zur Hochdruckeinspritzung und Zerstäubung des Heizöles (DE-OS 27
Oo 671).
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Bei den ölbrennern mit Druckzerstäuber ist es gelungen, die Einmischung
von Frischluft und Heißgas in den Sprühkegel so zu verbessern, daß ein totaler und
schadstoffarmer Abbrand des Heizöles sichergestellt ist. Dies ist
allerdings
nur bei Ölbrennern mit höherer Brennleistung der Fall, denn Ölbrenner mit Dralldüsen
zur Hochdruckeinspritzung sind vom Prinzip her für kleine Leistungen unter etwa
60.000 kJ/h nicht geeignet, weil dann zur Erzielung einer ausreichend großen Austrittsqeschwindiakei
des Brennstoffes die Kanäle und Bohrungen in der Düse so klein sein müßten, daß
sie nicht mehr sauber gefertigt werden können und sich außerdem im Betrieb leicht
zusetzen würden. Darüber hinaus erzeugen solche Druckzerstäuber nur in einem relativ
enyen Regelbereich gute Sprühnebel. Wegen der gesteigerten Wärmeisolation im Wohnungsbau
und des immer stärker zunehmenden Einsatzes energiesparender Wärmepumpen ist ein
zunehmender Bedarf an ölbrenner mit kleiner Leistung und guter Regelcharakteristik
festzustellen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen schadstoffarmen,
vollständig verbrennenden Brenner zu schaffen, der auch bei kleiner Brennstoffmenge
bzw. kleinen Nennleistungen eine gute Gemischbildung ermöglicht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die
Ölzerstäubungsvorrichtung eine das öl in einem dünnen Film auf eine Schneide auftragende
Aufgabevorrichtung aufweist, und daß die an ihrem vorderen Ende im Querschnitt spitz
auslaufende Schneide derart in dem Luftkanal angeordnet ist, daß die Luft beidseitig
an.ihr entlangströmt.
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Ein Ölbrenner mit einer solchen ölzerstäubungsvorrichtung ist imstande,
selbst kleine Brennstoffmengen zu verarbeiten. Das Öl wird lediglich an die Aufgabevorrichtung
herantransportiert aber nicht mit Druck aus dieser herausgespritzt. Die Zerstäubungsenergie
wird ausschließlich von
der Luft aufgebracht, die den Film über
die Schneide bläst und an der vorderen Schneidenkante die Zerstäubung des Öles bewirkt.
Auf diese Weise erfolgt eine innige Vermischung der Treibluft mit dem Sprühnebel
-bereits bei der Zerstäubung. Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, daß die Tröpfchengröße
von der zugeführten und zersprühten Brennstoffmenge nahezu unabhängig ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Prinzip der Luftstromzerstäubung wird vorzugsweise
die gesamte Verbrennungsluftmenge mit geringem TJberdruck von ca. 0.05 bis 0.1 bar
als Treibstoff eing setzt, obwohl bereits eine kleinere Luftmenge für die Zerstäubunq
des Heizöls ausreichen würde. Prinzipiell besteht zwar die Möglichkeit,zwei Luftströme
herzustellen,von denen der eine die Zerstäubungsluft und der andere den wesentlichen
Anteil der Verbrennungsluft liefert, jedoch erscheint es bei kleinen Brennerleistungen
zweckmäßiger, die gesamte Verbrennungsluft durch die Ölzerstäubungsvorrichtung zu
schicken, wodurch auch das Mischproblem vereiz.facht wird.
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Dadurch, daß die Luft an der Oberseite und an der Unterseite über
die Schneide strömt, wird der ölfilm, den die obere Schneidenfläche festzuhalten
sucht, zentral in den Luftstrom eingebettet und von den aerodynamischen Kräften
zerrissen.
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Die Aufgabevorrichtung, die den dünnen ölfilm auf der Schneide erzeugt,
kann auf verschiedene Arten realisiert werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung besteht die Aufgabevorrichtung aus Kapillarrohren, die auf der Schneide
enden. Die Kapillarrohre haben einen Innendurchmesser von etwa 300fim und geben
den Brennstoff
nur punktweise auf die Oberseite der Zerstäubungsschneide
auf. Hierdurch kann ein sehr dünner und ziemlich gleichmäßiger Film an der Abreißkante
erzeugt werden. Die vorbeiströmende Luft ergreift die Flüssigkeit an den Auslaßenden
der Kapillarrohre und verteilt sie über die Schneidenfläche. Eine derartige Aufgabevorrichtung
ist einfach herzustellen, neigt nur wenig zur Verstopfung und benötigt einen sehr
geringen Flüssigkeitsdruck. Sie weist ausgezeichnete Regelungsmöglichkeiten auf.
Die Kapillarrohre werden laminar durchströmt, so daß der Durchfluß nur linear vom
Treibdruck abhängt, der entsprechend niedrig ausgelegt werden kann.
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Bei einer alternativen Ausführungsform ist die Aufgabevorrichtung
eine Schlitzdüse. Hierbei wird der Brennstoff über eine längere Strecke durch einen
engen, nur etwa 100,/'m weiten Spalt gedrückt und tritt auf der ganzen Spaltbreite
auf die anschließende Oberseite der Schneide aus. Der etwa 100» m starke Film wird
auf der Schneidenfläche weiter beschleunigt und verdünnt.
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Bei einer dritten Ausführungsform weist die Aufgabevorrichtung einen
auf der Schneide angeordneten Körper aus porösem Material, z.B. Sinterwerkstoff,
auf. Der Brennstoff wird durch die Poren der Aufgabevorrichtung gepreßt, wodurch
sich sehr dünne Filme an der Zerstäubungskante der Schneide erzeugen lassen. Die
Porenweiten betragen ca. 20 bis 50/» m.
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Optische Messungen der Tröpfchengröße haben ergeben, daß die Luftgeschwindigkeit
an der Abrißkante der Schneide
mindestens ca. 90 m/s betragen muß.
Um diese Luftgeschwindigkeit zu erreichen, ist ein Luftdruck von etwa 0,05 bis 0,1
bar erforderlich. Diese Mindestgeschwindigkeit muß zur Erzielung einer guten Zerstäubung
des Heizöles auch bei niedrigstem Heizöldurchsatz noch gehalten werden. Bei einem
nicht verstellbaren Luftkanal wächst der benotigte Treibluftdruck mit steigendem
Verbrennungsluftdurchsatz quadratisch an. Es ist daher zweckmäßig, die Aufgabevorrichtung
mit regelbarem tuftquerschnitt herzustellen, um den erforderlichen Druckverbrauch
der Treibluft unabhängig von den gekoppelten Durchsatzwerten konstant zu halten.
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Um einen erheblichen Teil der Treibluftenergie vor dem Eintritt des
Zerstäuberstromes in die Brennkammer zurückzugewinnen, ist in weiterer Ausgestaltung
der Erfindung der Luftkanal im Bereich der Schneide sich verengend als Düse ausgebildet,
wobei im Anschluß an die Düse ein sich erweiternder Diffusor vorgesehen ist. Ein
sich schwach erweiternder kurzer DiEWsor bietet die Möglichkeit, einen erheblichen
Druckanteil zurückzugewinnen.
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Infolge der Filmerzeugung im Luftstromzerstäuber mit Hilfe der Aufgabevorrichtung
und der Schneide erübrigt sich eine Drallkomponente der Geschwindigkeit an der Abreißkante.
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Vorzugsweise wird der Luftstrom rechtwinklig über die Abreißkante
geführt. Es ist aber auch möglich, eine Verdrallung vorzusehen, wenn eine solche
Verdrallung zur Flammenstabilisierung in der nachfolgenden Brennkammer erforderlich
ist. In diesem Falle hat die Düse einen rotationssymmetrischen Querschnitt und eine
ringförmige Austrittsöffnung.
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Der von der Abreißkante der Klinge ausgehende Zerstäubungsstrahl tritt
als relativ konzentrierter schneller Flachstahl in die Brennkammer ein, löst sich
relativ langsam auf und ruft nur eine entsprechend schwache Gaszirkulation zur Strahlwurzel
hin hervor. Bei einem derart drallfreien, halbfertig gemischten, scharfen Zerstäubungsstrahl
gelingt es daher nicht, die Flamme in einer stromab offenen oder zumindest sehr
langen Brennkammer befriedigend zu verankern, in der der Brennstoffnebel abbrennen
könnte, bevor er auf eine Wand trifft. Läßt man jedoch zu, daß der Gemischstrahl
schon, wenn der Nebel erst teilweise verdampft ist, am Ende des Brennraumes auf
eine Prallwand stößt und zur Umkehr gezwungen wird, so läßt sich eine Flammenstabilisierung
und in weiten Betriebsgrenzen ein vollständiger, stabiler und schadstoff-armer Abbrand
des Gemischstromes erreichen. Das bedeutet, daß in weiterer Ausgestalung der Erfindung
bewußt in der zweiten Phase der Verbrennung eine Filmverdampfung des bis dahin noch
nicht verbrannten Brennstoffes eingeschaltet wird. Dazu ist die Prallwand, die sowohl
die Gasrezirkulation zur Flammenstabilisierung bewirkt als auch die Nachverdampfungsfläche
darstellt, entsprechend heiß zu halten bzw. zu heizen. Zur besseren Strömungsumlenkung
kann die der blzerstäubungsvorrichtung gegenüberliegende Prallwand eine oder zwei
konkave tJmlcnkflächen aufweisen. Der Gemischstrom tritt an der rilzerstäubungsvorrichtung
zentral in die Brennkammer ein, durchquert sie, kehrt an der Prallwand um, rezirkuliert
im oberen und unteren Kammerbereich zur Kopfwand, kehrt dann erneut um und verläßt
die Kammer durch Schlitze beidseitig der Prallwand. In der so realisierten Scherströmung
vermengt sich das Frischgemisch mit dem heißen Abgas und verbrennt bereits zum Teil,
bevor es die Prallwand erreicht, die durch das Gas aufgeheizt wird. Die noch unverbrannten
Tröpfchen werden durch den aufprallenden aufgeweiteten Zerstäubungsstrahl sehr dünn
auf die heiße Fläche aufgetragen und verdampfen
sehr rasch bei
hoher Temperatur, so daß sich keine nennenswerten Rückstände bilden. Auch zur Rußbildung
kommt es nicht, da der Brennstoff nicht längere Zeit unter Sauerstoffmangel erhitzt
wird, sondern von der Verbrennungsluft getragen und als Dampf sofort wieder aufgenommen
wird.
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Alle Brennkammerwandungen sollten innen möglichst heiß gehalten werden,
um das Abbrechen der Reaktion durch Abschreckung zu vermeiden. Die Brennkammer kann
mit einer Auskleidung aus hitzebeständigem, wärmedämmendem Chrom-Aluminiumsilikat-Faserfilz
versehen werden, die sich im Betrieb schnell auf helle Glut aufheizt. Auch die Prallwand
kann aus diesem Filz hergestellt werden.
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Es ist aber auch möglich, die Prallwand aus einem Stein aus Siliziumkarbid
herzustellen, der als elektrischer Heizleiter elektrisch vorgeheizt wird, damit
die Film- Nachverdampfung auch in den Startphasen in der Brennkammer optimal abläuft.
Infolge der Filzauskleidung und der Prallwand sowie der beschriebenen Gasführung
arbeitet die kleinste Brennkammer äußerst geräuscharm.
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Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Figuren Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Ölbrenner, Fig. 2
einen Längsschnitt entlang der Linie II-II nach Figur 1, Fig. 3 einen Querschnitt
entlang der Linie III-III von Figur 1, Fig. 4 einen Querschnitt entlang der Linie
IV-IV von Figur 1, Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine Ölaufgabevorrichtung mit
porösem Aufgabekörper aus Sinterwerkstoff und Fig. 6 eine Ölaufgabevorrichtung mit
Schlitzdüse.
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Gemäß Fig. 1 bis 4 tritt der Verbrennungsluftstrom von einem nicht
gezeichneten Gebläse durch das Rohr 1 in die Zerstäubungsdüse 2 ein, die sich auf
einen rechteckigen, schlitzartigen, engsten Querschnitt verjüngt, an den sich der
kurze, schlanke Rechteckdiffusor 3 anschließt. Die Zerstäubungsschneide 4 liegt
in der horizontalen Mittelebene des konvergenten Düsenteiles, wobei die Schneid-
bzw. Abrißkante in den engsten Querschnitt fällt und diesen in Längsrichtung teilt.
Zwei in das Frischluftrohr eingeführte Kapillarrohre 5 sind in Strömungsrichtung
parallel auf der Zerstäubungsschneide befestigt und münden ca. 6 bis 12 mm vor der
Abrißkante.
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Der Rechteckkanal der Ölzerstäubungsvorrichtung mündet in der Stirnwand
der Brennkammer 6, an die sich ein integrierter Querstrom-Wärmetauscher 13 mit quadratischem
Querschnitt anschließt. Die Brennkammer 6, die im Wassermantel 12 des Wärmetauschers
liegt, ist allseitig mit Chrom-Aluminiumsilikat-Faserfilz 7 ausgekleidet,wobei die
Prallwand 9 und die vordere Stirnwand 8 als muldenförmige Formstücke ausgebildet
sind. Die Prallwand 9, die auch vorheizbar ausgeführt werden kann, lehnt sich gegen
die ersten Wärmetauscherrohre 11. Die weiteren Wärmetauscherrohre 10 bewirken eine
Ablenkung und Verteilung des Heißgases. Das gekühlte Abgas verläßt den Kessel durch
den Kaminrohrstutzen 14.
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Die Wärmetauscherrohre 10 und 11 sind parallel zueinander angeordnet,
wobei ihre Enden jeweils in den Wassermantel 12 einmünden, der sowohl die Brennkammer
als auch die Rauchgaskammer 13 umfangsmäßig umgibt. Der Wassermantel 12 weist einen
Einlaß- und einen Auslaßstutzen 15,16 für das von dem Brenner zu erwärmende Wasser
auf.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 5 besteht die Aufgabevorrichtung,
die das öl auf die Schneide 2 aufgibt, aus einem länglichen Sintermaterialkörper
17, der an dem rückwärtigen Teil der Klinge 2 befestigt und mit seinem rückwärtigen
Teil an eine ölzuführleitung 18 angeschlossen ist. Das aus dem Körper 17 austretende
öl bildet auf der Klinge 2 einen dünnen Film 19, der von der Luft, die den Luftkanal
1 und die Düse 2 durchströmt, mitgerissen und an der vorderen Abreißkante 20 der
Schneide 4 zerstäubt wird. Wie aus Fig. 5 deutlich erkennbar ist, ist die Schneide
4 etwa mittig in der Schlitzdüse 2 angeordnet, so daß der die Schneide 4 verlassende
Ölfilm 19 beidseitig von der Luft erfaßt wird.
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Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 6 besteht die Aufgabevorrichtung
aus einer Schlitzdüse 21 von Klinqenbreite mit einem Mikrospalt von einer Länge
von mehr als in mm und einer Höhe von 0.1 mm. Diese an eine Zuführleitung anqeschlossene
Schlitzdüse 21 endet auf der Klinge 4 und erzeugt dort den Ölfilm 19, der an der
vorderen Abreißkante 20 der Klinge 4 zerstäubt wird.