DE3036841C2

DE3036841C2 - Verdampfungsbrenner für flüssigen Brennstoff, insbesondere Kerosin

Info

Publication number: DE3036841C2
Application number: DE3036841A
Authority: DE
Inventors: Takeshi Matsudo Imaizumi; Michiaki Matumoto; Mitsuo Tokyo Mimura
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-10-03
Filing date: 1980-09-30
Publication date: 1982-10-28
Also published as: JPS5653308A; US4396372A; DE3036841A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Verdampfungsbrenner für flüssigen Brennstoff, insbesondere Kerosin, mit einer den flüssigen Brennstoff führenden Leitung, ferner mit einem an diese angeschlossenen, mit einem Heizelement ausgestatteten Verdampfer für den flüssigen Brennstoff, der nach Art eines Venturirohres ausgebildet ist, in dessen Düse die Brennstoffleitung mit ihrer Austrittsöffnung hineinragt und dessen Einlaß Primärluft von einer Druckluftquelle über eine Primärluftleitung erhält, ferner mit einer Mischkammer, die austrittsseitig die Flammenöffnungen des Brenners enthält, und mit Sekundärluft-Zutritt in den Bereich der Flammenöffnungen (JP-OS 51 030/79).

Bei den bekannten Brennern dieser Art strömt der Auslaß des Verdampfers unmittelbar in die Mischkammer — im folgenden auch Mischkanal genannt — ohne Zwischenschaltung eines zweiten Venturirohres. Dem- *>$ gemäß durchströmt die gesamte jeweils zur Verbrennung erforderliche Primärluftmenge den Verdampfer.

Im Verdampfer herrscht bei Dauerbetrieb des Brenners im allgemeinen eine Temperatur im Bereich von 250⁰C bis 300⁰C Fällt diese Temperatur z. B. nach längerer Abschaltung des Brenners ab, so kondensiert beim Zünden des Brenners ein Teil des Brennstoffdampfes, wobei sich das Kondensat an den Wänden des Verdampfers und Mischkanals niederschlägt Dies verursacht eine Verringerung des Anteils am Brennstoff im Gemisch unter dem normalen Anteil, so daß das Gemisch nicht die theoretisch richtige Zusammensetzung aufweist und somit eine zufriedenstellende Zündung nicht erzieh werden kann.

Ein weiterer mit der Temperaturabsetzung des Brennstoffdampfes verbundener Nachteil ist die relativ niedrige Temperatur der Primärluft die, wie erwähnt zur Gänze durch den Verdampfer hindurchströmt und somit zur Abkühlung des Verdampferraumes beiträgt

Zur Verminderung dieser Störung wird bei dem bekannten Brenner der Brennstoff im Verdampfer so aufbereitet, daß in ihm eine Umwandlung des Brennstoffs in zerstäubte Teilchen stattfindet Ferner werden der Verdampfer, der Mischkanal und evtl. andere Teile des Brenners in gutem Wärmeleitzustand gehalten, um hierdurch den Mischkanal zu erwärmen.

Trotz dieser konstruktiven Maßnahmen wird die Kondensatbildung im Verdampfer nicht verhindert und auch die Notwendigkeit nicht beseitigt, das elektrische Heizelement während des Dauerbetrieb des Brenners eingeschaltet zu halten.

Somit hat diese Art von bekannten Brennern den Nachteil, daß das Vorerhitzen des Verdampfers zum Zeitpunkt der Zündung eine lange Zeit erfordert da die Primärluft und der Mischkanal auf eine gegebene Temperatur erhitzt werden müssen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß das Brennersystem einen relativ hohen Verbrauch an elektrischer Energie hat, aufgrund des Erfordernisses, den Verdampfer durch das elektrische Heizelement auch dann erhitzt zu halten, wenn der Brenner außer Betrieb ist, um für den nächstfolgenden Verbrennungszyklus bereit zu sein.

Aufgabe der Erfindung ist, unter Beseitigung der vorgenannten Nachteile, die Schaffung eines Brenners, der eine zufriedenstellende Zündung eines Brennstoff-Luftgemisches ermöglicht bei gleichzeitiger Minimierung der Zeit, die im Zeitpunkt der Zündung zum Vorheizen des Verdampfers erforderlich ist, sowie des Bedarfs an elektrischer Energie für das Heizelement.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen.

Durch diese wird erreicht daß, da nur ein Teil der Primärluft zum Verdampfer und der Rest der Primärluft von außen her zur stromab gelegenen Seite des Verdampfers in das zweite Venturirohr geliefert wird, der Luftanteil des Brennstoff-Luftgemisches im Verdampfer vermindert ist und damit eine Abkühlung des zerstäubten Brennstoffs im Verdampfer bis zur Kondensatbildung verhindert ist.

In dem zweiten Venturirohr erfolgt dann zwar eine Abkühlung des Brennstoff-Luftgemisches durch den Rest der Primärluft, jedoch ist diese nicht nur unschädlich, sondern sogar vorteilhaft, weil die Anordnung so getroffen ist, daß dort das Brennstoff-Luftgemisch in den Zustand der Sättigung gebracht wird, also eine Nebelbildung stattfindet, durch die eine Verkleinerung der Brennstoffteilchen (unter 10 μ) stattfindet, die eine innige Vermischung von Brennstoff und Luft und damit die Voraussetzung für eine gute Zündung bietet. Aus der Verbesserung der Zündung resultiert sodann

eine Verringerung der Vorheizzeit des Verdampfers beim Zünden sowie des Energiebedarfs für das Heizelement während des Dauerbetriebs.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstandes der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 5 gekennzeichnet

Gemäß der Ausführungsform nach Anspruch 2 ist das Volumen des zum Verdampfer gelieferten Primärluftanteils derart gewählt, daß das Gewichtsverhältnis der Strömungsdurchsatzmenge (G₁) der Luft zur Strömungsdurcksatzmenge (Gi) des flüssigen Brennstoffs im Bereich von 03 bis 5,0 liegt In diesen Grenzen findet eine ausreichende bis optimale Zerstäubung des Brennstoffs im Verdampfer statt

Gemäß der Ausführungsformen nach den Ansprüchen 3 und 4 ist vorgesehen, während der Zündung dem Verdampfer ein geringeres Angebot an Primärluft zu geben als während des Dauerbetriebs des Brenners.

Gemäß der Ausführungsform nach Anspruch 5 ist der Verdampfer an seiner Außenseite mit einet Schicht aus wärmeisolierendem Material bedeckt Hiermit wird ein Wärmeverlust des Verdampfers nach außen verringert und damit eine Verbesserung der Verdampfung im Verdampfer erreicht

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben. Darin zeigt

F i g. 1 einen Schnitt des Brennersystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; F i g. 2 einen Schnitt Il-H von F i g. 2; F i g. 3 eine schematische Darstellung der Beziehung des Gewichtsverhältnisses GJGi des Luftvolumens G, zum Brennstoffvolumen G\ und der Teilchengröße des Brennstoffs in der zerstäubten Form;

F i g. 4 eine schematische Darstellung des Verhältnisses GJGi in Beziehung zur Taupunkttemperatur to des verdampften Brennstoffs und von Luft und in Beziehung zur Wärmemenge je 1 kg Brennstoff zur Erhitzung des dampfförmigen Brennstoffs und der Luft auf die Temperatur to;

F i g. 5 eine schematische Darstellung der Beziehung zwischen der Luftgeschwindigkeit um das Brennstoffzufuhrrohr und der Teilchengröße der zerstäubten Brennstoffteilchen.

Bei der Ausführungsform der Erfindung nach den F i g. 1 und 2 wird flüssiger Brennstoff — im folgenden stellvertretend mit »Kerosin« bezeichnet — in zerstäubte Teilchen umgewandelt, wenn es zu einem nachfolgend beschriebenen Verdampfer geliefert wird, der an einem Mischkanal und an anderen Teilen eines Brennersystems befestigt ist

Der mit einem elektrischen Heizelement 2 versehene Verdampfer 1 ist an seiner Außenseite mit einem wärmeisolierenden Material 3 bedeckt. Der Verdampfer 1 ist auch mit einem Temperatursensor versahen zur Steuerung des zum Heizelement 2 gelieferten Stroms. Der Verdampfer enthält einen venturidüsenförmigen Einlaß, der in eine mit einem Gebläse 6 in Verbindung stehenden Luftverteilungskammer 5 mündet, und hat ein Kerosinzufuhrrohr 4, das in der Engstelle des Einlasses mündet Der Verdampfer 1 enthält auch einen Auslaß, der in der Mitte der Engstelle einer zweiten Venturidüse 7 mündet die ihrerseits an ihrem Einlaß über einen Venturikanal Ta mit der Luftverteilungskammer 5 verbunden ist.

Die aus der Luftverteilungskammer zum Einlaß des Verdampfers 1 und zum Einlaß der Venturidüse 7 gelieferte Luft wirkt als Primärluft und hat ein Volumen, das etwa bei 0.7 des theoretischen Luftvolumens für Kerosin liegt Der Verdampfer 1 ist 30 ausgelegt, daß die in seinen Einlaß strömende Primärluft nur einen Teil des gesamten Primärluftvolumens beträgt

Der insgesamt mit 10 bezeichnete Brenner ist in der Mitte mil Sekundärluftöffnungen Al und mit Flammöffnungen 12 auf gegenüberliegenden Seiten der Sekundärluftöffnungen 11 versehen. Der Brenner 10 besteht aus einem Aluminiumabschnitt mit einem Sekundärluftkanal 13 in der Mitte und einem Flainmöffnungsabschnitt 14 an gegenüberliegenden Seiten des Sekundär luftkanals 13, wobei die Sekundärluftöffnungen 11 und die Flammöffnungen 12 durch spanabhebende Bearbeitung in Schlitzform hergestellt sind Der Sekundärluftkanal 13 mündet in die Luftverteilungskammer 5. Die Venturidüse 7 ist durch Schrauben 16 über eine Packung 15 aus wärmeisolierendem Material am Brenner 10 befestigt Der Verdampfer 1 ist in gleicher Weise ebenfalls am Brenner 10 befestigt

Eine aus Aluminiumdruckguß bestehende Brennkammerwand 20 bildet eine Brennkammer 21 und einen Vormischkanal 22 und ist in ihren Seitenteilen mit Nuten 23 versehen zur Aufnahme von Endteilen des Flammenöffnungsteils 14 des Brenners 10, um letzteren an seinem Einbauort zu halten. Der Raum zwischen der Außenfläche der Venturidüse 7 und der Innenfläche der Brennkammerwand 20 bildet den Vormischkanal 22, der mit den Flammöffnungen 12 in Verbindung steht Somit ist die den Vormischkanal 22 umschließende Brennkammerwand 20 ein Teil des Brenners 10. Die Brennkammerwartd 20 ist an einem Ende durch eine Platte 24 abgeschlossen, die durch Schrauben 25 an der Brennkammerwand 20 befestigt ist. Eine Platte 26 verschließt das andere Ende der Brennkammerwand 20 und ist mit Öffnungen 27 bzw. 28 für Primärluft bzw. Sekundärluft versehen. Die Platte 26 und ein Kasten 29 der Luftverteilungskammer 5 sind durch Schrauben 30 an der Brennkammerwand 20 befestigt. Der Kasten 29 der Luftverteilungskammer 5 ist mit einer das Kerosinspeiserohr 4 tragenden Kerosinzufuhrleitung 22 «ο versehen. Es ist ein Wasserkanal 33 vorgesehen.

Ein Behälter 40 mit konstantem Flüssigkeitsniveau zur Lieferung von Kerosin hält das Flüssigkeitsniveau im wesentlichen auf der gleichen Höhe wie die Öffnung des Kerosinspeiserohrs. Ein Luftrohr 41 überträgt den *5 in der Luftverteilungskammer herrschenden Luftdruck auf die Flüssigkeitsfläche des Behälters 40. Das Kerosin wird durch einen Einlaß 42 in den Behälter 40 geliefert und über Magnetventile 44 und 45 sowie Öffnungen 46 und 47 in einen Kerosin-Vorheizkanal 48 der Brennkammerwand 20 und von da aus in das Kerosinspeise rohr 4 geleitet Das Magnetventil 44 ist im Zeitpunkt der Zündung und während des Dauerbetriebs geöffnet, während das Magnetventil 45 nur im Zeitpunkt der Zündung geöffnet ist.

Das Gebläse 6 ist derart gesteuert, daß das Volumen der durch dieses gelieferten Luft Veränderungen in Abhängigkeit von der Temperatur im Wasserkanal 33 erfährt Die Steuerung des Gebläses 6 und des Heizelements 2 erfolgt durch nicht gezeigte gesonderte Steuerungen.

Das Volumen der durch das Gebläse 6 gelieferten Luft wird derart gesteuert, daß zum Zeitpunkt der Zündung das Volumen etwa gleich der Hälfte des während der Dauerbetriebsverbrennung gelieferten maximalen Volumens ist. Hierbei sind die Magnetventile 44 und 45 geöffnet und liefern Kerosin mit einem Volumen, das im wesentlichen gleich dem während der Dauerbetriebsverbrennung gelieferten Volumen an

Kerosin ist. Diese Volumenänderungen von Luft und Kerosin werden durch eine Taktsteuereinrichtung in den genannten Steuerungen gesteuert.

Bei der Inbetriebnahme des Brenners, wenn die verschiedenen Teile des Brennersystems noch nicht erwärmt sind, wird zuerst elektrischer Strom zum Heizelement 2 zur Erhitzung des Verdampfers 1 geleitet. Wenn die Temperatur des Verdampfers 1 auf eine gegebene Höhe zwischen 250 und 300⁰C ansteigt, wird das Gebläse 6 betätigt. Dieses arbeitet derart, daß das von diesem geförderte Luftvolumen etwa gleich dem halben maximalen Luftvolumen ist. Zur selben Zeit werden zur Lieferung von Kerosin die Magnetventile 44 und 45 geöffnet. Der auf die Oberfläche des Kerösins im Behälter 40 ausgeübte Druck und der Druck am Auslaß des Kerosinspeiserohrs 4 sind durch das vom Gebläse 6 gelieferte Luftvolumen bestimmt, so daß das Volumen des Kerosinstroms sich proportional zum Volumen des Luftstroms ändert Da die Magnetventile 44 und 45 im Zeitpunkt der Zündung offen sind, ist das Volumen des Kerosinstroms etwa dasselbe wie die maximale Strömungsdurchsatzmenge an Kerosin, die während der Dauerbetriebsverbrennung erzielt wird, und zwar selbst dann, wenn das Luftvolumen klein ist. Das Kerosin wird durch den Anteil an in den Verdampfer 1 eingeführter Primärluft zu Teilchen zerstäubt, wobei das zerstäubte Kerosin im Verdampfer I sofort verdampft, zur Erzeugung eines Gemischs aus Brennstoff und Luft mit einer Temperatur, die geringfügig höher als die Taupunkttemperatur dieses Gemischs ist.

Inzwischen tritt der Anteil der Primärluft, die durch den Venturikanal 7a aus der Luftverteilungskammer 5 herausgeleitet wurde, aus der Venturidüse 7 aus, wo er mit dem Brennstoff-Luftgemisch aus dem Verdampfer 1 gemischt wird. Da die durch den Venturikanal 7a in die Venturidüse 7 strömende Primärluft noch nicht erhitzt ist, so bewirkt sie ein Abkühlen des Gemischs, derart, daß sich das Kerosin im Zustand eines Nebels mit einer Teilchengröße von unter 10 μ befindet, der in den Mischkanal 22 strömt Ein geringer Teil des Nebels wird allenfalls dabei an der Wand des Kanals niedergeschlagen, während der Hauptteil hiervon aus den Flammenöffnungen 12 ausströmt und durch eine nicht gezeigte Zündeinrichtung gezündet wird zur Verbrennung in der Brennkammer 21. Die Sekundärluft aus der Luftverteilungskammer 5 wird durch Sekundärluftöffnungen 11 in die in den Flammenöffnungen 12 gebildeten Flammen derart ausgestoßen, daß die Ströme an Sekundärluft zu Teilen der Flammen stromab der Flammenöffnungen 12 geliefert werden.

Ist die Verbrennung einmal in Gang gesetzt so wird die Brennkammerwand 20 und das Wasser bzw. das Kerosin in den Kanälen 33 bzw. 48 erhitzt Auch die den Mischkanal 22 bildende Wand erfährt eine Temperaturzunahme. Folglich wird das darauf evtl. niedergeschlagene Kerosin wiederum verdampft und strömt aus. In diesem Zeitpunkt wird das Magnetventil 45 geschlossen und das Gebläse 6 liefert Luft in einem'Volumen, das mit der Temperatur im Wasserkanal 33 im Einklang steht Kerosin wird in einem Volumen geliefert, das mit dem Luftvolumen im Einklang steht

2 bis 3 Minuten nach der Einleitung der Verbrennung wird das Kerosin im Kerosinvprheizkanal 48 auf etwa bis 160⁰C vorerhitzt, so daß die zur Verdampfung des Kerösins erforderliche Wärmemenge kleiner und der zum elektrischen Heizelement 2 geleitete Strom verringert wird Wenn die Temperatur des Kerosins 160⁰C übersteigt, kocht das Kerosin teilweise, wobei sein Volumen Änderungen erfährt und Geräusche erzeugt werden. Daher wird das Kerosin auf ein Niveau unter 160⁰C vorerhitzt.

Wie vorstehend beschrieben, wird ein relativ kleiner Anteil der Primärluft zusammen mit dem Kerosin zum Verdampfer 1 geliefert. Die hierbei auftretenden physikalischen Vorgänge werden nun erläutert.

Fig.3 ist ein Diagramm mit einer Darstellung der Ergebnisse von Versuchen bezüglich der Beziehung ι» zwischen dem Gewichtsverhältnis GJGi aus der Strömungsdurchsatzmenge des kleineren A nteils G, an zum Verdampfer 1 gelieferter Primärluft im Anschluß an das Strömen längs des Außenumfangs des Kerosinlieferrohrs 4 zur Strömungsdurchsatzmenge G\ an Kerosin und der Teilchengröße di des zum Verdampfer 1 gelieferten Kerosins. Die Abszisse zeigt auch das Verhältnis n\ des kleineren Anteils der Primärluft zum theoretischen Luftvolumen. Wenn GJGi = 0 ist, oder wenn keine Luft geliefert wird, wird das Kerosin nicht in 2« die zerstäubte Teilchenform umgewandelt sondern in Form eines Films geliefert, der naturgemäß für die vorliegenden Belange ungeeignet ist. Wenn das Verhältnis GJGi = 0,3 beträgt, wird das Kerosin bereits in zerstäubte Teilchenform umgewandelt und eine brauchbare Verdampfung erzielt. Eine Zunahme des Verhältnisses GJGi in den Bereich zwischen 2,0 und 5,0 verursacht eine starke Verringerung der Teilchengröße des Kerosins. Wenn jedoch das Verhältnis GJGi über dem Bereich von 2,0 bis 5,0 liegt wird die Verringerungsrate der Teilchengröße kleiner.

F i g. 4 zeigt das Verhältnis GJGi in Beziehung zur Taupunkttemperatur to des Gemischs aus verdampftem Kerosin und Luft und die Wärmemenge q je 1 kg Kerosin, die zur Erhitzung des Gemischs auf die Taupunkttemperatur ίο erforderlich ist oder die Wärmemenge, die durch Verwendung des elektrischen Heizelements 2 erzielt werden sollte. Die Abszisse gibt auch das in Verbindung mit F i g. 3 beschriebene Verhältnis m an. Aus der Figur ist ersichtlich, daß bei *o fehlender Luftzufuhr eine große Wärmemenge erforderlich ist da ίο hoch ist Jedoch verursacht die Zufuhr einer kleinen Luftmenge eine Verringerung von to, wobei die Wärmemenge q sich auch verringert und mit dem Verhältnis GJGi = 0,3 auf ein Minimum gebracht ^5 wird. Eine weitere Zunahme des Verhältnisses GJGi verursacht eine Verringerung von u> und eine Zunahme der Wärmemenge q aufgrund einer Zunahme des zu erhitzenden Luftvolumens G«.

Somit wird der Minimalwert des zum Verdampfer 1 gelieferten Luftvolumens vorteilhaft derart gewählt daß das Verhältnis GJGi = 03 ist was die Wärmemenge q auf ein Minimum bringt während dessen Maximalwert vorteilhaft derart gewählt wird, daß das Verhältnis GJGi= 2,0—5,0 ist Wenn somit die Teilchengröße des zum Verdampfer 1 gelieferten · Kerosins und die durch das elektrische Heizelement 2 erzeugte.Wärmemenge zusammen in Betracht gezogen werden, liegt ein optimaler Wert des Gewichtsverhäitnisses G/G/ des zum Verdampfer 1 gelieferten Lüftvolumens G_a zu dem zürn Verdampfer 1 gelieferten Kerosinvolumen G/im Bereich von P3 bis 5,0.

Pig.5 zeigt die. Ergebnisse yon Versuchen, die bezüglich der Beziehung zwischen der Strömungsgeschwindigkeit V, von Luft längs des Außenumfangs des ^bl> Kerbsinspeiserohrs 4 und der Kerosinteilchengröße <// durchgeführt wurden. Aus der Figur ist. ersichtlich, daß, je Tiöher V_t ist, umso linearer die Verringerung von <f/ . wird. Das heißt, wenn der Strömungsdurchsatz von Luft

längs des Außenumfangs des Kerosinspeiserohrs 4 erhöht wird, wird die Teilchengröße des zum Verdampfer 1 gelieferten Kerosins kleiner. Dies bedeutet, daß die Verdampfung in geringerer Zeit erzielt und der Bodensatz von Kerosin auf ein Minimum gebracht werden kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verdampfungsbrenner für flüssigen Brennstoff, insbesondere Kerosin, mit einer den flüssigen Brennstoff, führenden Leitung, ferner mit einem an diese angeschlossenen, mit einem Heizelement ausgestatteten Verdampfer für den flüssigen Brennstoff, der nach Art eines Venturirohres ausgebildet ist, in dessen Düse die Brennstoffleitung mit ihrer Austrittsöffnung hineinragt und dessen Einlaß ίο Primärluft von einer Druckluftquelle über eine Primärluftleitung erhält, ferner mit einer Mischkammer, die austrittsseitig die Flanimenöffnungen des Brenners enthält, sowie mit Sekundärluft-Zutritt in den 3ereich der Flammenöffnungen, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verdampfer (1) ein zweites Venturirohr (7, 7a) nachgeschaltet ist, in dessen Düse der Auslaß des Verdampfers (1) hineinragt und dessen Einlaß (bei 27) ebenfalls Primärluft von der Verbrennungsluftleitung (5) erhält und dessen Auslaß (7) in die Mischkammer (22) ausmündet

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des zum Verdampfer (1) gelieferten Primärluftanteil derart gewählt ist. daß das Gewichtsverhältnis der Strömungsdurchsatzmenge (Gi) der Luft zur Strömungsdurchsatzmenge (Gi) des flüssigen Brennstoffs im Bereich von 0,3 bis 5,0 liegt

3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, durch die im Verdampfer das Verhältnis vom flüssigen Brennstoff zu Primärluft im Zeitpunkt der Zündung des Brenners größer gehalten ist als das Verhältnis vom flüssigen Brennstoff zu Primärluft während des Dauerbetriebs.

4. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gelieferte Menge an Primärluft im Zeitpunkt der Zündung geringer ist als die Menge an Primärluft während des Dauerbetriebs. «o

5. Brenner nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (1) an seiner Außenseite mit einer Schicht aus wärmeisolierendem Material (3) bedeckt ist.

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