DE3132948C2

DE3132948C2 - Brenneraustrittskopf für einen Brenner für flüssige Brennstoffe

Info

Publication number: DE3132948C2
Application number: DE19813132948
Authority: DE
Inventors: Hans-Benno Dr.rer.nat. Dipl.-Phys. 8759 Hösbach Ricke
Original assignee: Kraft Hausherr & Co Kg 4322 Sprockhoevel De GmbH; Kraft Hausherr & Co Kg 4322 Sprockhoevel GmbH
Current assignee: Loi Industrieofenanlagen 4300 Essen De GmbH
Priority date: 1981-08-20
Filing date: 1981-08-20
Publication date: 1984-07-19
Also published as: EP0072950A2; JPS5847903A; EP0072950A3; DE3132948A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verdampfung und Verbrennung flüssiger Brennstoffe, bei welchem dem zerstäubten Brennstoff Luft, Gas oder Wasserdampf zugemischt wird sowie einen Brenner für flüssige Brennstoffe, welcher ein mit einer Austrittsöffnung versehenes, sich an seinem vorderen Ende konisch verjüngendes Mantelrohr aufweist, vor dessen Austrittsöffnung eine Zerstäuberdüse angeordnet ist, in deren äußerer Umfläche Nuten vorgesehen sind, deren eine Enden von einem von der Zerstäuberdüse und dem Mantelrohr gebildeten Ringraum ausgehen, welcher an eine Druckgaszufuhr angeschlossen ist und deren andere Enden in den Austrittsraum der Zerstäuberdüse münden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und einen Brenner der eingangs genannten Art zu schaffen, welche eine vollständig rußfreie Verbrennung mit einer sehr heißen, stöchiometrischen, nichtleuchtenden Flamme bewirken. Verfahrensgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Brennstoff unter hohem Druck in einer Zerstäuberdüse versprüht wird und die hierdurch gebildeten Tröpfchen mit Luft- oder sonstigen Gasstrahlen mit einem statischen Druck, der geringer ist als der Dampfdruck der zu zerstäubenden Flüssigkeit, und mit einer Geschwindigkeit, die größer ist als Schallgeschwindigkeit, weiter zerteilt und verdampft werden. Der Brenner ist dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäuberdüse (10) mit ihrer äußeren Umfläche an der Innenfläche des sich konisch verjüngenden vorderen Endes (12) des Mantelrohres (7) .

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenneraustrittskopf für einen Brenner für flüssige Brennstoff'- welcher ein mit einer Austrittsöffnung versehenes, sich an seinem vorderen Ende konisch verjüngendes Mantelrohr aufweist, vor dessen Austrittsöffnung einer Zerstäuberdüse angeordnet ist, weiche mit dem konischen Teil des Mantelrohres einen mit einer Druckgaszufuhr verbundenen, sich verjüngenden Ringraum bildet, welcher zum Düsenmund hin mit einem sich erweiternden Ringraum in Verbindung steht und eine Lavaidüse bildet.

Ein derartiger Brenneraustrittskopf ist bekannt durch die US-PS 32 13 918. Diese beinhaltet einen Kombinationsbrenner für flüssige und gasförmige Brennstoffe, bei welchem flüssiger Brennstoff durch ein Gas mit niedrigem Druck (nicht größer als 15 p. s. i. g.) zerstäubt oder feinzerstäubt wird und bei dem ein Gas durch die öldüse strömt, wenn bei intermittierendem Betrieb die Ölzufuhr unterbrochen wird, um Ablagerungen von Crackprodukten des öis in der Düse zu vermeiden. Die öldüse ist an ihrem vorderen Ende konisch verjüngt und in ein Hüllrohr axial verschiebbar so eingesetzt, daß zwischen konischer Innenwand des Hüllrohrendes und einem doppelten Düsenaußenkonus ein ringförmiger Spalt verbleibt, dessen Weite zum Zwecke der Durchflußregulierung variabel ist, innerhalb der durch eine Wegbegrenzung festgelegten Strecke. Bei diesem bekannten Kombinationsbrenner erfolgt keine Fixierung an der konischen Innenwand des Hüllrohrendes, da anderenfalls eine unerwünschte Veränderung der angestrebten Geometrie erreicht wird. Bei höheren als den angegebenen Druckverhältnissen, bei denen bei Außerachtlassung der nicht vermeidbaren Verluste theoretisch eine Überschallgeschwindigkeit möglich wäre, ergibt sich für den überkritischen Bereich ein so enger Düsenquerschnitt, welcher fertigungstechnisch nicht mit vertretbarem Aufwand zu verwirklichen ist.

Durch die GB-PS 10 51 546 ist es bekannt, in einem Brenneraustrittskopf Längsrillen vorzusehen.

Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Brenneraustrittskopf als Lavaidüse derart auszubilden, daß für einen sicheren überkritischen Betrieb die Geometrie der Düse unverändert bleibt und diese in technisch einfacher Weise zu verwirklichen ist.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß

ίο die Zerstäuberdüse mit ihrer äußeren Begrenzungsfläche an der Innenfläche des sich konisch verjüngenden vorderen Endes des Mantelrohres linienförmig anliegt und daß der engste Querschnitt durch Längsnuten im Bereich der linienförmigen Anlage gebildet ist.

-Oer Brennstoff wird unter hohem Druck in der Zerstäuberdüse versprüht. Die hierdurch gebildeten Tröpfchen werden mit Luft- oder sonstigen Gasstrahlen mit einem statischen Druck, der geringer ist als der Dampfdruck der zu zerstäubenden Flüssigkeit und mit einer Geschwindigkeit, die größer ist als Schallgeschwindigkeit, weiter zerteilt und verdampft Der Brennstoff wird beispielsweise mit einem Druck zwischen 5—20 bar in der Zerstäuberdüse versprüht, wobei die Luft- oder sonstigen Gasstrahlen einen gegenüber diesem Druck verminderten Druck von beispielsweise anfänglich 2,5 bar besitzen, der in Geschwindigkeit von beispielsweise 1 —2 Mach gewandelt wird. Das Brennstoffdampf-Gasvorgemisch wird mit sekundärer Luft niedrigen Vordrucks vermischt und in einem Brennerrohr vollständig verbrannt Auf diese Weise wird die Feinstzerstäubung des flüssigen Brennstoffs durch Luft- bzw. Gasstrahlen vergleichsweise geringer Masse bewirkt, die Geschwindigkeiten von größer als Schallgeschwindigkeit aufweisen. Die Zerstäubungsluft bzw. das Zerstäubungsgas werden in den Strom des vorzerstäubten Brennstoffs über Nuten eingeleitet, die die Charakteristik von Lavaldüsen haben, bei denen das zuströmende Druckgas durch einen Raum mit sich stetig verjüngendem Querschnitt geleitet wird und nach Oruchstiömen des engsten Querschnittes in einen sich stetig erweiternden Raum gelangt und aus diesem dem Mund der Zerstäuberdüse zufließt, wobei der dem Strahl noch innewohnende Preßdruck durch Expansion in eine Geschwindigkeit größer als 1 Mach umgewandelt wird. Die mit Überschallgeschwindigkeit austretenden Gasstrahlen rufen starke Verdichtungsstöße hervor, die von starken Unterdruckimpulsen periodisch abgelöst werden. Diese Wechselwirkung von Druck und Unterdruck führt zu einer weiteren Zerteilung der bereits feinzerstäubten Brennstofftröpfchen auf eine Größenordnung von unter 1 μπι und infolge der dadurch erzielten starken Vergrößerung der Oberfläche in Verbindung mit dem vor der Düse sich bildenden Unterdruck ergibt sich eine vollständige Vergasung, weil der Dampfdruck der Tröpfchen größer ist als der Druck der Umgebung während der Unterdruckimpulsphasen. Somit ist die Verbrennung flüssiger Brennstoffe von niedriger bis zu sehr hoher Viskosität möglich, so daß insbesondere auch schweres Heizöl nach Vorwärmung auf ca. 90⁰C mit gleicher Flammcnqualität rußfrei verbrannt werden kann.

Vorteilhaft können die Nuten entweder in der äußeren Begrenzungsfläche der Düsenwandung oder in der inneren Begrenzungsfläche des sich konisch verjüngenden vorderen Endes des Mantelrohres vorgesehen sein.
Die Erfindung ist an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, und zwar zeigt

Fig. 1 eine geschnittene Seitenansicht einer ersten

Ausführung eines Brenneraustrittskopfes,

F i g. 2 eine Vorderansicht der F i g. 1,

F i g. 3 eine geschnittene Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform eines Brenneraustrittskopfes und

F i g. 4 eine Vorderansicht der F i g. 3.

Der Brenneraustrittskopf 1, für einen nicht weiter dargestellten Brenner für flüssige Brennstoffe, weist ein mit einer Austrittsörfnung 3 versehenes, sich an seinem vorderen Ende 4 konisch verjüngenden Mantelrohr 2 auf, vor dessen Austrittsöffnung 3 sich die Zerstäuberdüse 5 befindet Die Zerstäuberdüse 5 besitzt an ihrem vorderen Ende eine kugelförmige äußere Umfläche und liegt mit dieser an der Innenfläche des sich konisch verjüngenden Endes 4 des Mantelrohres 2 linienförmig an. In diesem Bereich der Zerstäuberdüse 5 sind in deren Wandung Nuten 6 oder Kerbschlitze eingeschnitten, deren eine Enden von einem von der Zerstäuberdüse 5 und dem Mantelrohr 2 gebildeten Ringraum 7, der als Druckluitverteilerraum dient, ausgehen und deren andere Enden mit dem Austrittsraum der Zerstäuberdüse

5 in Verbindung steht

Durch die ünienfönr.ige Anlage der kugelförmigen äußeren Umfläche der Zerstäuberdüse 5 an c^r geradlinigen Innenfläche des sich konisch verjüngenden Endes 4 des Mantelrohres 2 ergeben sich Räume 8, 9 im Bereich vor den einen Enden der Nuten 6 und im Bereich hinter den anderen Enden der Nuten 6, wobei beide Räume 8,9 geometrisch gleich gestaltet sind. Die Nuten

6 verlaufen parallel zur Mantelfläche des sich konisch verjüngenden Endes 4 des Mantelrohres 2, können aber — wie aus F i g. 2 ersichtlich — gegen die Hauptachse des Systems in Umfangsrichtung versetzt sein, so daß sich eine Verwirbelung ergibt. Die Räume 8,9 mit sich stetig veränderndem Querschnitt gehen in die Nuten 6 über bis zu der Stelle ihrer geringsten Querschnitte. Die Geometrie der Anordnung im Bereich der Andrucklinie der Zerstäuberdüse 5 gegen das sich konisch verjüngende Ende 4 des Mantelrohres 2 stellt sich der als eine längs der Zentralebene geschnittene und somit halbierte Lavaldüse.

Mit 10 iii der Düsenhalter bezeichnet, in den eine Zuführungsleitung für das Öl einmündet Der Öl-Verteilerraum U befindet sich im Inneren des Düsenhalters 10.

Die Wirkungsweise des Brenneraustrittskopfes ! ist derart, daß der zugeführte flüssige Brennstoff in den Verteilerr&um 11 gelangt und aus diesem unter hohem Druck der Zerstäuberdüse 5 zugeführt wird. Die sich dabei bildenden Tröpfchen werden durch die in den Ringraum 7 eintretende Preßluft weiter zerstäubt, und zwar wird diese durch crls Nuten 6 in Luftstrahlen von hoher Geschwindigkeit aufgeteilt, wobei die Geschwindigkeit grCßer ist als die Schallgeschwindigkeit. Die auf diese Weise weiter zerteilten Tröpfchen werden durch die gasdynamische Ausbildung von Unterdruckimpulsen weiter verdampft, wobei das Brennstoffdampf-Luftgemisch mit sekundärer Luft niedrigen Vordrucks vermischt in das nicht dargestellte Brennerrohr eintritt Die Sekundärluft wird in das Brennerrohr, und zwar in einen dem Brenner umgebenden Ringraum, eingeleitet.

Durch die in mehreren Stufen erfolgende Zerstäubung und Vergasung und intensive Vermischung mit der Verbrennungsluft ergibt sich eine sehr heiße stöchiometrische, nicht leuchtende Flamme im Brennerrohr, wobei der Brennstoff völlig rußfrei verbrannt wird.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 3 und 4 sind die Nuten 6 in der inneren Umfläche des sich konisch verjüngenden Endes 4 des Mantelrohres 2 vorgesehen unter Beibehaltung der für die Wirksamkeit des Systems maßgeblichen geometrischen Querschnittsverhältnisse. Bei dieser Ausführung ist anstelle einer kugelförmigen Umfläche eine solche vorgesehen, welche den \4anteiflächen zweier Kegelstümpfe entspricht, deren vordere einen Scheitelwinkel größer und deren hintere einen Scheitelwinkel kleiner als der Konuswinkel des Hüllrohres besitzen.

Die für die Feinzerstäubung des flüssigen Brennstoffs zugeführte Preßluft kühlt die Zerstäuberdüse 5, so daß diese vor der Auswirkung einer Temperaturrückstrahlung aus dem Brennerrohr geschützt ist

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Brenneraustrittskopf für einen Brenner für flüssige Brennstoffe, welcher ein mit einer Austrittsöffnung versehenes, sich an seinem vorderen Ende konisch verjüngendes Mantelrohr aufweist, vor dessen Austrittsöffnung eine Zerstäuberdüse angeordnet ist, welche mit dem konischen Teil des Mantelrohres einen mit einer Druckgaszufuhr verbundenen, sich verjüngenden Ringraum bildet welcher zum Düsenmund hin mit einem sich erweiternden Ringraum in Verbindung steht und eine Lavaidüse bildet, dadurch gekennzeichnet daß die Zerstäuberdüse (5) mit ihrer äußeren Begrenzungsfläche an der Innenfläche des sich konisch verjüngenden vorderen Endes (4) des Mantelrohres (2) linienförmig anliegt urid daß der engste Querschnitt durch Längsnuten (6) im Bereich der linienförmigen Anlage gebildet ist.

Z BrennerJMistrittskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (6) in der äußeren Begrenzungsfläche der Düseiwandung vorgesehen sind.

3. Brenneraustrittskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (6) in der inneren Begrenzungsfläche des sich koi-isch verjüngenden vorderen Endes (4) des Mantelrohres (2) vorgesehen sind.