DE3243397C2

DE3243397C2 - Hocherhitzbares Brennstoffaufbereitungselement für einen Brenner, insbesondere einen mit flüssigem Brennstoff gespeisten Verdampfungsbrenner, und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE3243397C2
Application number: DE3243397A
Authority: DE
Inventors: Peter Johan Mads Clausen; Jorgen Hartvig Petersen; Hilmer Orum Nordborg Rasmussen
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1982-11-24
Filing date: 1982-11-24
Publication date: 1985-07-25
Also published as: SE8306421D0; GB8331204D0; CA1221014A; IT1159646B; DK526383A; GB2130709B; SE8306421L; GB2130709A; DE3243397A1; US4634481A; JPS59107108A; FR2536506A1; DK526383D0; IT8368234A0; US4497625A

Abstract

Ein Brennstoffaufbereitungselement, insbesondere für mit flüssigem Brennstoff gespeiste Vergasungsbrenner, besitzt eine elektrisch beheizbare Brennstoffaufbereitungskammer (1), deren mindestens eine Austrittsöffnung (5) in einen Brennraum (6) mündet. Eine die Brennstoffaufbereitungskammer aufweisende Baueinheit ist aus mehreren Keramikteilen, darunter ein Rohr (2) größeren Durchmessers, ein in dessen Endabschnitt eingeschobenes Rohr (3) kleineren Durchmessers und mindestens ein am anderen Endabschnitt vorgesehenes Abschlußelement (8), zusammengesetzt. Die Teile sind gesinterte Preß- oder Extrusionsteile mit annähernd gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, die an ihren Anlageflächen (25, 26) hitzebeständig miteinander verbunden sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein hocherhitzbares Brcnnsfcffaiifbcreitungselement für einer. Brenner, insbesondere einen mit flüssigem Brennstoff gespeisten Verdampfungsbrenner, nach dem Oberbegriff des An-Spruchs 1 und auf Verfahren zur Herstellung eines solchen Brennstoffaufbereitungselements.

Es ist ein Verdampfungsbrenner dieser Art bekannt (VDI-Berichte Nr. 423,1981, Seiten 175 bis 180), der als beheizbare Brennstoffaufbereitungskammer mehrere parallel geschaltete Kanäle kleinen Querschnitts aufweist, die in einem Hohlzylinder untergebracht und außen von einer Heizwicklung umgeben sind. Die Austrittsöffnungen befinden sich am Außenumfang des Hohlzylinders an einer Stelle, wo Verbrennungsluft als zylindrischer Strahl vorbeigeführt wird. Die Herstellung eines solchen Verdampfungsbrenners ist äußerst kompliziert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffaufbereitungselement der gattungsgemäßen Art anzugeben, das preisgünstig heraistelkr ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst

Bei dieser Konstruktion ist die Baueinheit aus mehreren Keramikteilen zusammengesetzt, die verhältnismä-Big hohe Temperaturbeanspruchungen aushalten. Infolgedessen kann die Wand der Kammer auf Temperaturen gebracht werden, die erheblich über der unteren Grenze der Verdampfungstemperatur für flüssigen Brennstoff liegen. Dies ist nicht nur vorteilhaft, um flüssigen Brennstoff schneller zu verdampfen. Vielmehr kann das Keramikrohr teilweise bis auf Glühtemperatur erhitzt werden, um eine Zündung zu bewirken, oder auf eine Reinigungstemperatur, bei der Ablagerungen an der Kammerwand zu Asche verbrennen. Keramikteile lassen sich aber sehr schwer bearbeiten. Daher werden sehr einfache Preßteile verwendet Da ein Zusammenfügen mittels Gewinde o. dgl. nicht möglich ist, wird dafür gesorgt, daß die Teile flächenmäßig aneinander liegen. Bei ausreichender Anlagefläche, wie sie sich bei zylindrisehen Rohrflächen ohne weiteres ergibt, ist eine gasdichte, hitzebeständige, dauerhafte Verbindung ohne Schwierigkeiten möglich, wie später noch ausgeführt wird. Durch die Verwendung von zwei Rohren unterschiedlichen Durchmessers ergibt sich ferner ein einfa-

eher Übergang von dem Brennstoff-Zuleitungsrohr mit sehr kleinem Durchmesser zu der Brennstoffaufbereitungskammer größeren Durchmessers. Mit einem solchen Brennstoffaufbereitungselement läßt sich die

Flamme mit in der Temperatur erhöhtem, gasförmigem oder verdampftem flüssigen, Brennstoff versorgen. Der Brennstoff wird für die anschließende Verbrennung außerordentlich effektvoll aufbereitet Es läßt sich ein rußfreier und sogar stöchiometrischer Betrieb sowie ein Anlauf mit blauer Flamme erzielen.

Die Keramikteile können aus den verschiedensten Materialien besteher., beispielsweise aus Magnesiumsilikat, Siliziumnitrid oder Cordierit Bevorzugt wird Siliziumkarbid, das gemäß Anspruch 2 gasdicht gemacht worden ist Die so hergestellten Keramikteile lassen sich besonders leicht miteinander verbinden. Das Belagmaterial ist. sowohl in oxidierenden als auch in reduzierenden Atmosphären korrosionsbeständig, so daß die Lebensdauer der Rohre verlängert wird. Außerdem ergibt er eine elektrische Isolation.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform nach Anspruch 3 kann die von dem erstgenannten Rohr gebildete Brennsioffaufbereitungskammer einen verhältnismäßig großen Durchmesser haben, während das zweitgenannte Rohr Abmessungen besitzt weiche dem Brennstoff- AnEchlußrohr angepaßt sind.

Mit den drosselnden Kanälen nach Anspruch 4 I£ßt sich ein Teil der Verbrennungsluft, vorzugsweise weniger als 13%, in die Brennstoffaufbereitungskammer einleiten. Diese Zusatzluft stellt sicher, daß beim Anlauf immer Sauerstoff in der Verdampfungskammer vorhanden ist, so daß mii Sicherheit eine Pilotflamme entsteht. Die Zusatzluft Wirkt auch als Traggas, um auch bei kleinster Leistung noch einen einwandfreien Betrieb sicherzustellen. Auch bei einer Reinigungsphase erfolgt ein schnelleres Abbrennen der Ablagerungen und ein zuverlässiges Au^sblasen der Asche. Umgekehrt ist die Menge so gering, daß der Verdampfungsvorgang nicht beeinträchtigt wird

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 5 wird eine zu frühe Verdampfung des flüssigen Brennstoffs verhindert Das Rohr ka<m zweckmäßigerweise auch aus elektrisch isolierenderTi Material bestehen.

Die Glas-Lot-Verbindungen nach den Ansprüchen 6 und 7 ergeber auch eine elektrische Isolation.

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 8 entfällt der Wärmeübergang Zwischen Heizvorrichtung und Rohr, so daß das Brennstoffaufbereitungselement mit geringerer Leistung auskommt.

Für die elektrischen Anschlüsse nach Anspruch 9 eignen sich Materialien wie Titan, Molybdän, Wolfram oder Siliziumkarbid. Hierdurch ergibt sich eine produktionsmäßig einfache Lötung, die gegebenenfalls gleichzeitig mit der Montage der übrigen Keramikteile vorgenommen werden kann.

Ein Verfahren zur Herstellung des Brennstoffaufbereitungseleirients ist in Anspruch 10 gekennzeichnet. Da die Teile längs ihrer Anlageflächen aneinander liegen, genügt dieser Sintervorgang bereits, um die Keramikteile fest miteinander zu verbinden.

Ein anderes Verfahren ist in Anspruch 11 gekennzeichnet. Die Zwischenräume an den Anlageflächen sind so klein, daß sie sich durch Kapillarwirkung mit Silizium auffüllen, so daß sich die gewünschte hitzebeständige Verbindung ergibt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter, bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert· Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform ein<:s erfindungsgemäßen Brennstoffaufbereitungselemerlts und

F i K- 2 einen Längsschnitt durch die Baueinheit einer zweiten Ausführungsform.

In F i g. 1 wird eine Brennstoffaufbereitungskammer 1, in Ausbildung als Verdampfungskammer, im wesentlichen durch ein Rohr 2 größeren Durchmessers begrenzt. In dieses ist an der Eingangsseite ein Rohr 3 kleineren Durchmessers eingeschoben. In dieses Rohr wiederum ist das Anschlußrohr 4 für flüssigen Brennstoff eingesetzt beispielsweise ein Standardkapillarrohr aus rostfreiem Stahl. Die Mündung 5 des Rohrs 2 weist

ίο in einen Brennraum 6, der von einem hohlzylindrischen Brennerrohr 7 umgrenzt ist Am ausgangsseitigen Ende des Rohres 2 ist außen als Abschlußelement 8 ein äußerer Ring angebracht Das Rohr 2 wird von einer Wärmeisolation 9 umgeben. Ein Kanalsystem 10 wird innen durch ein Gehäuse 11 begrenzt Dieses ist über einen Leitring 12 aus Wärme isolierender Keramik mit dem Abschlußelement 8 verbunden. Außen wird das Kanalsystem durch eine Hülse 13 und einen über ein Gewinde 14 damit verbundenen Brennerkopf 15" begrenzt, so daß über einen Einlaß 16 tangential zugeführte Verbrennungsluft über einen konischen RingSDalt 17 als rotierender Konusstrahl in den Brennraum 6 eingespeist wird. Eine Schraube 18, die durch ein Gewinde 19 des Gehäuses 11 greift, sichert in Verbindung mit zwei anderen, nicht dargestellten Schrauben die Lage des Pohrs 3 kleineren Durchmessers.

Ein arc hinteren Ende des Rohres 2 angebrachter Anschlußring 20 ist mit einer Leitung 21 verbunden, ein nahe dem äußeren Umfang des Abschlußelements 8 angebrachter Anschlußring 22 ist mit einer Leitung 23 verbunden. Die beiden Leitungen 21 und 23 können über eine Schaltvorrichtung an eine Spannungsversorgung, sei es Netzspannung oder eine Niederspannung, angeschlossen werden. Das Rohr 2 und das Abschlußelement 8 bestehen aus Siliziumkarbid, also einem elektrisch leitenden Keramikmaterial. Daher bilden diese Teile selbst eine Heizvorrichtung 24. Auch das Rohr 3 kann aus Siliziumkarbid bestehen. Sein Außenumfar.g steht über eine verhältnismäßig große Anlagefläche 25 mit der inneren Umfangsfläche des Rohres 2 in Kontakt. In gleicher Weise steht der äußere Umfang des Rohres 2 über eine verhältnismäßig große Anlagefläche 26 mit der inneren Umfangsfläche des Abschlußelements 8 in Berührung.

Bei der Herstellung ist so vorgegangen worden, daß die Rohre 2 und 3 und das Abschlußeleirent 8 gppreßt worden sind. Dann wurden die Teile aufeinander gesteckt und gemeinsam gesintert. Auf diese Weise entstand eine die Teile 2, 3 und 8 umfassende Baueinheit, die als Ganzes weiterbehandelt werden kann.

Bei der betrieblichen Beheizung ergibt sich eine Glühzone 27, die sich über die gesamte Wand des Rohres oder wenigstens über den austrittsseitigen Bereich erstreckt Wenn beim Einschalten des Brennstoffaufbereiiungseiements der erste Öltropfen die Brennstoffaufbereitungskammer 1 erreicht und dort verdampft, bildet sich mit der im Rohr 2 befindlichen Luft ein brennbares Gemisch, das durch die Glühzone 27 gezündet wird und eine Zündflamme bildet, die von dem nachdrängenden Brennstoffdampf sr der. Brennraum 6 geschoben wird. Infolge der Verdampfung des Öls wird das Rohr 2 eingangsseitig abgekühlt. Die zugeführte elektrische Leistung ist jedoch so groß, daß in der Glübzone 27 die Wand glühend gehalten wird. Der nachfolgende Brennstoffdampf vermischt sich mit der über das Kanalsystem 10 zuströmenden Verbrennungsluft. Das so gebildete brennfähige Gemisch wird durch die Zündflamme gezündet. Auch die Hauptflamme kann von der Glühzone

27 unterstützt werden. Es ergibt sich daher ein sanfter Anlauf vom ersten Brennstofftropfen bis zur Bildung einer stabilen Flammenfront im Brennraum 6. Die Flamme brennt auch beim Anlassen durchsichtig blau. Es ergeben sich praktisch keine Rußablagerungen.

Durch eine Beheizung ohne Brennstoffzufuhr kann das Rohr 2 bis auf eine Reinigungstemperatur zwischen 700⁰C und 1400⁰C erhitzt werden, bei der alle Ablagerungen an der Rohrwand zu Asche verbrennen. Diese Asche wird bei der nächsten Einschaltphase durch den sie!« entwickelnden Brennstoffdampf und die zugeführtc Zusatzluft in den Brennraum 6 geblasen.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 2 werden für entsprechende Teile um 100 erhöhte Bezugszeichen gegenüber Fig. 1 verwendet. Hier sind zwei ringförmige Ein- Sätze 128 und 129 zwischen dem Rohr 102 größeren Durchmessers und dem Rohr 103 kleineren Durchmessers angeordnet. Außen und innen ergeben sich wiederum zylindrische Anlageflächen 130 und 131. Die Einsätze 128 und 129 besitzen je drosselnde Kanäle 132 und 133, die gegeneinander versetzt sind. Zwischen den Einsätzen verbleibt ein Zwischenraum 134. Über diese Kanäle kann aus dem Kanalsystem 110 Zusatzluft in die Brennstoffaufbereitungskammer 101 geleitet werden, wobei die Menge aber sehr klein sein soll, beispielsweise zwischen 0,2 und 0,5% der maximalen Verbrennungsluftmenge.

Am anderen Ende des Rohres 102 ist ein erstes Abschlußelement 135 in der Form einer eingesetzten Stirnwand und ein zweites Abschlußelement 136 in der Form eines aufgesetzten Na.icnringes vorgesehen. In beiden Fällen ergeben sich wieder zylindrische Anlageflächen 137 bzw. 138. Das Abschlußelement 135 besitzt Austrittsöffnungen 140, durch die der Strahl des austretenden Brennstoffdampfes eine bestimmte Form erhalten kann. Das Abschlußelement 136 weist einen Innenkonus 141 auf, der teilweise von einem dünneren Wandabschniti 142 begrenzt wird, so daß sich an dieser Steiie eine Glühzone 127 ergibt, wenn eine Beheizung erfolgt.

Auch in diesem Fall besteht das Rohr 102 und das Abschlußelement 136 aus Siliziumkarbid, so daß der Heizstrom direkt durch diese Teile hindurchfließen kann.

Die Baueinheit umfaßt die Teile 102,103,128,129,135 und 136. Die Rohre 102 und 103 sind Extrusionsteile, die übrigen Elemente sind Preßteile. Sie werden zunächst gesintert und dann zusammengefügt Dann wird die Baueinheit mit flüssigem Silizium getränkt Dies geschieht bei einer sehr hohen Temperatur von beispielsweise 1800" C Anschließend werden die Teile der Bau- einheit fest miteinander verbunden.

Auch bei der Konstruktion nach F i g. 2 ergibt sich in der Glühzone ein sanfter Anlauf bei blau brennender Ramme und praktisch ohne Rußbildung. Die automatische Reinigung ist besonders wertvoll, weil der Innen- raum des Rohres 102 nicht mehr zugänglich ist

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Hocherhitzbares Brennstoffaufbereitungselement für einen Brenner, insbesondere einen mit flüssigem Brennstoff gespeisten Verdampfungsbrenner, mit einer elektrisch beheizbaren Brennstoffaufbereitungskammer, die Bestandteil einer aus mehreren Teilen bestehenden Baueinheit ist und deren mindestens eine Austrittsöffnung in einen Brennraum mündet, zum Zusammenwirken mit einem Kanalsystem zur Zufuhr von Verbrennungsluft in den Brennraum, dadurch gekennzeichnet, daß die Baueinheit aus mehreren Keramikteilen zusammengesetzt ist, darunter ein die Brennstoffaufbereitungskammer (1; 101) begrenzendes Rohr (2; 102) größeren Durchmessers, ein in dessen zuströmseitigen Endabschnitt eingeschobenes Rohr (3; 103) kleineren Durchmessers und mindestens ein am anderen Endabschnitt vorgesehenes Abschlußelement (8; 135,136), und daß die Teile der Baueinheit gesinterte FreSiciie iiiii annähernd gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten sind, die an ihren Anlageflächen (25, 26; 130, 137, 138) hitzebeständig miteinander verbunden sind

2. Brennstoffaufbereitungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichne', daß die Keramikteile (2,3,8; 102,103,128,129,135,136) aus Siliziumkarbid bestehen und zusätzlich mit Silizium getränkt und/oder mit einem Belag aus Silizium-Oxynitrid versehen sind.

3. Brennsto^:f:iufbereitungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Rohren größeren und kleineren Durchmessers mindestens ein ring- odp- hülsenförmiger Einsatz(128,129) angeordnet ist.

4. Brennstoffaufbereitungselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Verbindung des Kanalsystems (110) mit der Brennstoffaufbereitungskammer (101) in dem Einsatz (128, 129) drosselnde Kanäle (132,133) vorgesehen sind.

5. Brennstoffaufbereitungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (3; 103) kleineren Durchmessers aus einem keramischen Material mit schlechterer Wärmeleitfähigkeit als die übrigen Keramikteile, aber mit annähernd gleichem Wärmeausdehnungskoeffizient besteht.

6. Brennstoffaufbereitungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (3; 103) kleineren Durchmessers mit dem Rohr (2) größeren Durchmessers bzw. dem Einsatz (128,129) mittels eines Glas-Lots verbunden ist

7. Brennstoffaufbereitungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (3; 103) kleineren Durchmessers mit einem annähernd gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisenden Metall-Anschlußrohr (4; 104) mittels eines Glas-Lots verbunden ist.

8. Brennstoffaufbereitungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Keramikteile (2,8; 102,136) aus elektrisch leitendem Material bestehen und selbst die elektrische Heizvorrichtung (24; 124) bilden, wobei an im Abstand angeordneten Stellen Anschlüsse (20, 22; 120, 122) für die Stromzufuhr vorgesehen sind.

9. Brennstoffaufbereitungselement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei aus Silizi-

umkarbid bestehenden Keramikteilen die elektrischen Anschlüsse (20,22; 120,122) aus einem Material bestehen, das sich an Siliziumkarbid mit Silizium anlöten läßt und annähernd den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist

10. Verfahren zur Herstellung des Brennstoffaufbereitungselements nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikteile vor dem Sintern zusammengefügt und durch das Sintern vereinigt werden.

11. Verfahren zur Herstellung des Brennstoffaufbereitungselements nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß aus Siliziumkarbid bestehende Keramikteile nach dem Sintern zusammengefügt und dann unter Zusatz flüssigen Siliziums miteinander vereinigt werden.