DE3338543C2 - Verdampfungsbrenner für flüssigen Brennstoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verdampfungsbrenner für flüssigen Brennstoff mit einem lot­ rechten, oben offenen Verbrennungsraum entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1, der zur Verwendung beispielsweise in Heizeinheiten zur Heizung von Booten und Caravans dient.

Die FR 1.331.743 beschreibt einen gattungsgemäßen Verdampfungsbrenner in Topfform, bei dem an dem Turbulator eine Mischung von verdampftem Brennstoff und mittels Gebläse zu­ führbarer Verbrennungsluft vorbeistreicht, der erst oberhalb des Turbulators weitere Luft zu­ geführt wird. Diese Anordnung bewirkt jedoch keine ausreichende Vermischung des Brenn­ stoffes mit der Verbrennungsluft. Dies führt zu unvollständiger Verbrennung des Brennstoffs.

Ein weiterer Topfverdampfungsbrenner ist der DE-OS 25 10 903 entnehmbar, bei dem Ring­ scheiben an der Innenwand eines Verbrennungsraums vorgesehen sind. Zwischen den Ring­ scheiben befinden sich Lufteinlaßöffnungen. Diese Ausbildung dient jedoch nur zur Luftzu­ führung, aber nicht zur wesentlichen Verbesserung der Durchmischung des Brennstoff- Luft-Gemisches.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verdampfungsbrenner der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung derart auszubilden, daß eine sehr innige Durch­ mischung des verdampften Brennstoffs mit der Verbrennungsluft erfolgt, und zwar ohne eine hohe Gebläseleistung zur Förderung der Verbrennungsluft.

Die erfindungsgemäße Lösung ergibt sich aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1. Hiernach sind im Bereich des Turbulators zwei Ringscheiben vorgesehen, zwischen denen sich im Bereich des Turbulators zusätzliche Lufteinlaßöffnungen befinden.

Durch diese Ausbildung wird eine außerordentlich innige Vermischung des verdampften Brennstoffs mit der Verbrennungsluft erreicht, ohne daß hierzu eine hohe Gebläseleistung für die Verbrennungsluft erforderlich ist. Damit ist auch der elektrische Energieverbrauch für das Gebläse gering, was insbesondere für Brennersysteme auf kleinen Booten oder im Wohnwa­ gen wegen ihrer verhältnismäßig geringen Batteriekapazität wesentlich ist. Gleichzeitig wird eine brummende Verbrennung mit entsprechenden Geräuschen unterbunden. Diese innige Vermischung des Brennstoffs mit der Verbrennungsluft wird durch Anordnung der ringför­ migen Scheiben und der zusätzlichen Lufteinlaßöffnungen am Turbulator erreicht. Hierdurch wird nicht nur die dem Turbulator an sich innewohnende Mischwirkung ausgenutzt, sondern durch die Ringscheiben und die zusätzlichen Lufteinlaßöffnungen wird die Verbrennungsluft mit dem Brennstoffdampf zunächst radial längs der Turbulatorschaufeln nach außen geführt und dann aufgrund des zusätzlichen Lufteintritts am Turbulator radial nach innen umgelenkt. Auf diese Weise gelangt die durch die zusätzlichen Einlaßöffnungen eintretende Verbren­ nungsluft in innige Berührung mit der Brennstoff-Luft-Mischung, die den Turbulator durchströmt, so daß insgesamt eine außerordentlich gute Durchmischung und Verbrennung mit sparsamstem Brennstoffverbrauch erfolgt. Der Turbulator führt hierbei die Mischung so, daß einer im wesentlichen axial gerichteten Strömung zwischen Turbulatorschaufeln hin­ durch eine radiale Strömung durch die Zusatzluft überlagert wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 einen schematischen vertikalen Mittelschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenners;

Fig. 2 ein Viertel einer Ausführungsform eines Turbulators;

Fig. 3 eine teilweise geschnittene Vertikalansicht eines Wärmeaustauschers; und

Fig. 4 eine Ansicht eines Wärmeaustauschers gemäß der Fig. 3, gesehen von links in der Fig. 3.

In der Fig. 1 ist die Wand eines in dem Brenner enthaltenen Verbrennungsraums mit dem Be­ zugszeichen 1 bezeichnet. Dieser Verbrennungsraum ist im wesentlichen zylindrisch und um­ faßt an einem Ende, nämlich seinem unteren Ende 2, einen Boden 3. An seinem anderen Ende 4, entgegengesetzt dem Boden 3, ist der Verbrennungsraum offen. Der Brenner ist vom Ver­ dampfungstyp und für flüssige Brennstoffe, beispielsweise Dieselöl oder Paraffinöl, be­ stimmt. Eine Zuführung 5 für die Zufuhr des Brennstoffs zum Verbrennungsraum ist zentral an dem Boden 3 angeordnet. Das Bezugszeichen 6 bezeichnet ein Zündelement, beispielswei­ se einen Glühfaden, der in der Nähe der Wand 1 und des Bodens 3 angeordnet ist, während das Bezugszeichen 7 einen Docht aus Glasfaser bezeichnet, der in der Nähe des Bodens 3 an­ geordnet ist und sich von dem Zündelement 6 wegerstreckt.

Für die Zufuhr der Verbrennungsluft in den Verbrennungsraum ist eine Umhüllung 8 vorge­ sehen, welche wenigstens die Wand 1 des Verbrennungsraums umgibt. Luft wird über den Raum 9, der zwischen der Umhüllung 8 und der Wand 1 geformt ist, zugeführt, wie nachste­ hend in mehr Einzelheiten erläutert wird.

In den Fig. 1 und 2 bezeichnet das Bezugszeichen 10 ein Turbulenz erzeugendes Element, ei­ nen Turbulator, der Schaufeln 12 umfaßt, welche von einem scheibenförmigen zentralen Teil 11 wegragen. Die Schaufeln 12 sind derart verdreht gestaltet, daß die Ebene der Schaufeln 12 mit der Ebene des zentralen Teils 11 in dessen Nähe zusammentrifft und einen Winkel von etwa 45° mit diesem zentralen Teil 11 in der Nähe der Wand 1 bildet, zu der sich die Schaufeln 12 erstrecken. Der Turbulator 10 ist im wesentlichen senkrecht zur längslaufenden Vertikalachse des Verbrennungsraums angeordnet, und im wesentlichen parallel mit dem Boden 3, wodurch der Verbrennungsraum in einen unteren Raum 13 und einen oberen Raum 14 unterteilt wird, so daß Luft und Brennstoffdampf innig miteinander vermischt werden, wenn sie von dem un­ teren Raum 13 in den oberen Raum 14 gelangen.

Es erstrecken sich zwei Ringe, nämlich ein erster und ein zweiter, von Öffnungen im wesent­ lichen in Umfangsrichtung der Wand 1, wobei durch diese Öffnungen Luft in den Verbren­ nungsraum geführt wird. Ein erster Ring von Öffnungen 15 ist unterhalb des Turbulators 10 gelegen, um Luft in den unteren Raum 13 einzuführen. Ein zweiter Ring von Öffnungen 16 ist über dem Turbulator 10 und in bestimmtem Abstand hierzu angeordnet, während ein wei­ terer zweiter Ring von Öffnungen 17 über diesem zweiten Ring von Öffnungen 16 angeord­ net ist und ein dritter Ring von Öffnungen 18 im wesentlichen unmittelbar vor dem und auf der gleichen Höhe wie der Turbulator 10.

Es sind zwei im wesentlichen ringförmige Scheiben, nämlich eine erste obere Scheibe 19 und eine zweite untere Scheibe 20 vorgesehen, welche sich in Umfangsrichtung des Verbren­ nungsraumes erstrecken und von dessen Wand 1 wegragen. Diese Scheiben sind in Verbin­ dung mit dem Turbulator 10 und im wesentlichen parallel hierzu angeordnet, und zwar über bzw. unter diesem, wie in der Fig. 1 gezeigt.

Eine dritte Scheibe 21 ist in dem oberen Raum 14 in entsprechender Weise wie die erste und die zweite Scheibe 19, 20 zwischen den zweiten Ringen von Öffnungen 16, 17 angeordnet, d. h. in einer beträchtlichen Entfernung von der ersten Scheibe 19, wobei der innere Durchmes­ ser der dritten Scheibe 21 etwas größer ist als der Innendurchmesser wenigstens der ersten Scheibe 19.

In der Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 22 einen Drainageauslaß für überschüssigen Brennstoff, der in Verbindung mit dem Boden 3 an der Wand 1 angeordnet ist. Das Bezugs­ zeichen 23 bezeichnet ein Strahlungsschutzelement in Gestalt einer Scheibe 23, die über dem Einlaß 24 der Zuführung 5 gelegen ist.

Es erstreckt sich auch ein Mantel 25 in Umfangsrichtung des Verbrennungsraums zwischen der ersten Scheibe 19 und dem zweiten Ring von Öffnungen 16, wobei dieser Mantel ein Strah­ lungsschutzelement darstellt.

Die Scheiben 19, 20, 21, der Turbulator 10 und das Strahlungsschutzelement 25 sind zusam­ menhängend und können als eine Einheit aus dem Brenner herausgenommen werden.

Zur Zufuhr von Luft ist ein Gebläse (nicht gezeigt) vorgesehen, mit dem eine pro Zeiteinheit im wesentlichen konstante Luftmenge in den Verbrennungsraum eingeführt werden kann. Überdies ist ein Ventil (nicht gezeigt) vorgesehen, um die pro Zeiteinheit zugeführte Brenn­ stoffmenge zu steuern.

In den Fig. 3 und 4 bezeichnet das Bezugszeichen 26 eine zylindrische Haube, in welche der Brenner von unten einsetzbar und darin befestigbar ist. Diese Haube 26 ist an ihrem oberen Ende 27 mit einem Ende eines länglichen Raums 28 verbunden, der zwischen einem äußeren, im wesentlichen quaderförmigen Mantel 29 und einem inneren zylindrischen Mantel 30 mit kreisförmigem oder elliptischem Querschnitt gebildet ist. In den Raum 28 werden Verbren­ nungsgase und überschüssige Luft aus dem Brenner eingeführt und strömen darin, wonach sie durch ein Abgasventil und einen Kamin 31 am anderen Ende des Raums austreten. Luft oder Wasser in dem innerhalb des Mantels 30 geformten zylindrischen hohlen Raum 32 werden hierdurch durch Wärmeaustausch erwärmt.

Der Brenner, der Wärmetauscher und das Gebläse sind in einem gemeinsamen Behälter (nicht gezeigt) angeordnet, so daß eine Heizeinheit erzielt wird, die auch hinsichtlich ihrer äußeren Erscheinungsform zweckmäßig ist. Beim Betrieb des Brenners findet in Abhängig­ keit unter anderem von der Energieabgabe des Brenners die Verbrennung in unterschiedli­ chen Zonen in vertikaler Richtung des Verbrennungsraums statt, wobei diese Zonen ungefähr mit dem Bezugszeichen A, B, C und D in der Fig. 1 bezeichnet sind. Die Grenzlinie zwischen den Zonen ändert sich natürlich.

In die Zone A, die im wesentlichen dem unteren Raum 13 entspricht, wird der Brennstoff eingeführt und ein verhältnismäßig kleiner Teil dieses Brennstoffs verdampft darin, bei der anfänglichen Zündung. Über die Öffnungen 15 wird Luft zugeführt, so daß die Zündung durch den Glühfaden 6 herbeigeführt werden kann. Die entwickelte Wärme ist sehr gering. Im Betrieb, wenn mehr Brennstoff pro Zeiteinheit verdampft wird, ist die Luftzumischung in der Zone A zu gering und die Brennerflamme bewegt sich in die Zone B.

In der Zone B wird verdampfter Brennstoff mittels des Turbulators 10 innig mit Luft ver­ mischt, wobei dieser Turbulator 10 den Brennstoffdampf und die Luft ablenkt und die Gasmi­ schung zur Rotation bringt. Zusätzliche Luft wird unter anderem aufgrund der Scheiben 19, 20 zugeführt, und zwar in einer Richtung, die im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung der abgelenkten Gasmischung verläuft. Aufgrund der vorstehend erläuterten Gestaltung der Tur­ bulatorschaufeln 12 dringt die zugeführte Luft tief in die Gasmischungsströmung aufgrund des Coanda-Effektes ein. Beim Betrieb mit verhältnismäßig geringer Energieabgabe findet die Verbrennung im wesentlichen in der Zone B statt und im wesentlichen mit einer blauen Flamme. Bei einem zusätzlichen Anwachsen der Energieabgabe durch Zufuhr einer größeren Brennstoffmenge pro Zeiteinheit verändert die Flamme ihre Erscheinung ins Hellere und liegt innerhalb der Zonen B und C.

Bei maximalem oder fast maximaler Energieabgabe findet die Verbrennung in den Zonen C und D mit heller Flamme und heftiger Turbulenz statt. Unter anderem aufgrund der innigen Vermischung des Brennstoffdampfes und der Luft, die unter anderem durch den Turbulator 10 herbeigeführt wird, wird ein brummendes Verbrennungsgeräusch vermieden. Eine helle Flamme ist erwünscht, da sie durch ihren hohen Anteil an Strahlung einen hohen Wirkungs­ grad ergibt, wobei die Strahlung wirksam durch die Oberflächen des Wärmeaustauschers, und zwar primär an der äußeren Oberfläche des Mantels 30, aufgenommen wird.

Die Luftzufuhr in den Zonen C und D erfolgt in einer derartigen Weise, daß bei geringer En­ ergieabgabe die Verbrennungsgase abgekühlt und verdünnt werden, und daß dadurch die auf den Wärmeaustauscher übertragene Wärme vermindert wird.

Zusätzlich zu seiner Mischfunktion dient der Turbulator 10 auch als Strahlungsschutzelement, das bei hoher Energieabgabe die Wärmeabstrahlung nach unten in die Zone A vermindert. Dies bedeutet eine höhere Temperatur in der Verbrennungszone C und D und vermindert die Hitzebelastung am Brennstoffeinlaß 24. Auf diese Weise wird das Risiko der Verkokung an dem Brennstoffeinlaß 24 beseitigt, so daß die zentrale Anordnung möglich gemacht wird. Aufgrund der zentralen Anordnung kann eine gewisse Neigung des Brenners im Betrieb zu­ gelassen werden, was ein wesentliches Merkmal ist, wenn der Brenner in Booten eingesetzt ist. Der Turbulator 10 weist auch die Funktion eines Flammenhalters bei niedriger Energie­ abgabe auf, so daß aufgrund der Nähe der Flamme eine ausreichende Menge an Strahlungs­ wärme zur Verdampfung des Brennstoffs der Zone A zugeführt wird.

Der Strahlungsschutzmantel 25 in der Zone C führt zu einer Erhöhung der Verbrennungs­ temperatur. Eine hohe Verbrennungstemperatur ist allgemein erwünscht, um eine vollständi­ gere Verbrennung zu erzielen und den Anteil an Kohlenmonoxid und aromatischen Kohlen­ wasserstoffen in den Abgasen zu vermindern. Die Isolierung 33 in der Fig. 1 hat den Zweck, die Energiemenge zu vermindern, die aus dem Verbrennungsraum austritt.

Es kann auch mehr als ein Turbulator verwendet werden, wobei beispielsweise ein zusätzli­ cher Turbulator in einer der Fig. 1 entsprechenden Weise positioniert ist. Der Turbulator kann überdies so gestaltet werden, daß die Luft-Brennstoffmischung mehrere Male abgelenkt wird.

Der Brenner kann auch in anderen Einheiten zur Wärmeerzeugung verwendet werden, bei­ spielsweise in Kühlaggregaten oder Klimaanlagen.

Claims (7)

1. Verdampfungsbrenner für flüssigen Brennstoff

• - mit einem lotrechten, oben offenen Verbrennungsraum, der im Bereich seines Bodens eine Brennstoffzuführung (5) aufweist, der durch einen im wesentlichen waagrecht angeordneten Turbulator (10) in einen unteren Raum (13) und einen oberen Raum (14) unterteilt ist und dessen unterem Raum (13) ein erster und des­ sen oberem Raum (14) wenigstens ein zweiter im wesentlichen waagerechter Ring von Lufteinlaßöffnungen (15; 16, 17) in der Wand (1) des Verbrennungsraums zur Zufuhr von Gebläseluft zugeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß an der Wand (1) des Verbrennungsraums oberhalb und unterhalb des Turbu­ lators (10) je eine ringförmige Scheibe (19, 20) im wesentlichen parallel zu dem Turbulator (10) angeordnet ist,
• - und daß ein dritter Ring von Lufteinlaßöffnungen (18) zwischen den beiden Scheiben (19, 20) im wesentlichen in Höhe des Turbulators (10) vorgesehen ist.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem oberen Raum (14) ei­ ne zusätzliche dritte ringförmige Scheibe (21) im wesentlichen parallel zum Turbulator (10) angeordnet ist, die beträchtlich von der ersten Scheibe (19) beabstandet ist und de­ ren innerer Durchmesser den inneren Durchmesser wenigstens der ersten Scheibe (19) übersteigt, und daß zwei zweite Ringe von Öffnungen (16, 17) sich in Umfangsrichtung der Wand (1) des Verbrennungsraums erstrecken, von denen der eine (17) über und der andere (16) unter der dritten Scheibe (21) liegt.

3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umhüllung (8) wenigstens die Wand (1) des Verbrennungsraums umschließt und daß über diese Um­ hüllung (8) Luft an den Verbrennungsraum lieferbar ist.

4. Brenner nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Gebläse eine pro Zeiteinheit im wesentlichen konstante Luftmenge an den Verbrennungsraum lieferbar ist, und daß durch ein in der Brennstoffzuführung (5) angeordnetes Ventil die pro Zeiteinheit zugeführte Brennstoffmenge einstellbar ist.

5. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbulator (10) ein scheibenförmiges zentrales Teil (11) umfaßt, von dem Schaufeln (12) radial wegragen, daß die Schaufeln (12) derart verdreht sind, daß die Ebene jeder Schaufel (12) mit der Ebene des zentralen Teils (11) in dessen Nähe zusammenfällt und mit der Ebene des zentralen Teils (11) in der Nähe der Wand (1) des Verbrennungs­ raums, zu der sich die Schaufeln (12) hin erstrecken, einen Winkel von etwa 45° bildet.

6. Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß (24) für den Brennstoff zentral am Boden (3) des Verbrennungsraums und ein Auslaß (22) für über­ schüssigen Brennstoff in Verbindung mit dem Boden (3) an der Wand (1) des Verbren­ nungsraums angeordnet ist.