DE3403471A1 - Brennerelement fuer fluessige brennstoffe - Google Patents

Brennerelement fuer fluessige brennstoffe

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DE3403471A1
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DE19843403471
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Otto Dipl.-Ing. Löffler (FH), 7000 Stuttgart
Helmut Dipl.-Ing. Müller (FH), 7140 Ludwigsburg
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Beru Werk Albert Ruprecht GmbH and Co KG
Original Assignee
Beru Werk Albert Ruprecht GmbH and Co KG
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23DBURNERS
    • F23D11/00Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/36Details, e.g. burner cooling means, noise reduction means
    • F23D11/44Preheating devices; Vaporising devices
    • F23D11/441Vaporising devices incorporated with burners
    • F23D11/448Vaporising devices incorporated with burners heated by electrical means

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Spray-Type Burners (AREA)

Description

  • Beschreibung
  • Die Erfindung betrifft ein Brennerelement für flüssige Brennstoffe gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Ein Brennerelement dieser Art ist bekannt (DE-OS 31 14 958).
  • Bei dem bekannten Brennerelement ist in einer zylindrischen Verdampfungskammer axial ein einziger Heizstab vorgesehen, wobei der flüssige Brennstoff am von der Austrittsöffnung abgelegenen Ende der Verdampfungskammer in diese eintritt, auf seinem Weg längs des Heizstabes zur Austrittsöffnung erwärmt wird und an der Austrittsöffnung weitgehend verdampft austritt.
  • Bei dem bekannten Brennerelement ist die Wärmeübertragung vom Heizstab auf den zu verdampfenden Brennstoff infolge der verhältnismäßig kurzen Verweildauer des Brennstoffes im Bereich des Heizstabes für technisch günstige, d. h. möglichst niedrige Temperaturen des Heizstabes noch nicht so gut, daß die Verdampfung des Brennstoffes zuverlässig aus dem Naßdampfbereich herausführt. Es besteht daher die Gefahr der Tröpfchenbildung, die einer gleichmäßigen und gut regulierbaren Brennerleistung durch Steuerung der Durchsatzmenge entgegensteht.
  • Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Brennerelements, bei welchem die Erwärmung des flüssigen Brennstoffes diesen zuverlässig in den Heißdampfbereich führt, so daß das Brennerelement wie ein echter Gasbrenner funktioniert.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Brennerelement gelöst, wie es in Anspruch 1 gekennzeichnet ist. Das Kapillarrohr wird auf diese Weise durch das Heizelement hauptsächlich durch Strahlung so weit erwärmt, daß bereits im Kapillarrohr ein Teil des flüssigen Brennstoffes - bei einem Kohlenwasserstoffgemisch etwa der durch die niedrig siedenden Kohlenwasserstoffe gebildete Anteil - verdampft und schon im gasförmigen Zustand in die Verdampfungskammer eintritt.
  • Der flüssige Rest, wird beim Auftreffen auf die Prallfläche zerstäubt und geht auf seinem Weg von der Prallfläche zur Austrittsöffnung schließlich auch in den gasförmigen Zustand über. Damit wird für ein breites Spektrum von möglichen flüs- sigen Brennstoffen und Durchsatzmengen eine echte Vergasung der flüssigen Brennstoffe erreicht, die das Brennerelement mit allen Vorteilen der Feinregulierbarkeit und Homogenität eines Gasbrenners funktionieren lassen.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen des Brennerelements sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Im folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung beschrieben. Auf dieser zeigt Fig. 1 ein Brennerelement im Längsschnitt, Fig. 2 einen zugehörigen Querschnitt, und Fig. 3 einen der Fig. 2 entsprechenden Querschnitt eines weiteren Brennerelements.
  • Die Figuren 1 und 2 zeigen ein im wesentlichen axialsymmetrisches Brennerelement, das an seinem mit einem Gewinde 5 versehenen Gehäuse 4 nach Art einer Zündkerze in eine Brennkammer eingeschraubt werden kann. Das Gehäuse 4 setzt sich in axialer Richtung in einem langgestreckten rohrförmigen Mantel 9 fort, in dem im wesentlichen über seine ganze Länge verlaufend vier ebenfalls in axialer Richtung liegende stabförmige Heizelemente 7 in dichter Packung untergebracht sind. Der rohrförmige Mantel 9 bildet zusammen mit einer senkrecht zu seiner Achse verlaufenden Stirnfläche des Gehäuses 4 eine Kammer, die an der der genannten Stirnfläche des Gehäuses abgekehrten Seite eine Austrittsöffnung 14 für verdaapften Brennstoff aufweist. Die Austrittsöffnung befindet sich in einem kalottenförmig verjüngten Teil des Mantels 9.
  • Die stabförmigen Heizelemente 7 werden über in ihrem Inneren vorgesehene Heizwendeln elektrisch beheizt. Die stabförmigen Heizelemente 7 durchsetzen in der oben genannten Stirnfläche des Gehäuses 4 vorgesehende Durchgangsbohrungen und sind auf der dem Mantel 9 abgekehrten Seite des Gehäuses mit einem Vergußmittel 3 vergossen. Die Spannungsversorgung der Heizwendeln 20 erfolgt über eine elektrische Anschlußleitung 1, die an einem elektrischen Anschluß 2 endet, mit dem auch die aus dem Verguißmittel herausragenden Anschlußdrähte der Heizwendeln 20 verbunden sind. Die elektrischen Anschlußteile sind mittels einer IrJasserschutzkappe 11 abgedeckt.
  • Der Brennstoff wird über einen Brennstoffanschluß 10 zugeführt, der mit einem im Gehäuse 4 ausgebildeten Kanal in Verbindung steht, der in der erwähnten mantelseitigen Stirnfläche des Gehäuses 4 endet.
  • Dieser Kanal setzt sich in einem U-förmigen Kapillarrohr 8 fort, das längs des Mantels vom Gehäuse 4 zur Austrittsöffnung 14 und wieder zurück zum Gehäuse 4 verläuft und dabei mit seiner Austrittsöffnung 12 kurz vor der mantelseitigen Stirnfläche des Gehäuses endet.
  • Diese bildet dort eine Prallfläche 13 für aus dem Kapillarrohr 8 noch flüssig austretenden Brennstoff.
  • Im zentralen Freiraum zwischen den in dichter Packung im Mantel 9 angeordneten als zylindrische Stäbe ausgebildeten Heizelementen 7 sitzt ein im wesentlichen über die Länge der Stäbe sich erstreckender Siebwickel 6.
  • Das Brennerelement nach Fig. 3 unterscheidet sich von demjenigen nach den Figuren 1 und 2 dadurch, daß statt vier sieben stabförmige Heizelemente 7 in dichter Packung im Mantel sitzen. Dadurch wird die Anzahl der Zwischenräume zwischen den Heizstäben erhöht, wobei sich gleichzeitig deren Querschnitt verändert. Der Siebwickel 6 entfällt bei dieser Ausführungsform. Es können jedoch auch sechs Heizelemente 7 mit einem Siebwickel 6 vorgesehen sein.
  • Im Betrieb gelangt der flüssige Brennstoff durch den Brennstoffanschluß 10 in das Kapillarrohr 8, das durch die Heizstäbe hauptsächlich durch Stahlung von außen beheizt wird.
  • Das Kapillarrohr erreicht dabei etwa Temperaturen zwischen 380 und 5000C, wodurch es bereits im Kapillarrohr zu einer teilweisen. Verdampfung, zumindest der leicht siedenden Bestandteile kommt. Dieser Dampf treibt die ggf. noch vorhandene Restflüssigkeitsmenge aus dem Kapillarrohr an dessen Austrittsöffnung 12 aus und schleudert sie gegen die Prallfläche 13 des Gehäuses 4. Hierdurch wird diese noch vorhande- ne Restflüssigkeit zerstäubt und trifft auf die elektrisch beheizten Heizelemente 7, an deren Oberfläche eine weitere Verdampfung stattfindet, oder gegen den den Verdampfungsraum umschließenden Mantel 9, der ebenso wie das Kapillarrohr 8 durch Strahlung auf 380 bis 5000C aufgeheizt ist.
  • Um das Ausschleudern von Flüssigkeitsteilchen an der Austrittsöffnung 14 des Mantels 9 zu vermeiden, ist die Oberfläche der Heizelemente 7, z. B. durch Oxidieren, aufgerauht.
  • Gleichzeitig ist aber bei mit ihren Wänden senkrecht liegenden Heizelementen 7.die Gewähr gegeben, daß sich flüssige Teile nicht länger auf den Heizelementen halten können, sondern sich infolge der Schwerkraft nach unten bewegen, zumal der sich an den Heizstaboberflächen bildende Brennstoffdanpf die Haftung weiter herabsetzt.
  • Solche ablaufenden Flüssigkeitsreste verteilen sich dabei zwangsläufig auf die konstruktiv bedingten engen Spalte 15, 16, 17 und 18 zwischen Heizelementen 7, Kapillarrohr 8 und Mantel 3, wo sie auf ihrem Weg zur Austrittsöffnung 14 weiter aufgeheizt werden, so daß sie diese als überhitzter Dampf in einem praktisch gleichmäßigen Strahl verlassen.
  • Der im zentralen Zwischenraum zwischen den Heizelementen 7 vorgesehene Siebwickel 6 dient einer Erhöhung der Verweildauer des zu verdampfenden Brennstoffs in der Verdampfungskammer und fördert die vollständige Verdampfung des Brennstoffes.
  • Nach dem Austreten aus der Austrittsöffnung 14 kann der gasförmige Brennstoff mit Luft gemischt und gezündet werden, wobei das entstandene Kraftstoff-Luftgemisch je nach Anwendungsfall fett, mager oder stöchiometrisch sein kann. Für bestimmte Anwendungen kann es vorteilhaft sein, die Luft nicht mit einem Lüfter zuzuführen, sondern die Flamme frei brennen zu lassen. Die elektrischen Heizelemente 7 sind vorzugsweise mit einer Regelwendel 19 und einer Heizwendel 20 ausgestattet, wodurch erreicht werden kann, daß sich die elektrische Leistungsaufnahme stufenlos der Brennstoffdurchsatzmenge anpaßt.
  • Ein höherer Kraftstoffdurchsatz kühlt nämlich im Bereich der Regelwendel 19 das Heizelement 7 stärker ab. Hierdurch verringert sich entsprechend der positiven Temperaturcharakteri- stik der Regelwendel 19 deren elektrischer Widerstand, so daß die elektrische Leistungsaufnahme steigt und damit die für die erhöhte Brennstoffmenge benötigte zusätzliche Verdampfungswärme zur Verfügung steht.
  • Der maximal möglich Brennstoffdurchsatz orientiert sich an der maximal möglichen Leistungsaufnahme der Heizelemente 7 insgesamt. Diese wiederum kann u.a. durch Erhöhung der Anzahl der Heizelemente vergrößert werden, so daß die Ausführungsform der Fig. 3 für ein Brennerelement mit einem gegenüber der Ausführungsform der Figuren 1 und 2 erhöhten maximalen Brennstoffdurchsatz steht.
  • In einer für bestimmte Anwendungsfälle zweckmäßigen Ausgestaltung des Brennerelements können die elektrischen Heizelemente 7 und das Kapillarrohr 8 über das Ende des Mantels 9 hinaus durch die Austrittsöffnung 14 bis in den Flammbereich vorgezogen sein. Sobald die Flamme brennt, heizt diese die elektrischen Heizelemente 7 und das Kapillarrohr 8 soweit auf, daß bereits durch die Flammenergie genügend Kraftstoff verdampft, womit sich die Flamme selbst erhält und die elektrische Beheizung abgeschaltet werden kann.
  • Außerdem ist es bei einer solchen Ausführungsform möglich, ohne zusätzliche elektrische Leistungsaufnahme die durchgesetzte Brennstoffmenge weiter zu erhöhen, sobald die Flamme brennt. Die maximale Durchsatzmenge an Brennstoff ist dann gegenüber einem Brennerelement, bei dem die Heizelemente außerhalb des Flammbereichs enden und das Kapillarrohr den Flammbereich nicht durchquert, erhöht.
  • Eine Ausführungsform mit in den Flammbereich vorgezogenen Heizelementen und Kapillarrohr ist beispielsweise bei Fahrzeugzusatzheizungen zweckmäßig, wo es darauf ankommt, im Dauerbetrieb möglichst wenig elektrische Energie umzusetzen.
  • Im Kapillarrohr 8 ist nur ein definiertes kleines Brennstoffvolumen gespeichert. Läßt man diese Menge am Ende des Brennerbetriebes über eine Rücklaufleitung abfließen, so wird hierdurch ein Nachdampfen verhindert.
  • Ist eine gewisse Nachdampfzeit zulässig, unterbricht man den Brennstoffzulauf und läßt den Inhalt des Kapillarrohres 8 ausdampfen. Beim erneuten Starten ist dann das gesamte Verdampfersystem kraftstoffrei, so daß vorab kein störender Dampf austritt, der unverbrannt die Umwelt belastet.
  • Bei Einsatz des I3reenereleeents als Ileizölbrenner und Speisung der Heizwendeln mit Netzspannung, sind zweckmäßigerwelse die Mantelrohre der Heizelemente von den Heizwendeln galvanisch getrennt, so daß das Brennerelement aus Sicherheitsgründen geerdet werden kann.
  • Die beschriebenen Brennerelemente haben gegenüber Brennern die nach dem Druckzerstäuberprinzip oder dem Schleuderradprinzip arbeiten und erst ab Durchsatzmengen von 1 kg/h einwandfrei funktionieren, den Vorteil, daß der Brennstoffdurchsatz ausgehend von null in praxisgerechten Grenzen kontinuierlich eingestellt werden kann.
  • - LeerSVeite -

Claims (7)

  1. Brennerelement für flüssige Brennstoffe Patentansprüche 09 Brennerelement für flüssige Brennstoffe mit einer Verdampfungskammer, in die eine Zuleitung für flüssigen Brennstoff mündet und die eine Austrittsöffnung (14) für verdampften Brennstoff aufweist, wobei in der Verdampfungskammer mindestens ein sich zur Austrittsöffnung erstreckendes Heizelement (7) vorgesehen ist, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Brennstoffzuleitung ein Kapillarrohr (8) umfaßt, das über einen nennenswerten Bereich des mindestens einen Heizelements (7) längs diesem verläuft und vor einer Prallfläche (13) endet, die an der der Austrittsöffnung (14) abgekehrten Seite der Verdampfungskammer vorgesehen ist.
  2. 2. Brennerelement nach Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Kapillarrohr (8) an der der Austrittsöffnung (14) abgekehrten Seite der Verdampfungskammer beginnt und längs des mindestens einen Heizelements (7) zur Austrittsöffnung (14) und wieder zurück zur Prallfläche (13) verläuft.
  3. 3. Brennerelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß mehrere Heizelemente (7) in Form paralleler Stäbe vorgesehen sind, welche sich, zwischen sich, Kapillarrohr (8) und Mantelwand (9) der Verdampfungskammer Spalte (15, 15, 17, 18) ausbildend, parallel zueinander in der Verdampfungskammer von der der Austrittsöffnung (14) abgekehrten Seite in den Bereich der Austrittsöffnung (14) erstrecken, wobei das Kapillarrohr in von den stabförmigen Heizelementen (7) begrenzten Zwischenräumen verläuft.
  4. 4. Brennerelement nach Anspruch 3, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Kapillarrohr (8) in Zwischenräumen zwischen den stabförmigen Heizelementen und der Mantelwand (9) verläuft.
  5. 5. Brennerelement nach Anspruch 3 oder 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß in mindestens einem der von dem Kapillarrohr (8) nicht eingenommenen Zwischenräume zwischen den Heizelementen (7) ein Siebwickel (6) angeordnet ist.
  6. 6. Brennerelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Heizelemente von innen elektrisch widerstandsbeheizt sind und eine Heizwendel (20) und eine Regelwendel (19) mit positiver Temperaturcharakteristik zur Anpassung der elektrischen Heizleistung an die Brennstoffdurchsatzmenge enthalten.
  7. 7. Brennerelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch g e'k e n n z e i c h n e t , daß das mindestens eine Heizelement (7) durch die Austrittsöffnung (14) in den Flammbereich reicht und daß das Kapillarrohr (8) ebenfalls den Flammbereich durchsetzt.
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