DE3419210C2

DE3419210C2 - Verdampfungsbrenner für flüssigen Brennstoff

Info

Publication number: DE3419210C2
Application number: DE19843419210
Authority: DE
Inventors: Ove Steen Soenderborg Boe; Peter Johan Mads Nordborg Clausen; Joergen Hartvig Nordborg Petersen
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1984-05-23
Filing date: 1984-05-23
Publication date: 1986-08-07
Also published as: DK219085D0; DK158963C; DE3419210A1; DK219085A; DK158963B

Abstract

Ein Verdampfungsbrenner für flüssigen Brennstoff besitzt eine rohrförmige Verdampfungskammer (2), die eine Verdampfungszone (A) und eine Glühzone (B) aufweist. Eine Widerstands-Heizvorrichtung wird durch die Verdampfungskammerwand gebildet, die aus mindestens einem Rohrabschnitt (5, 6, 7) besteht und elektrisch leitend ist. Sie besitzt zwei Anschlußelektroden (15, 16) an den Enden und eine dritte Anschlußelektrode (17) zwischen Verdampfungszone (A) und Glühzone (B). Hierdurch wird die Verdampfungskammerwand in zwei unabhängig voneinander ansteuerbare Widerstandsabschnitte unterteilt. Hierbei ist es möglich, die den Widerstandsabschnitten zuzuführenden Heizleistungen während des Anlaufs so zu bemessen, daß die Glühzone (B) eine Wandtemperatur über 700°C und die Verdampfungszone (A) eine Wandtemperatur unter 350°C annimmt. Außerdem kann die Wandtemperatur der Glühzone nach dem Zünden auf unter 400°C abgesenkt werden. Auf diese Weise ergibt sich eine sichere Zündung, eine einwandfreie Verdampfung und ein stabiler Betrieb der Flamme.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verdampfungsbrenner für flüssigen Brennstoff gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In dem fingierten Stand der Technik gemäß der nicht vorveröffentlichten DE-OS 32 43 396 ist ein Verdampfungsbrenner dieser Art beschrieben, dessen elektrisch leitende Wand aus einem Rohrabschnitt oder zwei miteinander verbundenen Rohrabschnitten aus Siliziumkarbid besteht. Bei Zuführung eines Heizstromes über die endseitigen Anschlußelektroden wird die Verdampfungskammerwand über ihre gesamte beheizbare Länge von demselben Heizstrom durchflossen. Zur Erreichung der höheren Zündtemperatur in der Glühzone sind verschiedene Maßnahmen angegeben, z. B. die Verminderung der Wandstärke im Glühzonenbereich. Wenn die Verdampfungskammerwand selbst nicht Teil der Heizvorrichtung ist, kann die Zündtemperatur in der Glühzone auch dadurch erreicht werden, daß die Heizvorrichtung zwei unabhängig voneinander ansteuerbare Heizkörper aufweist, von denen der eine der Glühzone und der andere der Verdampfungszone zugeordnet ist. Dabei kann der letztgenannte Heizkörper ein PTC-Widerstand sein, der seine Heizleistung in Abhängigkeit von Art und Menge des Brennstoffes ändert. Ein solcher Verdampfungsbrenner hat den Vorteil, daß der flüssige Brennstoff durch denselben Brenner zunächst verdampft und dann gezündet wird. Er eignet sich daher besonders für einen Anfahrvorgang mit blauer Flamme und ohne Rußbildung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verdampfungsbrenner der eingangs beschriebenen Art anzugeben, der eine für das Anfahren und den Betrieb noch besser geeignete Temperaturverteilung in der Verdampfungskammerwand möglich macht.

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

Die Leistungsreduktion gemäß den Ansprüchen 2 und 3 ist möglich, weil durch Wärmeleitung von der Verdampfungszone oder durch Wärmestrahlung aus der Brennkammer eine ausreichende Beheizung der Glühzone erfolgen kann.

Die Unterteilung in zwei unabhängig voneinander an-

steuerbare Widerstandsbereiche ist auch von Vorteil, wenn gemäß Anspruch 4 temperaturabhängige Widerstandswerte verwendet werden. Denn nunmehr hat die gewünschte Temperaturabhängigkeit in dem einen Widerstandsbereich keinen Einfluß mehr auf die Heizleistung in dem anderen Widerstandsbereich.

Mit der Ausgestaltung gemäß Anspruch 6 und 7 ist auf einfache Weise möglich, unterschiedliche Heizleistungen in den beiden Verdampfungszonen-Teilbereichen zu erzielen.

Bei der Alternative nach Anspruch 8 besteht die Möglichkeit, unterschiedliche Heizströme zu den beiden Teilbereichen des Verdampfungszonen-Widerstandsbereichs zuzuführen.

Die Anschlußelektroden gemäß Anspruch 9 sind in besonderem Maße bei hohen Temperaturen beständig.

Während zum Zünden Temperaturen von über 700° C erforderlich sind, bildet sich bei Wandtemperaturen über 350°C in der Verdampfungszone eine wärmeisolierende Dampfschicht längs der Wand, durch die die effektive Verdampfung behindert wird. Des weiteren ergibt sich eine Tröpfchenbildung als Folge von Dampfexplosionen.

Gemäß einem Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Verdampfungsbrenners gemäß Anspruch 10 ist es demgegenüber mit Sicherheit ausgeschlossen, daß durch Tröpfchenbildung eine unvollständige Verbrennung (Bildung von Ruß und Kohlenmonoxid) erfolgt.

Wenn die Glühtemperatur während des Normalbetriebes beibehalten wird, bildet sich eine dauernd auftretende Pilotflamme. Dies bringt eine unruhige Hauptflamme mit Rußbildung mit sich. Außerdem läßt sich das Flammensignal schlechter ermitteln. Diese Nachteile werden mit dem Verfahren nach Anspruch 11, behoben.

Mit der Maßnahme nach Anspruch 12 wird die Wandtemperatur in der Verdampfungszone in noch höherem Maße konstant gehalten.

Wenn beim Vorgehen nach Anspruch 13 beide Temperaturen ihren Endwert etwa gleichzeitig erreicht haben, kann die Brennstoffzufuhr geöffnet werden.

Soweit hier von Siliziumkarbid-Keramikmaterial die Rede ist, wird hierunter nicht nur reines Siliziumkarbid verstanden. Vielmehr fällt hierunter auch mit Silizium getränktes Siliziumkarbid und mit Dotierungsstoffen versehenes Siliziumkarbid.

Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdampfungsbrenners,

Fig.2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdampfungsbrenners und

F i g. 3 in vergrößertem Maßstab eine Anschlußelektrode.

Der Verdampfungsbrenner 1 in F i g. 1 weist eine Verdampfungskammer 2 auf, die im Anschluß an einen Einlaß 3 für flüssigen Brennstoff eine Verdampfungszone A und nahe dem Auslaß 4 für im wesentlichen verdampften Brennstoff eine Glühzone B aufweist. Die Wand der Verdampfungskammer 2 wird durch drei Rohrabschnitte 5,6 und 7 gebildet, welche sämtlich aus Siliziumkarbid bestehen und elektrisch leitend sind. Der mittlere Rohrabschnitt 6 ist in die einander zugewandten Enden der beiden anderen Rohrabschnitte 5 und 7 eingeschoben und hat einen größeren Wandquerschnitt als der Rohrabschnitt 5. Der Brennstoffeinlaß 3 befindet sich in einem Keramikelement 8, das elektrisch nicht leitfähig zu sein braucht. Der Rohrabschnitt 5 weist am inneren Umfang Längsnuten 9, der Rohrabschnitt 7 Längsnuten 10 auf, von denen jedoch der besseren Übersicht halber nur die in der Zeichenebene befindlichen veranschaulicht sind. Infolgedessen ergeben sich an der Überlappungsstelle des Rohrabschnitts 5 mit dem Keramikkörper 8 Zutrittskanäle 11 und an der Überlappungsstelle zwischen den Rohrabschnitten 6 und 7 Zutrittskanäle 12. Über die Zutrittskanäle 11 kann Spülluft 13 und über die Zutrittskanäle kann Zündluft 14 zugeführt werden.

Der Rohrabschnitt 5 trägt nahe dem Einlaß 3 eine Anschlußelektrode 15. Der Rohrabschnitt 7 trägt nahe dem Auslaß 4 eine Anschlußelektrode 16. Der Rohrabschnitt 6 trägt an seinem dem Auslaß 4 zugewandten Endabschnitt eine dritte Anschlußelektrode 17. Diese Elektroden sind über entsprechende Zuleitungen 18, 19 und 20 mit einer Schaltvorrichtung 21 verbunden.

Legt man eine Spannung zwischen die Anschlußelektroden 15 und 17, so fließt ein Heizstrom durch die beiden Rohrabschnitte 5 und 6. Da der Rohrabschnitt 5 einen kleineren Wandquerschnitt und damit einen größeren Widerstand hat als der Rohrabschnitt 6, wird im Bereich des Rohrabschnitts 5 eine höhere Heizleistung pro axialer Längeneinheit abgegeben als im Rohrabschnitt 6. Hiermit wird der Tatsache Rechnung getragen, daß wegen des Zutritts des kalten Brennstoffs am Einlaß 3 und wegen der Wärmeabfuhr über das Element 8 am Einlaß der Verdampfungskammer 2 eine erhöhte Wärmeabfuhr erfolgt. Im Rohrabschnitt 6, wo nur noch eine Nachverdampfung stattfindet, genügt die geringere Heizleistung. Daher ergeben sich zwei Widerstandsteilbereiche A\ und A2 unterschiedlicher Heizleistung. Es wird dafür gesorgt, daß die Wandtemperatur in der Verdampfungszone Λ unter 350° C liegt.

Wenn eine Spannung an die Anschlußelektroden 16 und 17 gelegt wird, erfolgt eine Beheizung des Rohrabschnitts 7 und eines kleinen Teils des Rohrabschnitts 6.

Hier wird beim Anfahren die Heizleistung so gewählt, daß im Bereich der Glühzone B eine Wandtemperatur von über 700°C herrscht, gegebenenfalls sogar erheblich über diesem Wert. Die Spannung ist so gewählt, daß nach dem Einschalten die Zündtemperatur etwa zur gleichen Zeit erreicht wird, zu der auch eine ausreichende Arbeitstemperatur in der Verdampfungszone A erreicht worden ist. Nach dem Zünden und dem Feststellen einer Flamme im Brennraum, in weichen der Auslaß 4 mündet, wird die Spannung zwischen den Anschlußelektroden 16 und 17 mittels der Schaltvorrichtung 21 reduziert oder ganz abgeschaltet, damit keine Pilotflamme mehr erzeugt wird, welche die Hauptflamme stören könnte.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 2 werden für entsprechende Teile um 100 erhöhte Bezugszeichen benutzt. Unterschiedlich ist im wesentlichen, daß für die Verdampfungszone nur ein einheitlicher Rohrabschnitt 105 vorgesehen ist, der zwischen den beiden Anschlußelektroden 115 und 117 noch eine vierte Anschlußelekttrode 122 trägt. Außerdem ist zur Bildung der Luftzufuhrkanäle 111 das Element 108 außen über einen Teil seiner Länge mit Rippen versehen.

In diesem Fall sorgt die Schaltvorrichtung 121 wie in Fi^. 1 dafür, daß in der Verdampfungszone A eine Wandtemperatur unter 350°C und in der Glühzone B beim Anfahren eine Temperatur über 700°C und im Betrieb eine Temperatur unterhalb von 400°C vorherrscht. Innerhalb der VerdamDiunsszone wird tmt7

des durchgehend gleichen Wandquerschnitts des Rohrabschnitts 105 im Teilbereich A\ eine größere Heizleistung pro Längeneinheit erzielt als im Teilbereich A₂, weil die Spannungen zwischen den Anschlußelektroden 117 und 122 einerseits und 122 und 115 andererseits entsprechend gewählt worden sind.

In F i g. 3 ist die Anschlußelektrode 16 vergrößert veranschaulicht. Sie weist einen Ringflansch 23 aus Siliziumkarbid auf und ist mit einem Loch 24 versehen. In dieses ist eine stiftförmige Metallelektrode 25 aus einem Werkstoff, der etwa den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie Siliziumkarbid hat, eingesetzt und dort mittels Silizium, das eine Schicht 26 bildet, eingelötet. Die Schicht schützt auch gegen Korrosion. Auf den freien Teil der Metallelektrode 25 ist eine Schutzhülse 27 aus rostfreiem Stahl aufgesetzt, so daß auch dieser Teil gegen Korrosion geschützt ist. Ein Fortsatz 28 der Schutzhülse 27 nimmt die Zuleitung 19 auf. Diese kann mittels Hartlot in der Schutzhülse 27 befestigt sein. In gleicher Weise kann auch die Hülse 27 mittels Hartlot auf der Metallelektrode 25 befestigt sein. Eine solche Elektrodenanordnung hat auch bei hohen Temperaturen eine lange Lebensdauer.

In der Praxis werden die in den F i g. 1 und 2 veranschaulichten Verdampfungsbrenner mit einer Wärmeisolierung und einem rohrförmigen Außengehäuse versehen, wie es aus der DE-OS 32 43 396 hervorgeht.

Bei der Herstellung werden die keramischen Bestandteile des Verdampfungsbrenners entweder vor dem Sintern zusammengefügt, so daß sich infolge des Sinterns eine stabile Keramikeinheit ergibt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß die Teile zunächst gesintert und dann unter Zwischenfügung von flüssigem Silizium miteinander vereinigt werden.

Die Verdampfungsbrenner können auch so hergestellt werden, daß sie nur einen durchgehenden Rohrabschnitt aufweisen oder daß sie aus mehr als drei Rohrabschnitten bestehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Verdampfungsbrenner für flüssigen Brennstoff mit einer rohrförmigen Verdampfungskammer, die im Anschluß an den Einlaß für flüssigen Brennstoff eine Verdampfungszone und nahe dem Auslaß für den im wesentlichen verdampften Brennstoff eine auf Zündtemperatur beheizbare Glühzone aufweist, und mit einer Widerstands-Heizvorrichtung, die durch die aus mindestens einem Rohrabschnitt bestehende Verdampfungskammerwand gebildet ist, die aus elektrisch leitendem Keramikmaterial besteht und mit zwei Anschlußelektroden leitend verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfungskammerwand in zwei unabhängig voneinander ansteuerbare Widerstandsbereiche unter.'eilt ist, indem sie zwischen Verdampfungszone (A) und Glühzone (B) eine für beide Widerstandsbereiche gemeinsame dritte Anschlußelektrode (17; U 7) aufweist.

2. Brenner nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Schaltvorrichtung (21; 121), mit der die dem Glühzonen-Widerstandsbereich zuzuführende Heizleistung reduzierbar ist.

3. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtung (21; 121) die Heizleistung am Glühzonen-Widerstandsbereich abschaltet.

4. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Widerstandsbereiche einen temperaturabhängigen Widerstandswert hat.

5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfungszonen-Widerstandsbereich aus mindestens zwei in Reihe liegenden Teilbereichen (A_u A₂) besteht, von denen der dem Einlaß (3; 103) benachbarte eine höhere Heizleistung pro axialer Längeneinheit hat als der anschließende Teilbereich.

6. Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfungskammer (2) aus drei Rohrabschnitten (5,6, 7) aus Siliziumkarbid gebildet ist, von denen der mittlere Rohrabschnitt (6) in die einander zugewandten Enden der beiden anderen Rohrabschnitte (5, 7) eingeschoben und mit der dritten Anschlußelektrode (17) leitend verbunden ist.

7. Brenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Rohrabschnitt (6) einen größeren Wandquerschnitt hat als der dem Einlaß (3) benachbarte Rohrabschnitt (5) und die dritte Anschlußelektrode (17) an seinem dem Auslaß (4) zugewandten Endabschnitt trägt.

8. Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine vierte Anschlußelektrode (122) zwischen einlaßseitiger und dritter Anschlußelektrode (115,117) vorgesehen ist.

9. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die auslaßseitige und die dritte Anschlußelektrode (16, 17; 116, 117) einen den Rohrabschnitt umschließenden Siliziumkarbid-Ringflansch (23) aufweist, der in einem Loch (24) eine mittels Silizium (26) eingelötete Metallelektrode (25) trägt.

10. Verfahren zum Betrieb eines Verdampfungsbrenners nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die den Widerstandsbereichen zuzuführenden Heizleistungen während des Anfahrens so bemessen werden, daß die Glühzone eine Wandtemperatur über 700° C und die Verdampfungszone eine Wandtemperatur unter 350°C annimmt

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Glühzonen-Widerstandsbereich zuzuführende Heizleistung nach dem Zünden soweit reduziert wird, daß die Glühzone eine Wandteniperatur unter 400° C annimmt.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Verdampfungszonen-Widerstandsbereich zuzuführende Heizleistung in Abhängigkeit von der Menge und der Art des zu verdampfenden Brennstoffs geändert wird.

13. Verfahren nach Anspruch 10 oder 10 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleistungen für die Glühzone und für die Verdampfungszone in einem solchen Verhältnis zueinander stehen, daß die über 700°C liegende Zündtemperatur in der Glühzone und die unter 350°C liegende Arbeitstemperatur in der Verdampfungszone nach dem Einschalten etwa gleichzeitig erreicht werden.