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Beschreibung
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Heizgerät mit einem Brenner für
flüssige oder gasförmige Brennstoffe, insbesondere zur Raumbeheizung in Fahrzeugen,
mit einem Brennraum, einer zum Brennraum offenen Zündkammer, einer Zündeinrichtung
in der Zündkammer, Einrichtungen zum Zuführen von Brennstoff und Luft zur Zündkammer
und einem an den Brennraum angeschlossenen Wärmetauscher.
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Bekannte Kraftfahrzeug-Standheizungen und Wohnwagen-Heizungen haben
einen recht komplizierten Aufbau und hohen Platzbedarf.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Platzbedarf zu verringern
und die Bauweise zu vereinfachen,
ohne die Betriebssicherheit zu
beeinträchtigen.
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Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß die Zündkammer, die
mehrfach länger als breit ist, von einer Vorwärmkammer umgeben ist, der sowohl die
Luft als auch der Brennstoff zuführbar ist und daß die diese Kammern trennende Wand
eine Vielzahl von kleinen Öffnungen für den Durchtritt des Brenngemischs in die
Zündkammer enthält.
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Durch diese Merkmale wird eine Intensivierung der Verbrennung erreicht,
die es gestattet, die Maße der Zündkammer und der Brennkammer wesentlich zu reduzieren.
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Dadurch wird nicht nur der Raumbedarf des Geräts insgesamt verringert,
sondern kann auch sein Aufbau vereinfacht werden, weil es leichter ist, einen hoch
belasteten, kleineren Brennraum sicher abzuschirmen als einen großen, weniger belasteten.
Auch läßt sich die Sicherheit gegen Verpuffungen bei einem kleineren Brennraum leichter
verwirklichen als bei einem großen.
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Die schlanke Ausbildung der Zündkammer, die vorteilhafterweise durch
eine mindestens dreimal so große Länge wie Weite charakterisiert ist, hat erstens
den Vorteil eines besseren Einschlusses der Flamme und damit einer höheren Zündtemperatur
und sichereren Zündung. Das gilt nicht nur für den laufenden Betrieb, sondern auch
für den Brennerstart. Die Konzentration der Wärme in der Zündkammer hat eine sehr
gleichmäßige Erwärmung der diese umgebenden Vorwärmkammer zurFolge, die wiederum
eine sehr gleichmäßige Vorwärmung und Zufuhr des Luft/Brennstoffgemischs
und
damit eine sehr gleichmäßige Flammenbildung ermöglicht. Weil die Vorwärmkammer (entsprechend
der kleinen Zündkammer) sehr klein ist, wird sie intensiv durchströmt und bilden
sich weniger leicht tote Winkel, in denen Überhitzungsgefahr entstehen könnte. Auch
die Mischung von Luft und Brennstoff wird durch die intensive Durchströmung begünstigt.
Dabei ist die Anordnung wegen der Möglichkeit, eine Vielzahl kleiner Durchtrittsöffnungen
von der Vorwärmkammer zur Zündkammer sowie eine hohe Durchtrittsgeschwindigkeit
vorzusehen, sicher gegen ein Zurückschlagen der Flamme indie Vorwärmkammer. Die
Vorwärmung des Brenngemischs trägt zur gleichmäßigen Flammenbildung und vollständigen
Verbrennung und damit auch zur Vermeidung der Bildung von Verbrennungsrückständen
bei.
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Die Zündeinrichtungen der Zündkammer wird zweckmäßigerweise - wie
an sich bekannt - von einer langgestreckten Glühkerze gebildet, die in Längsrichtung
der Zündkammer mit geringem Abstand von deren Wand vorgesehen ist. Der geringe Abstand
der Zündkammerwand von der Glühkerze der in der Größenordnung einiger Millimeter
liegt, begünstigt erstens eine intensive Erhitzung der Zündkammerwand und damit
gleichzeitig der Vorwärmkammer, so daß von Anfang an eine hinreichende Brennstoffvergasung
bzw. -vorwärmung stattfindet, wobei gleichzeitig zweitens infolge des geringen Durchmessers
des zu erwärmenden Wandteils dessen Wärmekapazität auf ein Minimum reduziert wird
und dadurch die Nbrwärmzeit verringert bzw. die innerhalb einer bestimmten Zeitspanne
erreichbare Vorwärmtemperatur erhöht wird.
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Da die Glühkerze am geschlossenen Ende der Zündkammer angeordnet sein
muß und also in demjenigen Bereich, in welchem die Flamme noch nicht vollständig
entwickelt sein kann, ist sie trotz der engen Ausführung der Zündkammer und trotz
der intensiven Wärmenutzung in der Startphase vor Uberhitzung während des laufenden
Betriebs geschützt.
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Zweckmäßigerweise ist die Öffnung zur Zuführung des flüssigen Brennstoffs
zur Vorwärmkammer oberhalb von der Glühkerze angeordnet, wobei ferner die Zündkammer
mit der Glühkerze im wesentlichen horizontal angeordnet ist. Diese Anordnung gewährleistet,
daß in der Startphase der flüssige Brennstoff zunächst auf denjenigen Wandbereich
der Vorwärmkammer tropft, der durch die Glühkerze vorgewärmt ist, sowie durch die
öffnungen hindurch auf die Glühkerze selbst. Dadurch wird sichere Verdampfung von
Anfang an gewährleistet und damit auch eine sichere Zündung.
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Die kleinen Öffnungen für den Durchtritt des Brenngemischs in die
Zündkammer sind zweckmäßigerweise über den größeren Teil der Länge der Zündkammer,
ggf. sogar über die gesamte Länge der Zündkammer, gleichmäßig verteilt, wobei nach
einem weiteren Merkmal diese Öffnungen in schraubenförmig verlaufenden Reihen angeordnet
sein können, wodurch in der Flamme ein Drall erzielt wird, der sie stabilisiert.
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Selbstverständlich könnten auch andere, bekannte Mittel zur Erzeugung
eines Dralls in den Flammengasen vorgesehen sein.
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In vielen Fällen reicht die Beaufschlagung der Vorwärmkammer
mit
Wärme von der Zündkammer her aus. Wenn flüssige Brennstoffe verwendet werden, die
eine verhältnismäßig hohe Verdampfungswärme benötigen, wie beispielsweise Dieselöl,
so kann es zweckmäßig sein, die Vorwärmkammer nicht nur von innen, sondern auch
von außen dadurch zu erhitzen, daß die Vorwärmkammer auch auf ihrer Außenseite von
den Brenngasen durchspült wird. Dies gelingt in einer bevorzugten Ausführungsform
dadurch, daß ein die Vorwärmkammer bildender Doppelmantel frei im Brennraum angeordnet
ist.
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Der Wärmetauscher ist zweckmäßigerweise ein Röhrenwärmeaustauscher,
beispielsweise mit quer zum Weg der Brenngase (verbrannte Gase) verlaufenden Wasserrohren,
die auch berippt sein sein können. Besonders vorteilhaft ist jedoch die Verwendung
von Austauscherröhren, die in Richtung der Brenngasströmung verlaufen, wodurch die
Strömungsverluste gering gehalten werden. Dabei kann die Anordnung auch so getroffen
sein, daß das Brenngas die Röhren durchströmt die ihrerseits in einem Wasserraum
gelegen sind. Dieser grenzt zweckmäßigerweise an den Brennraum, so daß er teilweise
von der Brennraumwand begrenzt ist und auch ein direkter Wärmeaustausch durch die
Brennraumwand hindurch erfolgen kann.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die für den
Übertritt der Brenngase aus dem Brennraum zum Wärmetauscher vorgesehene Öffnung
neben der Zündkammer, zweckmäßigerweise unter dieser, angeordnet. Das bedeutet,
daß die Brenngase nach dem Verlassen der Zündkammer im Brennraum ihre Richtung umkehren
müssen. Dadurch wird zum einen der Verbrennungsvorgang intensiviert, weil die
Verbrennungsgase
gut durchwirbelt werden und vor Abschluß der Verbrennung von den kühlen Brennraumwänden
ferngehalten sind. Dies trägt dazu bei, daß die Brennraumabmessungen klein gehalten
werden können. Ferner hat dies den Vorteil, daß die Gefahr einer Ablagerung von
Verbrennungsrückständen, insbesondere unverbrannten oder halb verbrannten Rückständen
wie Ruß, reduziert wird.
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In diesem Zusammenhang versteht es sich, daß die Anweisung, die Ubertrittsöffnung
neben der Zündkammer anzuordnen, allgemein dahin zu verstehen ist, daß diese Öffnung
näher dem zündkammerseitigen Ende des Brennraums vorgesehen sein soll, damit der
geschilderte Gegenstrom darin zustande kommen kann.
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Bei Verwendung von flüssigen Brennstoffen, insbesondere solchen mit
hoher Verdampfungswärme, kann es zweckmäßig sein, den Brennstoff schon vorzuwärmen,
bevor er die Vorwärmkammer erreicht. Dies gelingt nach der Erfindung dadurch, daß
ein Rohr für die Zuführung von flüssigem Brennstoff zur Vorwärmkammer durch den
Brennraum geführt ist.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann angrenzend an den Brennraum
und im Wärmeaustausch mit diesem ein Luftzuführungskanal vorgesehen sein. Zum einen
ermöglicht dieses Merkmal eine Vorwärmung der Verbrennungsluft mit minimalem konstruktiven
Aufwand. Zum anderen schirmt der Luftführungskanal die heiße Brennraumwand gegenüber
der Außenfläche des Gehäuses ab, wodurch die sonst für Wärmedämmung notwendigen
Maßnahmen entfallen können.
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Zweckmäßigerweise ist der genannte Luftführungskanal auf der dem Wärmetauscherabgewandten
Seite angeordnet.
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Jedoch kann auch vorgesehen sein, daß er den Brennraum an drei Seiten
umgibt oder daß der Wasserraum des Wärmetauschers an mehr als einer Seite an den
Brennraum grenzt und der Luftführungskanal an den anderen Seiten vorgesehen ist.
Der einfachste Aufbau ergbit sich nach der Erfindung jedoch dann, wenn der Wärmetauscher
und der Luftführungskanal jeweils nur auf einander gegenüberliegenden Seiten des
Brennraums vorgesehen sind. Dabei kann der Brennraum mit dem Wärmetauscher und/oder
dem Luftführungskanal durch wärmeleitende Seitenbleche verbunden sein, so daß ein
Wärmetransport auch von denjenigen Seiten des Brennraums her erfolgt, die nicht
unmittelbar von dem Wärmetauscher bzw. dem Luftführungskanal gekühlt sind.
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Bei der erwähnten Nebeneinander-Anordnung von in Breite und Länge
aufeinander abgestimmten Brennräumen, Wärmetauschern und ggf. Luftführungskanälen
ergibt sich eine besonders einfache Konstruktion, wenn diese Komponenten mit jeweils
rechteckigem Querschnitt innerhalb eines gemeinsamen, flachen Gehäuses untergebracht
sind. Auch das Gebläse und ggf. eine Wasserpumpe für den Wärmetauscher können in
diesem Gehäuse Platz finden, und zwar zweckmäßigerweise in Fortsetzung der Haupterstreckungsebene
der drei anderen Komponenten, damit die Breite des Geräts in Richtung seiner geringsten
Dimension nicht dadurch vergrößert wird. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß
das Gebläse zweckmäßigerweise als Sauggebläse für die Brenngase im Anschluß an den
Wärmetauscher ausgebildet ist.
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Dies ist nicht nur vorteilhaft insofern, als dadurch ausgeschlossen
ist,
daß im Falle von Undichtigkeiten des Geräts Brenngase an unvorgesehener Stelle daraus
austreten können.
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Vielmehr hat sich auch gezeigt, daß eine gleichmäßigere Verbrennung
stattfindet, wenn die Verbrennungsluft vor dem Eintritt in die Zündkammer nicht
durch von der Gebläsewirkung herrührende Turbulenzen gestört ist.
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Die Erfindung wird im folgenden näher unter Bezugnahme auf die Zeichnung
erläutert, die ein Ausführungsbeispiel in schematischer Darstellung veranschaulicht.
Darin zeigen: Fig. 1 einen vertikalen Längsschnitt, Fig. 2 einen Schnitt gemäß Linie
II-II in der Fig. 1 und Fig. 3 einen Schnitt gemäß Linie III-III der Fig. 1.
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In einem im wesentlichen quadrischen Gehäuse 1 sind vier Elemente
mit im wesentlichen gleicher Länge und gleicher Breite (gemessen quer zur Zeichenebene
in Fig. 1) nebeneinander angeordnet, nämlich ein die Luftführungskanäle 2, 3 bildendes
Element, der Brennraum 4, der Wärmetauscher 5 und ein Raum 6 zur Aufnahme von Pumpe
und Gebläse und ggf.
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weiteren Ergänzungsteilen.
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Durch eine Öffnung 7 tritt die Verbrennungsluft in Pfeilrichtung in
das Gehäuse ein, verteilt sich auf die beiden Luftführungskanäle 2, um schließlich
sich im Luftführungskanal 3 wieder zu vereinigen, der in einer Öffnung 8 endet,
die die Wand 9 durchbricht, die die Kanäle 2, 3 von der Brennkammer 4 trennt. Durch
die Wand 9 findet Wärmeaustausch und somit Vorwärmung der Verbrennungsluft von dem
Brennraum
4 her statt.
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Unterhalb der Öffnung 8 befindet sich die Zündkammer 10, die von einem
Rohr 11 begrenzt ist, das dicht an der linken Brennraumwand 12 befestigt ist, sich
mittig in Längsrichtung des Brennraums 4 erstreckt und an seinem freien Ende 13
offen ist.
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Es wird umgeben von einem zweiten Rohr 14, das mit dem ersten Rohr
11 einen Doppelmantel bildet, der einen an den Rohrenden geschlossenen Ringraum
15 einschließt, der die oben erläuterte Vorwärmkammer bildet. Diese steht über den
kurzen Kanal 16 mit der Öffnung 8 in Verbindung, so daß die in den Kanälen 2, 3
vorgewärmte Luft durch die öffnung 8 und den kurzen Kanal 16 in die Vorwärmkammer
15 strömen kann, die die Zündkammer 10 umgibt.
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In dem kurzen Kanal 16 mündet ein Rohr 17, das die Zuleitungen für
den flüssigen Brennstoff, beispielsweise Dieselöl, bildet.
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Da dieses Rohr im Wärmeaustausch mit den Gasen im Brennraum 4 steht,
wird das darin geförderte Öl vorgewärmt, bevor es am Ende des Rohrs 17 in den kurzen
Kanal 16 austritt. Zweckmäßigerweise ist die Anordnung so getroffen, daß der Brennstoff
noch flüssig in den Kanal 16 gelangt. Zusammen mit der Verbrennungsluft wird er
dann in die Vorwärmkammer 15 und von dieser durch eine Vielzahl kleiner Öffnungen
18 in dem inneren Rohr 11 in die Zündkammer 10 geführt.
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Diese enthält die Glühkerze 20, die im allgemeinen während der gesamten
Heizdauer beheizt wird, um eine ständige Zündung sicherzustellen.
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In der Zündkammer 10 bildet sich infolge von deren im Verhältnis zur
Länge geringen Weite eine schlanke Flamme 21 aus, die mit hoher Geschwindigkeit
in den Brennraum 4 austritt. Die Brenngase
werden dann in Pfeilrichtung
gewendet, um durch die Öffnung 22 überzutreten in den Zuführungsraum 23 des Wärmetauschers
5.
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Dieser enthält in einem Wasserraum ein Rohrbündel 24, durch das die
Brenngase mit geringem Druckverlust durch das Sauggebläse 25 abgesaugt werden können.
Das in dem Wasserraum zu erhitzende Wasser wird durch Anschlußstutzen 26 mittels
einer Pumpe 27 durch strichpunktiert angedeutete Leitungsführungen zirkuliert.
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Der Brennraum 4 und der Wasserraum des Wärmetauschers 5 stehen auch
durch die gemeinsame Wand 28 im Wärmeaustausch. Ferner kann Wärmetransport durch
dicke Bleche 29 aus gut wärmeleitendem Metall vermittelt werden. Zwischen den Wänden
des Brennraums 4 sowie ggf. den Blechen 29 einerseits und dem Gehäuse 2 andererseits
kann eine in Fig. 3 schraffiert angedeutete Wärmedämmung vorgesehen sein, wenn dies
erforderlich erscheint.
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Das Gerät arbeitet in folgender Weise. Zunächst wird in der Startphase
die Glühkerze 20 eingeschaltet, die den sie umgebenden Teil des Rohrs 11 rasch erhitzt.
Wenn nun flüssiger Brennstoff aus der Leitung 17 durch den kurzen Kanal 18 auf diese
Wand und durch die Öffnungen 18 hindurch auf die Glühkerze tropft, so wird er rasch
verdampft und die Zündung erfolgt problemlos, während Verbrennungsluft durch das
Sauggebläse 25 gefördert wird. Während des Betriebs wird die Verbrennungsluft in
den Kanälen 2, 3 durch die Wand 9 hindurch vom Brennraum 4 her erhitzt. Ferner wird
der Brennstoff in der Leitung 17 vorgewärmt. Luft und Brennstoff zusammen werden
dann weiter in der Vorwärmkammer 15 erhitzt, weil die Rohre 11 und 14 den Brenngasen
ausgesetzt sind. Infolge der geringen Strömungsquerschnitte werden sie in der Vorwärmkammer
gut durchmischt und gelangen durch die Öffnungen 18 in die Zündkammer, wo die Verbrennung
dank der Vorwärmung,
Vergasung und gleichmäßigen Durchmischung
sehr gleichmäßig und intensiv erfolgen kann. Die Brenngase kehren dann in Pfeilrichtung
um, gegen im Wärmetauscher 4 ihre Wärme ab und entweichen durch den Druckstutzen
des Gebläses 25. Sowohl der Brennraum als auch der Wärmetauscher können aus handelsüblichem
Vierkantrohr, beispielsweise 50x50 mm bestehen, die so aufeinanderliegen, daß sich
oben der Brennraum und unten der Wärmetauscher befinden. An den offenen Enden sind
die beiden Vierkantrohre mit einem durchgehenden Blech verschlossen und auf diese
Weise fest miteinander verbunden. Die Längsflächen sind ebenfalls auf jeder Seite
miteinander mittels durchgehender Bleche verschraubt, die zwecks besserer Wärmeleitung
aus Aluminium bestehen können, während die der Hitze unmittelbar ausgesetzten Teile
aus Stahl, ggf. Edelstah-l bestehen können. Die vier Seitenbleche überragen den
Brennraumteil und bilden auf diese Weise die Vorwärmkanäle für die Verbrennungsluft.
Die rechteckigen Querschnitte erlauben eine besonders kompakte Bauweise.
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