DE3921254A1 - Verfahren zum vernebeln einer fluessigkeit und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents
Verfahren zum vernebeln einer fluessigkeit und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrensInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vernebeln einer
Flüssigkeit.
Die Zerstäubung oder Vernebelung einer Flüssigkeit mit einem
technischen Reinheitsgrad in ein Trägergas bereitet inmer
dann Schwierigkeiten, wenn relativ kleine Massenströme (< 2
kg/h) mit einem hohen Feinheitsgrad («100 µm) zerstäubt
werden sollen, d. h. bei geringen Durchsätzen kleinste Flüs
sigkeitströpfchen erzeugt werden müssen. Bei der Zerstäubung
mit Hilfe von Düsen unter hoher Druckbeaufschlagung der zu
zerstäubenden Flüssigkeit sind hierbei natürliche Grenzen
hinsichtlich der erreichbaren Tropfenfeinheit gesetzt, da
die erforderliche Flüssigkeitsgeschwindigkeit mit äußerst
kleinen Strömungsquerschnitten in der Düse erzeugt werden
muß (Kanäle bei Dralldüsen), die geometrischen Querabmes
sungen liegen im wichtigen Anwendungsbereich ( ≦ 2 kg/h)
bei 0,1 bis 0,3 mm, was in der Praxis zu Verstopfungen und
nicht reproduzierbaren Zerstäubungsgraden führt. Weiterhin
läßt sich hier nicht vermeiden, daß an der Düse selbst durch
ein ungenügendes Abreißen des Flüssigkeitsstroms sich immer
wieder größere Tropfen bilden, die in der nachgeschalteten
Verwendung des erzeugten Nebels sich nachteilig auswirken.
So beispielsweise bei der Zerstäubung von Heizöl, wo gerade
die im Tropfenkollektiv enthaltenen größeren Tropfen die
bekannten Probleme der Bildung von Randnebelfeldern im Be
reich der Flammenwurzel und damit eine ungenügende Verbren
nung bei relativ langen Flammen bewirken. Ein weiterer Nach
teil der bekannten Zerstäubungsverfahren mit Hilfe von Düsen
besteht darin, daß selbst beim Einsatz hochfester Materialien
Kavitationserscheinungen im Bereich der Düsenmündung auftre
ten, die nach entsprechender Betriebszeit zu einer Verschlech
terung des Zerstäubungsergebnisses führen. Dies tritt umso
eher ein, je höher der Zerstäubungsgrad und damit verbunden
je höher der auf die Flüssigkeit auszuübende Vordruck ist.
Zur Beseitigung dieser Nachteile sind Zerstäubungs- bzw.
Nebel-Einrichtungen bekannt, die zur Zerstäubung einer Flüs
sigkeit mit einem Treibgas (Luft) betrieben werden. Genannt
sind hier Öl-Nebelgeräte zur Lagerschmierung oder Druckluft-
Ölzerstäuber für Heizölbrenner im Haushaltsbereich oder Was
serdampf-Druckzerstäuber im Industriebereich. Bei diesen
Einrichtungen wird z. B. Heizöl mittels Druckluft oder Wasser
dampf in einer Injektordüse oder an gekrünmten Leitflächen
zerstäubt. Hiermit werden gute Zerstäubungsgrade bei kleinen
Durchsätzen erzielt. Nachteilig ist der Geräteaufwand zur
Erzeugung der Druckluft, z. b. bei den Druckluftzerstäubern.
Für die erforderlichen Luftdrücke von 0,6 bis 1,2 bar und
Volumenströmen von 600 bis 1 200 dm3/h können nur Kompresso
ren eingesetzt werden, da mit Gebläsen diese Druckerhöhungen
technisch nicht zu realisieren sind. Bei diesen technischen
Lösungen handelt es sich um Einheiten kleiner Leistungen
bzw. Durchsätzen, sind aber von der Stückzahl und vom Umsatz
her volkswirtschaftlich von großer Bedeutung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum
Vernebeln einer Flüssigkeit zu schaffen, das eine zuverlässi
ge Zerteilung des Flüssigkeitsstromes in Tröpfchen in einer
Größe kleiner als 100 µm bei geringstem apparativem Aufwand
ermöglicht, wobei die Nebelqualität für den jeweiligen Ver
wendungszweck modifizierbar sein soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
Flüssigkeit auf einen offenporigen Kontaktkörper aufgegeben,
mittels eines Gases unter Druck durch die Porenkanäle ge
trieben und der erzeugte Nebel von der Oberfläche des Kon
taktkörpers abgeführt wird. Der Begriff "Gas" im Sinne der
vorliegenden Erfindung umfaßt hierbei sowohl ein Gas bzw.
ein Gasgemisch im eigentlichen Sinne, wie beispielsweise
Luft, als auch einen Dampf, der zusätzlich oder aus der zu
vernebelnden Flüssigkeit selbst erzeugt wird. Der Begriff
"Flüssigkeit" im Sinne der vorliegenden Erfindung umfaßt
auch Mischungen verschiedener Flüssigkeiten, auch in Form
von Emulsionen oder Flüssigkeits-Gas- oder Flüssigkeits-
Dampf-Gemischen mit einem überwiegenden Flüssigkeitsanteil.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,
daß die dem offen-porigen Kontaktkörper zugeführte Flüssig
keit von dem Gas durch die Porenkanäle des Kontaktkörpers
hindurchgetrieben wird, so daß sich auf der Oberfläche des
Kontaktkörpers eine Vielzahl kleiner Blasen bildet. Die Größe
der Blasen richtet sich im wesentlichen nach der jeweiligen
Oberflächenspannung der zu vernebelnden Flüssigkeit. Wegen
der Vielzahl der nebeneinanderliegenden Porenöffnungen können
sich nur kleine Blasen bilden, die alsbald zerplatzen, wobei
sich eine Vielzahl feinster Tropfen aus der zerplatzenden
Blasenhülle bildet. Die durch die Porenkanäle des Kontaktkör
pers getriebene Flüssigkeit breitet sich immer wieder auf
der Oberfläche des Kontaktkörpers aus und bedeckt erneut
die "Austrittsöffnungen" der Porenkanäle, so daß sich ständig
Blasen bilden. Während bei einer normalen Düse eine Druckbe
aufschlagung von 10 bis 100 bar dazu benötigt wird, der
Flüssigkeit eine erhebliche kinetische Energie mitzuteilen,
wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nur ein geringer
Energieaufwand benötigt. Die zu vernebelnde Flüssigkeit wird
praktisch nur mit dem Druck im mb-Bereich beaufschlagt, der
notwendig ist, um die erforderlichen Flüssigkeitsmengen auf
den Kontaktkörper aufzugeben. Für die Erzeugung eines Treib
gasstromes ist ebenfalls nur ein solches Druckniveau erfor
derlich, um die Flüssigkeitsmengen durch den Kontaktkörper
durchzutreiben, sowie den Blasendruck, gegeben durch die
Blasen-Lamellenspannung, zu überwinden. Der erforderliche
Druck liegt z. B. bei der Zerstäubung von Heizöl EL und Luft
als Treibgas bei 20 mb. Je nach Einsatzzweck wird der sich
bildende Nebel durch die natürliche Konvektion der die Ober
fläche des Kontaktkörpers umgebenden Atmosphäre oder durch
einen gezielt geführten Trägergasstrom, beispielsweise einen
Luftstrom, abgenommen. Da mit Hilfe des erfindungsgemäßen
Verfahrens eine derart feine Verneblung der Flüssigkeit er
zielt werden kann, ergibt sich als weiterer Vorteil, daß
dieser Nebel, bestehend aus dem Treibgas, Flüssigkeitstropfen
und überhitzter Dampf der Flüssigkeit, der sich wegen der
relativ großen Tropfenoberfläche (1765 m2/kg) und dem vor
liegenden Partialdruckgefälle bildet, mit Hilfe eines Trä
gergasstromes über ein Leitungssystem auch über Umlenkungen
geführt werden kann, wobei lediglich die üblichen Bedingungen
einer Vermeidung von Taupunktunterschreitungen und damit
von Kondensationsvorgängen an den Kanaloberflächen, bei
spielsweise durch Beheizung des Trägergases und/oder Behei
zung der Kanalwände, eingehalten werden müssen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist vorgesehen, daß die Flüssigkeit vorzugsweise
im Bereich des Kontaktkörpers auf ihre Siedetemperatur,
entsprechend dem Entspannungsdruck, aufgeheizt wird. Diese
Verfahrensweise hat den Vorteil, daß das für die Vernebelung
erforderliche "Druckgas" durch die Verdampfung eines Teils
der zu vernebelnden Flüssigkeit erzielt wird. Der besondere
Vorteil besteht hierbei darin, daß für die Erzeugung des
Druckes lediglich die Wärmeenergie notwendig ist, um einen
Teil (ca. 10 bis 20%) der Flüssigkeit zu verdampfen, da
sich die erforderliche Druckbildung infolge der durch den
Verdampfungsvorgang eintretenden erheblichen Volumenver
größerung von selbst einstellt. Das Aufheizen der Flüssigkeit
kann hierbei vor dem Eintritt der Flüssigkeit in den Kontakt
körper erfolgen, so daß bei entsprechendem Vordruck der
Flüssigkeit in den Poren im Bereich der Austrittsoberfläche
des Kontaktkörpers aufgrund des Druckabfalls eine spontane
Dampfbildung eintritt, da die Flüssigkeit, bezogen auf den
Entspannungsdruck, überhitzt ist. Das Verfahren kann hierbei
in der Weise modifiziert werden, daß nur ein Teilstrom der
Flüssigkeit unter Druck auf Siedetemperatur aufgeheizt wird
und zur Bildung des Druckgases verwendet wird, während der
andere Teilstrom nur mit dem normalen Förderdruck auf den
Kontaktkörper aufgegeben wird. Ein besonderer Effekt des er
findungsgemäßen Verfahrens ergibt sich dadurch, daß die zu
vernebelnde Flüssigkeit von den Porenkanälen des Kontaktkör
pers aufgrund der Kapillarwirkung aufgesogen wird, so daß
praktisch selbsttätig die von der Oberfläche des Kontaktkör
pers als Nebel abgenommene Flüssigkeitsmenge nachlaufen kann.
Besonders zweckmäßig ist es ferner, wenn die Aufheizung der
Flüssigkeit über den Kontaktkörper selbst erfolgt.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfah
rens ist vorgesehen, daß die Flüssigkeit als Flüssigkeitsge
misch aus wenigstens zwei Flüssigkeitsfraktionen mit unter
schiedlichen Siedepunkten auf den Kontaktkörper aufgegeben
wird und das Druckgas durch Erhitzen der Flüssigkeit auf
wenigstens die Siedetemperatur der niedrigst siedenden Flüs
sigkeitsfraktion erzeugt wird. Beispielsweise bei der Ver
nebelung von Heizöl, das mehrere unterschiedlich siedende
Flüssigkeitsfraktionen aufweist, ist immer ein bestimmter
Anteil einer niedrig siedenden Fraktion vorhanden. Die zu
vernebelnde Flüssigkeitsmischung kann aber auch speziell
zum Zwecke des Verfahrens hergestellt werden, wobei dann
auch die Menge der niedrig siedenden Fraktion genau auf die
Bedürfnisse des Verfahrens abgestellt werden kann. So ist
es beispielsweise auch möglich, die Flüssigkeitsgemische
in Form einer Emulsion aufzugeben.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung besteht die Möglich
keit, die Flüssigkeit zusammen mit einem zusätzlichen Druck
gas in feinster Verteilung, vorzugsweise Luft, auf den Kon
taktkörper aufzugeben. Das Druckgas steht unter Flüssigkeits
druck. Bei Durchtritt des Flüssigkeits-Gasgemisches entspan
nen die Gasblasen und es kommt an der Porenaustrittsfläche
des Kontaktkörpers zur schon beschriebenen Nebelbildung.
Besonders zweckmäßig ist jedoch eine Abwandlung des Verfah
rens, bei dem die Flüssigkeit auf den vom Druckgas durch
strömten Kontaktkörper dosiert aufgegeben wird, so daß die
Porenoberfläche im Kontaktkörper im wesentlichen nur benetzt
wird. Bei dieser Verfahrensweise, die die Verwendung eines
verhältnismäßig grobporigen Kontaktkörpers gestattet, wird
das Druckgas durch die Porenkanäle des Kontaktkörpers ge
preßt, wobei immer nur Teile des auf der Oberfläche der
Porenkanäle befindlichen Flüssigkeitsfilmes mitgerissen wird.
Besonders zweckmäßig ist dieses Verfahren, wenn der Kontakt
körper mit regellos verlaufenden Porenkanälen versehen ist,
insbesondere Porenkanälen mit scharfkantigen Oberflächen,
so daß hier jeweils im Porenkörper Abrißkanten für den Flüs
sigkeitsfilm vorhanden sind. Zweckmäßig ist es hierbei fer
ner, wenn das zusätzliche Druckgas vor dem Einleiten in den
Kontaktkörper aufgeheizt wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist vorgesehen, daß die zu vernebelnde Flüssigkeit
in einen Trägergasstrom als Tropfenkollektiv zerstäubt wird
und daß aus dem Tropfenkollektiv durch Umlenkung des Träger
gasstromes die eine vorgegebene maximale Größe überschrei
tenden Tropfen auf einen beheizten Kontaktkörper aufgebracht
und in den Trägergasstrom verdampft werden.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Vernebeln
einer Flüssigkeit, mit einer Zufuhr für die zu vernebelnde
Flüssigkeitsmenge, die mit einem Vernebelungskörper verbunden
ist, insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
Die Nachteile der vorbekannten Einrichtungen zum Vernebeln
von Flüssigkeiten, bei denen der Vernebelungskörper durch
ein oder mehrere Düsen gebildet wird, wurden eingangs bereits
dargelegt.
Die Nachteile der bekannten Vernebelungskörper lassen sich
erfindungsgemäß dadurch vermeiden, daß der Vernebelungskörper
als offenporiger Kontaktkörper ausgebildet ist, der mit der
Zufuhrleitung und mit Mitteln zur Erzeugung eines Druckgases
in Verbindung steht. Der Vorteil dieser Anordnung besteht
darin, daß die zu vernebelnde Flüssigkeit im einfachsten
Falle druckfrei auf den Kontaktkörper aufgegeben zu werden
braucht, d. h. nur die Druckenergie aufzubringen ist, die
als Förderenergie notwendig ist und daß für die Vernebelung
lediglich die Energie aufzubringen ist, die zur Erzeugung
des Gasdruckes notwendig ist. Der offenporige Kontaktkörper,
der beispielsweise auch durch eine auf einen Flüssigkeitsver
teilungskörper aufgesetzte Porenschicht gebildet sein kann,
hat hierbei in erster Linie die Funktion, auf der "Austritts
seite", d. h. auf der Seite auf der der entstehende Nebel
von der Oberfläche abgenommen wird, die Bildung einer Viel
zahl feiner Flüssigkeitsbläschen zu bewirken. In der ein
fachsten Ausgestaltung kann dies durch einen siebartigen
Körper mit einer Vielzahl feinster Bohrungen, beispielsweise
mit Hilfe von Laserstrahlen erzeugte Bohrungen, bewirkt wer
den. Zweckmäßig ist es hierbei, wenn die Poren im Bereich
der austrittsseitigen Oberfläche des Kontaktkörpers wenig
stens zum Teil mit scharfkantigen Vorsprüngen versehen ist.
Hierdurch wird zum einen die Blasenbildung erleichtert, zum
anderen jedoch bewirkt, daß die Blasen schneller abreißen
und sich die gewünschten feinteiligen Tropfen bilden können.
Besonders zweckmäßig ist es hierbei, wenn zumindest im Be
reich der Nebelaustrittsfläche des Kontaktkörpers die Poren
öffnungen eine regellose Öffnungsgeometrie aufweisen. Regel
lose Öffnungsgeometrie im Sinne der Erfindung bedeutet nicht
nur, daß die Achsen der Austrittsöffnungen in unterschiedli
chen Winkeln zur Austrittsfläche ausgerichtet sind, sondern
daß darüber hinaus auch die Kontur der Porenöffnungen unre
gelmäßig ist.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
ist daher vorgesehen, daß der Kontaktkörper aus einem offen
porig gesinterten Formkörper besteht. Das Sintermaterial
kann hierbei ein rein keramisches Material sein oder aber
auch aus sogenanntem Sintermetall bestehen. Der besondere
Vorteil der Verwendung eines Sinterwerkstoffes für den Kon
taktkörper besteht darin, daß hiermit die bevorzugten Vorga
ben einer regellosen Austrittsgeometrie und das Vorhandensein
von scharfkantigen Vorsprüngen zumindest im Bereich der Aus
trittsöffnungen in einfacher Weise herzustellen sind, da
die für den Sintervorgang einzusetzenden körnigen Materialien
schon vom voraufgegangenen Zerkleinerungsvorgang her zumin
dest für einen Teil des Kornspektrums scharfkantige Konturen
aufweisen, die auch durch den Sintervorgang nicht verlorenge
hen. Des weiteren ist hierbei vorteilhaft, daß eine sehr
feine Kapillarstruktur für den Kontaktkörper erzielt werden
kann, wobei durch die vorgegebene Offenporigkeit im Kontakt
körper nicht nur "Längskanäle", sondern auch "Querkanäle"
vorhanden sind, so daß hier infolge der ständig wechselnden
Druckverhältnisse an der Austrittsoberfläche des Kontaktkör
pers im Zusammenhang mit der Blasenbildung und dem Platzen
der Blasen eine entsprechende Durchströmung des Kontaktkör
pers erfolgt. Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines
Sinterwerkstoffes besteht darin, daß der Kontaktkörper als
solcher in bezug auf seine Durchströmung von Flüssigkeit
und/oder Gas keine große "Durchströmungslänge" aufzuweisen
braucht, sondern als verhältnismäßig dünnwandige Sinterma
terialschicht eingesetzt werden kann. Ein weiterer Vorteil
der Verwendung eines Sintermaterials besteht darin, daß
praktisch jede beliebige Oberflächenkontur für die Austritts
seite aber auch für die Eintrittsseite vorgegeben werden
kann, so daß der Kontaktkörper in seiner Formgestaltung je
weils optimal auf die Einsatzbedingungen abgestimmt werden
kann. So ist es beispielsweise möglich, bei der Abnahme des
erzeugten Nebels durch ein strömendes Trägergas hier die
Kontur des Kontaktkörpers so zu formen, daß in bezug auf
die Strömungsrichtung des Trägergases für die gesamte Aus
trittsoberfläche optimale Abnahmebedingungen für den erzeug
ten Nebel bestehen. Dadurch, daß der Kontaktkörper verhält
nismäßig dünnwandig ausgebildet werden kann, also eine ver
hältnismäßig kurze Durchströmungslänge sowohl für die Flüs
sigkeit als auch für das Druckgas vorhanden ist, sind trotz
der Feinporigkeit nur verhältnismäßig geringe Überdrücke
gegenüber dem mit dem Nebel zu füllenden Raum notwendig.
In Ausgestaltung der Erfindung ist der Kontaktkörper vorzugs
weise so gestaltet, daß er eine Porosität aufweist, die einem
Hohlraumvolumen zwischen etwa 30 bis 80%, vorzugsweise 40
bis 60% des Kontaktkörpervolumens entspricht. Bevorzugt ist
jedoch ein Hohlraumvolumen von etwa 45% bis 55% des Kontakt
körpervolumens. Zweckmäßig ist hierbei ferner, wenn der
äquivalente mittlere Porendurchmesser im Kontaktkörper zwi
schen etwa 20 bis 150 µm, vorzugsweise zwischen 40 und 100 µm
liegt.
Während es grundsätzlich möglich ist, wie anhand des erfin
dungsgemäßen Verfahrens bereits dargelegt, die Flüssigkeit
auf den Kontaktkörper aufzugeben, beispielsweise auf den
Kontaktkörper aufzutropfen und das Gas unter Druck durch
den Kontaktkörper hindurchzuführen, ist in einer weiteren
Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß der Kontaktkörper
mit einer Heizeinrichtung verbunden ist. Diese Anordnung
ist insbesondere für solche Einsatzfälle zweckmäßig, wenn
Flüssigkeitsgemische mit einer niedrig siedenden Flüssig
keitsfraktion vernebelt werden sollen. Anstelle einer
Beaufschlagung mit Gas wird dann das für den Treib- und
Blasenbildungsvorgang notwendige Druckgas durch Verdampfung
eines Teiles der zu vernebelnden Flüssigkeit erzeugt, wobei
lediglich die zur Verdampfung der betreffenden Flüssigkeits
menge erforderliche Heizenergie dem Kontaktkörper zuzuführen
ist. Besonders zweckmäßig ist es herbei, wenn die Heizein
richtung auf einer der Nebelaustrittsfläche abgekehrten
Fläche des Kontaktkörpers angeordnet ist. Diese Anordnung
hat den Vorteil, daß innerhalb des Kontaktkörpers in Haupt
strömungsrichtung ein Temperaturgefälle vorhanden ist, so
daß die höchste Temperatur und damit die stärkste Verdamp
fungsleistung auf der der Nebelaustrittsfläche abgekehrten
Seite vorhanden ist und so durch den sich bildenden Dampf
eine entsprechend große Flüssigkeitsmenge auf der Nebelaus
trittsfläche vernebelt wird. Ein besonderer Vorteil der Be
heizung des Kontaktkörpers besteht vor allem in einer guten
Regelungsmöglichkeit, da die Menge der vernebelten Flüssig
keit zu einem Teil auch über die Zufuhr an Heizenergie regu
liert werden kann, da das Maß der Blasenbildung auf der
Nebelaustrittsfläche unmittelbar von der Menge des zur Nebel
bildung erforderlichen Druckgases in Form von verdampfter
Flüssigkeit abhängig ist. Selbst wenn bei einem entsprechen
den Regeleingriff dem Kontaktkörper kurzzeitig ein Flüssig
keitsüberschuß zugeführt wird, so kann dieser über die Ober
fläche des Kontaktkörpers ablaufen und aufgefangen werden,
ohne daß er an das Trägergas abgeben wird. Ein kurzzeitiger
Flüssigkeitsüberschuß hat hierbei zugleich eine positive
Einwirkung auf den Regeleingriff, weil mit Zurücknahme der
Heizenergie zugleich ein Kühleffekt eintritt und damit un
mittelbar die sich bildende Nebelmenge reduziert wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist vorgesehen, daß der Kontaktkörper von einer
ein Trägergas und eine Austrittsöffnung für die Abfuhr des
mit dem erzeugten Nebel vermischten Trägergases aufweist.
Diese Anordnung erlaubt selbst für große Durchsatzleistungen
kleine Bauformen, zumal die Abnahme des erzeugten Nebels
durch ein Trägergas für den jeweils konkreten Einsatzfall
auch in der Form vorgenommen werden kann, daß nicht die
Hauptmenge des mit dem Nebel beladenen Trägergasstromes durch
die Mischkammer hindurchgeführt wird, sondern nur eine Teil
menge und daß dann die mit dem Nebel beladene Trägergasteil
menge in den von der Trägergasmenge durchströmten Strömungs
kanal eingeleitet werden kann.
In zweckmäßiger Ausgestaltung ist hierbei ferner vorgesehen,
daß die Zufuhrleitung für die Flüssigkeit im oberen Bereich
an dem Kontaktkörper ausmündet und daß im unteren Bereich
des Kontaktkörpers ein mit einer Abzugsleitung versehener
Flüssigkeitsüberschußsammler vorgesehen ist. Hierdurch ist
gewährleistet, daß nur Flüssigkeitströpfchen unter einer
Mindestgröße vom Trägergas abgezogen und somit nur ein Nebel
zur Verwendungsstelle geführt wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß
der Kontaktkörper als Kanalkörper ausgebildet ist, der mit
einem mit der Flüssigkeitszufuhr in Verbindung stehenden
Ende die Austrittsöffnung einer Druckkammer bildet. Bei
dieser Anordnung wird die zu vernebelnde Flüssigkeit ebenso
wie das Druckgas durch den Kontaktkörper hindurchgeführt.
Der Kontaktkörper wird hierbei also in ähnlicher Weise wie
die bisher bekannten Düsen eingesetzt. Sofern das Druckgas
nicht über die Verdampfung eines Teils der Flüssigkeit im
Kontaktkörper selbst erzeugt wird, ist es in weiterer Ausge
staltung zweckmäßig, wenn in die Druckkammer eine Zuleitung
für ein Druckgas einmündet.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung, insbesondere
zur Vernebelung von Heizöl zu Verbrennungszwecken. Hierbei
ist erfindungsgemäß der Kontaktkörper vorzugsweise rohrförmig
ausgebildet und vorzugsweise vertikal ausgerichtet in der
Mischkammer angeordnet und mit einer Heizeinrichtung verbun
den und die Flüssigkeitsausgabe im Bereich eines Endes
des Kontaktkörpers angeordnet. Bei dieser Anordnung wird
mit Vorteil ausgenutzt, daß Heizöl ein aus mehreren Fraktio
nen mit unterschiedlichen Siedetemperaturen gebildeten Flüs
sigkeitsgemisch besteht und daß die für die Vernebelung er
forderliche Verdampfung einer Teilfraktion schon bei ver
hältnismäßig geringen Temperaturen eintritt. Der hierbei
entstehende Dampf stellt jedoch zugleich einen Teil des zu
bildenden Nebels dar. Ferner wird mit Vorteil ausgenutzt,
daß Öl besonders gute Benetzungseigenschaften besitzt, so
daß sich die Poren des Kontaktkörpers, der auch hier vorzugs
weise aus einem Sintermaterial besteht, mit dem Heizöl voll
saugen, so daß das Heizöl praktisch nur auf die Oberfläche
des Kontaktkörpers aufgegeben zu werden braucht. Die Aufgabe
der zu verdampfenden Flüssigkeit kann auch unmittelbar auf
die Nebelaustrittsfläche erfolgen. Bei der erfindungsgemäßen
Ausgestaltung erfolgt dies am oberen Ende des Kontaktkörpers,
so daß die Flüssigkeit bei Überladung der Poren über die
Außenfläche des Kontaktkörpers ablaufen kann, wobei der
Prozeß so zu führen ist, daß der Kontaktkörper mit Flüssig
keit nicht übersättigt wird, da die Blasenbildung durch den
geschlossenen Ölfilm an der Austritts-Oberfläche behindert
wird. Während es grundsätzlich möglich ist, für Verbrennungs
zwecke das zu verbrennende Öl durch Wärmezufuhr zu verdampfen,
bietet das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsge
mäße Vorrichtung eine erhebliche Leistungseinsparung. Zur
Erzeugung von Sattdampf aus einem Kilogramm Heizöl werden
etwa 330 Watt Netto-Heizleistung benötigt. Um ein Kilogramm
Öl mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu vernebeln,
wird jedoch nur eine Brutto-Heizleistung von 50 Watt benötigt,
da ja nur eine Teilfraktion und hierbei nur eine niedrig
siedende Teilfraktion des Heizöls verdampft zu werden braucht,
während die restliche Vernebelung infolge der Volumenver
größerung des verdampften Anteils und der mechanischen Vor
gänge im Bereich der Blasenbildung und des Blasenzerfalls
erfolgen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung zur Verwendung als
Heizölbrenner ist vorgesehen, daß der Durchlaß für den er
zeugten Heizölnebel und/oder eines Nebel-Luft-Gemisches mit
einer Abzugsleitung in Verbindung steht und daß das im
Brennraum befindliche Ende der Abzugsleitung als Brennerkopf
ausgebildet ist. Da als Trägergas zur Abnahme des erzeugten
Nebels Luft eingesetzt wird, die in ihrer Menge unter dem
Gesichtspunkt der Primärluft bemessen wird, ergibt sich somit
die Möglichkeit, dem Brennerkopf ein optimal aufbereitetes
Brennstoff-Luftgemisch zuzuführen. Die Primärluftmenge ist
hierbei in bezug auf die Verbrennungsbedingungen unterstöcho
metrisch, so daß dem Brennerkopf ein überfettetes Brennstoff-
Luftgemisch zugeführt wird, das aufgrund der feinteiligen
Vernebelung praktisch Gascharakter besitzt. Der Brennerkopf
kann hierbei in üblicher Weise wie ein Gasbrenner mit regel
baren Zufuhreinrichtungen zu Zufuhr von Sekundärluft zur
Einstellung des für eine rückstandslose Verbrennung erforder
lichen Luftverhältnisse ausgebildet sein.
In einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung
für den Einsatz als Brenner ist ferner vorgesehen, daß der
Brennerkopf als Flammenhalter ausgebildet ist und durch einen
Formkörper aus einem offenporigen Sinterwerkstoff besteht.
Diese Anordnung hat den Vorteil, daß nach dem Zünden des
aus dem Flammenhalter austretenden Gemisches die Oxidations
reaktion zwischen dem Brennstoffnebel und dem Luftsauerstoff
bereits innerhalb des Porenkörpers einsetzt, so daß bei einer
entsprechenden Einstellung des Brennstoff-Luftverhältnisses
die Verbrennung lautlos und ohne sichtbaren Gas-Flammenkörper
abläuft. Der weitere besondere Vorteil der erfindungsgemäßen
Ausgestaltung besteht dann darin, daß der Flammenhalter in
seiner äußeren Form den eigentlichen Flammenkörper darstellt
und damit unmittelbar an die Geometrie des Brennraumes bzw.
der durch den Brennraum definierten Wärmetauscherflächen
angepaßt werden kann. Damit ist die Möglichkeit gegeben,
daß auch für die Verbrennung von Heizöl anstelle einer groß
volumigen Flamme mit einer mehr oder weniger vollständigen
Verbrennung ein in seiner Form weitgehend beliebig gestalt
barer Oberflächenbrenner zur Verfügung steht. Dies hat den
weiteren Vorteil, daß Wärme während der Verbrennungsreaktion
durch Festkörperstrahlung aus dem Prozeß ausgekoppelt wird
und damit die Prozeßtemperatur unter der Gleichgewichtstempe
ratur der NO-Bildung liegt, was zu äußerst niedrigen NOx-
Anteilen im Abgas führt. Es liegt nahe, daß der Verbrennungs
prozeß auch so geführt werden kann, daß der "Flammenhalter"
als Gasgenerator wirkt, d. h. die Verbrennung läuft mit Luft
mangel ab.
Zweckmäßige und vorteilhafte Ausgestaltungen von Vorrichtun
gen sind in den Unteransprüchen 25 bis 27 angegeben.
Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen von Ausfüh
rungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 bis 5 unterschiedliche Durchführungs
formen des Verfahrens,
Fig. 6 eine als Heizölbrenner ausgebil
dete Vorrichtung,
Fig. 7 eine andere Ausführungsform eines
Kontaktkörpers,
Fig. 8 eine schematische Anordnung für
eine Sprüh- und Verdampfungsver
nebelung,
Fig. 9 eine Ausführungsform eines
Brenners für eine Sprühver
dampfung.
Bei dem in Fig. 1 schematisch dargestellten Verfahren wird
in einen Druckraum 1, der durch einen offenporigen Kontakt
körper aus einem Sintermaterial verschlossen ist, über eine
Förderpumpe 3 eine Flüssigkeit, beispielsweise Heizöl, und
über einen Kompressor 4 ein Gas, beispielsweise Luft, ein
geführt. Die der Druckkammer 1 abgekehrte Seite des Kontakt
körpers 2, die Nebelaustrittsfläche 5, mündet hierbei in
einen Raum, aus dem der sich bildende Nebel, beispielsweise
durch ein Trägergas, abgeführt wird. Aus dem Druckraum 1
wird das Flüssigkeits-Gasgemisch durch die Poren des Kontakt
körpers 2 hindurchgetrieben, wobei die Temperaturlage der
gesamten Anordnung unterhalb der Siedetemperatur der Flüs
sigkeit liegt. Die Zerstäubung der Flüssigkeit erfolgt nun
auf der Nebelaustrittsseite 5 des Kontaktkörpers 2 dadurch,
daß sich jeweils an den Porenöffnungen des Kontaktkörpers
kleine Blasen bilden, die ständig zerplatzen, wobei ein Teil
der in der Blasenoberfläche enthaltenen Flüssigkeit in Form
feinster Tropfen frei in den Sammelraum tritt und bei der
Verwendung eines Trägergases praktisch in vollem Umfang von
der Nebelaustrittsfläche 5 abgenommen wird. Um die Übernahme
größerer Tropfen vom Trägergas zu vermeiden, ist zumindest
die Nebelaustrittsfläche 5 vertikal ausgerichtet, so daß
an ihrem unteren Ende ein Sammler 6 für den Flüssigkeitsüber
schuß angeordnet werden kann. Da es sich hier um eine Zwei-
Phasenströmung handelt, muß die Pumpe 3 nur gegen den Druck
des Gases arbeiten. Die Flüssigkeitszufuhr kann jedoch so
dosiert werden, daß praktisch keine Flüssigkeit auf der
Nebelaustrittsfläche abläuft.
Das anhand von Fig. 2 und Fig. 3 erläuterte Verfahren ver
zichtet auf die Zuführung eines zusätzlichen Druckgases.
Bei diesem Verfahren wird die zu vernebelnde Flüssigkeit
über eine Förderpumpe 3 in einen Druckraum 1 eingefördert,
der durch einen offenporigen Kontaktkörper 2 vorzugsweise
aus einem Sintermaterial abgeschlossen ist. Im Druckraum
1 ist eine Heizeinrichtung 7 angeordnet, die die zu verne
belnde Flüssigkeit auf eine, bezogen auf den Druck an der
Oberfläche 5, über dem Siedepunkt der Flüssigkeit liegenden
Temperatur aufheizt. Beim Durchtritt durch den offenporigen
Kontaktkörper ergibt sich eine Druckentspannung der über
hitzten Flüssigkeit innerhalb des Kontaktkörpers, so daß
es zu einer spontanen Dampfblasenbildung kommt, die dann
einen Teil der Flüssigkeit in flüssiger Form durch die
Kapillaren des Kontaktkörpers hindurchtreibt, so daß aus
der Nebelaustrittsfläche ein Teil der Flüssigkeit in Dampf
form und ein anderer Teil aufgrund der zerplatzenden Blasen
in Tröpfchenform austritt. Dieses Verfahren ist insbesondere
dann von Vorteil, wenn anstatt einer "Einstoff-Flüssigkeit"
ein Flüssigkeitsgemisch vernebelt werden soll, das wenigstens
eine niedrig siedende Fraktion aufweist, wie dies beispiels
weise bei normalen Heizölen aber auch bei einer Wasser-in-
Öl-Emulsion der Fall ist. Die Aufheizung eines derartigen
Flüssigkeitsgemisches braucht daher nur auf bzw. etwas über
dem Siedepunkt der niedrigst siedenden Fraktion bewerkstel
ligt zu werden, so daß in der Regel mit geringen Heizlei
stungen gearbeitet werden kann. Im Kontaktkörper verdampft
dann aufgrund der Druckentspannung nur der in bezug auf
seinen Siedepunkt überhitzte Flüssigkeitsanteil, so daß der
hierbei entstehende Dampf dann die andere vollständig in
flüssiger Phase vorliegende Fraktion in Form zerplatzender
Blasen an der Nebelaustrittsfläche in den Raum bzw. in das
abnehmende Trägergas herausdrückt. Bei Wasser-in-Öl-Emulsion,
wie sie insbesondere für Öle mit hochliegendem Siedepunkt
zweckmäßig sind, übernimmt hierbei der Wasseranteil die
Funktion der niedrig siedenden, das Druckgas bildenden
Fraktion.
Fig. 3 zeigt hierbei eine Abwandlung des vorstehend be
schriebenen Verfahrens. Hierbei wird die Flüssigkeit unter
Normaltemperatur in den Druckraum 1 eingeleitet, dort aber
nicht mehr erhitzt. Die Erhitzung erfolgt vielmehr unmittel
bar über den mit einer Heizeinrichtung 8 versehenen Kontakt
körper, so daß hier nicht mehr das gesamte im Druckraum 1
enthaltene Flüssigkeitsvolumen auf Überhitzungstemperatur
gebracht zu werden braucht. Es wird lediglich die Energie
menge benötigt, um die jeweils im Porenvolumen des Kontakt
körpers 2 enthaltene Flüssigkeitsmenge aufzuheizen. Hierbei
ergibt sich ferner noch der Vorteil, daß aufgrund der
geometrischen Struktur der Porenkanäle in einem Sinterkörper
mit ihren in bezug auf die Durchflußrichtung regellos quer-
und längslaufenden Porenkanälen mit einer Vielzahl von
scharfkantigen Umlenkungen und Vorsprüngen eine sehr schnelle
Dampfblasenbildung eintritt. Hinzu kommt ferner noch, daß
das jeweils über den Kontaktkörper selbst die spezifische
Oberfläche eines "Flüssigkeitsfadens" der aufzuheizenden
Flüssigkeit sehr groß ist, so daß sehr schnell über den
gesamten Querschnitt eines derartigen "Flüssigkeitsfadens"
der jeweils niedrig siedende Flüssigkeitsanteil vollständig
verdampft und somit noch innerhalb des Kontaktkörpers
aufgrund der entstehenden Volumenvergrößerung eine Funktion
als "Druckgas" erfüllen kann.
Bei den vorstehend beschrieben Verfahren ist der Kontakt
körper 2 als sogenannter Kanalkörper ausgebildet, d. h. der
Kontaktkörper 2 wird von der zu vernebelnden Flüssigkeit
in seiner vollen Länge durchströmt, so daß in jedem Falle
ein Druckgefälle zwischen Druckkammer 1 und der Nebelaus
trittsfläche 5 vorhanden sein muß.
Bei dem anhand von Fig. 4 beschriebenen Verfahren, das sich
in besonders einfacher Weise in eine funktionstüchtige
Vorrichtung umsetzen läßt, und das insbesondere für die
Vernebelung von Flüssigkeitsgemischen mit wenigstens einer
niedrig siedenden Fraktion eingesetzt wird, ist in einer
Halterung 9 ein Kontaktkörper 2, der vorzugsweise wiederum
aus einem offenporigen Sintermaterial besteht, angeordnet.
Die der Nebelaustrittsfläche 5 abgekehrte Fläche 10 des
Kontaktkörpers 2 ist hierbei mit einer Heizeinrichtung,
vorzugsweise einem elektrischen Flächenheizkörper verbunden,
so daß in Richtung des Pfeiles 11 ein Temperaturgefälle im
Kontaktkörper 2 vorhanden ist. Die zu vernebelnde Flüssigkeit
wird über eine Förderpumpe 3 auf den Kontaktkörper 2 aufge
geben, wobei die Aufgabe in der Nähe der rückwärtigen Fläche
10 seitlich oder axial erfolgt. Die Flüssigkeitsaufgabe
erfolgt hier praktisch druckfrei, da von der Förderpumpe
lediglich der Druck aufgebracht werden muß, der erforderlich
ist, um bei einer vorgegebenen Fördermenge gegen den im
Kontaktkörper 2 bestehenden Gasdruck anzufördern. Die För
derleistung der Pumpe wird hierbei noch durch die Saugwirkung
der Kapillaren des Kontaktkörpers unterstützt, wobei wiederum
die Blasenbildung der niedrig siedenden Fraktion aufgrund
der scharfkantigen Porenstruktur im Kontaktkörper sehr
schnell erfolgt und damit der höher siedende Anteil aus dem
Kontaktkörper unter Blasenbildung herausgepreßt wird, so
daß wiederum der entstehende Nebel auf der Nebelaustritts
fläche 5 abgenommen werden kann.
In Fig. 5 ist ein gegenüber dem vorstehend beschriebenen
Verfahren abgewandeltes Verfahren dargestellt. Während bei
den vorstehend beschriebenen Verfahren die zu vernebelnde
Flüssigkeit in einer solchen Menge zugeführt wird, daß das
Porenvolumen des Kontaktkörpers 2, abgesehen von den sich
bildenden Dampfblasen, vollständig gefüllt ist und die
Vernebelung durch die platzenden Blasen an der Nebelaus
trittsfläche erfolgt, wird bei dem Verfahren gem. Fig. 5
über ein Gebläse 4 ein Gas, beispielsweise Luft, unter Druck
in einen Druckraum 1 eingeführt, dessen Austrittsöffnung
wiederum durch einen Kontaktkörper 2, vorzugsweise aus einem
Sintermaterial verschlossen ist. Das Druckgas kann hierbei
zusätzlich noch aufgeheizt sein, wie dies durch den Wärme
tauscher 12 angedeutet ist.
Die zu vernebelnde Flüssigkeit wird nun über eine Förder
pumpe 3 so auf den Kontaktkörper 2 aufgegeben, daß die innere
Porenoberfläche des Kontaktkörpers 2 nur benetzt wird. Dieser
Flüssigkeitsfilm wird nun von dem durch die Kapillaren des
Kontaktkörpers 2 strömenden Treibgas mitgerissen, wobei sich
bei der Verwendung von Sintermaterial jeweils an den
scharfkantigen Vorsprüngen und Umlenkungen der Kapillaren
im Kontaktkörper 2 kleine Tropfen ablösen, die in ihrer Größe
jedoch nie größer werden können, als die Kapillaren selbst,
die dann an der Nebelaustrittsfläche 5 ausgeblasen werden.
Größere Tropfen bilden wieder im Bereich der Porenöffnungen
an der Nebelaustrittsfläche 5 Blasen, so daß auch bei einem
Zusammenlaufen des Flüssigkeitsfilms eine einwandfreie
Vernebelung gegeben ist. Wird das Druckgas aufgeheizt durch
den Kontaktkörper 2 geführt, so tritt zu der rein mechani
schen Zerteilung des Flüssigkeitsfilms noch eine Teil-
Verdampfung, so daß auf der Nebelaustrittsseite je nach
Temperaturlage statt eines rein mechanisch erzeugten Nebels
ein Nebel mit überproportionalem Dampfanteil austritt.
Bei allen vorstehend dargestellten schematischen Ausführungs
beispielen ist der Kontaktkörper rein schematisch unverhält
nismäßig großvolumig dargestellt. In einer praktischen Aus
führungsform (Fig. 7) kann jedoch dieser Kontaktkörper auch
durch eine Trägerplatte 22 gebildet werden, die mit einer
Vielzahl von axialen Bohrungen 23 versehen ist und auf die
lediglich auf der Austrittsseite eine entsprechend dimensio
nierte Platte 24 aus einem Sintermaterial aufgesetzt ist.
So ist es insbesondere für beheizte Kontaktkörper möglich,
diese Trägerplatte aus einem Material mit guter Wärmeleitfä
higkeit herzustellen, so daß die für die Vernebelung beson
ders vorteilhafte Porengeometrie nur durch eine verhältnis
mäßig dünne Sinterplatte, die am Ende des mit Bohrungen ver
sehenen Trägerkörpers angeordnet ist, bewirkt wird. Damit
besitzen dann die Bohrungen am Ende der Trägerplatte eine
regellose Öffnungsgeometrie, d. h. eine Vielzahl von Durch
trittsöffnungen deren Austrittswinkel von der Achse der Boh
rungen im Trägerkörper abweichen. Auch in der Kontur der
Öffnungen ergeben sich dann entsprechend regellose Abweichun
gen und es sind die für die Blasenbildung im Kontaktkörper
und auf der Nebelaustrittsfläche erwünschten scharfen Kanten
ebenfalls vorhanden. Da eine derartige Sinterplatte eine
genügende Eigenfestigkeit aufweist, ist es nicht erforderlich,
die Sinterplatte fest mit dem Trägerkörper zu verbinden,
so daß Relativverschiebungen zwischen Sinterplatte und Träger
körper aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten
der verwendeten Materialien ohne Einfluß bleiben.
Anhand von Fig. 6 wird ein Ausführungsbeispiel einer Vorrich
tung in Form eines Heizölbrenners dargestellt. Die Vorrich
tung besteht im wesentlichen aus einer Mischkammer 13, in
die eine Zuleitung 14 für die Einführung von Trägerluft.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Mischkam
mer 13 zylindrisch ausgebildet. In den Innenraum der Misch
kammer 13 ragt axial eine stabförmig ausgebildete Heizpatrone
15 hinein, auf die als Träger- und Wärmeübertragsungskörper
eine Zwischenhülse 16 aus Messing aufgeschoben ist. Auf die
Zwischenhülse 16 ist ein rohrförmiger Kontaktkörper 2 aus
einem offenporigen Sintermaterial aufgeschoben.
Im oberen Bereich der Mischkammer 13 mündet eine Heizölzu
leitung 17 ein, deren Mündung bis an den Kontaktkörper 2
herangeführt ist, so daß unter Ausnutzung der Kapillarwirkung
das über eine nicht näher dargestellte Pumpe zugeführte
Heizöl vom Kontaktkörper 2 aufgenommen wird. Im oberen Bereich
der Mischkammer 13 ist ein Auslaßkanal 18 vorgesehen, durch
den mit Hilfe der über die Zuleitung 14 zugeführten Träger
luft der von der äußeren Oberfläche des Kontaktkörpers 2
abgenommene Heizölnebel aus der Mischkammer abgezogen wird.
Der Vorgang der Heizölvernebelung erfolgt nach dem anhand
von Fig. 4 beschriebenen Verfahren, so daß hinsichtlich der
Funktionsweise der vorstehend beschriebenen Vorrichtung
hierauf verwiesen werden kann.
Der Abzugskanal 18 steht mit einem Brennerkopf 19 in Verbin
dung, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch
einen als Flammenhalter 20 dienenden Formkörper aus einem
offenporigen Sinterwerkstoff gebildet wird. Der über den
Abzugskanal 18 aus der Mischkammer 13 abgezogene Heizölnebel,
dessen Trägerluftmenge noch unterstöchometrisch vorgegeben
ist, wird nun nach Zumischung von Zweitluft über einen Zulei
tungskanal 21 im Abzugskanal 18 auf der Innenseite des Flam
menhalters mit dem durch Trägerluft und Sekundärluft vorgege
benen Druck aufgegeben, so daß das nunmehr stöchometrisch
oder überstöchometrisch eingestellte Heizölnebel-Luft-Gemisch
durch die Porenkanäle des Formkörpers hindurchtritt. Nach
dem Zünden des Gemisches heizt sich nach ganz kurzer Brenn
zeit der Flammenhalter 20 seinerseits auf, so daß der Ver
brennungsvorgang, d. h. hier also die Oxidationsreaktion
zwischen dem Heizölnebel und dem Sauerstoff der Luft bereits
innerhalb des Flammenhalters 20 einsetzt, so daß sich auf
der Außenseite des Flammenhalters praktisch eine flammenlose
Verbrennung ergibt. Die Heizwirkung erfolgt hierbei wie üb
lich in erster Linie über den Wärmeaustausch der aufzuheizen
den Fläche mit den abströmenden heißen Verbrennungsgasen.
Der Flammenhalter selbst gibt Wärme durch Strahlung an die
umschließenden Brennraumwände ab. Dies bietet dementsprechend
die Möglichkeit, über die Formgebung von Flammenhalter und
Brennraum auch die vorhandene Strahlungswärme noch optimal
abzunehmen. Ein derartiger Brennerkopf in Verbindung mit
der Gemischaufbereitung bietet somit auch für die Verbrennung
von Heizöl alle möglichen Feuerungen, wie sie bisher nur
bei der Verbrennung von Gas mit sogenannten Vormischflammen
möglich war.
Bei der thermischen Vernebelung von Heizöl darf die maximale
Temperatur 250°C nicht überschreiten, da bei höheren Tempe
raturen die Gefahr der Ablagerung von Siederesten des Ver
dampfungsprozesses besteht. Der Kontaktkörper 2 weist bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen mittleren Poren
durchmesser von 40 µm auf. Der ebenfalls aus einem Sinter
material hergestellte Flammenhalter des Ausführungsbeispiels
ist dagegen so ausgelegt, daß er einen mittleren Porendurch
messer von 100 µm besitzt. Bei einer Porosität von etwa 50%
Hohlraumanteil des gesamten Flammenhaltervolumens ergibt
sich für den Brennerkopf lediglich ein Druckabfall von etwa
20 mm Wassersäule. Bei Drücken in dieser Größenordnung kann
die Verbrennungsluftförderung mit üblichen Brennergebläsen
erfolgen.
Im orientierenden Versuch zur Ideenprüfung ergab sich mit
einer Vorrichtung gem. Fig. 6, daß für die Vernebelung von
0,1 kg/h Heizöl nur eine elektrische Brutto-Leistung von
19 Watt notwendig war. Zur vollständigen Verdampfung dieser
Ölmenge wären dagegen netto 34 Watt erforderlich.
Die Verbrennung erfolgte geräuschlos und gleichmäßig über
die gesamte Flammenhalterfläche. Die Flamme brennt beim Start
selbst bei einer Luftzahl n=0,8 blau, vergleichbar einer
Gasflamme. Die maximale thermische Flächenbelastung des
Flammenhalters lag bei etwa 78 W/cm2, wobei der Flammenhalter
glühte (ca. 700 bis 750°C).
Bei der in Fig. 8 dargestellten Ausführungsform wird eine
Sprüh-Vernebelung mit der vorbeschriebenen Verdampfungs-
Vernebelung kombiniert. Hier ist eine Mischkammer 25 vorge
sehen, die beispielsweise einen Kreisquerschnitt aufweist.
In die Mischkammer 25 mündet eine Zerstäuberdüse 26 für die
Flüssigkeit, beispielsweise Heizöl, ein, die über eine Rohr
leitung 27 mit einer Förderpumpe 28 in Verbindung steht.
Gleichachsig zur Zerstäuberdüse 26 münden in die Mischkammer
25 zwei Zuleitungen 29 für die Einleitung eines Trägergases,
beispielsweise Luft, ein, das in der Mischkammer in Gleich
strom zum Sprühstrahl 30 geführt wird.
Das über den Sprühstrahl 30 in den Trägergas-Teilstrom ein
gebrachte Tropfenkollektiv wird nun umgelenkt. Dies kann,
wie in Fig. 8 schematisch angedeutet dadurch erfolgen, daß
das Trägergas-Tropfen-Gemisch in einen Trägergas-Hauptstrom
31 unter einem Winkel aufgegeben wird oder aber dadurch,
daß die gleichachsig zum Sprühstrahl 30 eingeführte gesamte
Trägergasmenge durch eine entsprechende Abwinkelung des
Strömungskanals umgelenkt wird. Dies ist in Fig. 8 durch
die gestrichelt dargestellte Verlängerung 33 der Seitenwand
32 der Mischkammer 25 angedeutet. Der Umlenkbereich bildet
die Umlenkkammer 46 mit Auslaß 45.
Die der Zerstäuberdüse 26 unmittelbar gegenüberliegende
Wandung 34 bildet hierbei eine Umlenkfläche. Infolge der
durch die Umlenkung auf die größeren Tropfen einwirkenden
Zentrifugalkräfte, unterstützt durch die in etwa in gleicher
Richtung verlaufenden Massenkräfte, werden die großen Tropfen
auf die Umlenkfläche 34 ausgeschleudert (Pfeil 35), so daß
nur die feinsten Tropfenanteile im Umlenkungsbereich von
der Trägergasströmung als Nebel mitgenommen werden.
Die auf die Umlenkfläche 34 auftreffenden großen Tropfen
fließen zu einer Rücklaufflüssigkeit zusammen und können
als Rücklaufflüssigkeit über einen Abzug 37 aus der Vorrich
tung abgezogen werden. Ein druckabhängig steuerbares Auslaß
ventil, das über eine in der Zulaufleitung 27 liegende Druck
steuereinrichtung 39 angesteuert wird, ist sichergestellt,
daß der für die Rücklaufflüssigkeit zur Verfügung stehende
Ablaufquerschnitt immer proportional zur aufgegebenen Flüs
sigkeitsmenge steht.
Wird die Flüssigkeit in einen aufgeheizten Trägergasstrom
zerstäubt, so wird zweckmäßigerweise die in der Rücklauf
flüssigkeit enthaltene Wärmeenergie über einen Wärmetauscher
40 zurückgewonnen, der mit der Zulaufleitung 27 verbunden
ist.
Zur Verbesserung der Venebelungsleistung ist bei dem darge
stellten Ausführungsbeispiel der die Umlenkfläche 34 bildende
Wandteil 41 beispielsweise elektrisch beheizbar ausgebildet,
was durch die Heizstäbe 42 schematisch angedeutet ist. Die
auf der Umlenkfläche zu einem Flüssigkeitsfilm zusammenlau
fenden Flüssigkeitstropfen werden nun bei Aufheizung des
Wandteils 41 auf die Siedetemperatur der Flüssigkeit zumin
dest zum Teil verdampft, so daß der sich bildende Dampf
(Pfeil 43) vom Trägergasstrom mitgenommen wird. Der Aufwand
an Wärmeenergie ist verhältnismäßig gering, da nur eine dünne
Flüssigkeitsschicht zu verdampfen ist. Wichtig ist hierbei,
daß die als beheizbare Kontaktfläche dienende Umlenkfläche
34 in ausreichender Länge über den Aufprallbereich 44 der
großen Tropfen hinausreicht, so daß eine ungestörte Dampf
bildung erreicht wird.
Der die Kontaktfläche bildende Wandteil 41 kann zur Verbes
serung der Verdampfungsleistung auch als offenporiger Kon
taktkörper ausgebildet sein, so daß durch die Kapillarwirkung
die auftreffenden Tropfen aufgesogen werden, innerhalb des
Kontaktkörpers wieder eine sehr schnelle Verdampfung statt
findet, wobei der sich bildende Dampf einen Teil der Flüssig
keit unverdampft an die Oberfläche wieder heraustreibt und
hierbei Blasen bildet. Die Blasen zerplatzen, wobei ein Teil
der Blasenhaut in Form feinster Tropfen vom Trägergasstrom
zusammen mit dem Dampfanteil mitgerissen wird. Dies ist ins
besondere dann vorteilhaft, wenn, wie beim Einsatz von Heiz
öl, die zu vernebelnde Flüssigkeit aus einem Gemisch von
Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Siedepunkten gebildet
wird. Der niedrigsiedende Flüssigkeitsanteil verdampft und
treibt hierbei den höhersiedenden Flüssigkeitsanteil in Form
feinster Tröpfchen, die aus zerplatzenden Blasen entstehen,
in den Trägergasstrom aus.
Fig. 9 zeigt eine andere Ausführungsform, wie sie insbeson
dere als Heizölbrenner eingesetzt werden kann. Bei dieser
Auführungsform wird das Heizöl über eine Zulaufleitung 27
unter Druck einer Zerstäuberdüse 26 aufgegeben, deren
Sprühstrahl 30 axial in eine rohrförmige Mischkammer 25
eingeleitet wird. Koaxial zur Düse 26 wird Verbrennungsluft
über den Einlaß 29 in die Mischkammer 25 eingeführt. Die
Mischkammer 25 wird durch ein Rohr 47 aus einem gut wärme
leitenden Material gebildet, dessen Wandung an seinem der
Zerstäuberdüse 26 zugekehrten Ende mit eine Heizeinrichtung
42 versehen ist. Mit Abstand zur Mündung der Zerstäuberdüse
26 ist im Rohrinnern eine Umlenkplatte 48 angeordnet, durch
die der mit Heizöltröpfchen beladene Trägergasstrom eine
Umlenkung gegen die Innenwandung des Rohres 47 erfährt, so
daß größere Tropfen gegen die Wandung ausgeschleudert werden,
bzw. auf die Umlenkfläche 48 auftreffende Tropfen zu größeren
Tropfen zusammenlaufen und bei vorzugsweise horizontaler Anord
nung der Vorrichtung auf der Sohle des Rohres 47 sammeln.
Bei Aufnahme des Betriebes wird zunächst über die Heizein
richtung 42 die Wandung im vorderen Teil der Mischkammer
25 aufgeheizt, so daß der auf die Wandung auftreffende Teil
der Flüssigkeitstropfen verdampft wird und von der Verbren
nungsluft zusammen mit den feinsten Tropfen als Öl-Dampf-
Luft-Gemisch über das Rohr 47 geführt wird. Die Mündung 49
des Rohres 47 ist hierbei in nicht näher dargestellter Weise
mit einem Flammenhalter versehen, so daß das Rohrende zu
gleich den Brenner bildet. Schon nach kurzer Betriebszeit
heizt sich das Rohr 47 auf, so daß über die Wärmeleitung
des Rohrmaterials auch der den Heizöleintrittsbereich der
Mischkammer 25 umschließende Teil der Rohrwandung hoch auf
geheizt wird und dementsprechend die Heizeinrichtung 42 ab
geschaltet werden kann. Aufgrund der Aufheizung des Rohres
verdampfen zugleich auch noch etwa vom Strom der Verbren
nungsluft mitgerissene größere, an der Umlenkfläche 48 abge
schiedene Tropfen, so daß aus der Mündung 49 der Heizölanteil
praktisch nur noch als Dampf vom Strom mitgeführt wird, so
daß der Brenner praktisch wie ein Gasbrenner betrieben werden
kann. Auch bei dieser Ausführungsform ist der mit der Heiz
einrichtung versehene vordere Wandungsteil der Mischkammer
25 als offenporiger Kontaktkörper ausgebildet, so daß die
vorbeschriebene Flüssigkeitsvernebelung durch Verdampfung
und Blasenbildung stattfindet. Nach dem Abschalten der
Heizeinrichtung 42 heizt das Rohr 47 den als offenporigen
Kontaktkörper ausgebildeten Wandteil durch Wärmeleitung so
weit auf, daß die beschriebene Verdampfung von niedrigsieden
den Anteilen der Flüssigkeit erfolgt.
Die anhand von Fig. 6 als Heizölbrenner verwendbare Vorrich
tung kann auch noch dahingehend ergänzt werden, daß der als
Brennerkopf 19 ausgebildete offenporige Formkörper aus
Sintermetall wenigstens teilweise Materialien aufweist, die
auf das zu verbrennende Heizöl katalytisch wirken. Diese
Materialien können in der Pulverzusammensetzung des Aus
gangsmaterials enthalten sein und/oder durch Aufdampfen
aufgebracht werden. Zu diesen katalytisch wirkenden Materia
lien gehört beispielsweise Nickel. Derartige katalytisch
wirkende Stoffe sind grundsätzlich bekannt, bisher jedoch
in dieser Verwendungsform nicht eingesetzt worden. Die
Wirkung beruht darauf, daß die Verbrennungs- bzw. Reaktions
temperatur zwischen dem Luftsauerstoff und dem Heizöl abge
senkt wird. Dies hat zwar den Nachteil, daß das für Heiz
zwecke zur Verfügung stehende Temperaturgefälle geringer
ist als bei einer normalen Verbrennung. Der Vorteil besteht
aber darin, daß gerade in Heizölen organisch gebundene
Stickstoffanteile enthalten sind, die sich schon bei den
normalen Brenntemperaturen einer Heizölflamme mit dem
Luftsauerstoff der Verbrennungsluft zur Stickoxiden verbinden
können. Durch die katalytisch bewirkte Absenkung der Brenn
temperatur wird die Stickoxidbildung aus den organisch ge
bundenen Stickstoffanteilen im Heizöl reduziert, so daß dem
Nachteil des zur Verfügung stehenden geringeren Temperatur
niveaus der Vorteil einer günstigeren Abgaszusammensetzung
gegenübersteht.
Claims (31)
1. Verfahren zum Vernebeln einer Flüssigkeit, dadurch
gekennzeichnet,
daß die Flüssigkeit auf einen offenporigen Kontaktkörper
aufgegeben, mittels eines Gases unter Druck durch die Poren
kanäle getrieben und der erzeugte Nebel von der Oberfläche
des Kontaktkörpers abgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Flüssigkeit vorzugsweise im Bereich des Kontaktkörpers
auf ihre Siedetemperatur aufgeheizt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Aufheizung der Flüssigkeit über den Kontaktkörper
selbst erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit unter Druck auf den
Kontaktkörper aufgegeben wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit als Flüssigkeitsgemisch
aus wenigstens zwei Flüssigkeitsfraktionen mit unterschied
lichen Siedepunkten auf den Kontaktkörper aufgegeben wird
und daß das Druckgas durch Erhitzen der Flüssigkeit auf
wenigstens die Siedetemperatur der niedrigst siedenden
Flüssigkeitsfraktion erzeugt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit zusammen mit einem
zusätzlichen Druckgas auf den Kontaktkörper aufgegeben wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Flüssigkeit auf den vom zusätzlichen Druckgas durch
strömten Kontaktkörper in einer solchen Menge dosiert
aufgegeben wird, daß die Porenoberfläche im Kontaktkörper
im wesentlichen nur benetzt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,
daß das zusätzliche Druckgas vor der Einleitung in den
Kontaktkörper aufgeheizt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die zu vernebelnde Flüssigkeit in einem
Trägergasstrom als Tropfenkollektiv zerstäubt wird, daß aus
dem Tropfenkollektiv durch Umlenkung des Trägergasstromes
die eine vorgegebene maximale Tropfengröße überschreitenden
Tropfen auf einen beheizten Kontaktkörper aufgebracht und
in den Trägergasstrom verdampft werden.
10. Vorrichtung zum Vernebeln einer Flüssigkeit mit einer
Zufuhrleitung für die zu vernebelnde Flüssigkeitsmenge, die
mit einem Vernebelungskörper verbunden ist, insbesondere
zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche
1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Vernebelungskörper
als offenporiger Kontaktkörper ausgebildet ist, der mit der
Zufuhr (3; 17) für die Flüssigkeit und mit Mitteln zur
Erzeugung eines Druckgases (4; 8) in Verbindung steht.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die austrittsseitige Porenoberfläche des Kontaktkörpers
(Nebelaustrittsfläche 5) wenigstens zum Teil mit scharfkan
tigen Vorsprüngen versehen ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn
zeichnet, daß zumindest im Bereich der Nebelaustrittsfläche
(4) des Kontaktkörpers (2) die Porenöffnungen eine regellose
Öffnungsgeometrie aufweisen.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kontaktkörper (2) eine Porosität
aufweist, die einem Hohlraumvolumen zwischen etwa 30 bis
80%, vorzugsweise 40 bis 60% des Kontaktkörpervolumens ent
spricht.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß das Hohlraumvolumen etwa 45 bis 55% des Kontaktkörper
volumens entspricht.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, daß der mittlere Porendurchmesser im Kontakt
körper zwischen etwa 20 bis 150 µm, vorzugsweise zwischen
40 und 100 µm liegt.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kontaktkörper (2) aus einem offen
porig gesinterten Formkörper besteht.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kontaktkörper (2) mit einer Heizein
richtung (8) verbunden ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch
gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (8) auf einer der
Nebelaustrittsfläche (5) abgekehrten Fläche des Kontaktkör
pers (2) angeordnet ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kontaktkörper (2) von einer Misch
kammer (13) umschlossen ist, die eine Eintrittsöffnung (14)
für ein Trägergas und eine Austrittsöffnung (18) für die
Abfuhr des mit dem erzeugten Nebel vermischten Trägergases
aufweist.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch
gekennzeichnet, daß die Zufuhrleitung (17) für die Flüssig
keit im oberen Bereich an dem Kontaktkörper (2) ausmündet
und daß im unteren Bereich des Kontaktkörpers (2) ein mit
einer Abzugsleitung versehener Flüssigkeitsüberschußsammler
(6) vorgesehen ist.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 20, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kontaktkörper (2) als Kanalkörper
ausgebildet ist, der mit seinem mit der Flüssigkeitszufuhr
in Verbindung stehenden Ende die Austrittsöffnung einer
Druckkammer (1) bildet.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 21, dadurch
gekennzeichnet, daß in die Druckkammer (1) eine Zuleitung
für ein Druckgas einmündet.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 22, insbeson
dere zur Vernebelung von Heizöl zu Verbrennungszwecken, da
durch gekennzeichnet, daß eine Mischkammer (25) mit einer
Zerstäuberdüse (26) für die zu vernebelnde Flüssigkeit und
mit einem Einlaß (29) für wenigstens einen Teil des Träger
gases vorgesehen ist, daß mit Abstand zur Düsenmündung ein
mit der Heizeinrichtung (42) verbundener Kontaktkörper (41)
zugeordnet ist und daß eine Umlenkung (24) und nachfolgend
ein Auslaß (45) für den mit dem Flüssigkeitsnebel beladenen
Trägergasstrom vorgesehen ist.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 23, insbeson
dere zur Vernebelung von Heizöl zu Verbrennungszwecken, da
durch gekennzeichnet, daß der Kontaktkörper (2) vorzugsweise
rohrförmig ausgebildet und vorzugsweise vertikal ausgerichtet
in der Mischkammer (13) angeordnet und mit einer Heizein
richtung (15) verbunden ist und die Flüssigkeitsaufgabe im
Bereich eines Endes des Kontaktkörpers (2) angeordnet ist.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 24, dadurch
gekennzeichnet, daß die als Zerstäuberdüse (26) Flüssigkeits
aufgabe mit ihrer Mündung koaxial und mit Abstand an einem
Ende des rohrförmigen Kontaktkörpers (41) angeordnet ist.
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 25, dadurch
gekennzeichnet, daß an dem der Flüssigkeitsaufgabe abgekehr
ten Ende des rohrförmigen Kontaktkörpers (41) die Umlenkung
(48) für den mit dem Flüssigkeitsnebel beladenen Trägergas
strom angeordnet ist.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 26, dadurch
gekennzeichnet, daß in der Mischkammer (25) auf der der Düse
(26) gegenüberliegenden Wandung ein mit einer Heizeinrichtung
(42) versehener Kontaktkörper (41) angeordnet ist.
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 27, zur Ver
wendung als Heizölbrenner, dadurch gekennzeichnet, daß der
Auslaß (45) für den erzeugten Heizölnebel und/oder eines
Nebel/Luftgemisches mit einer Abzugsleitung (14) in Verbin
dung steht und daß das im Brennraum befindliche Ende der
Abzugsleitung (18) als Brennerkopf (19) ausgebildet ist.
29. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet,
daß der Brennerkopf als Flammenhalter (20) ausgebildet ist
und aus einem Formkörper aus einem offenporigen Sintermate
rial besteht.
30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 29, dadurch
gekennzeichnet, daß in die Abzugsleitung (18) eine Zuleitung
(21) für die regelbare Zufuhr von Verbrennungsluft eimmündet.
31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch
gekennzeichnet, daß der als Brennerkopf (19) ausgebildete
Formkörper aus Sintermetall wenigstens teilweise auf das
zu verbrennende Heizöl katalytisch wirkende Materialien
aufweist.
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