DE4322313A1

DE4322313A1 - Schwingstößeldüse

Info

Publication number: DE4322313A1
Application number: DE19934322313
Authority: DE
Inventors: Paul-Gerhard Dipl Ing Kanis
Original assignee: KANIS PAUL GERHARD DIPL ING
Current assignee: KANIS PAUL GERHARD DIPL ING
Priority date: 1993-07-05
Filing date: 1993-07-05
Publication date: 1995-01-12

Description

Einleitung

Ölbrenner werden in sehr großen Stückzahlen zur Wärmeerzeugung insbesondere in Heizungsanlagen eingesetzt. Kern des Brenners ist die Düse, welche den flüssigen Brennstoff so fein zerstäubt, daß er schnell verdampft und vollständig verbrennt.

Stand der Technik und Kritik

Bei einfachen, einstufigen Ölbrennern werden heute meist die recht preisgünstigen Simplexdüsen eingesetzt. Simplexdüsen haben vor der Austrittsöffnung eine Wirbelkammer. Der flüssige Brennstoff wird mit hohem Druck durch feine Tangentialschlitze in diese Wirbelkammer gepreßt. In den Tangentialschlitzen wird die Druckenergie des Brennstoffes in kinetische Energie umgewandelt. Der Brennstoff hat also in der Wirbelkammer eine sehr hohe Geschwindigkeit. Der rotierende Brennstoff-Film wird kurz nach dem Verlassen der Austrittsöffnung durch die Zentrifugalkraft in feine Tropfen zerstäubt. Der Massenstrom m. durch eine Simplexdüse wird bestimmt durch die Querschnittsfläche der Tangentialschlitze AS, die Querschnittsfläche der Austrittsbohrung AB und den eingestellten Pumpendruck pPp. Der Massenstrom m. und damit die Leistung des Brenners Q. ist proportional zur Wurzel des Pumpendruckes pPp. Verdoppelt sich beispielsweise der Pumpendruck pPp, so steigt der Massenstrom m. nur auf den 1,41-fachen Wert. Der mögliche Pumpendruck pPp liegt zwischen 7 und 20 bar. Der für eine brauchbare Zerstäubung notwendige Pumpendruck pPp liegt jedoch im Bereich zwischen 8 und 12 bar. Das Regelverhältnis VR ist das Verhältnis von kleinstem zum größten Massenstrom m. und somit von kleinster zu größter Leistung. Das Regelverhältnis von Simplexdüsen liegt bei VR = 0,8.

Nachteile der Simplexdüsen sind der für eine brauchbare Zerstäubung notwendige relativ hohe Druck, die große Druckänderung, welche notwendig ist, um den Durchsatz zu verändern, das große Regelverhältnis VR und die für moderne energiesparende Häuser zu große Minimalleistung. Nachteilig ist zudem, daß sich mit der Druckänderung auch der Sprühwinkel, die Tropfengröße und -verteilung verändern, also die wichtigsten Grundparameter einer Verbrennung. Insbesondere in Düsen für kleine Brennerleistungen verkoken die sehr kleinen Querschnitte in der Düse sehr schnell und machen dann eine saubere und vollständige Verbrennung unmöglich.

Mehr als die Hälfte aller von Heizungsanlagen emittierten Schadstoffe entstehen beim Starten und Abstellen des Brenners. Einstufige Brenner, welche notgedrungen für die maximal erforderliche Leistung ausgelegt sein müssen, also für den kältesten Wintertag und den größtmöglichen Wärmebedarf, laufen den größten Teil des Jahres im Ein-Aus-Betrieb. Je größer die minimal mögliche Brennerleistung ist, desto häufiger muß ein Brenner starten. Häufig startet ein Brenner 10 Mal pro Stunde und mehr. Will man die Umweltbelastung durch Heizungsanlagen spürbar vermindern, so muß vor allein die Anzahl der Brennerstarts reduziert werden. Um dies zu erreichen, muß der Brenner ein möglichst kleines Regelverhältnis und eine möglichst kleine Minimalleistung haben.

Neben den Simplexdüsen gibt es insbesondere für größere Brennerleistungen die erheblich teureren Rücklaufdüsen. Sie arbeiten mit einem Vorlauf und einem Rücklauf und ermöglichen ein Regelverhältnis von VR = 0,1. Der aus dein Vorlauf kommende Brennstoff wird ebenfalls in einer Wirbelkammer in Rotation versetzt und durch die Düsenbohrung zerstäubt. Gegenüber der Düsenbohrung befindet sich jedoch im Gegensatz zu den Simplexdüsen eine Rücklaufbohrung, über welche ein Teil des geförderten Brennstoffs zurückgeführt wird. Der Druck in der Rücklaufleitung pR bestimmt den Durchsatz m. Je höher der Rücklaufdruck pR ist, desto größer ist der Durchsatz m. durch die Düsenbohrung. Um den Rücklaufdruck pR einstellen zu können, befindet sich in der Rücklaufleitung eine verstellbare Drossel. Nachteil der Rücklaufdüsen ist, daß sich auch hier der Sprühwinkel, die Tropfengröße und -verteilung mit dem Durchsatz m. ändern. Nachteilig sind zudem der höhere konstruktive
Aufwand für den Rücklauf mit der Verstelldrossel und der Leistungsbedarf der Pumpe für den nicht zerstäubten zurückgeleiteten Brennstoff.

Aufgabe der Erfindung

Es war Aufgabe der Erfindung eine Düse zu schaffen, welche eine sehr gute Zerstäubung des Brennstoffs insbesondere auch bei kleinem Massenstrom m. garantiert, welche einen niedrigen Pumpendruck pPp benötigt, welche bei einer relativ geringen Veränderung des Pumpendruckes den Brennstoff-Massenstrom m. spürbar verändert, welche ein extrem kleines Regelverhältnis VR ermöglicht, welche dabei den Sprühwinkel, die Tropfengröße- und -verteilung weitgehend konstant hält, welche im Betrieb nicht verschmutzt und welche dadurch einen preiswerten und umweltfreundlichen Brenner ermöglicht.

Erfindungsgemäße Lösung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Brennstoffdüse mit einer einfachen Vorlaufleitung, in deren Austrittsöffnung sich ein axial beweglicher, federnd und schwingfähig gelagerter Stößel mit einem kegelförmigen Kopf befindet, welcher mit zunehmendem Druck gegen die Kraft einer Feder bewegt wird und dadurch die Austrittsquerschnittsfläche vergrößert. Durch die hochfrequenten Axialschwingungen des Stößels wird eine diskontinuierliche Ausströmung erreicht, welche auch bei niedrigen Drücken zu einer besonders feinen Zerstäubung führt. Die hochfrequente Schwingung des Stößels sorgt auch für eine kontinuierliche Reinigung des verkokungsgefährdeten Teils der Düse.

Vorteile der Erfindung

Mit Hilfe dieser Erfindung werden konstruktiv einfache und damit erschwingliche Ölbrenner mit extrem niedriger Kleinstleistung und großem Regelverhältnis möglich. Dadurch reduziert sich die Anzahl der Brennerstarts und die damit verbundene Schadstoffemission drastisch. Zudem ermöglicht eine Düse nach der Lehre dieser Erfindung eine hohe Güte und Konstanz der Zerstäubungsparameter und damit niedrigste Schadstoffemissionen im Betrieb.

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels

Ein Ausführungsbeispiel, welches im Fig. 1 dargestellt ist, wird im folgenden beschrieben. Die Düse besteht aus dem Düsenkörper (1), welcher mit Hilfe des Gewindes (4) in eine Düsenstange eingeschraubt werden kann, dem Stößel (2), dem Federstab (3) und dem Filter (5). Der Brennstoff wird von einer Pumpe durch eine Düsenstange zur Düse gefördert und strömt durch den Filter (5), welcher den Brennstoff von Schmutzpartikeln reinigt, in das Innere der Düse. Der Düsenkörper (1) hat eine kegelige Düsenbohrung, in welcher sich ein axial gelagerter Stößel (2) befindet, welcher einen kegelförmigen Kopf (6) hat. Der Kegelöffnungswinkel bestimmt den Zerstäubungswinkel des Brennstoffs. Der Stößel und mit ihm der kegelförmige Kopf (6) wird von einem in diesem Beispiel zylindrischen Federstab (3) gegen die kegelförmige Öffnung des Düsenkörpers (1) gedrückt und verschließt sie, wenn die Düse drucklos ist. Steigt der Pumpendruck pPp, so bewirkt er eine Axialkraft auf den Stößel (2), welcher dadurch gegen die Kraft des Federstabes (3) axial bewegt wird und einen Spalt zwischen Stößelkegel und Bohrungskegel freigibt. Durch diesen strömt der Brennstoff und wird an der vorderen Kante des Kegels (6) zerstäubt. Je höher der Pumpendruck pPp wird, desto größer wird der Spalt und desto mehr Brennstoff wird zerstäubt. Da mit steigendem Druck auch die Ausströmgeschwindigkeit steigt, steigt der Durchsatz überproportional. Zur Veränderung des Durchsatzes sind also nicht mehr enorm große Druckänderungen erforderlich. Dadurch bleiben in einem großen Regelbereich die wesentlichen Zerstäubungsparameter, Sprühwinkel, Tropfengröße und -verteilung und Ausströmgeschwindigkeit nahezu konstant. Durch den vorbeiströmenden Brennstoff wird der federnd gelagerte Stößel in hochfrequente Axialschwingungen versetzt, welche die Zerstäubung unterstützen und Tropfen minimaler Größe ermöglichen. Am vorderen Rand der kegelförmigen Austrittsöffnung des Düsenkörpers (1) befindet sich ein scharfkantiger Absatz (8), welcher eine glatte Abströmung garantiert. Ein ebensolcher Absatz (7) befindet sich an der Vorderseite des Stößelkegels (6). Die zylindrische Stabfeder hat an beiden Enden einen Konus, dieser sorgt dafür, daß bei der Montage der Stößel die notwendige Vorspannung erhält.

Claims

1. Düse zur Zerstäubung von flüssigen Brennstoffen mit einer kegeligen Düsenöffnung, in welcher sich ein axial beweglich gelagerter Stößel (2) mit einem kegeligen Stößelkopf (6) befindet, dadurch gekennzeichnet, daß der Stößelkopf (6) durch eine Feder (3) schwingfähig gegen die Düsenöffnung gepreßt wird.

2. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder ein Federstab ist.

3. Düse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Federstab (3) zylindrisch ist.

4. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Stiel des Stößels (2) eine Bohrung ist, durch welche ein Federstab (3) geführt ist.

5. Düse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Federstab (3) an einer oder an beiden Enden konisch ist.

6. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stößel einen kegeligen Kopf hat, dessen Öffnungswinkel um bis zu 5° größer ist als der Öffnungswinkel des Düsenkörpers.

7. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenkörper (1) um die Austrittsöffnung einen scharfkantigen Rand (8) hat.

8. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kegelförmige Stößelkopf (6) an seiner Vorderkante einen scharfkantigen Rand (7) hat.