DE60106815T2

DE60106815T2 - Ölzerstäuber

Info

Publication number: DE60106815T2
Application number: DE60106815T
Authority: DE
Inventors: I-Ping Chung; Christoph Strupp
Original assignee: John Zink Co LLC; John Zink Co
Current assignee: John Zink Co LLC; Zinklahoma Inc
Priority date: 2000-01-25
Filing date: 2001-01-09
Publication date: 2005-03-31
Anticipated expiration: 2021-01-10
Also published as: KR20020001795A; US20020125337A1; AU2775001A; BR0104176B1; DE60106815D1; CA2365615C; WO2001055640A1; ES2231433T3; JP3641241B2; BR0104176A; EP1169602A1; CA2365615A1; US6478239B2; US6691928B2; TW523426B; EP1169602B1; MXPA01009667A; ATE281632T1; CN1358264A; JP2003525416A

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft das Gebiet ölbefeuerter Brenner und insbesondere Zerstäuberdüsen zum Zerstäuben von Heizöl mittels eines Zerstäuberfluids. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Zerstäuberdüse mit einem neuartigen Aufbau, zu dem ein Zerstäuberkopf gehört, der wirtschaftlich herstellbar ist, und in dem Öl und Fluid wirksam und effizient miteinander in Kontakt gebracht werden.
Stand der Technik
Der einschlägige Stand der Technik ist durch die technische Lehre des am 12. März 1940 erteilten US-Patentes US-A-2,192,996, des am 29. November 1994 erteilten US-Patentes US-A-5,368,280 sowie durch den Aufsatz mit dem Titel „The Design and Performance of Internal Mixing Multijet Twin Fluid Atomiziers" von P. J. Mullinger, veröffentlicht in „J. Inst. Fuel, 1974 (Dez.), 47, Seiten 251 bis 261, gegeben. Ungeachtet der zahlreichen Verbesserungen, die auf dem Gebiet der Heizölzerstäubung in der Vergangenheit erreicht wurden, bestehen weiterhin eine ganze Reihe von Problemen. Aus diesem Grunde ist man vom Standpunkt der Wirtschaftlichkeit her nach wie vor an einer Verbesserung der Betriebseffizienz interessiert.
In der Druckschrift US-A-2,192,996 wird ein Heizölbrenner beschrieben, in den ein Flüssigbrennstoff und ein Zerstäubermittel, beispielsweise Dampf oder Luft unter Druck, über koaxial verlaufende Rohre in einen Zerstäuberkopf eingeleitet werden, der konisch erweiterte Kanäle mit stromaufwärts liegenden Enden, die mit dem Zerstäubermittelzuführkanal und einem stromabwärts liegenden Ende verbunden sind, und radiale Durchlässe aufweist, die mit dem Brennstoffzuführkanal verbunden sind und die konisch erweiterten Kanäle kreuzen beziehungsweise durchsetzen, damit Brennstoff in den Kanälen von dem Zerstäubermittel mitgerissen werden kann.
Die Druckschrift US-A-5,368,230 beschreibt einen bei einem Ölbrenner eingesetzten Zerstäuber, in dem Brennstoff in eine Mischkammer eingeleitet wird, die im Inneren einer Düsenbaugruppe festgelegt ist, und bei der ein erster Teil eines Zerstäuberfluids ebenfalls in die Mischkammer eingeleitet wird. Die Düse weist Brennstoffabgabedurchlässe auf, die aus der Mischkammer herausführen, und durch die das in der Mischkammer gebildete Gemisch aus Brennstoff und Zerstäuberfluid abgegeben wird. Weitere Durchlässe kreuzen beziehungsweise durchsetzen die Brennstoffabgabedurchlässe und leiten einen weiteren Teil des Zerstäuberfluids in die Abgabedurchlässe.
Entsprechend einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, einen hochwirksamen Flüssigbrennstoffzerstäuber bereitzustellen, bei dem Betriebskosten, Wartungskosten und unerwünschte Emissionen niedriger sind, und bei dem bedingt durch dessen einfachen Aufbau auch die Düse kostengünstig herstellbar ist. Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein hochwirksamer Flüssigbrennstoffzerstäuber entsprechend Anspruch 1 bereitgestellt.
Die Düse kann derart ausgestaltet sein, dass wenigstens ein Teil der äußeren Wand des rohrförmigen Elementes aus einem wärmeleitenden Material gebildet ist. Dieser Teil kann eine innere Fläche, die angeordnet ist, um mit dem Flüssigbrennstoff in der Kammer in Kontakt zu treten, und eine äußeren Fläche, die angeordnet ist, um mit dem erwärmten druckbeaufschlagten Zerstäuberfluid in der Leitung in Kontakt zu treten, aufweisen, wodurch der Brennstoff durch eine Wärmeübertragung von dem erwärmten Fluid über das wärmeleitende Material des Teils auf den Brennstoff erwärmt wird.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann Brennstoff in Form eines konisch geformten Gebildes aus dem ersten Durchlass in den zweiten Durchlass eingeleitet werden, wobei das Gebilde derart angeordnet ist, dass es von dem durch den zweiten Durchlass strömenden Zerstäuberfluid durchsetzt wird. Der Brennstoff aus dem ersten Durchlass kann wenigstens teilweise zerstäubt und/oder erwärmt sein.
Die Erfindung stellt darüber hinaus ein hochwirksames Verfahren zum Zerstäuben eines Flüssigbrennstoffs entsprechend Anspruch 4 bereit.
Entsprechend besonders bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung kann der Flüssigbrennstoff in der Kammer erwärmt sein. Die Erwärmung erfolgt durch gegenseitiges Mischen von Dampf und Heizöl in der Kammer sowie durch Wärmeübertragung über die Wand.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Kammer eine längliche und im Allgemeinen rohrförmige Form aufweisen, wobei das Zerstäuberfluid veranlasst wird, entlang eines ringförmigen Strömungsweges im Umgebungsbereich der äußeren Wand der Kammer zu strömen. Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das Einspritzen des Fluids in die Kammer über eine in der Wand vorgesehene Öffnung erfolgen.
Entsprechend bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung wird das erste Gemisch als konisch geformtes Gebilde in den zweiten Durchlass eingeleitet, wobei das Gebilde von dem durch den zweiten Durchlass strömenden Zerstäuberfluid durchsetzt wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird eingehend unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben, die sich wie folgt zusammensetzt.
1 ist eine teilweise im Querschnitt vorliegende Aufrissansicht eines Zerstäubers, der die Prinzipien und Konzepte der vorliegenden Erfindung verkörpert.
2 ist eine vergrößerte Planansicht des Zerstäuberdüsenkopfes, der Teil des Zerstäubers von 1 ist.
3 ist eine vergrößerte Aufrissansicht des Zerstäuberdüsenkopfes.
4 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des Zerstäuberdüsenkopfes entlang der Linie 4-4 von 2.
5 ist eine vergrößerte Endansicht des mittleren Ölzuführrohres, das Teil des Zerstäubers von 1 ist.
6 ist eine Querschnittsansicht des Zuleitrohres von 5 im Wesentlichen entlang der Linie 6-6 von 5.
7 ist eine Querschnittsansicht des Zerstäubers entlang der Linie 7-7 von 1.
8 ist eine schematische Darstellung der Wirkung von Fluiden, die durch eine erfindungsgemäße Y-förmige Durchlassanordnung strömen.
Detailbeschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung
Eine hochwirksame Heizölzerstäuberdüse, die die Konzepte und Prinzipien der vorliegenden Erfindung verkörpert, ist in der Zeichnung dargestellt und allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Wie dargestellt ist, arbeitet die Zerstäuberdüse 10 nach dem Y-Strahlzerstäubungsprinzip; die Erfindung umfasst gleichwohl auch Aspekte, bei denen der Einsatz eines Y-Strahldüsenkopfes nicht notwendig ist. Wie in 1 gezeigt ist, umfasst die Zerstäuberdüse 10 einen Hauptkörperteil 12, einen Zwischenstrukturteil 14, einen Zerstäuberkopf 16 und einen Kopfverstärkungsringteil 18.
Der Hauptkörperteil 12 der Düse 10 umfasst, wie gezeigt, konzentrische Rohre 20 und 22. Das innere Rohr 22 liegt in Form eines länglichen und im Allgemeinen rohrförmigen Elementes vor, das vorzugsweise ein stromaufwärts liegendes Segment 24 mit einem stromaufwärts liegenden Ende, das wie üblich dafür ausgelegt ist, mit einer Flüssigbrennstoffquelle verbunden zu werden, sowie ein stromabwärts liegendes Segment 26 umfasst. Heizöl wird durch das Rohr 22 zugeführt, während Dampf oder ein anderes Zerstäuberfluid, beispielsweise druckbeaufschlagte Luft, durch das äußere Rohr 20 zugeführt wird, das in Form einer das Rohr 22 umgebenden, länglichen und im Allgemeinen ringförmigen Zuführleitung 28 für druckbeaufschlagtes Zerstäuberfluid vorliegt. Das stromaufwärts liegende Ende der Leitung 28 ist ebenfalls wie üblich dafür ausgelegt, mit einem druckbeaufschlagten Zerstäuberfluid verbunden zu werden. Im Zusammenhang mit dem eben Erläuterten ist für einen auf dem Gebiet der Brennstoffdüsen tätigen Fachmann unmittelbar einsichtig, dass Dampf das bevorzugte Zerstäuberfluid für den Fall sein kann, dass der Brennstoff schweres Heizöl ist. Demgegenüber ist für den Fall, dass der gewählte Brennstoff leichtes flüchtigeres Öl ist, druckbeaufschlagte Luft das bevorzugte Zerstäuberfluid.
Wie einem auf dem einschlägigen Gebiet bewanderten Fachmann bekannt ist, kann das Heizöl durch eine (nicht gezeigte) kleine Düsenöffnung treten, bevor es in das stromabwärts liegende Segment 26 eingeleitet wird. Eine derartige kleine Düsenöffnung wird verwendet, um den Strom des Heizöls zu steuern. Darüber hinaus kann das Heizöl als Ergebnis des Durchtritts durch eine derartige Düsenöffnung teilweise zerstäubt sein.
Eine oder mehrere Düsenöffnungen 30 können in einer Wand 32 des stromabwärts liegenden Segmentes 26 des Rohres 22 vorgesehen sein. Diese Düsenöffnungen 30 stellen eine gegenseitige Verbindung der Leitung 28 und einer Kammer 34 her, die im Inneren des Segmentes 26 vorgesehen ist, wodurch möglich wird, dass ein Teil des Dampfes oder eines anderen in dem Kanal 28 strömenden Zerstäuberfluides in eine Kammer 34 umgeleitet wird, wo er (der Teil) mit dem Heizöl vermischt wird und dessen Zerstäubung fördert. Zur Erleichterung eines derartigen Stromes sollte das Zerstäuberfluid wünschenswerterweise einen Druck aufweisen, der – vorzugsweise um 10 bis 20 psi (0,7 bis 1,4 bar) – größer als der Druck des Öls in dem Segment 26 ist. Der durch die Düsenöffnungen 30 strömende Dampf oder das jeweilige andere Zerstäuberfluid wird in der Kammer 34 mit dem Heizöl vermischt und bewirkt eine (erstmalige) Zerstäubung oder zusätzliche Zerstäubung des Heizöls. Aus diesem Grund kann die Kammer 34 als Vorzerstäuberkammer bezeichnet werden. Die Funktion der Vorzerstäuberkammer 34 besteht mithin darin, das Vorzerstäuben des Heizöls und das Vormischen des Öls mit dem Zerstäuberfluid zu ermöglichen.
Der Zwischenteil 14 des Zerstäubers 10 kann eine Mehrzahl von Bohrungen oder Rohren 36 aufweisen, die, wie gezeigt, über eine ringförmige Kammer 37 mit der Leitung 28 in Fluidverbindung stehen. Obgleich der erfindungsgemäße Zerstäuber als Zerstäuber mit vier Löchern (siehe 7) gezeigt ist, ist für einen Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet unmittelbar einsichtig, dass die tatsächliche Anzahl der Bohrungen 36 von der Dampfmenge abhängt, die zum Zerstäuben des Brennstoffs in dem Zerstäuberkopf 16 notwendig ist. Gegebenenfalls kann entsprechend den Konzepten und Prinzipien der vorliegenden Erfindung der Zerstäuber 10 bis zu zehn oder mehr Bohrungen 36 in dem Teil 14 aufweisen. Allgemein sind die Bohrungen 36 vorzugsweise gleichmäßig um die Längsachse 74 des Zerstäubers 10 beabstandet. Unabhängig von der Anzahl der Bohrungen sind die stromabwärts liegenden Enden 39 der Bohrungen 36 derart angeordnet, dass sie sich in eine ringförmige Nut 38 öffnen, die in dem Teil 14 vorgesehen ist.
Das stromabwärts liegende Ende 40 des Segmentes 26 ist in einer Öffnung 41 in dem Teil 14 aufgenommen, wobei der Übergang zwischen dem Ende 40 und der Öffnung 41, wie gezeigt, vorzugsweise von einer Reihe von Labyrinthnuten 42 abgedichtet ist. Man beachte in diesem Zusammenhang, dass die Kammer 34 in dem Segment 26 an dem Ende 40 von einem ringförmigen Teil 43 abgeschlossen ist, der als Loch 44 mit verringertem Durchmesser vorliegt. Das Loch 44 verbindet die Kammer 34 in dem Segment 26 und eine Kammer 46 in dem Teil 14 über den Teil der Öffnung 41, der nicht von den Ende 40 erfüllt ist.
Der Zerstäuberkopf 16 der Zerstäuberdüse 10 ist am besten in 2, 3 und 4 der Zeichnung zu sehen. Der Kopf 16 umfasst vorzugsweise eine innere Kammer 56 und eine Mischdurchlassanordnung, die vorzugsweise in Form einer Mehrzahl im Allgemeinen Y-förmiger Durchlassanordnungen 48 gegeben ist, die sich durch den Kopf 16 erstrecken. Wie gezeigt, weist der Kopf 16 vier Y-förmige Durchlassanordnungen 48 auf, wobei jedoch die tatsächliche Anzahl von den jeweils gewünschten Betriebskennwerten des Brenners abhängen kann, in dem die Zerstäuberdüse 10 eingesetzt wird. Man beachte im Zusammenhang mit der Düse, dass entsprechend der breitest möglichen Deutung der Erfindung der genaue Aufbau der Mischdurchlässe nicht erfindungskritisch ist, solange der Kopf derart wirkt, dass das Zerstäuberfluid in innigen Kontakt mit dem Flüssigbrennstoff tritt, damit der Flüssigbrennstoff zerstäubt wird.
Auch wenn der Kopf 16 eine Mehrzahl Y-förmiger Durchlassanordnungen 48 aufweisen kann, weisen diese Durchlassanordnungen im Wesentlichen den gleichen Aufbau auf. Entsprechend ist im Rahmen dieser Beschreibung lediglich eine Durchlassanordnung 48 anhand 2, 3 und 4 beschrieben. Jede Durchlassanordnung 48 kann vorzugsweise einen Heizöldurchlass 50, der über das Loch 44, die Kammer 46 und die Kammer 56 mit der Kammer 34 in Fluidverbindung steht, einen Zerstäuberfluiddurchlass 51 mit einem Eingangsteil 52, der über die Nut 38, die Rohre 36 und die Kammer 37 mit der Leitung 28 in Fluidverbindung steht, sowie einen Auslassdurchlassteil 54, der sowohl mit dem Durchlass 50 wie auch mit dem Eingangsteil 52 in Fluidverbindung steht, umfassen. Wie am besten 4 zu entnehmen ist, sind der Auslassdurchlassteil 54 und der Zerstäuberfluideingangsdurchlassteil 52 im Wesentlichen in Ausrichtung zueinander befindlich. Wie zudem 1 zu entnehmen ist, ist die innere Kammer 56 mit der Kammer 46 in dem Zwischenteil 14 in Ausrichtung befindlich und innerhalb dieser angeordnet. Der Heizöldurchlass 40 öffnet sich, wie gezeigt, in die Kammer 56 und steht mit dieser in Fluidverbindung. Der Eingangsteil 52 weist gegenüber dem Teil 54 einen verringerten Durchmesser auf, öffnet sich in die ringförmige Nut 38 und steht mit dieser in Verbindung.
Der Kopf 16 weist vorzugsweise eine Planfläche 80 auf, die, wie gezeigt, dicht mit einem Paar ringförmiger Planflächen 82 und 84 (siehe 7) des Segmentes 58 des Teiles 14 in Eingriff befindlich ist. Ein Kopfverstärkungsring 18, der an einem einen verringerten Durchmesser aufweisenden Segment 58 des Zwischenteiles 14 mittels Gewinde, Verschweißung oder dergleichen angebracht sein kann, hält, wie in 1 gezeigt, den Kopf 16 und den Zwischenteil 14 mit der Fläche 80 in dichtendem Kontakt mit den Flächen 82 und 84.
Im Betrieb wird für den Fall, dass überhitzter Dampf als Zerstäuberfluid verwendet wird, und eine Ausgestaltung gemäß der Zeichnung zum Einsatz kommt, der Dampf über die Öffnungen 30 in die Kammer 34 eingespritzt, woraufhin ein Vermischen wenigstens eine Teiles des Öls in der Kammer 34 und ein Zerstäuben erfolgen. Ein Gemisch aus Heizöl und Dampf strömt sodann aus der Vorzerstäuberkammer 34 durch das Loch 44, die Kammern 46 und 56 in die Durchlässe 50. Dieses vorzerstäubte Gemisch aus Heizöl und Dampf wird sodann auf so viele einzelne Ströme aufgeteilt, wie Durchlassanordnungen 48 in dem Zerstäuberkopf 16 vorhanden sind.
Der durch jeden Durchlass 50 hindurchtretende Strom schießt in den entsprechenden Auslassdurchlassteil 54 unter einem Winkel ein, der am besten in 4 und 8 zu sehen ist. Man hat festgestellt, dass der durch den Durchlass 50 hindurchtretende Dampf, der ein vorzerstäubtes Gemisch aus Heizöl und Dampf enthält, und der in den Auslassdurchlassteil 54 unter einem Winkel einschießt, hierdurch ein ringförmiges konisches Gebilde aus Heizöl-Dampf-Gemisch entlang der inneren Wand des Auslassdurch lassteiles 54 ausbildet. Dieses konische Gebilde ist schematisch in 8 gezeigt, wo es mit dem Bezugszeichen 70 bezeichnet ist.
Der Dampf aus der Leitung 28 tritt sodann durch die Bohrungen 36 hindurch und sammelt sich in der ringförmigen Nut 38. Da die Eingangsteile 52 der Durchlässe 51 in Fluidverbindung mit der Nut 38 stehen, wird auch dieser Dampf auf so viele Teilströme aufgeteilt, wie Durchlassanordnungen 48 in dem Zerstäuberkopf 16 vorhanden sind. Der Dampf aus der Nut 38 wandert durch den Teil 52 und wird dem Brennstoff-Dampf-Gemisch zugesetzt, das aus dem Durchlass 50 in den Durchlassteil 54 einschießt. Der Dampf aus dem Durchlassteil 52, der sich vorzugsweise mit Schallgeschwindigkeit fortbewegt, durchsetzt das konische Gebilde, wie schematisch durch die Pfeile 72 in 8 angedeutet, und wird mit dem Dampf-Heizöl-Gemisch aus dem Durchlass 50 innig gemischt, wodurch eine weitere Zerstäubung in dem Auslassteil 54 erfolgt. Aus diesem Grund dient der Auslassteil 54 als Endmischkammer für das Heizöl-Dampf-Endgemisch. Im Zusammenhang hiermit sei bemerkt, dass in dem Teil 54 der Brennstoff gegen die innere Wand des Teiles 54 herausgeschoben wird, wo er in Form eines hohlen ringförmigen Stromes vorliegt. Das Zerstäuberfluid ist in der hohlen Mitte befindlich, wodurch die Kontaktfläche zwischen dem Zerstäuberfluid und dem Brennstoff maximiert ist.
Entsprechend bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die Menge des in die Kammer 34 über die Öffnungen 30 eingespritzten Zerstäuberfluids zwischen ungefähr 15% und ungefähr 75% des Gesamtstromes des Zerstäuberfluids variieren. Der Rest wird selbstredend in den Durchlass 51 über den Durchlassteil 52 eingespritzt. In diesem Zusammenhang sei jedoch auch erwähnt, dass für den Fall, dass das Zerstäuberfluid erwärmt ist, was beispielsweise bei Dampf der Fall ist, eine gewisse Verbesserung hinsichtlich der Effizienz auch dann erzielt wird, wenn keine Öffnungen gegeben sind, und wenn 100% des Zerstäuberfluids durch den Durchlass 51 geleitet werden. In diesem Fall wirken die Rohre 20, 22 als Wärmtauscher, die bewirken, dass der Brennstoff in dem Rohr 22 erwärmt wird. Dies führt dazu, dass die Viskosität des Brennstoffes sinkt, was die in dem Düsenkopf 16 erfolgende Zerstäubung des Brennstoffs fördert.
Es sei insbesondere darauf hingewiesen, dass sich entsprechend der vorliegenden Erfindung der Dampf nach seinem Eintritt in den Teil 52 in einer geraden Linie fortbewegt, wodurch eine hohe Dampfgeschwindigkeit (vorzugsweise Schallgeschwindigkeit) bis zu demjenigen Zeitpunkt ermöglicht wird, bis der Dampf auf das ringförmige konische Gebilde 70 aus Heizöl trifft, das mit Dampf aus dem Durchlass 50 vermischt ist. Dampf derart hoher Geschwindigkeit übt eine sehr hohe Scherkraft auf das ringförmige konische Gebilde 70 aus, das von dem Dampf-Heizöl-Gemisch aus dem Durchlass 50 gebildet wird und unter einem Winkel in den Teil 54 einschießt. Diese Wechselwirkung erleichtert die Zerstäubung des Heizöls zu einem feinen Sprühnebel.
Wird das Heizöl mit einem Teil des Zerstäuberfluids, wie vorstehend beschrieben, in der Kammer 34 vorgemischt, so wird der Öldurchlass 50 der Y-förmigen Durchlassanordnung 48 vorzugsweise vergrößert, damit er ein größeres Fluidvolumen tragen kann, sodass Zusammenballungen verringert und minimiert werden. Darüber hinaus wird insbesondere für den Fall, dass das Zerstäuberfluid erwärmt ist, was beispielsweise dann der Fall ist, wenn Dampf als Zerstäuberfluid zum Einsatz kommt, die Viskosität des Heizöls verringert, wodurch die Gesamteffizienz des Zerstäubungsvorgangs ansteigt. Entsprechend den bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung liegt das Verhältnis zwischen der Querschnittsströmungsfläche jedes Durchlasses 50 und der Querschnittsströmungsfläche jedes entsprechenden Durchlassteils 52 vorzugsweise in einem Bereich von ungefähr 1,2 bis ungefähr 3, und zwar in Abhängigkeit von der Aufteilung des Zerstäubermittels auf die Funktionen „Vormischen" und „Zerstäuben". Man beachte darüber hinaus, dass der Durchlass 54 notwendigerweise eine größere Querschnittsströmungsfläche aufweist, als dies entweder bei dem Durchlass 50 oder bei dem Durchlass 52 der Fall ist, da er ausreichend groß sein muss, um sowohl den Brennstoff wie auch das gesamte Zerstäuberfluid zu leiten. Vorzugsweise beträgt die Strömungsfläche jedes Durchlasses 54 das ungefähr 1- bis ungefähr 1,7-fache der Gesamtströmungsflächen des entsprechenden Durchlasses 50 und des Durchlassteiles 52. Es sei jedoch auch erwähnt, dass die Durchlassgrößen in Abhängigkeit von den gewünschten Ergebnissen und dem Verhältnis der Gesamtmenge des Zerstäuberfluids zu dem Brennstoff und der relativen Menge des durch die Öffnungen 30 in die Kammer 34 eingespritzten Zerstäuberfluids schwanken können. Auf dem Gebiet der Brenner ist bekannt, dass die Hauptparameter die Flammenlänge und die NO_x-Emissionen darstellen. Eine lange Flamme verringert die NO_x-Emissionen, wohingegen eine kurze Flamme das Gegenteil bewirkt. Entsprechend liegt es an dem Ingenieur, Kompromisse zwischen diesen beiden Extremen für jede gegebene Anwendung zu finden.
Der Durchlass 51 ist vorzugsweise unter einem Winkel relativ zu einer Längsachse 74 des Heizölzerstäubers 10 angeordnet. Dieser Winkel liegt vorzugsweise in einem Bereich von ungefähr 2° bis ungefähr 30°, und zwar in Abhängigkeit davon, welche Optimierung für die Gesamtanwendung gebraucht wird. Wie sich einem Fachmann auf dem Gebiet der Brenner unmittelbar erschließt, kann sich der gewünschte Sprühwinkel auch von Anwendung zu Anwendung ändern. Der Winkel des Durchlasses 50 relativ zu dem Durchlass 51 kann sich darüber hinaus in Abhängigkeit von dem Winkel des Durchlasses 51 relativ zu der Längsachse 74 und der relativen Größe des Düsenkopfes 16 ändern. Vorzugsweise kann dieser Winkel zwischen den Durchlässen 50 und 51 zwischen ungefähr 15° und ungefähr 70° liegen.
Die Heizölzerstäuberdüse 10 der vorliegenden Erfindung bringt eine Reihe von Vorteilen mit sich, die im Stand der Technik nicht bekannt sind. Zu diesen Vorteilen zählen unter anderem die nachstehend aufgeführten: (1) Die konzentrischen Rohre 20, 22 für das Öl und das Zerstäuberfluid erleichtern das Einspritzen des Zerstäuberfluids über Öffnungen, so beispielsweise die Öffnungen 30, in den Brennstoff wie auch das Erwärmen des Brennstoffs; (2) Die Anordnung der Y-förmigen Durchlassanordnungen 48 in dem Düsenkopf 16 ermöglicht die geradlinige Fortbewegung des Dampfes und den Eintritt des Heizöls in die Endmischkammer unter einem Winkel; (3) Der monolithische Aufbau des Düsenkopfes 16 ermöglicht eine verbesserte Wirkung sowie ein sparsameres Verhalten; (4) Die Zerstäubung des Brennstoffs vor der Abgabe desselben in den Brenner wird als Ergebnis der zweifachen Zerstäubung, nämlich zunächst derjenigen in dem Vorzerstäuber und sodann derjenigen in der Y-förmigen Durchlassanordnung, verbessert; (5) Das Mischen des Öls mit dem Dampf in dem Vorzerstäuber ermöglicht die Verwendung größerer Öldurchlässe in der Y-förmigen Durchlassanordnung, wodurch Zusammenballungen minimiert werden, wobei aufgrund der Tatsache, dass Zusammenballungen oftmals in Düsen mit niedriger Ölströmungsrate auftreten, die Erfindung einen größeren Bereich von Boilerkapazitäten abdeckt; (6) Die Verbrennungsumsetzverhältnisse des Sprühnebels werden aus den bereits erläuterten Gründen verbessert; (7) Der den Öldurchlass in den konzentrischen Rohren umgebende Dampf trägt dazu bei, dass eine verringerte Viskosität in dem Öl gegeben ist, sodass Energie gespart wird; (8) Das Mischen des Öls mit dem Dampf in dem Vorzerstäuber führt zu einer verringerten Viskosität und verbessert die Zerstäubungswirkung beziehungsweise den zugehörigen Effekt; und (9) Der geradlinige Dampfdurchlass und der Gesamtaufbau, die durch die Y-förmige Durchlassanordnung realisiert sind, ermöglichen eine Beibehaltung des Dampfimpulses und formen das Öl derart, dass höhere Scherkräfte und größere Scherkontaktflächen auftreten, wenn der Dampf und das Heizöl in der Endmischkammer 54 zusammentreffen, wodurch die Zerstäubung optimiert und der Verbrauch gesenkt werden.
Durch den Einsatz der konzentrischen Rohre 20, 22 wird Wärme auf einfache Weise von dem Dampf in dem äußeren Rohr 22 auf das Heizöl in dem mittleren Rohr 20 übertragen, wodurch das Heizöl erwärmt und dessen Viskosität gesenkt wird. Die Zerstäubung wird vereinfacht, wenn die Viskosität des Öls niedriger ist. Darüber hinaus ist es bei den konzentrischen Rohren 20, 22 einfacher, einen oder mehrere Durchlässe 30 zum Einleiten von Dampf in das Heizöl in der Kammer 34 zum Zwecke der Vorzerstäubung bereitzustellen.
Die Anordnung der Y-förmigen Durchlassanordnungen 48 ermöglicht eine geradlinige Fortbewegung des Dampfes und eine unter einem Winkel erfolgende Wanderung des Brennstoffs und stellt die Maximierung der Scherkräfte sicher, wenn der Dampf auf das konische Gebilde 70 aus Öl trifft, das in die in dem Durchlassteil 54 vorgesehene Mischkammer eintritt. Die geraden Zerstäuberfluidstrahlen 72 enthalten einen höheren Impuls als ein Zerstäuberfluidstrahl, der auf eine gekrümmte Bahn gezwungen wird. Dem steht gegenüber, dass die unter einem Winkel erfolgende Einspritzung des Heizöl-Dampf-Gemisches aus dem Durchlass 50 ein konischess Gebilde 70 erzeugt. Das konische Gebilde 70 verringert nicht nur die charakteristische Dicke der Flüssigkeit, sondern vergrößert auch die Kontaktfläche, auf die das Zerstäuberfluid mit großem Impuls auftrifft. Beide Aspekte, das heißt die gerade Zerstäuberfluidströmung und das konische Gemischgebilde, fördern den Zerstäubungsvorgang stark. Aus diesem Grund bleibt Zerstäuberfluidenergie erhalten, sodass die Effizienz des Zerstäubungsvorgangs steigt.

Claims

Hochwirksamer Flüssigbrennstoffzerstäuber, umfassend: ein längliches im Allgemeinen rohrförmiges Element (22), wobei das im Allgemeinen rohrförmige Element (22) eine Flüssigbrennstoffvorzerstäuberkammer (34) festlegt und eine äußere Wand umfasst, die sich wenigstens teilweise um die Kammer herum erstreckt und wenigstens eine Düsenöffnung (30) hierdurch aufweist, die die Kammer (34) und eine Leitung (28) miteinander verbindet, sodass ein druckbeaufschlagtes Zerstäuberfluid in die Kammer eintreten und das darin befindliche Heizöl wenigstens teilweise zerstäuben kann; wenigstens eine Mischdurchlassanordnung, die wenigstens teilweise zerstäubten Flüssigbrennstoff aus der Kammer (34) und druckbeaufschlagtes Zerstäuberfluid aus der Leitung (28) aufnimmt und mischt, um den Flüssigbrennstoff weiter zu zerstäuben, wodurch durch den ersten Durchlass (50) geleiteter wenigstens teilweise zerstäubter Brennstoff in dem zweiten Durchlass (51) mit durch den zweiten Durchlass geleitetem Zerstäuberfluid gemischt und dadurch weiter zerstäubt wird, sodass ein Gemisch aus zerstäubtem Brennstoff und Zerstäuberfluid durch ein stromabwärts liegendes Ende (54) des zweiten Durchlasses (51) abgegeben wird; wobei der zweite Durchlass (51) ein stromaufwärts liegendes Ende (59) zum Aufnehmen von Zerstäuberfluid aufweist, die Durchlässe unter einem Winkel angeordnet sind, und der erste Durchlass (50) derart angeordnet ist, dass dessen stromabwärts liegendes Ende den zweiten Durchlass (51) an einer Stelle zwischen den Enden hiervon kreuzt.
Hochwirksamer Heizölzerstäuber nach Anspruch 1, wobei wenigstens ein Teil der äußeren Wand (22) aus einem wärmeleitenden Material gebildet ist, und der Teil eine innere Fläche, die angeordnet ist, um mit dem Flüssigbrennstoff in der Kammer (34) in Kontakt zu treten, und eine äußere Fläche, die angeordnet ist, um mit dem erwärmten druckbeaufschlagten Zerstäuberfluid in der Leitung (28) in Kontakt zu treten, umfasst, um den Brennstoff durch eine Wärmeübertragung von dem erwärmten Fluid auf den Brennstoff zu erwärmen.
Hochwirksamer Heizölzerstäuber nach Anspruch 1 oder 2, wobei der wenigstens teilweise zerstäubte Fluidbrennstoff als konisch geformtes Gebilde (70) von dem ersten Durchlass (50) in den zweiten Durchlass eingeleitet wird, wobei das Gebilde von dem durch den zweiten Durchlass (51) strömenden Zerstäuberfluid durchsetzt wird.
Hochwirksames Verfahren zum Zerstäuben eines Flüssigbrennstoffs, wobei das Verfahren die nachfolgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines Flüssigbrennstoffs und Veranlassen desselben, in eine Vorzerstäuberkammer (34) hinein und durch diese zu strömen; Einspritzen eines ersten Teiles eines druckbeaufschlagten Zerstäuberfluids in den durch die Kammer strömenden Flüssigbrennstoff, um so wenigstens teilweise den Brennstoff zu zerstäuben, und um ein erstes Gemisch aus zerstäubtem Brennstoff und Zerstäuberfluid bereitzustellen; Leiten des ersten Gemisches aus der Kammer und Veranlassen desselben, in einen ersten länglichen Durchlass (50) in einem mit der Kammer verbundenen Zerstäuberkopf (16) hinein und durch diesen zu strömen; Leiten eines zweiten Teils des druckbeaufschlagten Zerstäuberfluids in einen zweiten länglichen Durchlass (51) in dem Kopf (16) und Veranlassen des zweiten Teiles, durch den zweiten Durchlass zu strömen; wobei die Durchlässe unter einem Winkel angeordnet sind, der zweite Durchlass (51) ein Einlassende (52) und ein Auslassende (54) aufweist, der erste Durchlass (50) derart angeordnet ist, dass er den zweiten Durchlass an einer Stelle zwischen den Enden durchsetzt, und das erste Gemisch aus dem ersten Durchlass (54) in den zweiten Durchlass (51) geleitet und veranlasst wird, sich innig mit dem zweiten Teil des druckbeaufschlagten Zerstäuberfluids zu vermischen, um so den Brennstoff weiter zu zustäuben und ein zweites Gemisch aus zerstäubtem Brennstoff und Zerstäuberfluid bereitzustellen, das aus dem Kopf (16) ausgeleitet wird.
Hochwirksames Verfahren zum Zerstäuben von Flüssigbrennstoff nach Anspruch 4, wobei die Flüssigkeit in der Kammer (34) erwärmt wird.
Hochwirksames Verfahren zum Zerstäuben eines Flüssigbrennstoffs nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Kammer (34) eine längliche und im Allgemeinen rohrförmige Form aufweist, das Zerstäuberfluid ein Dampf ist, der veranlasst wird, entlang eines ringförmigen Strömungsweges (28) im Umgebungsbereich einer äußeren Wand (22) der Kammer zu laufen, das Einspritzen über eine in der Wand (28) vorgesehene Öffnung (30) erfolgt, und das Erwärmen durch Vermischung des Dampfes mit dem Fluidbrennstoff in der Kammer (34) und durch Wärmeübertragung über die Wand (22) bewirkt wird.
Hochwirksames Verfahren zum Zerstäuben eines Flüssigbrennstoffs nach Anspruch 4, 5 oder 6, wobei das erste Gemisch als konisch geformtes Gebilde (70) in den zweiten Durchlass (51) eingeleitet wird, und das Gebilde von dem durch den zweiten Durchlass strömenden Zerstäuberfluid durchsetzt wird.
Hochwirksamer Heizölzerstäuber nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein erster Teil (52) des zweiten Durchlasses (51) angrenzend an das stromaufwärts liegende Ende hiervon einen kleineren Durchmesser als ein zweiter Teil (54) des zweiten Durchlasses aufweist, der sich von der genannten Stelle zu dem stromabwärts liegenden Ende des zweiten Durchlasses erstreckt.
Hochwirksamer Heizölzerstäuber nach Anspruch 8, wobei das Verhältnis zwischen der Querschnittsströmungsfläche des ersten Durchlasses (50) und der Querschnittsströmungsfläche des ersten Teiles (52) des zweiten Durchlasses in einem Bereich von ungefähr 1,2 bis ungefähr 3 liegt.
Hochwirksamer Heizölzerstäuber nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Verhältnis zwischen der Querschnittsströmungsfläche des zweiten Teiles (54) des zweiten Durchlasses (51) und dem Gesamtwert der Querschnittsströmungsflächen des ersten Durchlasses (50) und des ersten Teils (52) des zweiten Durchlasses in einem Bereich von ungefähr 1 bis ungefähr 1,7 liegt.
Hochwirksamer Heizölzerstäuber nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Winkel zwischen einer Längsachse des ersten Durchlasses (50) und einer Längsachse des zweiten Durchlasses (51) in einem Bereich von ungefähr 15° bis ungefähr 70° liegt.
Hochwirksames Verfahren zum Zerstäuben eines Flüssigbrennstoffs nach Anspruch 4, wobei der zweite Teil des druckbeaufschlagten Zerstäuberfluids zwischen ungefähr 15% und ungefähr 75% des Gesamtwertes der ersten und zweiten Teile des kombinierten druckbeaufschlagten Zerstäuberfluids enthält.
Hochwirksamer Heizölzerstäuber nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Winkel zwischen einer Längsachse des zweiten Durchlasses (51) und einer Längsachse (54) des Zerstäubers in einem Bereich von ungefähr 2° bis ungefähr 30° liegt.