DK143212B

DK143212B - FLOWERS FOR LIQUID FUELS WITH AN ULTRA SOUND NURSERY

Info

Publication number: DK143212B
Application number: DK422172A
Authority: DK
Inventors: M Hori; N Rodudo; T Ishiguro
Original assignee: Matsushita Electric Ind Co Ltd
Priority date: 1971-08-25
Filing date: 1972-08-25
Publication date: 1981-07-20
Also published as: BE787969A; DK143212C; CH569928A5; NL7211654A; GB1406048A; DE2241912A1; CA1030053A; IT964281B; DE2241912B2; FR2151399A5; DE2241912C3

Description

1 1432121 143212

Den foreliggende opfindelse angår en brænder for flydende brændstof, hvori der som forstøver for brændstoffet anvendes et horn, som svinger med ultralydfrekvens og har en .brændstofdyse, hvis centrale dyseåbning er omgivet af forstøvningsfladen.The present invention relates to a liquid fuel burner, in which, as a fuel atomizer, a horn which vibrates at ultrasonic frequency and has a fuel nozzle whose central nozzle opening is surrounded by the atomizing surface is used.

Ved sådanne brændere for flydende brændstof bliver brændstofforstøvningsfladen ved den ene ende af hornet sat i svingning med ultralydfrekvens. Det flydende brændstof danner på grund af overfladespændingen af fyringsolien en meget tynd hinde over forstøvningsfladen, som forstøves i findelte partikler, når forstøvningsfladen svinger med ultralydfrekvens. Ved forstøvningen af flydende brændstof ved hjælp af ultralydenergi afhænger forstøvningsgraden stærkt af dysens diameter, beskaffenheden af den tynde oliehinde og forstøvningsfladen. Når disse tre faktorer ikke er fuldt tilfredsstillet, skal den til forstøveren førte effekt forøges uafhængigt af gennemstrømningsmængden af brændselsolien. Hvis de findelte partikler er store, og hvis forstøvningen ikke er ensartet, bliver ikke kun forbrændingens virkningsgrad formindsket, men der opstår også som følge af varmepåvirkningen forstyrrelser og afbrydelser ved forstøveren, hvorved dennes levetid forkortes betydeligt.In such liquid fuel burners, the fuel atomizing surface at one end of the horn is oscillated with ultrasonic frequency. The liquid fuel, due to the surface tension of the heating oil, forms a very thin film over the atomizing surface, which is atomized into finely divided particles as the atomizing surface oscillates at ultrasonic frequency. When spraying liquid fuel using ultrasonic energy, the degree of atomization depends strongly on the diameter of the nozzle, the nature of the thin oil membrane and the atomization surface. When these three factors are not fully satisfied, the power applied to the atomizer must be increased independently of the flow rate of the fuel oil. If the finely divided particles are large and if the atomization is not uniform, not only does the combustion efficiency diminish, but interferences and interruptions at the atomizer also result in a significant reduction in its lifetime.

Det er kendt at dimensionere brændstofdysens dyseåbning således, at hornets forstøvningsflade bliver befugtet, idet det i det væsentlige kommer an på dimensioneringen af hornets endeflade i forhold til dyseåbningen. Ved en for stor dyseåbning sprøjter brænderen, medens endefladen ikke bliver befugtet ved en for lille åbning.It is known to design the nozzle opening of the fuel nozzle so that the atomizing surface of the horn is wetted, essentially depending on the dimensioning of the end surface of the horn relative to the nozzle opening. At too large a nozzle opening, the burner sprays while the end surface is not wetted at a too small opening.

Desuden kan man af en kendt undersøgelsesrapport over ultralydforstøvere ved fyringsoliebrændere udlede, at der ved en stor dyseåb- ® ning fås forholdsvis gunstige værdier for sodtallene, C02 indholdet, blæsertrykket og koksstjernerne ved forbrændingen af fyringsolien ("Dl- und Gasfeuerung", 1964, hæfte 7, side 718-723 og 1967, hæfte 2, side 14o-148).In addition, from a well-known research report on ultrasonic atomizers in combustion oil burners, it can be concluded that a large nozzle opening gives relatively favorable values for the soot figures, C02 content, fan pressure and coke stars in the combustion oil firing ("Dl- und Gasfeuerfte", 1964 7, pages 718-723 and 1967, booklet 2, pages 14o-148).

Formålet med opfindelsen er at angive et til gode forstøvningsresultater for flydende brændstoffer førende område af dimensionsforholdet mellem brændstofdysens endeflade og dyseåbningens tværsnit.The object of the invention is to provide a range of good spraying results for liquid fuels of the dimensional relationship between the end surface of the fuel nozzle and the cross section of the nozzle opening.

Ifølge opfindelsen opnås dette ved, at forholdet S/s mellem arealet S af enden af brændstofdysen A, hvilket areal består af forstøvningsfladen B og tværsnitsarealet s af dyseåbningen, og tværsnitsarealet s af dyseåbningen ligger i området mellem 6 og 9.According to the invention this is achieved by the ratio S / s between the area S of the end of the fuel nozzle A, which area consists of the atomizing surface B and the cross-sectional area s of the nozzle opening, and the cross-sectional area s of the nozzle opening is in the range between 6 and 9.

Når der ifølge opfindelsen arbejdes i det angivne område, kan der opnås en maksimal forstøvning både for lette, flydende brændstoffer, såsom petroleum, og for svære brændstoffer, såsom svær olie, 2 143212When working according to the invention in the specified range, maximum atomization can be achieved both for light, liquid fuels such as petroleum and for heavy fuels such as heavy oil.

Samt en god forstøvningsvirkningsgrad og dermed forbrændingsvirkningsgrad ved en given indgangseffekt til ultralydgiveren.As well as a good atomization efficiency and therefore combustion efficiency at a given input power to the ultrasonic sensor.

Opfindelsen skal herefter forklares nærmere under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 viser en brænder for flydende brændstof set fra siden og delvis i snit, som er blevet anvendt ved forsøg til bestemmelse af det optimale forhold mellem arealet af endefladen eller forstøvningsoverfladen af dysen og arealet af dyseåbningen til optimal forstøvning af brændselsolie, fig. 2A og 2B snit i dyser anvendt til forklaring af forskellen i flydende brændstofforstøvning på grund af forskellen i dyseåbningens areal, fig. 2C-2E snit på langs og på tværs i forskellige dyser ifølge den foreliggende opfindelse og fig. 3 en grafisk afbildning, som viser forbindelsen mellem indgangseffekten i watt til ultralydbølgegeneratoren og brændstofforbrændingshastigheden i kcal/h, når det ovennævnte forhold varieres.The invention will now be explained in more detail with reference to the drawing, in which fig. Fig. 1 shows a side view of a partial liquid fuel burner which has been used in tests to determine the optimal ratio between the area of the end surface or the spraying surface of the nozzle and the area of the nozzle opening for optimum fuel oil atomization; 2A and 2B sections in nozzles used to explain the difference in liquid fuel atomization due to the difference in nozzle orifice area; 2C-2E are longitudinal and transverse sections of different nozzles of the present invention; and FIGS. 3 is a graph showing the relationship between the input power in watts to the ultrasonic wave generator and the fuel combustion rate in kcal / h when the above ratio is varied.

På tegningen viser fig. 1 en brænder for flydende brændstof, som anvendes ved forsøgene, hvilken brænder indeholder en ultralydgenerator 4, der over ledninger 3 er forbundet med en omsætter 2, til hvis ene ende der er fastgjort et hult horn 1 til forstærkning af amplituden af ultralydoscillatoren. Det hule horn 1 er vandret understøttet ved hjælp af et understøtningsorgan 6a, der er fastgjort til det hule horn 1 ved et knudepunkt 5 for dette, hvor amplituden er 0, og understøtningsorganet 6a er igen fastgjort til et fodstykke 6. En olietilførselsledning 7 strækker sig vandret koaksialt i det hule horn 1 og er bøjet opad under en ret vinkel ved knudepunktet 5, således at det strækker sig gennem det hule horn 1 og er forbundet med et olietilførselsrør 8, som igen er forbundet med en olieregulator 9, der er forbundet med et oliereservoir eller lignende (ikke vist). Findelte partikler 11 af det flydende brændstof, som forstøves ved den forreste ende af forstøvningsoverfladen på dysen A i det hule horn 1, samles i en beholder lo. Arealet af dyseåbningen er betegnet med s, medens arealet af dyseenden, nemlig arealet af dyseåbningen s plus arealet af forstøvningsoverfladen, er betegnet med S.In the drawing, FIG. 1 shows a liquid fuel burner used in the experiments, which burner contains an ultrasonic generator 4 connected over a conduit 3 to a converter 2, to one end of which is fitted a hollow horn 1 to amplify the amplitude of the ultrasonic oscillator. The hollow horn 1 is horizontally supported by a support member 6a attached to the hollow horn 1 at a node 5 thereof, where the amplitude is 0, and the support member 6a is again attached to a foot piece 6. An oil supply line 7 extends is coaxially horizontal in the hollow horn 1 and is bent upwardly at a right angle at the junction 5 so that it extends through the hollow horn 1 and is connected to an oil supply tube 8, which in turn is connected to an oil regulator 9 connected to it. an oil reservoir or the like (not shown). Finely divided particles 11 of the liquid fuel atomized at the front end of the spraying surface of the nozzle A of the hollow horn 1 are collected in a container 1o. The area of the nozzle opening is denoted by s, while the area of the nozzle end, namely the area of the nozzle opening s plus the area of the spraying surface, is denoted by S.

Forskellige typer af dyser A er vist i fig. 2A-2E. Dysen vist i fig. A har et stort forhold S/s, hvorimod dysen vist i fig. 2B har et lille forhold S/s. Dysen vist i fig. 2C har en flad ende, dy- 3 143212 sen vist i fig. 2D en udadkonkav ende og dysen vist i fig. 2E en ind-adkonkav ende. Det vil ses, at arealet S varierer afhængigt af udformningen af dyseenderne, men dysens evne til forstøvning af flydende brændstof udtrykkes i den foreliggende beskrivelse ved S/s.Various types of nozzles A are shown in FIG. 2A-2E. The nozzle shown in FIG. A has a large ratio S / s, whereas the nozzle shown in FIG. 2B has a small ratio S / s. The nozzle shown in FIG. 2C has a flat end, shown in FIG. 2D shows an outwardly concave end and the nozzle shown in FIG. 2E an inward-facing end. It will be seen that the area S varies depending on the design of the nozzle ends, but the ability of the nozzle to atomize liquid fuel is expressed in the present description at S / s.

Herefter skal virkemåden af brænderen for flydende brændsel af den art, som er beskrevet under henvisning til fig. 1, forklares. Strømningshastigheden af brændselsolien, der strømmer gennem olierøret 8 og olieledningen 7 til dysen A, styres af olieregulatoren 9, og olien, som når dysen A, danner en tynd hinde på forstøvningsoverfladen B under indflydelse af brændselsoliens overfladespænding. Da forstøvningsoverfladen på dysen A oscillerer ved en ultralydfrekvens, forstøves den tynde oliehinde til findelte partikler 11.Next, the operation of the liquid fuel burner of the kind described with reference to FIG. 1, is explained. The flow rate of the fuel oil flowing through the oil pipe 8 and the oil line 7 to the nozzle A is controlled by the oil regulator 9, and the oil which reaches the nozzle A forms a thin membrane on the spray surface B under the influence of the fuel oil's surface tension. As the atomization surface of the nozzle A oscillates at an ultrasonic frequency, the thin oil membrane is atomized into finely divided particles 11.

Dysen A's forstøvningsevne afhænger imidlertid af forholdet mellem S og s. Når forholdet S/s er stort, fordi dyseåbningen s er lille som vist i fig. 2A, og hvis en stor mængde brændselsolie tilføres ved en stor strømningshastighed, vil olien ikke danne en ensartet tynd hinde på forstøvningsoverfladen, men vil danne en lille pøl af olie ved midten af dysen, så at oliedråbedannelse forekommer som vist ved a i fig. 2A. Når forholdet S/s er lille, fordi dyseåbningen s er stor som vist i fig. 2B, er dyseåbningen på den anden side ikke fyldt med olie, så at en ret tyk oliehinde kun dannes på den nederste halvdel af forstøvningsoverfladen. Selv om effekten forøges, vil den tykke oliehinde som følge heraf ikke blive tilstrækkeligt forstøvet, og en del af oliehinden drypper som angivet ved a i fig. 2B.However, the spraying ability of the nozzle A depends on the ratio of S to s. When the ratio S / s is large because the nozzle opening s is small as shown in FIG. 2A, and if a large amount of fuel oil is supplied at a high flow rate, the oil will not form a uniform thin film on the atomization surface, but will form a small pool of oil at the center of the nozzle so that oil droplet formation occurs as shown by a in FIG. 2A. When the ratio S / s is small because the nozzle opening s is large as shown in FIG. 2B, the nozzle opening, on the other hand, is not filled with oil, so that a rather thick oil membrane forms only on the lower half of the atomizing surface. Although the effect is increased, as a result, the thick oil membrane will not be sufficiently atomized and a portion of the oil membrane drips as indicated by a in FIG. 2B.

Når forholdet S/s ikke er passende, er tykkelsen af oliehinden, som dannes på forstøvningsoverfladen B, ikke ensartet, så at forstøvningsevnen påvirkes uheldigt, og store oliepartikler drypper ned. Når brændselsolien f.eks. er petroleum, frembringes der giftig carbonmonoxid på grund af den langsomme fordampningshastighed af store petroleumpartikler. Endvidere fremkommer der pulserende forbrænding på grund af den uensartede flammeudbredelseshastighed.When the ratio S / s is not appropriate, the thickness of the oil membrane formed on the spray surface B is not uniform, so that the spraying ability is adversely affected and large oil particles drip. For example, when the fuel oil. is petroleum, toxic carbon monoxide is produced due to the slow evaporation rate of large petroleum particles. Furthermore, pulsed combustion occurs due to the uneven flame propagation rate.

Forsøgene blev udført ved anvendelse af brændstofbrænderen vist i fig. 1 og petroleum for at bestemme forholdet mellem indgangseffekten i watt til ultralydbølgegeneratoren og forbrændingshastigheden kcal/h, når forholdet S/s varieres. Forsøgsresultaterne er vist i fig. 3. Ved forsøgene blev de forstøvede partikler 11 samlet i beholderen lo for at måle, hvor meget petroleum i cmJ, der kan forstøves pr. time, og volumenet af de opsamlede forstøvede partikler blev multipliceret med kalorieværdien for petroleum 8150 kcal/1. Undtagen i de tilfælde hvor S/s er lig med 4, 16 og 32, blev der ikke observeret nogen oliedrypning.The tests were performed using the fuel burner shown in FIG. 1 and petroleum to determine the ratio of the input power in watts to the ultrasonic wave generator and the combustion rate kcal / h when the ratio S / s is varied. The test results are shown in FIG. 3. In the tests, the atomized particles 11 were collected in the container 1 to measure how much petroleum in cmJ can be atomized per liter. hour, and the volume of the atomized particles collected was multiplied by the calorific value of petroleum 8150 kcal / l. Except in cases where S / s equals 4, 16 and 32, no oil dripping was observed.

4 1432124 143212

For forsøgene udført med konstruktionen i fig. 1 viser tabellen nedenfor hver diameter D og d af henholdsvis forstøvningsoverfladen og dyseåbningen S/s D i mm d i mm 4 10 5 4,5 10,6 5 5 10 4,5 6 9,8 4 8 11,4 4 9 12 4 10 12,55 4 12 12 3,5 16 8 2 32 11,4 2 Når forholdet S/s er lig med 16 og 32, bliver strømningshastigheden af petroleum i brændstofledningen 7 for stor, hvis tilførslen af petroleum forøges, således som det fremgår af fig. 3, så at petroleum skubbes fremad ved forstøvningsoverfladen på dysen A, før den tynde oliehinde dannes og forstøves, og resulterer således i oliedrypning. Når S/s er lig med 4, dvs. dyseåbningsarealet s er for stort, dannes petroleumhinden kun over den nederste halvdel af forstøvningsoverfladen af dysen A under indflydelse af tyngdekraften, så at tykkelsen af oliehinden forøges, hvis strømningshastigheden forøges, når forstøvningsoverfladen er for lille. Som følge heraf bliver en del af den tilførte petroleum ikke forstøvet og drypper, selv om indgangseffekten forøges. Når indgangseffekten forøges udover et vist område, bliver de forstøvede partikler forøget i størrelse, så at forbrændingens virkningsgrad formindskes. For at forhindre forøgelsen i partikelstørrelse af de forstøvede partikler skal tilførslen af petroleum reduceres, så at de forstøvede partikler uundgåeligt reduceres i mængde.For the tests performed with the construction of FIG. 1, the table below shows each diameter D and d of the spraying surface and the nozzle opening S / s D, respectively, in mm di mm 4 10 5 4.5 10.6 5 5 10 4.5 6 9.8 4 8 11.4 4 9 12 4 10 12.55 4 12 12 3.5 16 8 2 32 11.4 2 When the ratio S / s is equal to 16 and 32, the flow rate of petroleum in the fuel line 7 becomes too great if the supply of petroleum increases, as can be seen of FIG. 3, so that petroleum is pushed forward at the spraying surface of the nozzle A before the thin oil membrane is formed and atomized, thus resulting in oil dripping. When S / s is equal to 4, i.e. the nozzle aperture area s is too large, the kerosene membrane is formed only over the lower half of the atomizing surface of the nozzle A under the influence of gravity, so that the thickness of the oil membrane increases if the flow rate is increased when the atomization surface is too small. As a result, some of the added petroleum is not atomized and drips, although the input power is increased. As the input power increases beyond a certain range, the atomized particles are increased in size so that the combustion efficiency is reduced. In order to prevent the increase in particle size of the atomized particles, the supply of petroleum must be reduced so that the atomized particles are inevitably reduced in quantity.

Når forholdet S/s forøges fra 4 til 4,5, 5, 6, 8 og 9, forøges forbrændingshastighed gradvist, men når forholdet S/s forøges til 10, 12, 16 og 32, formindskes forbrændingshastigheden. Når forholdet S/s ligger i området mellem 5 og 12, bliver forbrændingshastigheden gradvist forøget, når indgangseffekten forøges, så at forholdet S/s kan have en hvilken som helst værdi indenfor dette område. Dimensionerne af det hule horn er imidlertid fortrinsvis små, så at det let kan oscilleres ved en ultralydfrekvens. Som følge heraf ligger 5 143212 det mest foretrukne område mellem 5 og 9. Ud fra et teknisk synspunkt må det antages, at der vil opnås en lignende relation, som er vist i fig. 3, selv om forholdet S/s ændres indenfor *5%.When the ratio S / s is increased from 4 to 4.5, 5, 6, 8 and 9, the rate of combustion is gradually increased, but when the ratio S / s is increased to 10, 12, 16 and 32, the rate of combustion is reduced. When the ratio S / s is in the range between 5 and 12, the rate of combustion is gradually increased as the input power increases, so that the ratio S / s can have any value within that range. However, the dimensions of the hollow horn are preferably small so that it can be easily oscillated at an ultrasonic frequency. As a result, the most preferred range is between 5 and 9. From a technical point of view, it will be assumed that a similar relation will be obtained as shown in FIG. 3, although the ratio S / s changes within * 5%.

Lignende indbyrdes forbindelse, som er vist i fig. 3, opnås, når der anvendes et andet flydende brændstof, såsom svær olie, bortset fra følgende punkter. For det første er viskositeten af svær olie større end viskositeten af petroleum, så at når forholdet S/s er større end 36, kan den ikke spredes over forstøvningsoverfladen til dannelse af en ensartet tynd oliehinde. Som følge heraf bliver den svære oliehinde kun forstøvet i et meget begrænset område i nærheden af dyseåbningen, og hvis strømningshastigheden forøges, bliver tykkelsen af oliehinden forøget, så at indgangseffekten skal forøges tilsvarende. Når strømningshastigheden overstiger en vis værdi, fremkommer der oliedrypning uden hensyn til indgangseffekten til ultra-lydbølgegeneratoren, så at oliedråberne blandes med fint forstøvede partikler og resulterer således i formindskelse af forbrændingens virkningsgrad lige som i tilfældet med petroleum.Similar interrelationship shown in FIG. 3 is obtained when using another liquid fuel such as heavy oil, except for the following points. First, the viscosity of heavy oil is greater than the viscosity of petroleum, so that when the ratio S / s is greater than 36, it cannot be spread over the atomizing surface to form a uniform thin oil membrane. As a result, the heavy oil membrane is atomized only in a very limited area near the nozzle opening, and if the flow rate is increased, the thickness of the oil film is increased, so that the input power must be increased accordingly. When the flow rate exceeds a certain value, oil dripping occurs, irrespective of the input power of the ultrasonic wave generator, so that the oil droplets are mixed with finely atomized particles, thus resulting in the reduction of combustion efficiency just as in the case of petroleum.

Når forholdet S/s på den anden side er mindre og f.eks. ligger mellem 6 og 4 og mindre, vil svær olie ikke fylde olieledningen 7 tilstrækkeligt på grund af, at den specifikke vægt af svær olie er større end den specifikke vægt af petroleum, så at svær olie kun strømmer langs den nederste halvdel af den indvendige væg af brændstofledningen 7 og kun danner oliehinden ved den nederste halvdel af forstøvningsoverfladen på dysen. Som følge heraf bliver de forstøvede svære oliepartikler kun koncentreret i den nederste del og blandes ikke ensartet med luften. Endvidere spildes indgangseffekten, og tykkelsen af oliehinden langs den ydre periferi af forstøvningsoverfladen forøges, så at oliedråber drypper ned.When the ratio S / s on the other hand is smaller and e.g. between 6 and 4 and less, heavy oil will not fill the oil line 7 sufficiently because the specific weight of heavy oil is greater than the specific weight of petroleum, so that heavy oil flows only along the lower half of the inner wall. of the fuel line 7 and form only the oil membrane at the lower half of the spraying surface of the nozzle. As a result, the atomized heavy oil particles become concentrated only in the lower part and do not mix uniformly with the air. Furthermore, the input power is wasted and the thickness of the oil membrane along the outer periphery of the atomizing surface is increased so that oil droplets drip down.

Det vil af den foregående beskrivelse ses, at forholdet S/s vælges på passende måde, så at forbrændingsvirkningsgraden af en brænder af den art, hvori der anvendes et hult horn, som oscilleres ved ultralydfrekvens, kan forbedres, medens indgangseffekten til en ultralydbølgegenerator formindskes. Da den høje forbrændingsvirkningsgrad kan opnås med en lav indgangseffekt, undgås problemerne forårsaget af opvarmningen af ultralydbølgegeneratoren og omsætteren.It will be seen from the foregoing description that the ratio S / s is appropriately selected so that the combustion efficiency of a burner of the kind using a hollow horn oscillated by ultrasonic frequency can be improved while reducing the input power of an ultrasonic wave generator. As the high combustion efficiency can be achieved with a low input power, the problems caused by the heating of the ultrasonic wave generator and the converter are avoided.

Forholdet mellem arealet af endefladen på dysen og dyseåbningens areal er her udtrykt ved S/s, men det vil forstås, at forholdet kan udtrykkes ved radierne eller diametrene af endefladen på dysen og dyseåbningen.The ratio of the area of the end surface of the nozzle to the area of the nozzle opening is here expressed by S / s, but it will be understood that the ratio can be expressed by the radii or diameters of the end surface of the nozzle and the nozzle opening.