EP0028025A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Mikroflüssigkeitströpfchen - Google Patents
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- F23D11/105—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour medium and fuel meeting before the burner outlet at least one of the fluids being submitted to a swirling motion
Definitions
- the invention relates to a method and a device for producing micro liquid droplets.
- a liquid is normally pressed through a specially designed atomizing nozzle, which causes the liquid to be sprayed apart or atomized. Atomization can also be carried out with the help of steam or compressed air, these methods not being used for smaller liquid flows.
- the present invention is based on the object of creating a method and a device for producing microfluidic droplets which allow extremely fine atomization of the liquid even at very low liquid pressure.
- the liquid and the gas flow collide violently This makes it possible to achieve fine atomization at very low pressure of the liquid emerging from the opening.
- the method according to the invention gives maximum fine atomization even with very small liquid flows.
- the radius of the helical flow path of the gas flow in the direction away from the opening through which the liquid is injected into the atomizing chamber is increasingly, preferably steadily, reduced.
- the gas flow experiences an additional acceleration, with the result that the entrained liquid droplets are broken up to an increased extent.
- Extremely fine liquid droplets or micro liquid droplets in the order of magnitude of about 20 ⁇ m are obtained.
- Such a small average droplet size cannot be achieved with the known atomizing nozzles or methods.
- a reduction in the average tube size below 50 / um mostly failed due to the manufacturing possibilities.
- the latter solution thus provides an extremely long transport route for the liquid droplets entrained by the gas flow through a relatively short space. So that it is z. B. also possible, liquid droplets within a very small "reaction space” or transport space z. B. to bring to full evaporation.
- the inventive method proper It is particularly useful for drying and burning a liquid, because it is generally known that the smaller the droplets, the faster and more complete the drying or combustion.
- the process time t is the necessary length of stay in the transport or reaction space, whereby this time can be maintained even with a very small transport space due to the movement path of the droplets in the transport space according to the invention.
- the liquid droplets in the atomizing space and / or transport space or reaction space come into contact with the inner surface of the room wall.
- Corresponding deposits on the inner surface of the room walls should be avoided.
- the gas is introduced into the atomizing space and / or the transport space advantageously at a distance from the inner surface of the room wall.
- a self-twisting or rotating movement can be impressed on the gas along the flow path.
- the gas flow is then characterized by two superimposed rotational movements.
- FIGS. 1a to 1d A good atomization of a liquid can be achieved by the atomizer units shown in FIGS. 1a to 1d, each consisting of a centrally arranged liquid tube 10, a concentrically surrounding cylindrical jacket 11 with a conically tapering atomizer chamber 12 and the outer circumference of the liquid tube 10 gas guide means or gas inlet openings 16 arranged obliquely to the longitudinal axis of the tube exist which pressure or pressure flow around the liquid tube 10 in the longitudinal direction. Impress atomizing gas a swirl movement 13.
- the tube opening or liquid inlet opening 14 is designed such that the liquid jet 15 fans out conically (hollow spray cone 17) as it exits the opening 14.
- baffles 47 are arranged in the gas inlet openings for deflecting the gas flow.
- swirl grooves 48 are provided on the outer circumference of the liquid tube, which likewise impart a swirl movement to the atomizing gas.
- the end 49 of the liquid tube 10 protruding into the atomizing chamber 12 extends in the embodiment according to FIG. 1b to close to the outlet opening 18, so that an extremely violent collision of atomizing gas and emerging liquid takes place immediately before this opening. The liquid is virtually "blown up" immediately before it emerges from the atomizing chamber 12.
- the outer surface of the part of the tube 10 projecting into the atomizing chamber 12 is conical, corresponding to the atomizing chamber.
- the liquid tube 10 is lengthened by a tube 50 inserted into the opening 14 thereof, which can preferably be arranged in a longitudinally displaceable manner therein.
- gas inlet openings for the entry of secondary gas can also be provided in order to reliably avoid contact between the liquid droplets and the inner surface of the atomizer chamber wall and thus deposits on the latter.
- the secondary gas can also be compressed gas and is preferably introduced in such a way that the swirl movement 13 of the atomizing gas is additionally supported.
- FIGS. 1a to 1d To chemical or physical reactions with the z. B. in the atomizer chamber 12 of the liquid droplets obtained in FIGS. 1a to 1d, these are moved through a transport space or reaction space along a predetermined path. 2 and 3 each show cylindrical transport spaces 20 which are each open at the right end. A droplet 19 is moved from a point A to a point B. On this route the droplet z. B. evaporate.
- FIG. 3 shows that when the droplet moves along an arc line, the distance between points A and B is less than when moving along a straight line (according to FIG. 2). The effective movement distance is of course the same. 3, however, the movement in the second dimension is used, which leads to a shortening of the distance between the two end points of the movement path.
- the droplets are guided or carried along the three-dimensional path through the transport or reaction space 20.
- the droplets 19 enter the transport space 20, which is delimited by a cup-shaped container with a side wall 28, through a droplet inlet opening 22, which is located in the center of the end face of the cup-shaped container.
- a droplet inlet opening 22 At a radial distance from the opening 22 there are a plurality of openings 24, which are evenly distributed over the circumference, for the gas entry into the transport space 20, wherein in the openings 24 there are respectively inclined guide plates or blades 26, which form a helical gas flow around the longitudinal axis 9 of the transport - or effect reaction chamber 20.
- gas inlet openings 24 are located in the side wall 28 of the pot-shaped container.
- more than one gas inlet opening 24 can be provided.
- the gas inlet openings 24 are inclined to the radial (as section A-A clearly shows) in order to impart a predetermined screw movement through the transport space 20 to the gas flow (see arrows).
- the inner diameter of the pot-shaped housing can be dimensioned such that the gas flow practically no longer acts on the inner surface of the side wall 28. This eliminates the danger or their reaction products of a deposit of liquid droplets on the inner surface of the side wall 28. Such deposits would lead to a change in the flow conditions and would require cleaning of the transport or reaction space 20 after a certain period of operation.
- the inner surface of the side wall can be inserted into the openings 24 28 protruding tubes 30 are used (cf. FIG. 6 with a corresponding section BB).
- the tubes 30 are slidably inserted within the openings 24, so that the length of the part projecting beyond the inner surface of the side wall 28 can be changed.
- the easiest way to solve this problem is to screw the tubes 30 into the openings 24.
- the jet direction of the openings 24 or the tubes 30 can preferably also be changed for the purpose of adaptation to different droplet sizes, etc.
- FIG. 7 shows a combination of the atomizer unit shown schematically in FIG. 1 and the transport or reaction unit shown schematically in FIG. 6.
- the liquid droplets generated in the atomizer chamber 12 pass through the atomizer chamber outlet openings 18 or droplet inlet opening 22 into the transport space 20, where they experience an approximately conical fanning out, which is surprisingly conveyed by the gas introduced through the tubes 30.
- a negative pressure is created in the annular space between the closed end face of the transport space 20 and the gas tubes 30, which pulls the liquid droplets emerging from the opening 22 radially outwards. This will take the liquid droplets 19 by the shortest route in the area of the gas flow shown in Fig - 7 characterized by the reference numeral 21..
- a distributor body 32 is arranged, the side of which is oriented toward the opening 22 is flat.
- the plane of the distributor body 32 facing the opening 22 can also be convex or conical.
- the distributor body 32 thus favors rapid mixing of the droplets with the gas flow 21, the degree of mixing being able to be set by the shape of the distributor body 32.
- the distance between the distributor body 32 and the opening 22 also has an influence on the degree of mixing or fanning out of the liquid droplets introduced into the transport space.
- the distributor body 32 is therefore preferably mounted such that it can be moved back and forth in the direction of the longitudinal axis 9 of the transport or reaction space 20. Good results can be achieved if the distributor body 32 lies in a plane between the droplet inlet opening 22 and the plane defined by the gas tubes 30 close to the same.
- the distributor body 32 promotes in particular the uniform distribution of the introduced droplets 19 over the cross-section of the transport or reaction space 20.
- the distributor body 32 thus prevents local droplet accumulations, as a result of which uniform mixing into the gas stream 21 is achieved.
- the distributor body 32 is fastened to a stiff wire.
- other fastening options are also conceivable, although care must be taken to ensure that the fastening means do not adversely affect the flow, in particular the swirl movement of the gas-droplet flow in the transport space 20.
- transport space or reaction chamber 20 to serve as a combustion chamber in this still preferably a Zündeinrichtun g / provided in the area of the droplet inlet port 22 to the combustion of the liquid droplets, z. B. oil droplets to start.
- the unit according to FIG. 7 is used as an oil burner and is identified by the reference number 41.
- the burner 41 is attached to the upper end of an upright heat exchanger 42, the transport or reaction space 20 projecting slightly into an exhaust gas space 43.
- the reaction chamber 20 serves as the combustion chamber, the flame 44 slightly knocking out of the combustion chamber 20.
- the hot combustion gases are passed through the exhaust gas space 43 in accordance with the arrows 45, a tubular radiation body 34 being arranged concentrically inside the exhaust gas space 43 at the end remote from the burner.
- the outside diameter of the tubular radiation body 34 is somewhat smaller than the inside diameter of the exhaust gas chamber 43, which is also tubular in the embodiment shown.
- Both the radiation body 34 and the wall of the exhaust gas space 43 are preferably made of heat-resistant metal (steel) and have a dark, preferably black color, so that they serve as ideal radiation bodies.
- the additional radiation body 34 and the exhaust pipe delimiting the exhaust gas space 43 promote the heat exchange between the hot combustion gases and the environment, in the present case a heat exchange medium 38, which is passed at a distance from the exhaust pipe.
- the exhaust pipe as well as between the hot combustion gases and / in particular the black radiation body 34 is heated exchange by convection.
- the heat absorbed by the exhaust pipe and / or radiation body 34 is emitted again by radiation to the environment or to the heat exchange medium 38 and transported through this to another location.
- black radiation bodies which are “flushed” by the hot combustion gases, can also be arranged behind the outlet of the exhaust pipe or in the gas guide channels 46 extending through the heat exchanger 42.
- the shape of the radiation body can e.g. B. be egg-shaped.
- tubular radiation bodies can also be used again. Of course, care must be taken to ensure that the arrangement of the radiation bodies in the gas guide channels does not cause excessive pressure drops.
- the black radiation bodies are made of metal, preferably of heat-resistant, stainless steel. But they can just as well be made of ceramic or stone. The material depends on the gas flowing around the radiation body or the chemical and / or physical reactions taking place in the reaction space 20.
- the radiation bodies are arranged relatively far from the combustion flame, the flame temperature and thus the combustion are not influenced by the radiation bodies.
- the radiation bodies are arranged in the immediate vicinity of the flame or the reaction site, a cooling effect is achieved by the radiation bodies, which dissipate heat to the outside, ie to the environment. B. causes the reaction rate is reduced or a reaction does not take place at all (e.g. cracking processes).
- the radiation bodies are also particularly suitable for the controlled afterburning of exhaust gases in an exhaust duct.
- the radiation bodies are arranged in the exhaust duct at a suitable distance from the combustion flame and are heated from the outside by heat radiation. The heat then emitted from the radiation body to the exhaust gases by means of convection causes the exhaust gases to re-ignite, so that complete combustion is achieved before the exhaust gases exit into the open.
- the described invention is particularly suitable for an oil burner. Therefore, the conditions in an oil burner and the advantages achieved by the solution according to the invention are discussed in detail again below.
- equation (2) is limited to the case in which there is no influence of a relative movement between the droplet and the environment.
- the value ⁇ - and consequently the value m - can be increased by increasing the temperature of the environment around the oil droplet, usually the air atmosphere, since the value of D is temperature-dependent and -dD / dT> 0 is.
- the droplet size is therefore of great importance, since smaller droplets lead to a higher value of B.
- the first condition is optimally met by a nozzle according to FIGS. 1a to 1d.
- the second condition can very easily be met by introducing preheated air into the atomizing chamber 12 and optionally the reaction chamber 20.
- the third condition can also be very simple by preheating the oil to be burned.
- the screw movement of the liquid droplets through the reaction space according to the invention achieves a sufficient residence time for the droplets in the reaction space 20 for complete combustion although the reaction space 20 is of very short construction.
- the short construction of the reaction space 20 has the additional advantage that heat radiation losses in the area of the reaction space are correspondingly low.
- Nitrogen oxides are especially dangerous for animals /. For this reason, laws in many countries require that the nitrogen oxide concentration in exhaust gases must not exceed a certain value. In Germany, the nitrogen oxide concentration in oil burners (operated with heavy oil) must not exceed 500 ppm in the exhaust gas.
- the small design results in a correspondingly short residence time for the combustion gases. Furthermore, the burning time is reduced to a minimum even due to the extremely small liquid or oil droplets.
- the residence time of the droplets and exhaust gases in the unit according to FIG. 7 is approximately 0.07 seconds. According to FIG. 9, approximately 20 ppm NO are formed when the unit according to FIG. 7 is used as an oil burner. With this short dwell time, it hardly matters if the combustion air is preheated. As has been explained above, preheating the combustion air improves the combustion itself or the combustion intensity.
- FIG. 10 the NO values of an oil burner designed according to the invention are again shown schematically in comparison to conventional oil burners, specifically as a function of the oil flow rate (l / h) and the oxygen content during combustion.
Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung von Mikroflüssigkeitströpfchen.
- Bei einer Vielzahl von chemischen oder physikalischen Prozessen, insbesondere bei Trocknungs- und Verbrennungsprozessen, ist es von grosser Wichtigkeit, reaktive Mikroflüssigkeitströpfchen zu erhalten. Normalerweise wird hierzu eine Flüssigkeit durch eine speziell gestaltete Zerstäuberdüse gepresst, die ein Auseinanderspritzen bzw. eine Zerstäubung der Flüssigkeit bewirkt. Die Zerstäubung kann auch mit Hilfe von Dampf oder Pressluft erfolgen, wobei diese Verfahren bei kleineren Flüssigkeitsströmen nicht angewendet werden.
- Es ist auch allgemein bekannt, den Austritt eines Flüssigkeitsstrahles aus einer Düse durch eine den austretenden Strahl konzentrisch umgebende Gasströmung zu verbessern bzw. zu beschleunigen. Die Gasströmung soll jedoch keine Zerstäubung der aus der Düse austretenden Flüssigkeit bewirken, sondern eher im Gegenteil den Flüssigkeitsstrahl zusammenhalten. Es ist schliesslich auch bekannt, dem dünnen, den Flüssigkeitsstrahl oder auch einen Tröpfchenschwamm zusammenhaltenden Gasmantel eine Rotationsbewegung aufzuprägen, um dadurch eine Rotation des Flüssigkeitsstrahles selbst zu erhalten Es soll jedoch auch bei dieser bekannten Lösung eine Zerstäubung des Flüssigkeitsstrahls oder weitere Feinzerstäubung vermieden werden.
- Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Mikroflüssigkeitströpfchen zu schaffen, das bzw. die eine äusserst feine Zerstäubung der Flüssigkeit auch bei sehr geringem Flüssigkeitsdruck erlaubt.
- Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass
- - aus einer Öffnung in einen Zerstäuberraum eine Flüssigkeit eingespritzt wird, derart, dass ein im wesentlichen hohler Sprühkegel entsteht, und dass
- - dieser Sprühkegel von einer äusseren Gasströmung beaufschlagt wird, deren Strömungsbahn etwa konzentrisch und schraubenförmig zur gedachten Achse des Sprühkegels verläuft, so dass der Sprühkegel durch die Gasströmung aufgebrochen wird.
- Es wird also erfindungsgemäss bewusst und kontrolliert ein heftiges Aufeinanderprallen der Flüssigkeit und der Gasströmung herbeigeführt. Dadurch ist es möglich, dass auch eine feine Zerstäubung bei sehr geringem Druck der aus der Öffnung austretenden Flüssigkeit erzielt wird. Man erhält durch das erfindungsgemässe Verfahren eine maximale Feinzerstäubung auch bei sehr kleinen Flüssigkeitsströmen.
- Vorzugsweise wird der Radius der schraubenförmigen Strömungsbahn der Gasströmung in Richtung weg von der Öffnung, durch die die Flüssigkeit in den Zerstäuberraum eingespritzt wird, zunehmend, vorzugsweise stetig, verringert. Dadurch erfährt die Gasströmung eine zusätzliche Beschleunigung, mit der Folge, dass die mitgeführten Flüssigkeitströpfchen in erhöhtem Masse aufgebrochen werden. Man erhält äusserst feine Flüssigkeitströpfchen bzw. Mikroflüssigkeitströpfchen in einer Grössenordnung von etwa 20 µm. Eine derartig geringe mittlere Tropfchengrösse lässt sich mit den bekannten Zerstäuberdüsen bzw. Verfahren nicht erzielen. Eine Reduzierung der mittleren röpicrhengrösse unter 50/um scheiterte meist an den herstellungstechnischen Möglichkeiten. Es für eine derart grobe Zerstäubung gibt Sprühdüsen/mit gleichmässig über den Umfang verteilten Sprühschlitzen mit jeweils einer Breite von etwa 100/um. Da sich Herstellungstoleranzen zwischen 98/um und 102/um nicht vermeiden lassen, führen derartige Sprühdüsen zu einer Ungleichverteilung der Zerstäubung bzw. zu einer ungleichförmigen Tröpfchenverteilung. Ferner hat sich gezeigt, dass etwa 100/um breite Sprühschlitze bei Verwendung von Flüssigkeit mit festen Bestandteilen (Verunreinigungen), wie z.B. öl, als zu zerstäubende Flüssigkeit nach kurzer Zeit leicht verstopfen können. Danach kommt es nach längerer Gebrauchsdauer zu einer ungleichförmigen Tröpfchenverteilung. Die Verunreinigungen können zu Verschleiß führen, der ebenfalls zu einer Ungleichverteilung führt.
- Zur weiteren Reduzierung der Tröpfchengrösse hat sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, die Flüssigkeitströpfchen durch eine Öffnung in einen vorzugsweise zylindrischen Transportraum einzuleiten und durch diesen durch eine schraubenförmige Gasströmung zu dem der Einlassöffnung entgegengesetzten Ende zu tragen, das vorzugsweise offen ist.
- Es in bekannt, mit Hilfe einer Gasströmung Fluidtröpfchen ton einem Punkt zu einem anderen Punkt längs einer geradlinigen Bahn zu transportieren, wobei die Transportstrecke so bemessen ist, dass die Tröpfchen bei ihrer Bewegung längs dieser Strecke chemisch reagieren oder eine physikalische Veränderung erfahren, z. B. Verdampfen. Die erfindungsgemässe Lösung hat nun den Vorteil, dass die erwähnten Reaktionen auf einer relativ kurzen Baulänge des Transportraumes stattfinden können. Dies ist gerade bei Verbrennungseinrichtungen von besonderer Bedeutung, um eine insgesamt kompakte Anlage zu erhalten.
- Durch die letztgenannte Lösung wird also eine extrem lange Transportstrecke für die von der Gasströmung mitgenommenen Flüssigkeitströpfchen durch einen relativ kurz gebauten Raum erhalten. Damit ist es z. B. auch möglich, Flüssigkeitströpfchen innerhalb eines sehr kleinen "Reaktionsraumes" bzw. Transportraumes z. B. zur vollständigen Verdampfung zu bringen. Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich besonders für die Trocknung sowie Verbrennung einer Flüssigkeit, denn es ist allgemein bekannt, dass eine Trocknung oder Verbrennung desto schneller und vollständiger erfolgen, je kleiner die Tröpfchen sind. Die Abhängigkeit zwischen der Prozesszeit t (= Trocknungs-oder Verbrennungszeit) und dem Tröpfchendurchmesser d ist wie folgt:
- In den meisten Fällen muss vermieden werden, dass die Flüssigkeitströpfchen im Zerstäuberraum und/oder Transportraum bzw. Reaktionsraum mit der Innenfläche der Raumwandung in Kontakt kommen.Es sollen entsprechende Ablagerungen an der Innenfläche der Raumwandungen vermieden werden. Um dies zu erreichen, erfolgt die Gaseinleitung in den Zerstäuberraum und/oder Transportraum vorteilhafterweise im Abstand von der Innenfläche der Raumwandung.
- Um eine noch stärkere Verfeinerung der Flüssigkeitströpfchen zu erhalten, kann dem Gas längs der Strömungsbahn eine Eigendrall- bzw. Rotationsbewegung aufgeprägt werden. Die Gasströmung ist dann durch zwei überlagerte Rotationsbewegungen gekennzeichnet.
- Vorrichtungsmässig wird die gestellte Aufgabe durch die Massnahmen gemäss den Ansprüchen 10 bis 23 gelöst, wobei auf die technischen Vorteile der beanspruchten Merkmale im einzelnen weiter unten näher eingegangen wird. Nachstehend wird das erfindungsgemässe Verfahren anhand der in den anliegenden Zeichnungen schematisch dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Vorrichtung näher erläutert.
- Es zeigen:
- Fig. 1a - 1d verschiedene Ausführungsformen von Flüssigkeits-Zerstäuberräumen im Schnitt,
- Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Bewegung eines Flüssigkeitstropfens längs einer geraden Strecke innerhalb eines Transport- bzw. Reaktionszylinders,
- Fig. 3 die Bewegung eines Flüssigkeitströpfchens längs einer Bogenlinie,
- Fig. 4 - 6 drei verschiedene Ausführungsformen von Transport- bzw. Reaktionsräumen,
- Fig. 7 eine Kombination der Zerstäubereinheit gemäss Fig. 1a und Reaktionseinheit gemäss Fig. 6 zur Erzeugung feinster Flüssigkeitströpfchen,
- Fig. 8 eine Anordnung der Einheit gemäss Fig. 7 in einem Wärmetauscher, und
- Fig. 9 u. 10 graphische Darstellungen zur Demonstration der vorteilhaften Wirkung der Einheit gemäss Fig. 7.
- Eine gute Zerstäubung einer Flüssigkeit lässt sich durch die in den Fig. 1a bis 1d dargestellten Zerstäubereinheiten erzielen, die jeweils aus einem zentral angeordneten Flüssigkeitsröhrchen 10, einem dieses konzentrisch umgebenden zylindrischen Mantel 11 mit einem sich konisch verjüngenden Zerstäuberraum 12 und am-äusseren Umfang des Flüssigkeitsröhrchens 10 schräg zur Rohrlängsachse angeordnete Gasführungsmittel bzw. Gaseintrittsöffnungen 16 bestehen, die den das Flüssigkeitsröhrchen 10 in Längsrichtung umströmenden Druck- bzw. Zerstäubergas eine Drallbewegung 13 aufprägen.
- Die Röhrchenöffnung bzw. Flüssigkeitseintrittsöffnung 14 ist so ausgebildet, daß der Flüssigkeitsstrahl 15 sich beim Austritt aus der Öffnung 14 kegelförmig (hohler Sprühkegel 17) auffächert.
- Dadurch wird ein heftiges Aufeinanderprallen der Flüssigkeit mit der Gasströmung 13 herbeigeführt, wobei die Gasströmung 13 in Richtung zur Zerstäuberraum-Austrittsöffnung 18 aufgrund der stetigen Verringerung des Durchmessers der schraubenförmigen Gasströmung beschleunigt wird. Die Gasströmung.bricht also den Sprühkegel 17 in einzelne Flüssigkeitströpfchen auf.
- In Fig. 1c sind in den Gaseintrittsöffnungen Leitbleche 47 zur Umlenkung der Gasströmung angeordnet.
- In Fig. 1b sind statt der Leitbleche 47 in Fig. lc am äußeren Umfang des Flüssigkeitsröhrchens Drallnuten 48 vorgesehen, die dem Zerstäubergas ebenfalls eine Drallbewegung aufprägen. Das in den Zerstäuberraum 12 hineinragende Ende 49 des Flüssigkeitsröhrchens 10 erstreckt sich bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1b bis nahe zur Austrittsöffnung 18 hin, so daß unmittelbar vor dieser Öffnung ein äußerst heftiges Aufeinanderprallen von Zerstäubergas und austretender Flüssigkeit stattfindet. Die Flüssigkeit wird unmittelbar vor ihrem Austritt aus dem Zerstäuberraum 12 geradezu "gesprengt". Dabei ist bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1b die Außenfläche des in den Zerstäuberraum 12 ragenden Teils des Röhrchens 10 entsprechend dem Zerstäuberraum konisch,ausgebildet.
- Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1d erfolgt die Verlängerung des Flüssigkeitsröhrchens 10 durch ein in die Öffnung 14 desselben eingesetztes Röhrchen 50, das vorzugsweise in dieser längsverschiebbar angeordnet sein kann.
- Im konischen, den Zerstäuberraum seitlich begrenzenden Mantelteil können noch Gaseintrittsöffnungen für den Eintritt von Sekundärgas vorgesehen sein, um einen Kontakt zwischen den Flüssigkeitströpfchen und der Innenfläche der Zerstäuberraumwand und damit Ablagerungen an dieser sicher zu vermeiden. Das Sekundärgas kann ebenfalls Druckgassein und wird vorzugsweise so eingeleitet, dass die Drallbewegung 13 des Zerstäubergases zusätzlich unterstützt wird.
- Um chemische oder physikalische Reaktionen mit den z. B. im Zerstäuberraum 12 der in den Fig. 1a bis 1d dargestellten Zerstäubereinheiten erhaltenen Flüssigkeitströpfchen zu fördern, werden diese durch einen Transportraum bzw. Reaktionsraum längs einer vorbestimmten Bahn bewegt. In den Fig. 2 und 3 sind jeweils zylindrische Transporträume 20 dargestellt, die an dem rechten Ende jeweils offen sind. Ein Tröpfchen 19 wird von einem Punkt A zu einem Punkt B bewegt. Auf dieser Strecke soll das Tröpfchen z. B. verdampfen. Fig. 3 zeigt, dass bei einer Bewegung des Tröpfchens längs einer Bogenlinie der Abstand zwischen den Punkten A und B geringer ist als bei einer Bewegung längs einer geradlinigen Bahn (gemäss Fig. 2). Die effektive Bewegungsstrecke ist natürlich dieselbe. Bei einer Bewegung längs einer Bogenlinie entsprechend Fig. 3 wird jedoch die Bewegung in der zweiten Dimension ausgenutzt, was zur Verkürzung des Abstandes zwischen den beiden Endpunkten der Bewegungsbahn führt.
- Dieser Erkenntnis folgend werden bei der erfindungsgemässen Lösung die Tröpfchen längs einer dreidimensionalen Bahn durch den Transport- bzw. Reaktionsraum 20 geführt bzw. getragen.
- Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 4 treten die Tröpfchen 19 in den Transportraum 20, der durch einen topfförmigen Behälter mit einer Seitenwandung 28 begrenzt ist, durch eine Tröpfchen-Einlassöffnung 22 ein, die sich im Zentrum der Stirnseite des topfförmigen Behälters befindet. Im radialen Abstand von der Öffnung 22 befinden sich mehrere gleichmässig über den Umfang verteilte Öffnungen 24 für den Gaseintritt in den Transportraum 20, wobei in den Öffnungen 24 jeweils schräggestellte Leitbleche bzw. -schaufeln 26 angeordnet sind, die eine schraubenförmige Gasströmung um die Längsachse9 des Transport- bzw. Reaktionsraumes 20 bewirken.
- Das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 5 ist sehr ähnlich wie das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 4 aufgebaut, nur mit dem Unterschied, dass die Gaseintrittsöffnungen 24 sich in der Seitenwandung 28 des topfförmigen Behälters befinden. Dabei können mehr als eine Gaseintrittsöffnung 24 vorgesehen sein. Die Gaseintrittsöffnungen 24 sind zur Radialen schräggestellt (wie der Schnitt A-A deutlich zeigt), um der Gasströmung (siehe Pfeile) eine vorbestimmte Schraubenbewegung durch den Transportraum 20 aufzuprägen. Der Innendurchmesser des topfförmigen Gehäuses kann so bemessen sein, dass die Gasströmung auf die Innenfläche der Seitenwandung 28 praktisch nicht mehr einwirkt. Damit ist die Gefahr oder deren Reaktionsprodukte einer Ablagerung von Flüssigkeitströpfchen/an der Innenfläche der Seitenwandung 28 gebannt. Derartige Ablagerungen würden zu einer Veränderung der Strömungsverhältnisse führen und nach gewisser Betriebsdauer eine Reinigung des Transport- bzw.Reaktionsraumes 20 erforderlich machen.
- Um ganz sicher zu gehen, dass die Tröpfchen sich nicht an die Innenfläche der Seitenwandung 28 ablagern, können in die Öffnungen 24 die Innenfläche der Seitenwandung 28 überragende Röhrchen 30 eingesetzt werden (vgl. Fig. 6 mit entsprechendem Schnitt B-B).
- Zur Anpassung an verschiedene Tröpfchengrössen, Reaktionszeiten des Tröpfchenmaterials, etc. kann es vorteilhaft sein, wenn die Röhrchen 30 innerhalb der Öffnungen 24 verschiebbar eingesetzt sind, so dass die Länge des die Innenfläche der Seitenwandung 28 überragenden Teiles veränderbar ist. Am einfachsten lässt sich dieses Problem dadurch lösen, dass die Röhrchen 30 in die Öffnungen 24 eingeschraubt sind.
- Wie bereits weiter oben dargelegt, ist vorzugsweise auch die Strahlrichtung der Öffnungen 24 bzw. der Röhrchen 30 zu Zwecken der Anpassung an verschiedene Tröpfchengrössen, etc., veränderbar.
- In Fig. 7 ist eine Kombination der in Fig. 1 schematisch dargestellten Zerstäubereinheit und der in Fig.6 schematisch dargestellten Transport- bzw. Reaktionseinheit dargestellt. Die im Zerstäuberraum 12 erzeugten Flüssigkeitströpfchen gelangen durch die Zerstäuberraum-Austrittsöffnungen 18 bzw. Tröpfchen-Einlassöffnung 22 in den Transportraum 20, wobei sie dort eine etwa kegelförmige Auffächerung erfahren, die überraschenderweise durch das durch die Röhrchen 30 eingeleitete Gas gefördert wird. Es entsteht offenbar in dem Ringraum zwischen der geschlossenen Stirnseite des Transportraumes 20 und den Gasröhrchen 30 ein Unterdruck, der die aus der Öffnung 22 austretenden Flüssigkeitströpfchen radial nach aussen zieht. Dadurch gelangen die Flüssigkeitströpfchen 19 auf kürzestem Wege in den Bereich der Gasströmung, die in Fig.-7 mit der Bezugsziffer 21 gekennzeichnet ist.
- Um die Auffächerung der in den Transportraum eingeleiteten Flüssigkeitströpfchen zusätzlich zu erhöhen, ist im Abstand vor der Flüssigkeitströpfchen-Einlassöffnung 22 ein Verteilerkörper 32 angeordnet, dessen der Öffnung 22 zugekehrte Seite eben ausgebildet ist. In Abhängigkeit von den äusseren Parametern, wie Gaseintrittsgeschwindigkeit, Tröpfchengrösse etc. kann die der Öffnung 22 zugekehrte Ebene des Verteilerkörpers 32 auch konvex oder kegelförmig ausgebildet sein.
- Der Verteilerkörper 32 begünstigt also eine rasche Vermischung der Tröpfchen mit der Gasströmung 21, wobei der Grad der Vermischung durch die Form des Verteilerkörpers 32 eingestellt werden kann. Auch hat der Abstand der Verteilerkörpers 32 von der Öffnung 22 einen Einfluss auf den Grad der Vermischung bzw. der Auffächerung der in den Transportraum eingeleiteten Flüssigkeitströpfchen. Zur Variierung des Vermischungsgrades bzw. der Auffächerung ist daher der Verteilerkörper 32 in Richtung der Längsachse9 des Transport- bzw. Reaktionsraumes 20 vorzugsweise hin- und herbewegbar gelagert. Gute Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn der Verteilerkörper 32 in einer Ebene zwischen der Tröpfchen-Einlassöffnung 22 und der durch die Gasröhrchen 30 definierten Ebene nahe derselben liegt. Der Verteilerkörper 32 fördert insbesondere die gleichförmige Verteilung der eingeleiteten Tröpfchen 19 über den Querschnitt des Transport- bzw. Reaktionsraumes 20. Der Verteilerkörper 32 verhindert also lokale Tröpfchen-Ansammlungen, wodurch eben eine gleichförmige Einmischung in den Gasstrom 21 erzielt wird. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 7 ist der Verteilerkörper 32 an einem steifen Draht befestigt. Es sind jedoch auch andere Befestigungsmöglichkeiten denkbar, wobei jedoch darauf geachtet werden muss, dass die Befestigungsmittel die Strömung, insbesondere die Drallbewegung der Gas-Tröpfchen-Strömung im Transportraum 20 nicht ungünstig beeinflussen.
- Falls der Transportraum bzw. Reaktionsraum 20 als Verbrennungsraum dienen soll, ist in diesem vorzugsweise noch eine Zündeinrichtung/im Bereich der Tröpfchen- Einlassöffnung 22 vorgesehen, um die Verbrennung der Flüssigkeitströpfchen, z. B. Öltröpfchen, zu starten.
- In Fig. 8 ist die Einheit gemäss Fig. 7 als Ölbrenner eingesetzt und mit der Bezugsziffer 41 gekennzeichnet. Der Brenner 41 ist am oberen Ende eines aufrechten Wärmetauschers 42 angebracht, wobei der Transport- bzw. Reaktionsraum 20 geringfügig in einen Abgasraum 43 hineinragt. Der Reaktionsraum 20 dient bei dem in Fig. 8 schematisch dargestellten Anwendungsbeispiel als Brennraum, wobei die Flamme 44 etwas aus dem Brennraum 20 herausschlägt. Durch den Abgasraum 43 werden die heissen Verbrennungsgase entsprechend den Pfeilen 45 hindurchgeleitet, wobei am brenner-abseitigen Ende des Abgasraumes 43 im Innern desselben konzentrisch ein rohrförmiger Strahlungskörper 34 angeordnet ist. Der Aussendurchmesser des rohrförmigen Strahlungskörpers 34 ist etwas geringer als der Innendurchmesser des Abgasraumes 43, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls rohrförmig ausgebildet ist. Sowohl der Strahlungskörper 34 als auch die Wandung des Abgasraumes 43 sind vorzugsweise aus hitzebeständigem Metall (Stahl) hergestellt und weisen eine dunkle, vorzugsweise schwarze Färbung auf, so dass sie als ideale Strahlungskörper dienen. Der zusätzliche Strahlungskörper 34 sowie das den Abgasraum 43 begrenzende Abgasrohr fördern den Wärmeaustausch zwischen den heissen Verbrennungsgasen und der Umgebung, im vorliegenden Fall einem Wärmetauschermedium 38, das im Abstand vom Abgasrohr vorbeigeführt wird. dem Abgasrohr sowie Zwischen den heissen Verbrennungsgasen und/insbesondere dem schwarzen Strahlungskörper 34 erfolgt ein Wärmeaustausch durch Konvektion. Die von dem Abgasrohr und/oder Strahlungskörper 34 aufgenommene Wärme wird durch Strahlung wieder an die Umgebung bzw. an das Wärmetauschermedium 38 abgegeben und durch dieses an einen anderen Ort transportiert.
- Zusätzlich zu dem rohrförmigen Strahlungskörper 34 oder stattdessen können auch hinter dem Ausgang des Abgasrohres bzw. in den sich durch den Wärmetauscher 42 hindurcherstreckenden Gasführungskanälen 46 schwarze Strahlungskörper angeordnet sein, die von den heissen Verbrennungsgasen"umspült" werden. Die Form der Strahlungskörper kann z. B. eiförmig sein. Es können jedoch auch wieder rohrförmige Strahlungskörper verwendet werden. Es muss natürlich darauf geachtet werden, dass durch die Anordnung der Strahlungskörper in den Gasführungskanälen keine zu grossen Druckabfälle hervorgerufen werden.
- Die schwarzen Strahlungskörper bestehen aus Metall, vorzugsweise aus hitzebeständigem, rostfreiem Stahl. Sie können aber genau so gut aus Keramik oder Stein bestehen. Das Material hängt von dem die Strahlungskörper umströmenden Gas bzw. den im Reaktionsraum 20 stattfindenden chemischen und/oder physikalischen Reaktionen ab.
- Bei einer Anordnung der Strahlungskörper relativ weit von der Verbrennungsflamme entfernt wird die Flammentemperatur und damit die Verbrennung durch die Strahlungskörper nicht beeinflusst.
- Bei einer Anordnung der Strahlungskörper in unmittelbarer Nähe der Flamme bzw. des Reaktionsortes wird durch die Strahlungskörper, die ja Wärme nach aussen, d. h. an die Umgebung, abführen, ein Kühleffekt erzielt, der z. B. dazu führt, dass die Reaktionsgeschwindigkeit herabgesetzt wird oder eine Reaktion überhaupt nicht stattfindet (z. B. Crackprozesse).
- Bei manchen chemischen oder physikalischen Prozessen kann es auch erforderlich sein, zum Ablauf der Reaktionen von aussen Wärme zuzuführen. Dies wurde bisher gewöhnlich nur durch Erwärmung des Reaktionsraumes mittels einer Heizung oder dgl. bewerkstelligt. Es hat sich nun gezeigt, dass durch Einsatz derchorbeschrie- benen Strahlungskörper im Reaktionsraum/die Wärmeübertragung von aussen in den Reaktionsraum erheblich intensivieren lässt. Die im Reaktionsraum angeordneten Strahlungskörper ermöglichen eine zusätzliche Wärmezufuhr mittels Wärmestrahlung.
- Die Strahlungskörper eignen sich auch besonders zur gesteuerten Nachverbrennung von Abgasen in einem Abgaskanal. Zu diesem Zweck werden die Strahlungskörper im Abgaskanal in geeignetem Abstand von der Verbrennungsflamme angeordnet und von aussen durch Wärmestrahlung erhitzt. Die dann vom Strahlungskörper mittels Konvektion an die Abgase abgegebene Wärme bewirkt eine Nachzündung der Abgase, so dass eine vollständige Verbrennung vor dem Austritt der Abgase ins Freie erzielt wird. Wie die obigen Ausführungen deutlich erkennen lassen, eignet sich die beschriebene Erfindung ganz besondersfür einen Ölbrenner. Es wird daher im folgenden nochmals eingehend auf die Verhältnisse in einem Ölbrenner und die Vorteile eingegangen, die durch die erfindungsgemässe Lösung erzielt werden.
- Es gibt viele Verfahren, um die Russbildung bei einem Ölbrenner herabzusetzen. Einige dieser Verfahren sind z. B. in einer Veröffentlichung von Peterson und Skoog "Stoftbildning vid oljeeldning", Stockholm, 1972, näher beschrieben. Dabei beziehen sich die bekannten Verfahren vornehmlich auf den Einsatz von Schwerölen. Unter diesen bekannten Verfahren erwies sich der Einsatz einer Emulsion von Öl und Wasser als am geeignetsten. Doch lässt sich bei diesem Verfahren die Entstehung von kleinen Russteilchen,die zu aggressiven SO3-Konzentrationen führen, nicht vermeiden, wenn als Brennstoff Leichtöle verwendet werden. Die Entsteheung dieser für die menschliche Lunge gefährlichen kleinen Russteilchen können durch Verbesserung der Verbrennung reduziert werden. Die Verbrennungsintensität oder Massendurchflussrate, die pro Masseneinheit öl verbrannt wird, kann wie folgt definiert werden:
- ṁ = die Massendurchflussrate pro Masseneinheit eines Tröpfchens,
- d = der Tröpfchendurchmesser,
- cy= die Konzentration des "Öldampfes" an der Tröpfchenoberfläche,
- cf= die Dampfkonzentration in der Flamme,
- δ = die Dichte des Öls bei Tropfentemperatur, und
- B = der Transferkoeffizient für den Dampf
- Aus der obigen Gleichung (1) geht hervor, dass sich die Verbrennungsintensität erhöht bei:
- a) einerReduzierung des Tröpfchendurchmessers,
- b) einer Zunahme des Wertes von cy, der durch Erhöhung der Öltemperatur, z. B. durch Vorwärmung, erhöht werden kann, und
- c) einerErhöhung des Wertes von B, der durch folgende Gleichung bestimmt wird:
- D = der Diffusionskoeffizient,
- Pf = der Partialdruck entsprechend dem Wert von cy, und
- Ptot = der Gesamtdruck in der Brennzone
- Die Anwendung der Gleichung (2) ist begrenzt auf den Fall, in dem kein Einfluss einer Relativbewegung zwischen dem Tröpfchen und der Umgebung vorhanden ist.
- Wie aus der Gleichung (2) ersichtlich ist, kann der Wertβ - und folglich der Wert m - erhöht werden durch Erhöhung der Temperatur der Umgebung des Öltröpfchens, in der Regel der Luftatmosphäre, da der Wert von D temperaturabhängig und-dD/dT > 0 ist. Die Tröpfchengrösse ist also von grosser Bedeutung, da kleinere Tröpfchen zu einem höheren Wert von B führen.
- Zusammenfassend ergibt sich also, dass die Verbrennung verbessert werden kann durch
- - kleine Öltröpfchen,
- - höhere Temperaturen des die Tröpfchen umgebenden Mediums, meist Luft.
- Die erste Bedingung wird in optimaler Weise durch eine Düse gemäss den Fig. 1a bis 1d erfüllt. Die zweite Bedingung kann sehr leicht dadurch erfüllt werden, dass in den Zerstäuberraum 12 und gegebenenfalls Reaktionsraum 20 jeweils vorgewärmte Luft eingeleitet wird.
- Die dritte Bedingung kann ebenfalls sehr einfach durch Vorwärmung des zu verbrennenden Öls erfüllt werden.
- Wie oben bereits im Zusammenhang mit dem Reaktionsraum 20 ausführlich dargelegt worden ist, wird durch die erfindungsgemässe Schraubenbewegung der Flüssigkeitströpfchen durch den Reaktionsraum hindurch eine für eine vollständige Verbrennung ausreichende Verweilzeit der Tröpfchen im Reaktions- raum 20 erzielte obwohl der Reaktionsraum 20 sehr kurz gebaut ist. Die kurze Bauweise des Reaktionsraumes 20 hat im übrigen den Vorteil, dass Wärmestrahlungsverluste im Bereich des Reaktionsraumes entsprechend gering sind.
- Trotz der kurzen Bauweise des Reaktionsraumes 20 wird also bei der erfindungsgemässen Lösung eine vollständige Verbrennung in diesem Raum gewährleistet.
- Versuche haben gezeigt, dass die Russbildung bei Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens bzw. Einsatz der erfindungsgemässen Vorrichtung gemäss Fig.7 nahezu Null ist. Dabei hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn bei Hintereinanderanordnung von Zerstäuberraum und Transport- bzw. Reaktionsraum von dem zur Verfügung stehenden Druckgas etwa 15 % in den Zerstäuberraum und 85 % in den Transportraum eingeleitet werden. Die Geschwindigkeit des in den Transportraum eingeleiteten Druckgases, z. B. Luft, beträgt vorzugsweise zwischen etwa 50 bis etwa 150 m/Sekunde. Diese Werte haben sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, insbesondere werden Luftüberschüsse vermieden, die zu unerwünschter S03-Bildung führen. Eine geringe S03-Bildung hat auch eine Abnahme der Russbildung zur Folge, wie bereits durch Gaydon et al in der Veröffentlichung "Proc. of Royal Society", London, 1947, nachgewiesen worden ist.
- Im folgenden sollen noch einige Worte über die Entstehung von Stickoxiden erwähnt werden. Stick- oxide (NOX) sind insbesondere für Tiere/sehr gefährlich. Aus diesem Grunde wird in vielen Ländern durch Gesetze verlangt, dass die Stickoxid-Konzentration in Abgasen einen bestimmten Wert nicht übersteigen darf. In Deutschland darf die Stickoxid-Konzentration bei Ölbrennern (mit Schweröl betrieben) 500 ppm im Abgas nicht übersteigen.
- Die Bildung von Stickoxiden ist eine Folge von
- - dem Anteil von Stickstoffatomen in den Öl bildenden Substanzen.Etwa 50 % der Stickoxide, die bei der Verbrennung entstehen, stammen unmittelbar von den Öl bildenden Komponenten,
- - der Bildung von Stickoxiden bei der Verbrennung.
- Bei letzterer entstehen NO sowie N02. Die Entstehung von NO wurde intensiv untersucht. Dabei wurden folgende Ergebnisse gewonnen:
- - eine Erhöhung der Flammentemperatur vermindert die Entstehung von N0,
- - geringer Luftüberschuss fördert die Bildung von NO,
- - die Bildung von NO ist sehr stark abhängig von der Zeit, die für die Bildung zur Verfügung steht. Es wird in diesem Zusammenhang auf die Fig. 9 hingewiesen, in der die Entstehung von NO-in Abhängigkeit von der Verweilzeit der Verbrennungsgase im Brennraum graphisch dargestellt ist. Aus Fig. 9 geht auch hervor, dass die Entstehung von NO von der Brennlufttemperatur abhängt.
- Bei Verwendung der Einheit gemäss Fig. 7 als Ölbrenner erhält man auf Grund der kleinen Bauweise (extrem kurzer Reaktionsraum 20) eine entsprechend geringe Verweilzeit der Verbrennungsgase. Ferner wird die Brennzeit selbst auf Grund der extrem kleinen Flüssigkeits- bzw. Öltröpfchen auf ein Minimum reduziert. Die Verweilzeit der Tröpfchen und Abgase in der Einheit gemäss Fig. 7 beträgt etwa 0,07 Sekunden. Gemäss Fig. 9 bilden sich daher bei Verwendung der Einheit gemäss Fig. 7 als Ölbrenner etwa 20 ppm NO. Dabei spielt es bei dieser kurzen Verweilzeit auch kaum eine Rolle, wenn die Verbrennungsluft vorgewärmt wird. Wie oben dargelegt worden ist, wird durch Vorwärmung der Verbrennungsluft die Verbrennung selbst bzw. die Verbrennungsintensität verbessert.
- In Fig. 10 sind die NO-Werte eines erfindungsgemäss ausgebildeten Ölbrenners im Vergleich zu herkömmlichen Ölbrennern nochmals schematisch dargestellt, und zwar in Abhängigkeit von der Öl-Durchflussrate (l/h) und dem Sauerstoffanteil bei der Verbrennung.
- Der Einsatz der Vorrichtung gemäss Fig. 7 mit Zerstäubereinheit und Reaktionseinheit als Ölbrenner führt also zu einer optimalen, russfreien Verbrennung bei extrem niedrigem Luftüberschuß mit einem Wirkungsgrad von mindestens 92 %.
- Sämtliche in den Unterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie nicht einzeln oder in Kombination durch den Stand der Technik vorweggenommen sind.
bedeuten.
bedeuten.
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