EP0050884A1

EP0050884A1 - Resonanzkammerzerstäuber für Flüssigkeiten

Info

Publication number: EP0050884A1
Application number: EP81201078A
Authority: EP
Inventors: Jakob Dr. Keller
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1980-10-29
Filing date: 1981-09-29
Publication date: 1982-05-05
Also published as: US4458842A; DE3166989D1; EP0050884B1; CA1178880A

Abstract

Der Zerstäuber besitzt in konventioneller Weise ausgeführte Zuführleitungen für das zerstäubende Gas und die zu zerstäubende Flüssigkeit (23 bzw. 27) sowie einen Austrittskanal (24) ebenfalls konventioneller Art für das Gemisch aus Gas und zerstäubter Flüssigkeit. Zwischen dem Austrittsquerschnitt der Zuführleitung (23) für das Gas und dem Eintrittsquerschnitt des Austrittskanals (24) befindet sich eine ebenflächig begrenzte Resonanzkammer (21) von flacher, vorzugsweise prismatischer Form, deren Hauptausdehnung quer zur Durchströmungsrichtung des Zerstäubers verläuft.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Resonanzkammerzerstäuber für Flüssigkeiten nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei der Anwendung von Flüssigkeitszerstäubern für Oelfeuerungen kleiner Leistung mit den heute üblichen Mischeinrichtungen ist es ohne aufwendige Einrichtungen und dementsprechende Kosten nicht möglich, einen maximalen Ausbrand bei stöchiometrischem oder quasistöchiometrischem Brennstoff/Luft-Verhältnis zu erzielen. Infolgedessen ist die Ausnutzung des Brennstoffes nicht in dem Masse möglich, wie es bei den heutigen und noch mehr bei den künftig zu erwartenden Brennstoffpreisen wünschbar wäre.
Voraussetzung für eihe rückstandsfreie Verbrennung ist bei flüssigen Brennstoffen eine sehr feine Vernebelung und eine innige, gleichmässige Vermischung mit der zur Verbrennung erforderlichen Luftmenge. Bei nicht genügend feiner Zerstäubung des Brennstoffes ist ein höherer Luftüberschuss Voraussetzung für einen einigermassen befriedigenden Ausbrand, womit aber die in den Abgasen enthaltene Wärmeenergie zunimmt.
Durch eine feinere Zerstäubung und dementsprechend kleineren Verbrennungsluftbedarf reduziert sich die in den Abgasen enthaltene Wärmeenergie, was eine bessere Ausnützung der Verbrennungswärme zur Folge hat.
Eine solche feine Zerstäubung ist mit den üblichen Kleinbrennern für Haushaltsheizungen nicht möglich, was eine Reihe wirtschaftlicher und betrieblicher Nachteile mit sich bringt. So ist es nicht möglich, den Brenner mit beliebig kleiner Brennstoffzufuhr, d.h., mit Teillast zu betreiben, da sonst wegen unvollkommener Verbrennung der Kamin verrussen und die Gefahr eines Kaminbrandes bestehen würde. Wegen des grossen, für eine vollständige Verbrennung erforderlichen Luftüberschusses ist auch die Verbrennungstemperatur und damit auch die Abgastemperatur nicht hoch genug, um ein Unterschreiten des Taupunkts für das bei der unvollständigen Verbrennung entstehende S0₂ und damit eine Korrosion am Kesselende zu vermeiden.
Der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 definierte Resonanzkammerzerstäuber entstand aus der Aufgabe, einen besonders für Oelbrenner kleinerer Leistung geeigneten Zerstäuber zu schaffen, der bei einfacherem Aufbau und billigerer Herstellung eine gegenüber dem heutigen Stand verbesserte Brennstoffausnützung bieten sollte.
Die Erfindung macht dabei von der Tatsache Gebrauch, dass in schwingungsfähigen Kavitäten Gasschwingungen mit Druckwellen hoher Amplituden auftreten, die auf im Gas enthaltene Flüssigkeitspartikel eine starke Zerstäubungswirkung ausüben.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiele von Oelbrennern näher beschrieben.
In der Zeichnung stellen dar:

Fig. 1 bis 3 in schematischer Darstellung drei Ausführungsformen des erfindungsgemässen Zerstäubers mit verschiedenen Kombinationen für die Anordnung der Luft- und Brennstoffdüsen sowie der Mischkammern, die
Fig. 4 und 5 ein Ausführungsbeispiel im Aufriss und Seitenriss, beide teilweise geschnitten,
Fig. 6 eine Ausführung in Form eines Ringbrenners,. und die
Fig. 7 eine Variante der Ausführung nach Fig. 1.

Das Prinzip sei zunächst anhand der in Fig. 1 gezeigten, einfachsten Anordnung von Luftdüse, Brennstoffdüse und Mischkammer, die hier funktionsmässig als Resonanzkammer ausgebildet ist, beschrieben.
In der Achse des Luftkanals 1 befindet sich die Brennstoffzuleitung 2, deren Brennstoffdüse 3 in die Resonanzkammer 4 mündet. Diese Resonanzkammer 4 ist ein flacher quaderförmiger Raum, dessen Höhe senkrecht zur Zeichenebene gleich dem Mündungsdurchmesser des Luftkanals 1 am Eintritt in die Resonanzkammer ist. Das in der Resonanzkammer zerstäubte Brennstoff/Luft-Gemisch tritt durch die als Diffusor ausgebildete Brennerdüse 5 in den Brennraum ein, wo es gezündet wird. Sowohl die Luftdüse 1 als auch die Brennerdüse 5 sind im Querschnitt rechteckig, wobei die Düsenbreite senkrecht zur Zeichenebene am Uebergang in die Resonanzkammer gleich ist der Breite der Resonanzkammer. Es ist aber auch möglich, dass der Querschnitt dieser Düsen von einem Rechteck an der engsten Stelle in einen Ellipsen-, Kreis- oder sonstigen Querschnitt an ihrer weitesten Stelle übergeht..
In der als Resonanzkammer ausgebildeten Mischkammer treten Kavitätsschwingungen mit hohen Druckamplituden auf, die, wie eingangs erwähnt, eine besonders gute Zerstäubung des durch die Düse 3 mit der Luft in die Resonanzkammer eintretenden Brennstoffes bewirken.
Beim Einströmen der Luft aus dem Luftkanal 1 in die Resonanzkammer 4 wird der Luftstrahl, dessen Grenzbereich mit 6 bezeichnet ist, zusammen mit dem aus der Brennstoffdüse 3 herausgesaugten Brennstoffstrahl 7 durch eine starke akustische Welle, deren Wellenfront mit 8 bezeichnet ist,. in die eine Hälfte der Resonanzkammer abgelenkt. Nach der Reflexion der Welle an der oberen Wandung trifft ihre Front, der sich zwischenzeitlich eine durch den Aufprall des Strahls auf einen stromabwärts gelegenen Wandteil erzeugte Wellenfront überlagert 'hat, mit erheblicher Wucht auf den bereits in mehr oder weniger feine Tröpfchen zerrissenen Brennstoffstrahl 7 und zerstäubt ihn zu einem äusserst feinen Nebel, der beim abermaligen Rücklauf der Wellenfront von deren Nachlauf nachgesaugt und, wie durch den Pfeil 9 angedeutet, durch die Brennerdüse 5 in den Brennraum gefördert wird, wo dieser feine Brennstoffnebel mit wesentlich kleinerem Luftüberschuss als bei konventionellen Brennern vollständig verbrannt wird. Im Gleichgewichtszustand wird also die Primärwelle laufend durch Sekundärwellen gespiesen, die durch den Aufprall des Strahls an den stromabwärts gelegenen Wandteilen der Resonanzkammer erzeugt werden.
Somit läuft also die Primärwelle mit fast gleichbleibender Amplitude in der Resonanzkammer quer zur Achse der Brennerdüse hin und her und zerschlägt dabei den eintretenden Brennstoffstrahl zu dem erwähnten, äusserst feinen, mit Luft innig vermischten Nebel, der jeweils nach dem Vorbeigang der Wellenfront am Eintrittsquerschnitt der Brennerdüse in diese hineingesaugt wird.
Die in Fig. 2 schematisch dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von jener nach Fig. 1 nur dadurch, dass die Brennstoffzufuhr über zwei quer zur Achse des Luftkanals 10 in der Resonanzkammer 11 angeordnete Brennstoffzuleitungen 12 erfolgt, deren Düsen 13 im Grenzbereich des in die Resonanzkammer eintretenden Luftstromes münden.
Die in Fig. 3 gezeigte Variante unterscheidet sich von den beiden vorhergehenden durch eine Resonanzkammer 14, bei der die Achsen der beiden Hälften 15 geneigt zur gemeinsamen Achse von Luftkanal 16 und Brennerdüse 17 liegen. Die Sekundärwellen entstehen bei dieser Ausführung an den Endwänden der Resonanzkammer, was unter Umständen zu einer vollständigeren Ueberlagerung der Sekundärwellen mit der Primärwelle führt und eine noch bessere Zerstäubung des Brennstoffes bewirkt.
Die Fig. 4 und 5 zeigen eine konkrete Ausführungsform nach dem Schema der Fig. 2. Mit dem Befestigungsflansch 18 wird der Brenner am Gehäuse des Heizkessels angeschraubt. Mittels Innensechskantschrauben 19 ist am Flansch 18 das Brennergehäuse 20 befestigt, dessen Resonanzkammer 21 durch Deckel 22 nach aussen abgedichtet ist. Die Höhe der Resonanzkammer 21, deren Querschnitt parallel zur gemeinsamen Achse von Luftkanal 23 und Brennerdüse 24 rechteckig ist, kann durch zwei Gleitstücke 25 in Verbindung mit je einer Stellschraube 26 so eingestellt werden, dass beim vorgesehenen Druckgefälle zwischen Luftkanaleintritt und Brennerdüsenaustritt eine bestmögliche Zerstäuberwirkung auftritt. Die zwei Brennstoffzuleitungen 27, deren freie Enden die Düsen bilden, ragen durch Bohrungen in den Deckeln 22 und in den Gleitstücken 25 in die Resonanzkammer 21 und sind durch 0-Ringe 28 gegen aussen abgedichtet. Zur Abdichtung der Stellschrauben sind Dichtmanschetten 29 vorgesehen.
Bei dem in Fig. 6 schematisch dargestellten Ringbrenner, der nach dem gleichen Prinzip wie die vorstehend beschriebenen Zerstäuber arbeitet, sind der Luftkanal, die Resonanzkammer und die Brennerdüse als Rotationskörper ausgeführt. Sie werden dementsprechend als Luftringkanal 30, Resonanzringkammer 31 und Brennerringdüse 32 bezeichnet. Die Zuführung des Brennstoffes erfolgt über eine Brennstoffzuleitung 33 in eine Brennstoffringleitung 34, die über den Umfang in gleichen Abständen verteilte Düsen 35 aufweist.
Die vom Gebläse geförderte Luft gelangt durch einen rotationssymmetrischen Einlauftrichter 36 in den Luftringkanal 30.
Zu jeder der Düsen 35 gehört ein Bereich der Resonanzringkammer, in dem der Mechanismus der Zerstäubung wie oben beschrieben abläuft. Diese Bereiche brauchen voneinander nicht materiell getrennt zu sein, wobei sich aber die Kavitätsschwingungen in gewisser Weise gegenseitig beeinflussen. Der Zerstäubungseffekt wird dadurch aber nicht beeinträchtigt.
Es ist natürlich auch möglich, die zu den einzelnen Düsen gehörigen Bereiche der Resonanzringkammer durch radiale Zwischenwände gegeneinander abzuschotten, so dass sich die Kavitätsschwingungen benachbarter Bereiche nicht beeinflussen. In der Brennerringdüse 32 vereinigen sich die aus den einzelnen, voneinander getrennten Bereichen austretenden Brenngemische zu einem zusammenhängenden ringförmigen Strahl.
Die in Fig. 7 dargestellte Variante unterscheidet sich von der Ausführung nach Fig. 1 durch am Eingang der Brennerdüse 5 oben und unten vorgesehene Störlippen 37, die sich besonders bei schwachen Gebläsedrücken zur Verstärkung der Sekundärwellen eignen, wodurch die Amplituden der Kavitätsschwingung und damit die zerstäubende Wirkung verstärkt werden.
Dieselbe Wirkung erzeugen bei der Ausführung nach Fig. 3 mit schräg zur Strahlachse liegenden Hälften der Resonanzkammer die scharfen, im Querschnitt spitzwinkligen Kanten, die von den oberen und unteren Wänden der Brennerdüse und den zwei vorderen schrägen Wänden der Resonanzkammer gebildet werden.
Bei einem Ringbrenner nach Fig. 6 kann die Resonanzkammer ebenfalls mit einem Axialschnitt entsprechend der Ausführung nach Fig. 3 ausgeführt werden. Der Axialschnitt hat dann, allgemein gesprochen, die Form eines im wesentlichen geradlinig begrenzten Vielecks, dessen Symmetrieachse 38, wie in der oberen Hälfte der Fig. 6 gezeigt, durch den Mittelpunkt einer Brennstoffdüse und den Mittelpunkt 39 der Höhe der Brennerringdüse 32, allgemein also des Austrittskanals, an seinem Eintrittsquerschnitt bestimmt ist.
Analog der Ausführung nach.Fig. 2 kann bei einer solchen Ringbrennkammer der Brennstoff'änstatt durch eine Brennstoffringleitung 34 auch durch eine Mehrzahl radialer, von aussen bzw. von innen in die Resonanzkammer hineingeführter Leitungen in den Bereich des aus dem Luftringkanal austretenden Luftstrahles zugeführt werden.
Die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele zeigten die Anwendung des erfindungsgemässen Zerstäubungsprinzips auf Brennereinrichtungen. Es beschränkt sich jedoch keinesfalls auf diese Anwendungen allein, sondern kann bei allen Zerstäubungsapparaturen Anwendung finden, bei denen es auf besonders feine Vernebelung ankommt, beispielsweise in der Lackiertechnik.
Der Vorteil dieses Resonanzkammerzerstäubers gegenüber konventionellen Ultraschallzerstäubern liegt vor allem darin, dass er bereits bei kleinem Ueberdruck einwandfrei arbeitet. Er lässt sich also mit einem Gebläse von vergleichsweise geringer Leistung betreiben und erzeugt dabei Schwingungsamplituden, die höher sind als bei konventionellen mechanischen Ultraschallzerstäubern und vergleichbar sind mit den Amplituden, die mit konventionellen Resonanzkammerzerstäubern bei hohem Ueberdruck (1-2 atü) erreicht werden.

Bezeichnungsliste

1 Luftkanal
2 Brennstoffzuleitung
3 Brennstoffdüse
4 Resonanzkammer
5 Brennerdüse
6 Grenzbereich des Luftstroms
7 Brennstoffstrahl
8 Wellenfront
9 Pfeil, der die Bewegung des Brennstoff/Luft-Gemisches in die Brennerdüse anzeigt
10 Luftkanal
11 Resonanzkammer
12 Brennstoffzuleitungen
13 Düsen
14 Resonanzkammer
15 Hälften der Resonanzkammer 14
16 Luftkanal
17 Brennerdüse
18 Befestigungsflansch
19 Innensechskantschraube
20 Brennergehäuse
21 Resonanzkammer
22 Deckel
23 Luftkanal
24 Brennerdüse
25 Gleitstücke
26 Stellschrauben
27 Brennstoffzuleitungen
28 0-Ring
29 Dichtmanschette
30 Luftringkanal
31 Resonanzringkammer
32 Brennerringdüse
33 Brennstoffzuleitung
34 Brennstoffringleitung
35 Düsen
36 Einlauftrichter
37 Störlippen
38 Symmetrieachse der Resonanzringkammer 31
39 Mittelpunkt der Höhe der Brennerringdüse 32 an ihrem Eintrittsquerschnitt

Claims

1. Resonanzkammerzerstäuber für Flüssigkeiten, mit getrennten Zuführleitungen für das zur Zerstäubung dienende Gas und die Flüssigkeit zur Mischkammer der beiden Medien, wobei die Enden der Zuführleitungen für die Flüssigkeit als Düsen ausgebildet sind, und mit einem von der Mischkammer nach aussen führenden Austrittskanal für das zerstäubte Gemisch, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischkammer als Resonanzkammer (4, 11, 14, 21, 31) von im wesentlichen flacher, parallelepipedischer Form ausgebildet ist, die sich von einer geometrischen Achse, die durch die Mittelpunkte des Austrittsquerschnittes der Zuführleitung (1, 10, 16, 23, 30) für das Gas und des Eintrittsquerschnittes des Austrittskanals (5, 17, 24, 32) bestimmt ist, im wesentlichen symmetrisch nach beiden Seiten erstreckt.

2. Resonanzkammerzerstäuber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzkammer .(4, 11, 21) die Form eines flachen Rechteckprismas aufweist.'

3. Resonanzkammerzerstäuber nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Störlippen (37) an den zwei gegenüberliegenden Kanten des Einlaufquerschnittseinesals Brennerdüse (5) ausgebildeten Austrittskanals, die-von der Durchdringung der Brennerdüse (5) und einer Wand der Resonanzkammer (4) gebildet sind.

4. Resonanzkammerzerstäuber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der Resonanzkammer (14) ein Parallelepiped ist, dessen Querschnitt sich aus zwei ungleichschenkligen Trapezen zusammensetzt, deren eine Schenkel rechtwinklig zu den zueinander parallelen Seiten liegen und deren andere Schenkel zusammenfallen.

5. Resonanzkammerzerstäuber für Oelbrenner mit getrennten ringförmigen Zuführleitungen für die zur Zerstäubung dienende Brennluft und das Oel zur Mischkammer der beiden Medien, wobei die ringförmige Zuführleitung (34) für das Oel eine Mehrzahl von über ihren mittleren Umfang verteilten Brennstoffdüsen (35) aufweist, sowie mit einer von der Mischkammer nach aussen führenden, ringförmigen Brennerringdüse (32) für das zerstäubte Brenngemisch, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischkammer als ringförmige Resonanzkammer (31) ausgebildet ist, deren erzeugender Axialschnitt die Form eines im wesentlichen symmetrischen Vielecks aufweist, dessen Symmetrieachse (38) durch den Mittelpunkt des Austrittsquerschnittes einer Brennstoffdüse (35) und der Mitte (39) der Höhe der Brennerringdüse (32) im Eintrittsquerschnitt bestimmt ist.

6. Resonanzkammerzerstäuber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erzeugende Axialschnitt der Resonanzkammer (31) ein Rechteck ist.