EP0099422A2 - Zerstäubungsbrenner - Google Patents

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EP0099422A2
EP0099422A2 EP82108896A EP82108896A EP0099422A2 EP 0099422 A2 EP0099422 A2 EP 0099422A2 EP 82108896 A EP82108896 A EP 82108896A EP 82108896 A EP82108896 A EP 82108896A EP 0099422 A2 EP0099422 A2 EP 0099422A2
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EP
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mixing chamber
burner according
openings
rotor
compressed gas
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EP0099422A3 (en
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Uwe Dräger
Norbert Dräger
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Det Drager Energie Technik GmbH and Co KG
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Det Drager Energie Technik GmbH and Co KG
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B17/00—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups
    • B05B17/04—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods
    • B05B17/06—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods using ultrasonic or other kinds of vibrations
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/34—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space by ultrasonic means or other kinds of vibrations

Definitions

  • the invention relates to an atomizing burner for liquid fuels with a housing in which channels concentric with one another for the supply of a compressed gas and the fuel are arranged in front of a mixing chamber, and with an ultrasonic generator.
  • Atomizing burners are used, in particular, to atomize liquid fuels, even very viscous ones, in such small particles that perfect and residue-free combustion is achieved. Atomization with the aid of ultrasound has proven to be very effective because it also promotes an intensive mixture between the atomized or gaseous fuel and the reaction oxygen.
  • the ultrasound is generated by a compressed gas stream at high speed, which is deflected towards the mouth by an abutment arranged in the compressed gas mouth and thereby generates an oscillation field.
  • the effects of this vibration field are limited to the mouth area.
  • the sound energy that can be generated is also limited.
  • the object of the invention is to substantially improve the Ultraschallzerstäubungs antique at a Zerstäubun g s-burner of the above-described genus.
  • the ultrasound generator is arranged in the pressurized gas channel and consists of two inserts with through-openings for the pressurized gas and taking up the cross section of the pressurized gas channel.
  • the entire compressed gas flowing through the compressed gas channel is set into high-frequency vibrations which have a sufficiently high energy to not only improve the atomization but also without mixing through the formation of turbulence.
  • the inserts can be formed as rotating disks arranged closely next to one another, through which the compressed gas flows, each passage opening only allowing a gas flow to pass if it is aligned with the associated passage opening of the other notes.
  • the inserts are arranged as drums arranged concentrically to one another, on the respective circumference of which the through openings are arranged.
  • both inserts i.e. disks or drums
  • both inserts i.e. disks or drums
  • one insert is a stator and the other is a rotor. Then an external drive can be connected to the rotor, with which the speed of the rotor and thus the sound frequency generated can be controlled.
  • the rotor is driven by the pressurized gas flow and for this purpose has nozzle-like through openings or a blading acted upon by the pressurized gas flow.
  • a side facing the mixing chamber is located coaxially to the rotor on its side facing away from the mixing chamber
  • a reflector is arranged, which reflects the sound energy and bundles it in the direction of the mixing chamber, so that sufficient sound energy is also available in the area of the mixing chamber.
  • a further reflector can be arranged at the end of the mixing chamber, which also reflects and bundles the incident sound energy, for example onto the region of the mouth of the channel leading to the fuel.
  • the reflectors can also be designed and adjusted such that they apply sound energy to certain areas of the atomizing burner and thereby contribute, for example, to the cleaning of heating surfaces by ultrasound. This is preferably done with parabolic reflectors.
  • the pressurized gas between the ultrasonic generator and the mixing chamber has to cover longer distances, in addition in the area of the mixing chamber may be arranged, which in turn are excited by the incident sound vibrations to natural oscillations annular H elmholtz resonators.
  • the housing part delimiting the mixing chamber should be adjustable in the direction of the concentric channels, as a result of which the exit cone of the atomized or atomizing fuels and so that the flame length can be influenced.
  • the shape of the flame can also be adjusted by adjusting the oscillation frequency, ie by changing the speed of the rotor and / or different design of the through openings in the inserts vary.
  • the through openings can be designed as slots, as bores or openings with other cross sections in different divisions.
  • the atomization burner shown in FIGS. 1 and 2 has an essentially cylindrical housing 1, into which a tube 2 with fuel channels 3, 4 concentric with one another is introduced radially.
  • the pipe 2 merges with a bend 5 into a section 6 which is concentric with the housing 1 and opens into the region of a mixing chamber 7.
  • the annular space between the housing 1 and the tube 2 is a compressed gas channel 8 which extends between the mixing chamber 7 and an ultrasound generator 9 arranged at the other end of the housing 1.
  • the ultrasonic generator 9 has a housing section 10 with an enlarged diameter, into which a connecting piece 11 for the supply of compressed gas opens tangentially.
  • the wall of the housing section 10 has a plurality of through openings 12 which, as shown, extend in the direction of the connecting piece 11.
  • the housing section 10 there is a drum-like rotor 13, the outside diameter of which is only slightly smaller than the inside diameter of the housing section 10.
  • the through openings 12, 14 are designed as slots which extend in the longitudinal direction of the housing axis.
  • the rotor 13 is mounted at the end of the housing and connected to an electric motor 15 which is flanged to the housing 1 at the end.
  • the electric motor 15 drives the rotor 13.
  • the pressurized gas brought through the connecting piece 11 can only pass through the through openings 12, 14 if corresponding through openings are aligned with one another.
  • the rotor 13 in the housing section 10 thus acts as an ultrasound generator, the vibration energy of which is transmitted to the mixing chamber 7 via the compressed gas channel 8.
  • a parabolic reflector 16 is arranged, which is indicated in Fig. 1 with dashed lines. This reflector collects the sound energy and emits it in the direction of the mixing chamber 7.
  • the mixing chamber 7 is in turn delimited by a reflector 17, which also has a parabolic shape, but is set in such a way that the acoustic vibration energy absorbed by this reflector 17 is concentrated in the mouth region of the fuel channels 3, 4.
  • the mixing chamber 7 is delimited on the outside by a housing part 18 which carries the reflector 17 and is also adjustable in the axial direction of the housing 1. By adjusting the housing part 18, the flame that forms before the mouth of the fuel channels 3, 4 can be influenced.
  • a plurality of series-connected Helmholtz resonators are arranged on the inner circumference of the housing part 18, which resonators are excited by the incident sound energy and in turn emit sound energy.
  • the sound energy generated in the ultrasound generator 9 and transmitted into the mixing chamber 7 ensures very fine atomization of the liquid fuels supplied. It also ensures intensive mixing of the compressed gas by creating turbulence the atomized fuel. If the burner is additionally operated with gaseous fuels or only with gaseous fuels, the acoustic energy ensures that these fuels are mixed intensively with the compressed gas.
  • the same reference numerals designate the same parts.
  • the two disks 20, 21 are rotatably mounted close to each other.
  • the two disks 20, 21 have mutually assigned through openings 12 14, which, as shown in FIG. 4, can be designed as slots or as circular through openings and also as through openings of any cross section.
  • the two disks 20, 21 rotate in opposite directions, because each disk 20 or 21 has an upstream or downstream blading which lies in the compressed gas stream, which accordingly drives the disks 20, 21 in opposite directions.
  • the oppositely rotating disks 20, 21 also act as ultrasound generators, the vibrational energy of which reaches the mixing chamber 7 via the compressed gas channel 8.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zerstäubungsbrenner für flüssige Brennstoffe mit einem Gehäuse, in dem zueinander konzentrische Kanäle für die Zufuhr eines Druckgases und des brennstoffes vor einer Mischkammer angeordnet sind und mit einem Ultraschallerzeuger. Um die Ultraschallzerstäubungsleistung wesentlich zu verbessern, ist der Ultraschallerzeuger im Druckgaskanal angeordnet und besteht aus zwei den Querschnitt des Druckgaskanals einnehmenden, relativ zueinander drehbaren Einsätzen mit Durchgangsöffnungen für das Druckgas.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Zerstäubungsbrenner für flüssige Brennstoffe mit einem Gehäuse, in dem zueinander konzentrische Kanäle für die Zufuhr eines Druckgases und des Brennstoffes vor einer Mischkammer angeordnet sind, und mit einem Ultraschallerzeuger.
  • Zerstäubungsbrenner dienen dazu, insbesondere flüssige Brennstoffe, und zwar auch sehr zähflüssige, in derart kleine Teilchen zu zerstäuben, daß eine einwandfreie und möglichst rückstandsfreie Verbrennung erzielt wird. Eine Zerstäubung mit Hilfe von Ultraschall hat sich als sehr wirksam erwiesen, weil dadurch auch eine intensive Mischung zwischen dem zerstäubten oder gasförmigen Brennstoff und dem Reaktionssauerstoff gefördert wird.
  • Bei aus der Praxis bekannten Brennern, die mit den sogenannten Hartmannschen Schallschwingungsgeneratoren arbeiten, kann nur eine sehr geringe Schalleistung erzeugt werden, die lediglich zur Zerstäubung geringer Brennstoffmengen ausreicht. Ein Mischungseffekt wird dabei so gut wie garnicht beobachtet.
  • Ferner ist es bekannt, mit Hilfe von elektrisch erregten Quarz-oder Stabschwingern Ultraschall in sehr hohem Frequenzbereich zu erzeugen und damit Flüssigkeiten zu zerstäuben. Auch damit können aber nur geringe Flüssigkeitesmengen zerstäubt werden, die in der Größenordnung von weniger als ein kg/h liegen.
  • Bei einem Zerstäubungsbrenner der eingangs beschriebenen Gattung (DE-PS 15 51 648) wird der Ultraschall durch einen Druckgasstrom hoher Geschwindigkeit erzeugt, der von einem in der der Druckgasmündung angeordneten Widerlager in Richtung auf die Mündung abgelenkt wird und dadurch ein Schwingungsfeld erzeugt. Die Wirkungen dieses Schwingungsfeldes sind allerdings auf den Mündungsbereich begrenzt. Ebenso ist die damit erzeugbare Schallenergie begrenzt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Zerstäubungs-brenner der eingangs beschriebenen Gattung die Ultraschallzerstäubungsleistung wesentlich zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Ultraschallerzeuger im Druckgaskanal angeordnet ist und aus zwei den Querschnitt des Druckgaskanals einnehmenden, relativ zueinander drehbaren Einsätzen mit Durchgangsöffnungen für das Druckgas besteht.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Zerstäubungsbrenner wird das gesamte, durch den Druckgaskanal strömende Druckgas in hochfrequente Schwingungen versetzt, die eine hinreichend große Energie besitzen, um nicht nur die Zerstäubung sondern auch oie Durchmischung durch Turbulenzbildung verbessern.
  • Dabei sind verschiedene Anordnungen möglich. So kann man die Einsätze als dicht nebeneinander angeordnete, rotierende Scheiben ausbilden, die vom Druckgas du-chströmt werden, wobei jede Durchgangsöffnung nur dann einen Gasstrom passieren läßt, wenn sie mit der zugeordneten Durchgangsöffnung der jeweils anderen Scheine fluchtet.
  • Ähnliches gilt auch dann, wenn die Einsätze als konzentrisch zueinander angeordnete Trommeln angeordnet sind, auf deren jeweiligen Umfang die Durchgangsöffnungen angeordnet sind.
  • Grundsätzlich ist eine Ausführung möglich, bei der beide Einsätze, also Scheiben oder Trommeln, gegenläufig gedreht werden. Dann kann mit verhältnismäßig geringen Drehzahlen eine sehr hohe Schallfrequenz erzeugt werden.
  • Bevorzugt ist jedoch eine Ausführung, bei der ein Einsatz ein Stator und der andere ein Rotor ist. Dann kann nämlich an den Rotor ein externer Antrieb angeschlossen werden, mit dem die Drehzahl des Rotors und damit die erzeugte Schallfrequenz gesteuert werden kann.
  • Es besteht aber auch die Möglichkeit, daß der Rotor von der Druckgasströmung angetrieben ist und dazu düsenartige Durchgangsöffnungen oder eine von der Druckgasströmung beaufschlagte Beschaufelung aufweist.
  • Da hochfrequente Schallschwingungen in einem Gasstrom verhältnismäßig stark gedämpft werden, ist es zweckmäßig, wenn koaxial zum Rotor auf seiner der Mischkammer abgewandten Seite ein zur Mischkammer gerichteter Reflektor angeordnet ist, der die Schallenergie reflektiert und in Richtung auf die Mischkammer bündelt, so daß auch im Bereich der Mischkammer hinreichende Schallenergie zur Verfügung steht. Zusätzlich kann am Ende der Mischkammer ein weiterer Reflektor angeordnet sein, der ebenfalls die auftreffende Schallenergie reflektiert und bündelt, beispielsweise auf den Bereich der Mündung des den Brennstoff heranführenden Kanals. Zusätzlich können die Reflektoren aber auch so ausgebildet und eingestellt werden, daß sie bestimmte Bereiche des Zerstäubungsbrenners mit Schallenergie beaufschlagen und dadurch beispielsweise zur Reinigung von Heizflächen durch Ultraschall beitragen. Das gelingt vorzugsweise mit Parabolreflektoren.
  • Wenn das Druckgas zwischen dem Ultraschallerzeuger und der Mischkammer längere Wege zurückzulegen hat, können zusätzlich im Bereich der Mischkammer ringförmige Helmholtz-Resonatoren angeordnet sein, die ihrerseits durch die einfallenden Schallschwingungen zu Eigenschwingungen angeregt werden.
  • Damit bei Verwendung verschiedener flüssiger und/oder gasförmiger Brennstoffe die dabei entstehende Flamme an die Größe des jeweils vorhandenen Feuerraums angepaßt werden kann, sollte der die Mischkammer begrenzende Gehäuseteil in Richtung der konzentrischen Kanäle verstellbar sein, wodurch im Ergebnis der Austrittskegel der zerstäubten oder zerstäubenden Brennstoffe und damit die Flammlänge beeinflußt werden kann.
  • In gewissem Umfang läßt sich die Form der Flamme auch durch Verstellung der Schwingungsfrequenz, d.h. durch Drehzahländerung des Rotors und/oder durch unterschiedliche Ausbildung der Durchgangsöffnungen in den Einsätzen variieren. Dazu können die Durchgangsöffnungen als Schlitze, als Bohrungen oder Öffnungen mit anderen Querschnitten in verschiedenen Teilungen ausgeführt sein.
  • Im folgenden werden in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert: es zeigen:
    • Fig. 1 in schematischer Darstellung und teilweise geschnitten die Seitenansicht eines Zerstäubungsbrenners,
    • Fig. 2 einen Teilschnitt des Gegenstandes nach Fig. 1,
    • Fig. 3 eine andere Ausführungsform des Gegenstandes nach Fig. 1,
    • Fig. 4 einen Schnitt in Richtung IV-IV durch den Gegenstand nach Fig. 3.
  • Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Zerstäubungsbrenner besitzt ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse 1, in das radial ein Rohr 2 mit zueinander konzentrischen Brennstoffkanälen 3,4 eingeführt ist. Das Rohr 2 geht mit einem Krümmer 5 in einen zum Gehäuse 1 konzentrischen Abschnitt 6 über, der im Bereich einer Mischkammer 7 mündet.
  • Der Ringraum zwischen dem Gehäuse 1 und dem Rohr 2 ist ein Druckgaskanal 8, der sich zwischen der Mischkammer 7 und einem am anderen Ende des Gehäuse 1 angeordneten Ultraschallerzeuger 9 erstreckt.
  • Der Ultraschallerzeuger 9 weist bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestelten Ausführungsbeispiel einen Gehäuseabschnitt 10 mit vergrößertem Durchmesser auf, in den ein Anschlußstutzen 11 für die Zuführung von Druckgas tangential einmündet. Im Bereich des Anschlußstutzens 11 weist die Wandung des Gehäuseabschnitts 10 eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen 12 auf, die, wie dargestellt, sich in Richtung des Anschlußstutzens 11 erstrecken.
  • Im Gehäuseabschnitt 10 befindet sich ein trommelartiger Rotor 13, dessen Außendurchmesser nur geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser des Gehäuseabschnitts 10. Auf dem Mantel des Rotors 13 befinden sich wiederum eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen 14, die im wesentlichen radial gerichtet sind.
  • Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Durchgangsöffnungen 12, 14 als Schlitze ausgebildet, die sich in Längsrichtung der Gehäuseachse erstrecken.
  • Der Rotor 13 ist am Gehäuseende gelagert und an einen E-Motor 15 angeschlossen, der stirnseitig an das Gehäuse 1 angeflanscht ist.
  • Beim Brennerbetrieb treibt der E-Motor 15 den Rotor 13 an. Das durch den Anschlußstutzen 11 herangeführte Druckgas kann die Durchgangsöffnungen 12, 14 nur dann passieren, wenn entsprechende Durchgangsöffnungen miteinander fluchten. Entsprechend der Anzahl und Verteilung der Durchgangsöffnungen 12 bzw. 14 und der Drehzahl des E-Motors wirkt dadurch der Rotor 13 im Gehäuseabschnitt 10 als Ultraschallerzeuger, dessen Schwingungsenergie über den Druckgaskanal 8 zur Mischkammer 7 übertragen wird. Um die Übertragung der Schallschwingungsenergie zu verbessern, ist innerhalb des trommelartigen Rotors 13 ein parabolischer Reflektor 16 angeordnet, der in Fig. 1 mit gestrichtelten Linien angedeutet ist. Dieser Reflektor sammelt die Schallenergie und gibt sie gebündelt in Richtung auf die Mischkammer 7 ab.
  • Die Mischkammer 7 wird ihrerseits von einem Reflektor 17 begrenzt, der ebenfalls parabolische Form hat, jedoch so eingestellt ist, daß die von diesem Reflektor 17 aufgenommene Schallschwingungsenergie im Mündungsbereich der Brennstoffkanäle 3, 4 gebündelt wird.
  • Wie in Fig. 1 angedeutet, wird die Mischkammer 7 außen von einem Gehäuseteil 18 begrenzt, welches den Reflektor 17 trägt und außerdem in axialer Richtung des Gehäuse 1 verstellbar ist. Durch Verstellung des Gehäuseteils 18 kann die sich vor der Mündung der Brennstoffkanäle 3, 4 ausbildende Flamme beeinflußt werden.
  • Da jedoch bei größeren Längen des Druckgaskanals 8 die Dämpfung der Schallenergie nicht mehr zu vernachlässigen ist, sind am Innenumfang des Gehäuseteils 18 mehrere hintereinandergeschaltete Helmholtz-Resonatoren angeordnet, die durch die einfallende Schallenergie zu Resonanzen angeregt werden und ihrerseits Schallenergie abstrahlen.
  • Die im Ultraschallerzeuger 9 erzeugte und in die Mischkammer 7 übertragene Schallenergie sorgt für eine sehr feine Zerstäubung der zugeführten flüssigen Brennstoffe. Sie sorgt außerdem durch Turbulenzbildung für eine intensive Durchmischung des Druckgases mit dem zerstäubten Brennstoff. Wenn der Brenner zusätzlich mit gasförmigen Brennstoffen oder nur mit gasförmigen Brennstoffen betrieben wird, sorgt die Schallenergie für eine intensive Durchmischung dieser Brennstoffe mit dem Druckgas.
  • Bei dem in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile. Man erkennt, daß in dem vergrößerten Gehäuseabschnitt 10 dicht nebeneinander zwei Scheiben 20, 21 drehbar gelagert sind. Die beiden Scheiben 20, 21 weisen einander zugeordnete Durchgangsöffnungen 12 14 auf, die, wie in Fig. 4 dargestellt, als Schlitze oder auch als kreisförmige Durchgangsöffnungen sowie auch als Durchgangsöffnungen beliebigen Querschnittes ausgebildet sein können. Die beiden Scheiben 20, 21 rotieren gegenläufig, weil jede Scheibe 20 bzw. 21 eine vor- bzw. nachgeschaltete Beschaufelung aufweist, die im Druckgasstrom liegt, der dementsprechend die Scheiben 20, 21 gegenläufig antreibt. Insoweit wirken auch die gegenläufig rotierenden Scheiben 20, 21 als Ultraschallerzeuger, dessen Schwingungsenergie über den Druckgaskanal 8 zur Mischkammer 7 gelangt.

Claims (11)

1. Zerstäubungsbrenner für flüssige Brennstoffe mit einem Gehäuse, in dem zueinander konzentrische Kanäle für die Zufuhr eines Druckgases und des Brennstoffes vor einer Mischkammer angeordnet sind und mit einem Ultraschallerzeuger, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallerzeuger (9) im Druckgaskanal (8) angeordnet ist und aus zwei den Querschnitt des Druckgaskanals (8) einnehmenden, relativ zueinander drehbaren Einsätzen (13;20,21) mit Durchgangsöffnungen (12,14) für das Druckgas besteht.
2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsätze als dicht nebeneinander angeordnete, rotierende Scheiben (20,21) ausgebildet sind.
3. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsätze als konzentrisch zueinander angeordnete Trommeln (10,13) ausgebildet sind, auf deren jeweiligem Umfang die Durchgangsöffnungen (12,14) angeordnet sind.
4. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Einsatz (10) ein Stator und der andere Einsatz (13) ein Rotor ist.
5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (13) einen externen Antrieb (16) aufweist.
6. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (20 bzw. 21) von der Druckgasströmung angetrieben ist und dazu düsenartige Durchgangsöffnungen (12, 14) oder eine von der Druckgasströmung beaufschlagte Beschaufelung (22,23) aufweist.
7. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß koaxial zum Rotor (13) auf seiner der Mischkammer (7) abgewandten Seite ein zur Mischkammer (7) gerichteter Reflektor (16) angeordnet ist.
8. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende der Mischkammer (7) ein weiterer Reflektor (17) angeordnet ist.
9. Brenner nach Anspruch 7 oder 8, dadurch-gekennzeichnet, daß die Reflektoren (16,17) Parabolreflektoren sind.
10. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Mischkammer (7) ringförmige Helmholtz-Resonatoren (19) angeordnet sind.
11. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der die Mischkammer (7) begrenzende Gehäuseteil (18) in Richtung der konzentrischen Kanäle (3,4,8) verstellbar ist.
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