EP0836696A1 - Brenneranordnung für flüssige brennstoffe - Google Patents

Brenneranordnung für flüssige brennstoffe

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Publication number
EP0836696A1
EP0836696A1 EP96906752A EP96906752A EP0836696A1 EP 0836696 A1 EP0836696 A1 EP 0836696A1 EP 96906752 A EP96906752 A EP 96906752A EP 96906752 A EP96906752 A EP 96906752A EP 0836696 A1 EP0836696 A1 EP 0836696A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel
combustion chamber
burner arrangement
arrangement according
metering system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP96906752A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Joachim Heinzl
Hans-Jürgen STEGER
Wolfgang Schullerus
Ulrich Zech
Ingo Ederer
Bernhard Zuck
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Heinzl Joachim Prof Dr-Ing
Original Assignee
Heinzl Joachim Prof Dr-Ing
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Heinzl Joachim Prof Dr-Ing filed Critical Heinzl Joachim Prof Dr-Ing
Publication of EP0836696A1 publication Critical patent/EP0836696A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F23D11/345—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space by ultrasonic means or other kinds of vibrations with vibrating atomiser surfaces
    • 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
    • B05B17/0607—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 generated by electrical means, e.g. piezoelectric transducers
    • B05B17/0638—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 generated by electrical means, e.g. piezoelectric transducers spray being produced by discharging the liquid or other fluent material through a plate comprising a plurality of orifices

Definitions

  • the invention relates to a burner arrangement in which liquid fuel is introduced into a stream of a gaseous oxidizing agent by means of a nozzle system having a plurality of nozzles for generating fuel droplets.
  • an ultrasonic atomizing nozzle was proposed in DE 3524701, in which the fuel emerges simultaneously from a housing via several spray orifices with the same diameter and is excited to vibrate by means of an ultrasonic oscillator.
  • the oscillation frequency is selected so that the liquid jets emerging through the spray orifices disintegrate into droplets of the same size.
  • the main disadvantage of this device is that the droplet distance and the droplet speed are significantly different from the design parameters of the Depend on the device, which are defined for each device and are therefore unchangeable.
  • the time droplet spacing can no longer be changed significantly, ie can only be regulated inadequately.
  • this device is an oscillatory system.
  • vibrations generated by the combustion process or by other circumstances can overlap with the vibrations of the vibrating nozzle housing, which can lead to uncontrollable changes in the droplet parameters.
  • undefined operating states occur. B. when switching off come to the formation of fuel drops, the size of which is a multiple of the droplet size of the operating state.
  • the structural design of this device also has a considerable size and also a high weight.
  • DE 39 12 524 also proposes a device for the periodic generation of droplets of the same size and smallest dimension.
  • This device has a housing with a prechamber from which a small opening leads outwards.
  • the liquid in the antechamber is under a static pressure, which creates a laminar liquid jet emerging from the opening.
  • This liquid jet is disturbed by a quartz crystal sound transducer, which applies sound to the liquid in the antechamber.
  • the disadvantages applicable to the subject matter of DE 35 24 701 essentially also apply to this device.
  • the object of the invention to provide a burner arrangement for liquid fuels which has a very wide controllability to achieve an optimal degree of burnout of the fuel, whereby the pollutant content in the exhaust gas is significantly reduced.
  • a multiplicity of microdosing pumps are combined to form at least one modular unit referred to as a metering system, the discharge openings of the microdosing pumps preferably being arranged in one plane or in three dimensions in space.
  • the metering systems in turn are arranged outside a combustion chamber, preferably on different sides of the combustion chamber.
  • the microdosing pumps are supplied with fuel essentially without pressure by means of fuel supply lines.
  • the microdosing pumps are excited to eject fuel droplets by an electrical control. Using electronic control, the timing of the discharge and other discharge parameters can be determined separately for each individual micropump. The temporal and spatial distribution of the droplet front generated by the large number of microdosing pumps can thus be regulated within wide limits.
  • the droplets generated in this way enter an opening in the wall of a combustion chamber and are burned.
  • the droplets are treated with a gaseous oxidizing agent, e.g. Air mixed.
  • a gaseous oxidizing agent e.g. Air mixed.
  • a defined flow of oxidant which is preferably laminar, causes a very uniform mixing.
  • an optimal combustion state can always be set or readjusted even under changing operating conditions.
  • the metering systems are manufactured using manufacturing technologies of micromechanics or semiconductor technology, as are already used in the manufacture of print heads for inkjet printers.
  • the microdosing pumps can have electrothermal, electrostatic, electrodynamic or piezoelectric transducers, which due to an electrical control signal Expansion of vapor bubbles in a fuel-filled chamber or a change in volume of this chamber and thus lead to the repeated ejection of essentially equal droplets of fuel.
  • the above-mentioned technologies enable very cost-effective production of high-precision microdosing pumps, as a result of which the production costs of the burner arrangement according to the invention can be significantly reduced.
  • the size, the direction of exit and the speed of the droplets can be influence by the arrangement of the nozzles, their shape and by coating the nozzle exit surface.
  • the spatial droplet distribution can be fanned out in order to increase the amount of air assigned to each fuel droplet.
  • the nozzle size must be selected so that on the one hand the droplet size is sufficient for the desired fuel mass flow and thus for the heat flow produced at a given control frequency, and on the other hand the capillary barrier pressure prevents the fuel from flowing out unintentionally or air entering the nozzles. When the burner is used in a mobile system, this shut-off effect should also be guaranteed at high accelerations.
  • a selected nozzle possibly located on the edge, can be controlled separately, so that an ignition flame can be ignited by means of an ignition device.
  • the remaining nozzles can by means of this Pilot flame are ignited in an optimal order so that the proportion of harmful exhaust gases can be minimized during the ignition process.
  • the burner arrangement according to the invention has the following features and advantages:
  • a metering system for metering the fuel a combustion chamber with a combustion chamber for burning a mixture of the fuel and a gaseous oxidizing agent mixed with the fuel, the metering system having a multiplicity of micro-nozzles which are integrated with one or more pump mechanisms, these pump mechanisms thus operated that a fuel droplet is ejected from each of the nozzles per control pulse via a control pulse.
  • the combustion chamber has an inlet opening through which the fuel droplets ejected from the metering system are injected into the combustion chamber, the metering system being arranged in front of the inlet opening in such a way that the fuel droplets are introduced into a gaseous oxidizing agent, preferably in air.
  • a given fuel jet is not broken down into droplets, but the droplets are generated directly at the nozzle. This results in a significantly better control behavior of the nozzle system and prevents uncontrolled dripping in or out or injection of fuel when it is switched on or off.
  • the pump integrated in the dosing system eliminates the separate pump required for ultrasonic atomization. Since the droplets are not generated by means of ultrasound, operational vibrations of the burner arrangement according to the invention have only a slight influence on the droplet formation.
  • the determination of Mass or volume of the fuel can be done simply and accurately by counting the droplets ejected.
  • the droplets do not emerge by themselves, but can be called up in a defined manner by a signal.
  • the pressure in the fuel line can be low, so that no excess pressure has to be generated.
  • the burner arrangement is also suitable for very small mass flows.
  • FIG. 5 shows an overall system of the burner arrangement according to the invention including an advantageous control circuit as a block diagram
  • Fig. 6 shows a nozzle plate with specially designed nozzle openings.
  • the fuel flows from a reservoir (not shown) into two opposing metering systems 1.
  • the droplets 2 that are generated are injected into a vortex-free air stream 3.
  • This air flow 3 is generated, for example, by a fan (not shown) or by a compressed air system and, as shown here, is conducted around the metering system 1 or laterally past it.
  • the fuel droplets are distributed evenly in the vortex-free air stream 3
  • a mixture of air, already gaseous components of the fuel and droplets of fuel enters the combustion chamber 6 of a combustion chamber through an inlet opening 5 and burns there as a flame 7.
  • the exhaust gas stream 8 leaves the combustion chamber 6 through an outlet opening 9.
  • the walls of the combustion chamber 10 can Cavities 11 are located, which are flowed through by a heat exchanger means to use the resulting heat flow.
  • FIG. 3 shows in a longitudinal section the functional principle of a microdosing pump with a piezo converter, which can be used, for example, in the dosing system. Due to the reverse piezoelectric effect, a piezoceramic transducer 21, which was polarized normally to the plate plane, changes its shape when an electrical voltage is applied to the electrodes 22; depending on the polarity of the voltage, it will enlarge or reduce its area.
  • this composite will warp when a voltage is applied against the direction of polarization (negative) in such a way that the free membrane surface 24 assumes a concave shape, and when Create one Voltage in the polarization direction (positive) such that the free membrane surface 24 becomes convex.
  • this behavior leads to its volume enlargement or reduction.
  • a droplet ejection cycle thus takes place as follows: In Fig. 3a, the pump is at rest.
  • the pump chamber 25 is filled with fuel; a weak negative pressure at the inlet 28 of the pumping chamber prevents the fuel from escaping from the nozzle 27, a concave liquid meniscus 26 being formed in the nozzle 27.
  • a negative voltage to the piezo transducer (according to FIG. 3b)
  • the volume of the pumping chamber 25 increases, at the same time the liquid meniscus 26 in the nozzle 27 withdraws. This polarity is reversed by reversing the voltage (according to FIG.
  • FIG. 3d shows the pump during the return to the idle state, the liquid meniscus 26 drawn back after the droplet ejection into the nozzle 27 returning to its equilibrium position and thereby feeding the missing liquid volume through the inlet opening 28 into the pump chamber 25.
  • Fig. 4 shows a piezo pump specially adapted to the application.
  • a piezo converter 31 is clamped between a substrate 32 and a flexible membrane 33. By extending or shortening the piezo transducer 31, it is moved. Similar to Fig. 3, droplets are ejected from a nozzle plate 34, with the difference that one transducer operates several nozzles.
  • FIG. 5 shows an overall system of the burner arrangement including an advantageous control circuit as a block diagram.
  • the relevant operating states of the burner arrangement, including the combustion chamber, are detected by sensors, the signals of which are used via a control unit to control the air supply and the droplet discharge.
  • Sensors for measuring the following measured variables are preferably arranged: Air temperature, air pressure and air velocity at the entry into the combustion chamber, exhaust gas temperature, exhaust gas composition, in particular residual oxygen content, carbon monoxide content, flame condition.
  • Fig. 6 shows a nozzle plate with specially shaped nozzle openings.
  • a special shape of the nozzle opening can be used to create a special, desired distribution pattern of the droplets.
  • the droplets generated by the metering pump are captured by an air stream and carried into the combustion chamber. Due to the small size of the droplet generator, the air flow can either be directed around it or past it laterally. The air flow is guided in such a way that it carries the droplets with it so that each droplet has a sufficient amount of combustion air in its immediate vicinity.
  • the mixture flow is divided into a number of cells, each containing a drop of fuel with the air required for combustion. This is achieved by setting a specific droplet frequency at a specific number of nozzles or nozzle groups with a specific air mass flow, so that the desired air ratio is achieved anywhere in the mixture flow at any time.
  • the desired distribution of the fuel in the mixture stream can be ensured by a suitable distribution of the nozzles on the nozzle plate and / or also by nozzles of different sizes.
  • the fuel is expedient to introduce the fuel into a calm air flow in order to prevent the droplets from being swirled and thus the possibility of agglomeration of several droplets.
  • the air flow can be adjusted, for example, by a controllable fan or a controllable compressed air device.
  • this premix enters the hot combustion chamber, the evaporation of the droplets begins and complete mixing still takes place Reaching the flame front instead.
  • the mixture is swirled in order to achieve locally stable flame fronts. This very homogeneous mixture formation enables uniform combustion with a high degree of burnout and thus low pollutant emissions.

Landscapes

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Abstract

Brenneranordnung, bei der flüssiger Brennstoff mittels eines eine Vielzahl von Düsen zur Erzeugung von Brennstofftröpfchen (2) aufweisenden Dosiersystems (1) in einen Strom eines gasförmigen Oxidationsmittels (3) eingetragen wird. Zur Schaffung eines Brenners mit einer Regelbarkeit in einem weiten Leistungsbereich und einem hohen Ausbrenngrad ist vorgesehen, dass das Dosiersystem (1) eine Vielzahl von Mikrodüsen aufweist, die mit einem oder mehreren Pumpmechanismen integriert sind, wobei diese Pumpmechanismen so betrieben werden, dass über einen Steuerimpuls aus jeder der Düsen pro Steuerimpuls ein Brennstofftröpfchen ausgestossen wird und die Brennkammer eine Eintrittsöffnung (5) hat, durch welche die von dem Dosiersystem (1) ausgestossenen Brennstofftröpfchen (2) in den Brennraum (6) gespritzt werden, wobei das Dosiersystem (1) so vor der Eintrittsöffnung (5) angeordnet ist, dass die Brennstofftröpfchen in das Oxidationsmittel (3) in vorbestimmter Verteilung eingebracht werden und in dieser sich nicht wesentlich ändernden Verteilung in die Eintrittsöffnung (5) eintreten, wodurch ein homogenes und stöchiometrisch optimales Gemisch erzielbar ist.

Description

Brenneranordnung für flüssige Brennstoffe
Die Erfindung bezieht sich auf eine Brenneranordnung, bei der flüssiger Brennstoff mittels eines eine Vielzahl von Düsen zur Erzeugung von Brennstofftropfchen aufweisenden Düsensystems in einen Strom eines gasförmigen Oxidationsmittels eingetragen wird.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, daß für Brenneranordnungen solche Düsensysteme besonders geeignet sind, die die Erzeugung von Tröpfchen mit gleich großem Durchmesser bzw. Volumen ermöglichen. Es ist weiterhin bekannt, daß herkömmliche Vorrichtungen zur Tröpfchenerzeugung wie z.B. Rotationszerstäuber oder Ultraschallzerstäuber diese Aufgabe nicht befriedigend lösen. Auch mit Verdampfungs- und Vorverdampfungseinheiten arbeitende Brenneranordnungen sind nicht in der Lage, einen sehr homogenen Strom aus Brennstoff und Luft zu erzeugen.
Der Beeinflussung des Verbrennungsvorgangs bezüglich des Ausbrandgrades und der Schadstoffentwicklung sind dadurch Grenzen gesetzt. Insbesondere ist es schwierig, mit den herkömmlichen Vorrichtungen zur Tröpfchenerzeugung Brenner im niedrigen Leistungsbereich bis 5 kW zu bauen, deren Wärmeleistung in weiten Bereichen regelbar ist und die strenge Abgasvorschriften einhalten. Auch weisen solche Brenner nach dem Stand der Technik ein relativ großes Bauvolumen und auch eine relativ große Masse auf.
Zur Lösung der vorstehend genannten Probleme, die durch die ungleiche Tröpfchengröße des Brennstoffs entstehen, wurde in der DE 3524701 eine Ultraschallzerstäuberdüse vorgeschlagen, bei der der Brennstoff gleichzeitig über mehrere Spritzöffhungen mit gleichen Durchmessern aus einem Gehäuse austritt, das mittels eines Ultraschallschwingers zu Schwingungen angeregt wird. Die Schwingfrequenz wird so ausgewählt, daß die durch die Spritzöffhungen austretenden Flüssigkeitsstrahlen in gleich große Tröpfchen zerfallen. Der wesentliche Nachteil dieser Vorrichtung besteht darin, daß der Tröpfchenabstand und die Tröpfchengeschwindigkeit wesentlich von den konstruktiven Parametern der Vorrichtung abhängen, die für jede Vorrichtung festgelegt werden und somit unveränderbar sind. Somit läßt sich bei einer konkreten Ausfuhrungsform der Vorrichtung der zeitliche Tröpfchenabstand nicht mehr wesentlich verändern, d.h. nur unzureichend regeln. Weiterhin handelt es sich bei dieser Vorrichtung um ein schwingungsfähiges System. Somit können Schwingungen, die durch den Verbrennungsprozeß oder durch andere Umstände erzeugt werden, sich mit den Schwingungen des schwingenden Düsengehäuses überlagern, was zu unkontrollierbaren Veränderungen der Tröpfchenparameter führen kann. Wenn die Vorrichtung ein- oder ausgeschaltet wird, treten Undefinierte Betriebszustände auf So kann es z. B. beim Abschalten zur Bildung von Brennstofftropfen kommen, deren Größe ein Vielfaches der Tröpfchengröße des Betriebszustands beträgt. Die konstruktive Ausführung dieser Vorrichtung weist ebenfalls eine beträchtliche Baugröße und auch ein hohes Gewicht auf.
In der DE 39 12 524 wird gleichfalls eine Vorrichtung zur periodischen Erzeugung von Tröpfchen gleicher Größe und kleinster Abmessung vorgeschlagen. Diese Vorrichtung weist ein Gehäuse mit einer Vorkammer auf, von der eine kleine Öffnung nach außen fuhrt. In der Vorkammer steht die Flüssigkeit unter einem statischen Druck, wodurch ein aus der Öffnung austretender laminarer Flüssigkeitstrahl erzeugt wird. Dieser Flüssigkeitsstrahl wird durch einen Quarzkristall-Schallwandler gestört, welcher die in der Vorkammer befindliche Flüssigkeit mit Schall beaufschlagt. Die für den Gegenstand der DE 35 24 701 zutreffenden Nachteile gelten im wesentlichen auch für diese Vorrichtung.
Ergänzend ist für den Stand der Technik noch festzustellen, daß bei den meisten Vorrichtungen die Vorgänge „Brennstoff fordern" und „Brennstoff zerstäuben" bzw. „Brennstoff fördern" und „Brennstoff mischen" durch räumlich getrennte Funktionseinheiten realisiert werden, z.B. mittels einer Pumpe und einer davon getrennt angeordneten Düse. Diese räumliche Trennung vergrößert den Aufbau des Gesamtsystems.
Zur Überwindung der aus dem Stand der Technik nachgewiesenen Nachteile ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Brenneranordnung für flüssige Brennstoffe zu schaffen, die eine sehr weite Regelbarkeit zur Erzielung eines optimalen Ausbrenngrades des Brennstoffs aufweist, wodurch der Schadstoffanteil im Abgas wesentlich vermindert wird.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit der Kombination der im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale.
Erfindungsgemäß ist eine Vielzahl von Mikrodosierpumpen zu mindestens einer als Dosiersystem bezeichneten modularen Einheit zusammengefaßt, wobei die Ausstoßöffhungen der Mikrodosierpumpen vorzugsweise innerhalb einer Ebene oder auch räumlich dreidimensional angeordnet sind. Die Dosiersysteme ihrerseits sind außerhalb einer Brennkammer, vorzugsweise an verschiedenen Brennkammerseiten angeordnet. Die Mikrodosierpumpen werden mittels Brennstoffzuleitungen im wesentlichen drucklos mit Brennstoff versorgt. Durch eine elektrische Ansteuerung werden die Mikrodosierpumpen zum Ausstoß von Brennstofftropfchen angeregt. Mittels der elektronischen Ansteuerung können daher - bezogen auf jede einzelne Mikropumpe - der Zeitpunkt des Ausstoßes und weitere Ausstoßparameter separat bestimmt werden. Somit kann die zeitliche und räumliche Verteilung der durch die Vielzahl der Mikrodosierpumpen erzeugten Tröpfchenfront in weiten Grenzen geregelt werden. Die so erzeugten Tröpfchen treten durch eine Öffnung in der Wandung einer Brennkammer in diese ein und werden verbrannt. In der Phase des Austritts aus dem Düsensystem bis zum Eintritt in die Brennkammer werden die Tröpfchen mit einem gasförmigen Oxidationsmittel, z.B. Luft vermischt. Ein definiert erzeugter Oxidationsmittel-Strom, der vorzugsweise laminar ist, bewirkt eine sehr gleichmäßige Durchmischung. In Verbindung mit einem Regelsystem kann auch bei wechselnden Betriebsbedingungen immer ein optimaler Verbrennungszustand eingestellt bzw. nachgeregelt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Dosiersysteme mittels Fertigungstechnologien der Mikromechanik bzw. der Halbleitertechnik hergestellt, wie sie bereits bei der Fertigung von Druckköpfen für Tintenstrahl-Drucker verwendet werden. Somit können die Mikrodosierpumpen elektrothermische, elektrostatische, elektrodynamische oder piezoelektrische Wandler aufweisen, die aufgrund eines elektrischen Ansteuersignais eine Expansion von Dampfblasen in einer brennstoffgefüllten Kammer bzw. eine Volumenänderung dieser Kammer bewirken und somit zum wiederholten Ausstoß von im wesentlichen gleich großen Brennstofftropfchen führen. Die vorstehend genannten Technologien ermöglichen eine sehr kostengünstige Fertigung hochpräziser Mikrodosierpumpen, wodurch die Fertigungskosten der erfindungsgemäßen Brenneranordnung wesentlich gesenkt werden können.
Im Gegensatz zu den im Tintendruck eingesetzten Dosiersystemen besteht bei dem erfindungsgemäßen Brenner nicht die Forderung, jede Tröpfchenerzeugung einzeln abrufen zu können, so daß mehrere Düsen einer Pumpkammer zugeordnet werden können oder mehrere Pumpkammern von einem Wandler betrieben werden können. Damit sind auch hohe Brennstoff-Förderraten bei geringer Komplexität des Dosiersystems erreichbar. Eine unterschiedliche zeitliche und/oder räumliche Verteilung der Tröpfchen zur Beeinflussung des Verbrennungsvorganges läßt sich einerseits durch die Ansteuerfrequenz der Wandler bzw. bei größerer Zahl von Wandlern durch das wechselnde Zu- und Abschalten derselben erzeugen. Andererseits ist es auch möglich, durch die Anordnung der Düsen, deren Gestalt und durch eine Beschichtung der Düsenaustrittsfläche die Größe, die Austrittsrichtung und die Geschwindigkeit der Tröpfchen zu beeinflussen. So kann z.B. ein Auffächern der räumlichen Tröpfchenverteilung erzielt werden, um somit die jedem Brennstofftropfchen zugeordnete Luftmenge zu vergrößern. Die Düsengröße muß so gewählt werden, daß einerseits die Tröpfchengröße bei vorgegebener Ansteuerfrequenz für den gewünschten Brennstoffmassenstrom und damit für den produzierten Wärmestrom ausreicht, andererseits der kapillarische Sperrdruck ein unbeabsichtigtes Ausströmen des Brennstoffs oder Eindringen von Luft in die Düsen verhindert. Bei einem Einsatz des Brenners in einem mobilen System soll diese Absperrwirkung auch bei starken Beschleunigungen gewährleistet sein.
Die nahezu freie Wählbarkeit der Tröpfchenverteilung im Raum ermöglicht eine besonders einfache Zündung des Brenners. Dazu kann z.B. eine ausgewählte, ggf. am Rand liegende Düse gesondert angesteuert werden, so daß mittels einer Zündvorrichtung eine Zündflamme entzündet werden kann. Die verbleibenden Düsen können mittels dieser Zündflamme in einer optimalen Reihenfolge gezündet werden, so daß bei dem Zündvorgang der Anteil schädlicher Abgase minimiert werden kann.
Entscheidend für eine hohe Wärmeausbeute bei möglichst geringer Schadstoffentwicklung ist die Einstellung eines konstanten Luftverhältnisses λ, d.h. des Verhältnisses zwischen der tatsächlich vorhandenen und der stöchiometrisch erforderlichen Luftmenge zur vollständigen Verbrennung einer bestimmten Menge Brennstoff. Dieses Luftverhältnis λ ist bei idealen Bedingungen gleich 1.
Zusammenfassend weist die erfindungsgemäße Brenneranordnung folgende Merkmale und Vorteile auf:
Ein Dosiersystem zum Dosieren des Brennstoffs, eine Brennkammer mit einem Brennraum zur Verbrennung eines Gemisches aus dem Brennstoff und einem mit dem Brennstoff vermischten gasförmigen Oxidationsmittel, wobei das Dosiersystem eine Vielzahl von Mikrodüsen aufweist, die mit einem oder mehreren Pumpmechanismen integriert sind, wobei diese Pumpmechanismen so betrieben werden, daß über einen Steuerimpuls aus jeder der Düsen pro Steuerimpuls ein Brennstofftropfchen ausgestoßen wird. Die Brennkammer hat eine Eintrittsöffnung, durch welche die von dem Dosiersystem ausgestoßenen Brennstofftropfchen in den Brennraum gespritzt werden, wobei das Dosiersystem so vor der Eintrittsöffnung angeordnetet ist, daß die Brennstofftropfchen in ein gasförmiges Oxidationsmittel, vorzugsweise in Luft, eingebracht werden.
Im Gegensatz zur Ultraschallzerstäubung wird nicht ein vorgegebener Brennstoffstrahl in Tröpfchen zerlegt, sondern die Tröpfchen werden direkt an der Düse erzeugt. Dadurch wird ein wesentlich besseres Ansteuerverhalten des Düsensystems erreicht und bei Ein- bzw. Ausschaltung ein unkontrolliertes Vor- bzw. Nachtropfen oder Nachspritzen des Brennstoffs verhindert. Durch die im Dosiersystem integrierte Pumpe entfällt die bei der Ultraschallzerstäubung erforderliche separate Pumpe. Da die Tröpfchen nicht mittels Ultraschall erzeugt werden, haben betriebsbedingte Schwingungen der erfindungsgemäßen Brenneranordnung nur geringen Einfluß auf die Tröpfchenbildung. Die Bestimmung der Masse bzw. des Volumes des Brennstoffs kann einfach und genau über die Zählung der ausgestoßenen Tröpfchen erfolgen. Die Tröpfchen treten nicht von selbst aus, sondern sind durch ein Signal definiert abrufbar. Der Druck in der Brennstoffleitung kann gering sein, so daß kein Überdruck erzeugt werden muß. Die Brenneranordnung ist im Gegensatz zum Prinzip der Ultraschallzerstäubung auch für sehr kleine Massenströme geeignet.
Zusätzliche Merkmale und vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Brenneranordnung sind Gegenstand von weiteren Unteransprüchen und gehen aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor, in denen eine Ausführungsform der Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels schematisch dargestellt ist. Es zeigen:
Fig. 1 ein Gesamtsystem einer erfindungsgemäßen Brenneranordnung,
Fig. 2 einen Gemischbildungs- und Verbrennungsvorgang in seinen einzelnen Phasen,
Fig. 3 eine Mikrodosierpumpe in Funktion,
Fig. 4 eine vorteilhafte Konstruktion einer Mikrodosierpumpe,
Fig. 5 ein Gesamtsystem der erfindungsgemäßen Brenneranordnung einschließlich einer vorteilhaften Regelschaltung als Blockschaltbild und
Fig. 6 eine Düsenplatte mit speziell ausgebildeten Düsenöffhungen.
Wie in Fig. 1 gezeigt, fließt der Brennstoff aus einem nicht dargestellten Reservoir in zwei sich gegenüber stehende Dosiersysteme 1. Die erzeugten Tröpfchen 2 werden in einen wirbelfreien Luftstrom 3 eingespritzt. Dieser Luftstrom 3 wird z.B. durch einen nicht dargestellten Lüfter oder durch ein Druckluftsystem erzeugt und wie hier gezeigt um das Dosiersystem 1 herum oder seitlich an diesem vorbei geleitet. In der Gemischbildungszone 4 verteilen sich die Brennstofftropfchen gleichmäßig in dem wirbelfreien Luftstrom 3. Das Gemisch aus Luft, bereits gasförmigen Komponenten des Brennstoffs und Brennstofftropfchen tritt durch eine Eintrittsöffnung 5 in den Brennraum 6 einer Brennkammer ein und verbrennt dort als Flamme 7. Der Abgasstrom 8 verläßt den Brennraum 6 durch eine Austrittsöffhung 9. In der Wandung der Brennkammer 10 können sich Hohlräume 11 befinden, die zur Nutzung des entstehenden Wärmestroms von einem Wärmetauschermittel durchströmt werden.
Fig. 2 zeigt den Gemischbildungs- und Verbrennungsvorgang in seinen einzelnen Phasen:
a) Einspritzen der Tröpfchen 2 in den Luftstrom 3.
b) Einfangen der Tröpfchen durch den Luftstrom 3, wobei die Tröpfchen durch den Luftstrom 3 soweit abgebremst werden, daß sich die Luft und die Brennstofftropfchen mit näherungsweise gleicher Geschwindigkeit bewegen. Bereits in dieser Phase erfolgt eine teilweise Verdampfung des Brennstoffs, wobei sich die Tröpfchengröße verringert.
c) Eintritt des Gemisches durch die Eintrittsöffnung 5 in den Brennraum 6 einer Brennkammer und vollständiges Verdampfen der verbliebenen Tröpfchen.
d) Durchmischen des nun gasförmigen Gemisches durch Diffusion und Turbulenz sowie Verbrennung in der Flamme 7.
Fig. 3 zeigt in einem Längsschnitt das Funktionsprinzip einer Mikrodosierpumpe mit einem Piezowandler, die beispielhaft in dem Dosiersystem Anwendung finden kann. Aufgrund des umgekehrten piezoelektrischen Effektes verändert ein Piezokeramik-Wandler 21, der normal zur Plattenebene polarisiert wurde, beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden 22 seine Gestalt; je nach Polarität der Spannung wird er dabei seine Fläche vergrößern oder verkleinern. Ist eine der Oberflächen des Wandlers 2 mit einer flexiblen Membran 23 verbunden (zum Beispiel durch Kleben), so wird sich dieser Verbund beim Anlegen einer Spannung entgegen der Polarisierungsrichtung (negativ) derart verwölben, daß die freie Membranoberfläche 24 eine konkave Gestalt annimmt, und beim Anlegen einer Spannung in Polarisierungsrichtung (positiv) derart, daß die freie Membranoberfläche 24 konvex wird. Im Verbund mit einer Pumpkammer 25 führt dieses Verhalten zu deren Volumenvergrößerung bzw. -Verkleinerung.
Ein Tröpfchenausstoßzyklus läuft somit folgendermaßen ab: In Fig. 3a befindet sich die Pumpe im Ruhezustand. Die Pumpkammer 25 ist mit Brennstoff gefüllt; ein schwacher Unterdruck am Eintritt 28 der Pumpkammer verhindert das Auslaufen des Brennstoffs aus der Düse 27, wobei sich ein konkaver Flüssigkeitsmeniskus 26 in der Düse 27 ausbildet. Durch Anlegen einer negativen Spannung an den Piezowandler (gem. Fig. 3b) vergrößert sich das Volumen der Pumpkammer 25, gleichzeitig zieht sich der Flüssigkeitsmeniskus 26 in der Düse 27 zurück. Durch Umpolen der Spannung (gem. Fig. 3c) wird diese Verformung umgekehrt, wodurch der Flüssigkeitsmeniskus 26 in der Düse 27 stark beschleunigt wird, so daß ein Flüssigkeitsstrahl 29 austritt, der gegen Ende der Volumenverkleinerung der Pumpkammer 25 abreißt und - durch Zähigkeitskräfte und Oberflächenkräfte des Brennstoffs beeinflußt - ein schnell fliegendes Tröpfchen 30 bildet. Fig. 3d zeigt die Pumpe während der Rückkehr in den Ruhezustand, wobei der nach dem Tröpfchenausstoß in die Düse 27 zurückgezogene Flüssigkeitsmeniskus 26 wieder in seine Gleichgewichtslage zurückkehrt und dabei das fehlende Flüssigkeitsvolumen über die Eintrittsöffnung 28 in die Pumpkammer 25 nachfördert.
Fig. 4 zeigt eine speziell auf den Anwendungsfall angepaßte Piezo-Pumpe. Bei dieser Bauform ist ein Piezowandler 31 zwischen einem Substrat 32 und einer flexiblen Membran 33 eingespannt. Durch Verlängerung bzw. Verkürzung des Piezowandlers 31 wird diese bewegt. Ahnlich wie in Fig. 3 dargestellt, werden so Tröpfchen aus einer Düsenplatte 34 ausgestoßen, mit dem Unterschied, daß ein Wandler mehrere Düsen betreibt.
Fig. 5 zeigt ein Gesamtsystem der Brenneranordnung einschließlich einer vorteilhaften Regelschaltung als Blockschaltbild. Die relevanten Betriebszustände der Brenneranordnung, einschließlich der Brennkammer werden mittels Sensoren erfaßt, deren Signale über eine Steuereinheit zur Steuerung der Luftzuführung und des Tröpfchenausstoßes verwendet werden. Vorzugsweise werden Sensoren zur Messung folgender Meßgrößen angeordnet: Lufttemperatur, Luftdruck und Luftgeschwindigkeit am Eintritt in den Brennraum, Abgastemperatur, Abgaszusammensetzung, insbesondere Sauerstoffrestgehalt, Kohlenmonoxidgehalt, Flammenzustand.
Fig. 6 zeigt eine Düsenplatte mit speziell geformten Düsenöffhungen. Durch eine spezielle Formgebung der Düsenöffhung kann ein spezielles, angestrebtes Verteilungsmuster der Tröpfchen erzeugt werden.
Nachfolgend ist beschrieben, wie die Einstellung eines gewünschten Luftverhältnisses gelöst wird. Im Betrieb werden die von der Dosierpumpe erzeugten Tröpfchen von einem Luftstrom erfaßt und in den Brennraum getragen. Der Luftstrom kann dabei aufgrund der geringen Größe des Tröpfchenerzeugers entweder um diesen herum oder seitlich an diesem vorbeigeleitet werden. Dabei wird der Luftstrom derart geleitet, daß er die Tröpfchen so mit sich führt, daß jedem Tröpfchen eine ausreichende Menge Verbrennungsluft in seiner unmittelbaren Umgebung zur Verfügung steht. Der Gemischstrom ist gleichsam in eine Vielzahl von Zellen unterteilt, die jeweils ein Brennstofftropfchen mit der zur Verbrennung benötigten Luft enthalten. Dies wird durch Einstellen einer bestimmten Tröpfchenfrequenz an einer bestimmten Anzahl von Düsen oder Düsengruppen bei einem bestimmten Luftmassenstrom erreicht, so daß das gewünschte Luftverhältnis zu jedem Zeitpunkt überall im Gemischstrom erreicht wird.
Die gewünschte Verteilung des Brennstoffs im Gemischstrom kann durch eine geeignete Verteilung der Düsen auf der Düsenplatte und/oder auch durch Düsen unterschiedlicher Größe sichergestellt werden.
Wegen der geringen Masse der Tröpfchen ist es zweckmäßig, den Brennstoff in einen beruhigten Luftstrom einzubringen, um einer Verwirbelung der Tröpfchen und damit der Möglichkeit der Agglomeration mehrerer Tröpfchen vorzubeugen. Der Luftstrom kann dabei z.B. durch einen regelbaren Lüfter oder eine regelbare Druckluftvorrichtung eingestellt werden. Wenn dieses Vorgemisch in den heißen Brennraum eintritt, setzt die Verdampfung der Tröpfchen ein, und eine vollständige Durchmischung findet noch vor Erreichen der Flammenfront statt. In den Strömungsbereichen, in denen der Verdampfungsprozeß abgeschlossen ist, wird das Gemisch verwirbelt, um örtlich stabile Flammenfronten zu erzielen. Diese sehr homogene Gemischbildung ermöglicht eine gleichmäßige Verbrennung mit hohem Ausbrandgrad und damit einen geringen Schadstoffausstoß. Durch geeignete Gestaltung des Brennraumes in Kombination mit einer an die Brennraumform angepaßten räumlichen und zeitlichen Tröpfchenverteilung kann eine sehr gleichmäßige Wärmedichteverteilung erreicht werden. Durch die Vermeidung örtlicher Temperaturspitzen wird die Entstehung von Stickoxiden (NOX) verringert und die Wahlmöglichkeit für den Werkstoff der Brennraumwände erweitert werden.
Die vorstehende Beschreibung einer Ausführungsform dient lediglich der Erläuterung nur einer von mehreren möglichen speziellen Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes. Es ist klar, daß zahlreiche und unterschiedliche andere Anordnungen bei Kenntnis der durch die Erfindung vermittelten Lehre durch den Fachmann vorgenommen werden können, die jedoch als in den Rahmen der Erindung fallend anzusehen sind.

Claims

Ansprüche
1. Brenneranordnung für flüssige Brennstoffe, welche aufweist:
- ein Dosiersystem (1) zum Dosieren des Brennstoffs,
- eine Brennkammer mit einem Brennraum (6) zur Verbrennung eines Gemisches aus dem Brennstoff und einem mit dem Brennstoff vermischten gasförmigen Oxidationsmittel, dadurch gekennzeichnet, daß
- das Dosiersystem (1) eine Vielzahl von Mikrodüsen (27) aufweist, die mit einem oder mehreren Pumpmechanismen integriert sind, wobei diese Pumpmechanismen so betrieben werden, daß über einen Steuerimpuls aus jeder der Düsen pro Steuerimpuls ein Brennstofftropfchen ausgestoßen wird und
- die Brennkammer eine Eintrittsöffnung (5) hat, durch welche die von dem Dosiersystem (1) ausgestoßenen Brennstofftropfchen in den Brennraum (6) gespritzt werden, wobei das Dosiersystem (1) so vor der Eintrittsöffiiung (5) angeordnet ist, daß die Brennstofftropfchen in das Oxidationsmittel in vorbestimmter Verteilung eingebracht werden und in dieser sich nicht wesentlich ändernden Verteilung in die Eintrittsöffnung (5) eintreten, wodurch ein homogenes und stöchiometrisch optimales Gemisch erzielbar ist.
2. Brenneranordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dosiersystem (1) aus einer Vielzahl von Mikropumpen besteht, die eine modulare Einheit bilden und einzeln ansteuerbar sind.
3. Brenneranordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dosiersystem (1) aus Mikropumpen besteht, die gleichzeitig mehrere Düsen betreiben.
4. Brenneranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dosiersystem (1) elektrothermische, elektrostatische, elektrodynamische oder piezoelektrische Wandler aufweist, die aufgrund eines elektrischen Ansteuersignais eine Expansion von Dampfblasen in einer brennstoffgefüllten Kammer bzw. eine Volumenänderung dieser Kammer bewirken und somit zum wiederholten Ausstoß von im wesentlichen gleich großen Brennstofftropfchen führen.
5. Brenneranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines definierten gasförmigen Oxidationsmittelstromes Fördervorrichtungen und Leitmittel eingesetzt werden.
6. Brenneranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Dosiersysteme (1) an einer oder an verschiedenen Seiten der Brennkammer angeordnet sind.
7. Brenneranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikropumpen bzw. deren Düsenöffhungen so gestaltet werden, daß Tröpfchen unterschiedlicher Form und/oder Größe in gleicher oder in unterschiedlicher Richtung ausgestoßen werden, um eine vorbestimmte Verteilung des Brennstoffs in dem Oxidationsmittel zu erreichen.
8. Brenneranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Sensoren zur Erfassung der Betriebsparameter der Brenneranordnung vorgesehen sind und eine Steuereinheit vorgesehen ist, die unter Auswertung der von den Sensoren abgegebenen Signale die Brenneranordnung regelt.
9. Brenneranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammerwände des Brennraums (6) , vorzugsweise die Brennkammerwände mit Eintrittsöffhungen (5) als Wärmetauscher ausgebildet sind, so daß die Außenfläche der betreffenden Brennkammerwand eine geringe Temperatur aufweist, wodurch schädigende Einflüsse auf das Dosiersystem (1) vermieden werden.
10. Brenneranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zündung des Brenners eine Zündvorrichtung, eine spezielle Düsenanordnung und eine spezielle Ansteuerung dieser Düsenanordnung vorgesehen ist, wodurch eine Zündflamme erzeugbar ist.
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