EP0865589B1

EP0865589B1 - Fuel atomiser

Info

Publication number: EP0865589B1
Application number: EP96939038A
Authority: EP
Inventors: Andreas Patz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-11-15
Filing date: 1996-11-14
Publication date: 2002-01-16
Anticipated expiration: 2016-11-14
Also published as: ES2173327T3; DE59608607D1; DE19542530C2; ATE212114T1; WO1997018414A1; EP0865589A1; DE19542530A1

Abstract

The invention relates to a fuel atomiser in which an atomiser medium is combined at an angle, via an atomiser medium feed (11) with a fuel supplied via a fuel medium feed (10). Said atomiser medium is subsequently conveyed via a groove (3) extending helically around a swirl member (9) in the direction of an outlet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstoffzerstäuber gemäß Anspruch 1, der vorzugsweise im Bereich der Hochtemperaturfeuerung und dabei insbesondere bei der Beheizung von Glasschmelzwannen eingesetzt und der mittels einer Brennstoff- und Zerstäubermedium-Zuführleitung insbesondere mit Schweröl als Brennstoff und mit Druckluft als Zerstäubermedium betrieben und aus dessen Austrittsöffnung ein Gemisch von Brennstoff und Zerstäubermedium abgestrahlt wird.The present invention relates to a fuel atomizer according to claim 1, which preferably in the field of high-temperature firing and especially in the heating of glass melting tanks and that by means of a fuel and atomizing medium supply line especially with heavy oil as fuel and with compressed air as atomizing medium operated and from its outlet opening a mixture of fuel and atomizing medium is emitted.

Aus Patent Abstracts of Japan Nr. 375 (M545) ist ein Brennstoffzerstäuber, der einen ,atomizer chip 5' mit einer zur Hauptachse geneigten ,cone surface 13', die die Form eines kegelstumpfförmigen Zahnrades aufweist, bekannt. Die auf der ,cone surface 13' kreisbogenförmig verlaufenden Zahnungen bilden entsprechende Nuten. Der Brennstoff ,1' wird über einen Kanal ,2' in ein Zerstäubermedium ,7' eingebracht. Das Brennstoff/Zerstäubermedium-Gemisch strömt dann im Kanal ,7' in einer koaxial zum Brennstoffkanal ,1' verlaufenden Hauptströmungsrichtung und wird durch den oben beschriebenen Drallkörper in eine, gegenüber der Hauptströmungsrichtung nach innen (zur Mittelachse) geneigten, Strömungsrichtung gebracht. Durch die auf der ,cone surface 13' befindlichen Zahnung erhält das Brennstoff/Zerstäubermedium-Gemisch einen Drall.From Patent Abstracts of Japan No. 375 (M545) a fuel atomizer is known which has an 'atomizer chip 5' with a cone surface 13 'inclined to the main axis and which has the shape of a truncated cone-shaped gear. The serrations running in a circular arc on the ' cone surface 13' form corresponding grooves. The fuel, 1 'is introduced into an atomizing medium, 7' via a channel, 2 '. The fuel / atomizing medium mixture then flows in the channel 7 'in a main flow direction coaxial with the fuel channel 1' and is brought by the swirl body described above into a flow direction which is inclined inwards (to the central axis) with respect to the main flow direction. The toothing on the 'cone surface 13' gives the fuel / atomizing medium mixture a swirl.

Aus DE 24 31 573 A ist ein Brennstoffzerstäuber mit einem Körper bekannt, in welchem eine Brennstoff-Zuführung ,23' und eine Zerstäubermedium Zuführung ,28' ausgebildet sind, um einen Brennstoff und ein Zerstäubermedium in Hauptströmungsrichtung zu leiten, wobei die Zerstäubermedium-Zuführung unter Bildung eines Winkels unmittelbar vor der drallgebenden Nut ,39' in die Brennstoff-Zuführung mündet und mit einem zylindrisch ausgebildeten Drallkörper, der eine spiralförmig steigende Nut ,39' aufweist, die dem Brennstoff/Zerstäubermedium-Gemisch einen zur Hauptströmungsrichtung tangential gerichteten Impuls verleiht.From DE 24 31 573 A a fuel atomizer with a body is known in which one Fuel feed, 23 'and an atomizing medium feed, 28' are formed to to conduct a fuel and an atomizing medium in the main flow direction, the Atomizing medium supply at an angle immediately before the swirling Groove, 39 'opens into the fuel supply and with a cylindrical swirl body, which has a spirally rising groove 39 'that corresponds to the fuel / atomizing medium mixture one directed tangentially to the main flow direction Gives impetus.

Es ist bekannt, dass insbesondere bei der Beheizung von Glasschmelzwannen die Brennstoffzerstäubung durch einen um den axial austretenden, vorwiegend aus Schweröl bestehender Brennstoffstrahl konzentrisch angeordneten Strahl des Zerstäubermediums, welcher mit einem zur Hauptströmungsrichtung liegenden tangentialen Impuls beaufschlagt ist, erfolgt und dadurch der Brennstoff nicht nur zerstäubt sondern auch mit Sauerstoff angereichert wird. Das Zerstäubermedium trifft vorwiegend erst kurz vor dem Düsenaustritt auf den Brennstoffstrahl, so dass die Vermischung von Brennstoff und Zerstäubermedium hauptsächlich nach dem Austritt aus dem Brennstoffzerstäuber - also erst innerhalb des Brennraumes - erfolgt. Insbesondere bei der Herstellung von Glasschmelzen sind hohe Temperaturen - insbesondere in der Flammenwurzel - notwendig. Die Temperatur in der Flammenwurzel ist erheblich von der dort enthaltenen Sauerstoffmenge abhängig. Zum Erreichen der erforderlichen hohen Flammenwurzeltemperatur reicht der im Brennraum enthaltene Sauerstoff nicht aus, so dass es notwendig ist, den Brennstoff bereits beim Austritt aus der Zerstäuberdüse mit Sauerstoff anzureichern, wodurch die im folgenden beschriebene NO_x-Bildung unterstützt wird. Grundsätzlich entsteht bei allen Verbrennungen Stickstoffoxid, jedoch ist die Bildung von den jeweiligen Prozessbedingungen abhängig. Bei allen Hochtemperaturfeuerungen - insbesondere bei Temperaturen über 1200°C - entsteht das thermische NO aus dem N₂ der Verbrennungsluft. Der im Brennstoff enthaltene Stickstoffanteil bewirkt vornehmlich in der Flammenwurzel eine anteilige NO-Bildung, die in der Oxidationszone der Flamme und in der Nachreaktionszone durch anwesende Reaktionshilfen wie CH, CH₂, CH₃, H₂O und OH unterstützt wird. Die teilweise Aufoxidierung des NO zu NO₂ erfolgt im Abgasstrom bis zur Abkühlung der Rauchgase auf unter 600 °C.It is known that, in particular in the heating of glass melting tanks, the fuel atomization takes place by means of a jet of the atomizing medium which is concentrically arranged around the axially emerging fuel jet, which mainly consists of heavy oil and which is acted upon by a tangential pulse lying in the direction of the main flow, and thereby not only atomizes the fuel but is also enriched with oxygen. The atomizing medium predominantly only hits the fuel jet shortly before the nozzle exits, so that the fuel and atomizing medium are mixed mainly after exiting the fuel atomizer - that is, only within the combustion chamber. Especially in the production of glass melts, high temperatures - especially in the flame root - are necessary. The temperature in the flame root is significantly dependent on the amount of oxygen it contains. The oxygen contained in the combustion chamber is not sufficient to achieve the required high flame root temperature, so that it is necessary to enrich the fuel with oxygen as it emerges from the atomizer nozzle, which supports the NO _x formation described below. In principle, nitrogen oxide is generated in all burns, but the formation depends on the respective process conditions. With all high-temperature furnaces - especially at temperatures above 1200 ° C - the thermal NO arises from the N _{2 of} the combustion air. The nitrogen content in the fuel mainly causes a partial formation of NO in the flame root, which is supported in the oxidation zone of the flame and in the post-reaction zone by the presence of reaction aids such as CH, CH ₂ , CH ₃ , H ₂ O and OH. The partial oxidation of NO to NO ₂ takes place in the exhaust gas stream until the flue gases cool to below 600 ° C.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Brennstoffzerstäubers, der insbesondere bei der Hochtemperaturfeuerung hohe Flammenwurzeltemperaturen mit einer gegenüber den bekannten Zerstäubungsvorrichtungen reduzierten NO_x-Emission und zudem eine Anpassung der Flammenform an die Brennraumgeometrie ermöglicht.The object of the invention is to provide a fuel atomizer which, particularly in high-temperature firing, enables high flame root temperatures with a reduced NO _x emission compared to the known atomizing devices and also enables the flame shape to be adapted to the combustion chamber geometry.

Diese Aufgabe wird durch einem Brennstoffzerstäuber gelöst, der die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. This object is achieved by a fuel atomizer, which has the features of claim 1.

Eine Anpassung der Flammengeometrie an den Brennraum ist durch Variation des Steigungswinkels der auf dem Drallkörper aufgebrachten Nuten möglich, da mit steigendem tangentialen Impuls des Brennstoffgemisches die Flammenlänge ab- und gleichzeitig der Flammendurchmesser zunimmt. Nach VDI-Bericht Nr. 211, 1974, Seite 60, beträgt der Öffnungswinkel einer Freistrahlflamme etwa 20° und kann mit einem starken tangentialen Impuls bis auf 180°, bei gleichzeitig verkürzter Flammenlänge vergrößert werden. Die Flammenlänge kann zudem bei gleichbleibenden Massenströmen durch Variation der Austrittsöffnung bzw. durch eine Veränderung der freien Strömungsfläche (Summe alle Nutenquerschnittsflächen) innerhalb des Drallkörpers an die Brennraumgeometrie angepasst werden. Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt.The flame geometry can be adapted to the combustion chamber by varying the pitch angle of the grooves on the swirl body possible, since with increasing tangential momentum of the fuel mixture the flame length and at the same time the Flame diameter increases. According to VDI report No. 211, 1974, page 60, the opening angle is a free jet flame about 20 ° and can with a strong tangential impulse can be enlarged up to 180 ° with a shortened flame length. The flame length can also with constant mass flows by varying the outlet opening or by changing the free flow area (sum of all groove cross-sectional areas) can be adapted to the combustion chamber geometry within the swirl body. An embodiment the present invention is illustrated in the drawings.

Es zeigt:

Fig.1:: eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzerstäubers;
Fig.2-8:: mögliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Brennstoffzerstäubers gemäß Fig. 1 mit unterschiedlich gestalteten Austrittsöffnungen;

It shows:

Fig.1:: a possible embodiment of the fuel atomizer according to the invention;
Fig.2-8:: possible embodiments of the fuel atomizer according to the invention according to FIG. 1 with differently designed outlet openings;

In einem in Fig.1 dargestellten, auf die Brennstoffzufuhrleitung aufgesteckten und aus drei Bauteilen (2), (5) und (13) bestehenden Brennstoffzerstäuber wird der Brennstoff - vorzugsweise Schweröl - über die Brennstoffzuleitung (10), in der nicht dargestellte Ventile vorgesehen sind und die an einer ebenfalls nicht dargestellten Ölpumpe angeschlossen ist, mit einem einstellbaren, durch Vorheizung pumpfähigen Massenstrom von Schweröl versorgt. Auf die konzentrisch zu der Brennstoffzuleitung (10) angeordnete Zerstäubermediumzufuhrleitung (11) wird die Brennerkappe (13) aufgeschraubt. Mit der Brennerkappe (13) wird Bauteil (5) entgegen der Hauptströmungsrichtung auf das mit einer Dichtung versehene Bauteil (2) gepresst, das auf die Brennstoffzufuhrleitung (10) aufgesteckt ist. Zwischen Bauteil (5) und der Brennerkappe (13) befindet sich keine Austrittsöffnung, so dass das Zerstäubermedium an der Innenseite der Brennerkappe (13) geführt wird, bevor es durch mindestens eine im Bauteil (5) eingebrachte Bohrung (12) entgegen der Hauptströmungsrichtung umgelenkt und anschließend in dem zwischen Bauteil (2) und (5) befindlichen - vorzugsweise halbkreisförmigen Spalt (7) - zum Zentrum geleitet und somit wieder in Hauptströmungsrichtung umgelenkt wird.In one shown in Figure 1, plugged onto the fuel supply line and from three Components (2), (5) and (13) existing fuel atomizers, the fuel is - preferably Heavy oil - via the fuel supply line (10), provided in the valves, not shown are and which is connected to an oil pump, also not shown, with a adjustable mass flow of heavy oil supplied by preheating. On the Atomizer medium supply line arranged concentrically to the fuel supply line (10) (11) the burner cap (13) is screwed on. The burner cap (13) becomes a component (5) against the main flow direction on the one provided with a seal Component (2) pressed, which is attached to the fuel supply line (10). Between component (5) and the burner cap (13) there is no outlet opening, so that the atomizing medium on the inside of the burner cap (13) before it is passed through at least a bore (12) made in the component (5) is deflected counter to the main flow direction and then in the one between component (2) and (5) - preferably semicircular gap (7) - directed to the center and thus again in the main flow direction is redirected.

Die Führung des Zerstäubermediums entlang der Brennerkappe (13) und durch die im Bauteil (5) eingebrachten Bohrungen (12) bewirken eine Kühlung der eingesetzten Bauteile (2) und (5) sowie der Brennerkappe (13), wenn die Temperatur des Zerstäubermediums unterhalb der bei der Verbrennung entstehenden Umgebungstemperatur liegt. Durch mindestens eine im Bauteil (2) eingebrachte Bohrung (6) wird der Brennstoff vorzugsweise in einem rechten Winkel zur Hauptströmungsrichtung vom Zentrum hin nach außen auf die dem Zentrum zugewandte Seite von Bauteil (5) geführt. Das aus dem Spalt (7) austretende Zerstäubermedium trifft unter einem Winkel - vorzugsweise dem rechten Winkel - auf den Brennstoff. Das Zusammentreffen von Zerstäubermedium und Brennstoff erfolgt unmittelbar vor mindestens einer spiralförmigen auf einem zylindrischen Drallkörper (9) angeordneten Nut (3), die mit einer Steigung größer null und kleiner unendlich versehen ist. Im Drallkörper (9) wird das Gemisch aus Brennstoff und Zerstäubermedium mit einem tangential zur Hauptströmungsrichtung liegenden Impuls beaufschlagt. Eine Veränderung des tangentialen Impulses ermöglicht eine Variation des Flammendurchmessers, gleichzeitig kann mit unterschiedlichen Ausführungsformen des stromauf des Drallkörpers gelegenen Raumes (z.B. Laval-Düse (1), Diffusor (16), Düse (15) oder ein nicht bis zur Austrittsöffnung reichender Drallkörper (9) mit einem gegenüber dem Außendurchmesser des Drallkörpers verkleinerten- (18), vergrößerten-(17) oder gleichen Austrittsdurchmesser (14)) der axiale Impuls des Brennstoffstrahls und somit auch die Flammenlänge beeinflusst werden.The guidance of the atomizing medium along the burner cap (13) and through that in the component (5) bores (12) bring about cooling of the components used (2) and (5) and the burner cap (13) when the temperature of the atomizing medium is below the ambient temperature arising during combustion. By at least one in Component (2) introduced bore (6), the fuel is preferably in a right Angle to the main flow direction from the center outwards to that of the center facing side of component (5). The atomizing medium emerging from the gap (7) hits the fuel at an angle - preferably the right angle. The The atomizing medium and fuel meet at least immediately before a spiral on a cylindrical swirl body (9) arranged groove (3) with an incline greater than zero and less than infinity. In the swirl body (9) Mixture of fuel and atomizing medium with a tangential to the main flow direction applied impulse. A change in the tangential impulse enables a variation of the flame diameter, at the same time with different Embodiments of the space located upstream of the swirl body (e.g. Laval nozzle (1), Diffuser (16), nozzle (15) or a swirl body (9) not reaching to the outlet opening a smaller (18), larger (17) compared to the outer diameter of the swirl body or the same outlet diameter (14)) the axial pulse of the fuel jet and thus the flame length can also be influenced.

Bei der Verbrennung erreicht das austretende Gemisch durch eine verbesserte Vermischung von Brennstoff und Zerstäubermedium die bei der Verbrennung erforderliche Flammentemperatur - insbesondere in der Flammenwurzel - bereits mit deutlich reduzierten Sauerstoffanteilen, wodurch die verminderte NO_x-Emission ermöglicht wird. Eine Anpassung der Flammenform an die Brennraumgeometrie erfolgt durch Variation des tangential zur Hauptströmungsrichtung liegenden Impulses, der vom Steigungswinkel der auf dem Drallkörper befindlichen Nut bestimmt wird. Unterschiedliche Bauformen des stromauf vom Drallkörper gelegenen Raumes ermöglichen eine Anpassung der Flammenlänge durch Variation des axialen Brennstoffstrahlimpulses ebenso wie ein durch die Austrittsöffnung in den Brennraum hineinragender Drallkörper.During combustion, the exiting mixture already achieves the flame temperature required for the combustion - in particular in the flame root - with significantly reduced oxygen components due to an improved mixing of fuel and atomizing medium, which enables the reduced NO _x emission. The flame shape is adapted to the combustion chamber geometry by varying the pulse lying tangential to the main flow direction, which is determined by the pitch angle of the groove on the swirl body. Different designs of the space located upstream from the swirl body enable the flame length to be adjusted by varying the axial fuel jet pulse, as is a swirl body projecting through the outlet opening into the combustion chamber.

Claims

A fuel atomizer with a body in which a fuel supply line and an atomizing medium supply line are arranged in order to guide the fuel and the atomizing medium in a main flow direction, wherein the atomizing medium supply line runs into the fuel supply line at a certain angle, and with a spin body with a spiral flute (3) that causes the fuel/atomizing medium mixture to spin, wherein

the spin body (9) is realized cylindrically, namely such that the spiral flute (3) subjects the fuel/atomizing medium mixture to a tangential impulse referred to the main flow direction;

the atomizing medium supply line (4, 7, 11, 12) runs into the fuel supply line (10, 6) directly in front of the spiral flute (3);

the spiral flute (3) is realized on the spin body (9) in a helically ascending fashion, and

the atomizing medium supply line (4, 7, 11, 12) is realized in at least one section (12) in such a way that the flow is directed opposite to the main flow direction and the section (12) extends in the burner cap.
A fuel atomizer according to claim 1, wherein the section (12) of the atomizing medium supply line follows a section (7) that is realized in the shape of a circular arc and meets the fuel supply line (6, 10).
A fuel atomizer according to one of the preceding claims, wherein the section (6) of the fuel supply line extends at an angle referred to the main flow direction.
A fuel atomizer according to one of the preceding claims, wherein a section (7) that is designed such that the atomizing medium being introduced into the section (6) of the fuel supply line (6, 10) is directed in the main flow direction follows the section (12) of the atomizing medium supply line which is directed opposite to the main flow direction.
A fuel atomizer according to one of the preceding claims, wherein the spiral flute (3) on the spin body (9) has a pitch that is greater than zero and less than infinite depending on the type of fuel and the type of atomizing medium and/or on the atomizer capacity and/or on the combustion chamber geometry.
A fuel atomizer according to one of the preceding claims, wherein a chamber (1, 14, 15, 16, 17, 18) is, viewed in the main flow direction, arranged behind the spiral flute (3) and in front of an outlet opening for discharging the fuel/atomizing medium mixture from the body (2, 5, 13).
A fuel atomizer according to one of claims 1-6, wherein the spin body (9) protrudes into the combustion chamber from the body (5, 13), namely from the outlet opening for the fuel/atomizing medium mixture.