Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Brenner für ein mobiles Heizgerät mit einer
Primärbrennluftzuführung zu einer Brennkammer, in der im Bereich einer Flamme
eine Prallscheibe zum Aufstauen der Hitze in der Brennkammer angeordnet ist.
Ferner betrifft die Erfindung ein mobiles Heizgerät für ein Fahrzeug mit einem
derartigen Brenner.
Bei Brennern der oben genannten Art werden Prallscheiben verwendet, damit in
der Brennkammer Hitze aufgestaut und dadurch die Baugröße (insbesondere die
Länge) der Brennkammer insgesamt verringert werden kann. Die Prallscheibe stellt
ein Strömungshindernis dar, das in der Regel quer zur Hauptströmungsrichtung
von Verbrennungsluft bzw. Brenngasen angeordnet ist.
Mit Hilfe einer Prallscheibe können die folgenden Wirkungen erzielt werden:
- die Strömung in der Brennkammer kann umgelenkt und Turbulenzen können
erzeugt werden, die ein Vermischen von Brennstoff und Brennluft begünstigen,das
Startverhalten kann verbessert werden, weil insbesondere so genannte"
Totwassergebiete" geschaffen werden können, und
- das Ausbrennverhalten kann, insbesondere bei nicht genügender Zerstäubung
des Brennstoffs, verbessert werden, weil nicht verdampfte Brennstofftröpfchen der
Strömungsumlenkung an der Prallscheibe nicht folgen können und daher auf die
Webasto Prallscheibe auftreffen; auf der Prallscheibe verdampfen die Tröpfchen,
was durch eine hohe Temperatur der Prallscheibe begünstigt wird.
Aus DE 100 19 198 A1 und DE 100 39 152 A1 sind gattungsgemäße
Zerstäuberbrenner bekannt, bei denen ein Staukörper bzw. eine Prallscheibe quer
vor einem Düsenkörper angeordnet ist.
Aus DE 42 18 629 A1 ist eine Brennkammer, insbesondere für eine
Partikelfilterregenerierung in einer Kraftfahrzeug-Abgasanlage bekannt, bei der im
Inneren der Brennkammer eine Prallscheibe angeordnet ist. Die Prallscheibe wird
während des Betriebs rotglühend und wirkt daher als Glüh- bzw. Zündelement. An
der Brennkammer ist ferner eine zweite Verbrennungsluft-Zuführeinrichtung
vorgesehen, die in Strömungsrichtung der Brenngase weit hinter der Prallscheibe
weitere Verbrennungsluft tangential gerichtet in die Brennkammer einleitet, um eine
besonders homogene Ausbildung des Gemisches aus Brennstoff und
Verbrennungsluft zu erzielen.
Aus DE 33 41 305 A1 ist ein Vergasungsölbrenner mit einer Prallscheibe bekannt,
die am Ende eines Flammrohres angeordnet und zum Erzeugen eines Hitzestaus
vorgesehen ist. Bei dem Vergasungsölbrenner wird Sekundärbrennluft in
Strömungsrichtung der Brenngase weit vor der Prallscheibe in das Flammrohr
eingeleitet.
Auch aus DE 36 18 987 A1 ist ein Brennerkopf bekannt, bei dem eine Prallscheibe
am Ende eines Flammrohres zur Verkürzung der Flamme angeordnet ist. Weit vor
der Prallscheibe sind Sekundärbrennluftöffnungen vorgesehen. Die Prallscheibe
und ihr Halter sind aus einem hitzebeständigen Metall oder Keramik hergestellt.
Bekannte Prallscheiben werden durch die bei der Verbrennung entstehende
Wärme auf Temperaturen von 1100 bis zu 1300 °C aufgeheizt. Bei diesen
Temperaturen sinkt die Festigkeit von metallischen Werkstoffen und Korrosion wird
begünstigt. Bekannte metallische Prallscheiben verformen sich daher zum Teil
und/oder oxidieren. Eine derart nachhaltige Schädigung des Werkstoffs der
Prallscheibe kann zu einem Ausfall des Brenners führen. Bei stark zyklischem
Betrieb des Brenners mit kurzen Aufheiz- und Abkühlphasen wird dieser Effekt
verstärkt. Nur durch den Einsatz von hochwarmfesten Werkstoffen, die gleichzeitig
widerstandsfähig gegen Hochtemperaturkorrosion sind, können bei bekannten
Brennern die geforderten Prallscheiben-Standzeiten realisiert werden. Solche
Werkstoffe führen zu hohen Kosten für die Prallscheibe.
Zugrundeliegende Aufgabe
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu vermeiden
und insbesondere ein Heizgerät mit einem eingangs beschriebenen Brenner zu
schaffen, dessen Prallscheibe kostengünstiger herzustellen ist.
Erfindungsgemäße Lösung
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einem eingangs genannten Brenner gelöst,
bei dem außer der Primärbrennluftzuführung eine Kühlluftzuführung vorgesehen ist,
mit der die Prallscheibe von Luft angeströmt und gekühlt werden kann. Die Aufgabe
ist ferner mit einem mobilen Heizgerät für ein Fahrzeug mit einem derartigen
Brenner gelöst.
Mit der erfindungsgemäßen Kühlung der Prallscheibe wird die
Prallscheibentemperatur abgesenkt. Aufgrund der so erzielten niedrigeren
Temperatur der Prallscheibe ist, auch bei Verwendung kostengünstigerer
Materialien, deren Festigkeit höher und deren Korrosion reduziert. Damit ist die
Standzeit der erfindungsgemäßen Prallscheibe länger, als bei herkömmlichen
Prallscheiben. Für erfindungsgemäße Prallscheiben kann preiswerteres Material
verwendet werden, das darüber hinaus auch bei der Verarbeitung kostengünstiger
ist.
Die Stärke der Kühlung der Prallscheibe kann erfindungsgemäß durch die pro
Zeiteinheit zugeführte Menge an Kühlluft und durch deren Temperatur beim
Zuführen eingestellt und so gezielt eine gewünschte Maximaltemperatur der
Prallscheibe sichergestellt werden. Diese Maximaltemperatur kann gerade so hoch
gewählt werden, dass die Prallscheibe noch als Zündvorrichtung wirken kann. In
der Regel wird die Prallscheibe auf eine Temperatur zwischen etwa 950 °C und
1000 °C abgekühlt.
Das Führen der kühlenden Luft kann durch geschlossene, beispielsweise im
Querschnitt runde oder rechteckige Kanäle oder durch offene, beispielsweise im
Querschnitt U-förmige oder L-förmige Kanäle erfolgen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Prallscheibe im
Wesentlichen kreisförmig bzw. die Brennkammer im Wesentlichen kreiszylindrisch
gestaltet und mit der Kühlluftzuführung wird die Luft im Wesentlichen radial zur
Prallscheibe zugeführt. Diese Art der Luftzuführung ermöglicht kurze
Strömungswege der Kühlluft in der Brennkammer und führt daher zu einer nur
verhältnismäßig geringen Erwärmung der Kühlluft durch die Verbrennungsgase.
Ferner kann die Prallscheibe im Wesentlichen kreisförmig bzw. die Brennkammer
im Wesentlichen kreiszylindrisch gestaltet sein und mit der Kühlluftzuführung die
Luft im Wesentlichen tangential zur Prallscheibe zugeführt werden. Die tangentiale
Strömung der Luft führt zu einer besonders intensiven Kühlung des Randes der
Prallscheibe, während im Zentrum der Prallscheibe eine verhältnismäßig heiße
Zone verbleibt, die beispielsweise zum Zünden einer Flamme genutzt werden kann.
Eine besonders starke Kühlung wird vorteilhaft erzielt, indem mit der
Kühlluftzuführung die kühlende Luft direkt über die Prallscheibe geleitet wird.
Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Kühlung dadurch vorteilhaft
weitergebildet sein, dass die Prallscheibe eine von der Primärbrennluftzuführung
abgewandte Rückseite aufweist und mit der Kühlluftzuführung die kühlende Luft zur
Rückseite der Prallscheibe geleitet wird. Die Kühlung der Prallscheibe beeinflusst
bei einer derartigen Gestaltung nicht die Flammbildung in Strömungsrichtung vor
der Prallscheibe. Ferner wird die kühlende Luft weniger von der Hauptströmung der
Verbrennungsgase weggerissen, weil sie sich im "Windschatten" der Prallscheibe
und deren Befestigungsfüßen befindet.
Bei einer weiteren vorteilhaften Gestaltung der Erfindung wird mit der
Kühlluftzuführung die Menge der pro Zeiteinheit zugeführten kühlenden Luft
insbesondere über die Oberfläche der Prallscheibe variiert. Die Prallscheibe kann
so an bestimmten Oberflächengebieten stärker gekühlt werden. Auf diese Weise
kann auch eine über die Oberfläche verhältnismäßig gleichmäßige Temperatur
erzielt werden. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Prallscheibe nicht als
Zündelement wirken soll.
Um über die gesamte Prallscheibe hinweg eine ausgewogene und verhältnismäßig
starke Kühlwirkung zu erzielen, sollte mit der Kühlluftzuführung die kühlende Luft
gleichzeitig aus mehreren Richtungen zur Prallscheibe zugeführt werden. Die
Anzahl der Teil-Kühlluftströme ist dabei variabel.
Ferner ist es vorteilhaft, dass mit der Kühlluftzuführung die kühlende Luft mit einem
Drall über die Oberfläche der Prallscheibe geleitet wird. Auf diese Weise kann die
Homogenität und Intensität der Kühlung der Prallscheibe ebenfalls verbessert
werden.
Schließlich kann mit der erfindungsgemäßen Kühlluftzuführung vorteilhaft zugleich
Sekundärbrennluft für die Flamme in die Brennkammer zugeführt werden. Auf
diese Weise kann (mit nur einer einzigen weiteren Luftzuführeinrichtung) eine
gestufte Verbrennung mit Primär- und Sekundärbrennluft erzeugt werden, während
gleichzeitig die Prallscheibe gekühlt und ihre Temperatur abgesenkt werden kann.
Um den Effekt der gestuften Verbrennung möglichst stark zu nutzen, kann die
gesamte kühlende Luft vorteilhaft so in die Brennkammer eingeblasen werden,
dass sie zunächst die Prallscheibe kühlt und nachfolgend die gesamte Menge der
pro Zeiteinheit zugeführten kühlenden Luft als Sekundärbrennluft in der
Brennkammer dient. Dies bedeutet, dass bei der Verbrennung nahezu der gesamte
Sauerstoff der kühlenden Luft für die Oxidation des Kohlenstoffs im Brennstoff
genutzt wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Brenners
anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
- Fig. 1
- einen stark vereinfachten Längsschnitt einer Brennkammer eines
erfindungsgemäßen Brenners für ein mobiles Heizgerät,
- Fig. 2
- eine Seitenansicht einer Prallscheibe in der Brennkammer gemäß Fig. 1,
und
- Fig. 3
- eine Seitenansicht einer Prallscheibe bei einem zweiten
Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brenners.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Fig. 1 ist ein Flammrohr 10 eines weiter nicht dargestellten Brenners eines
mobilen Heizgerätes für eine Fahrzeug-Zusatzheizung im Längsschnitt
veranschaulicht. Das Flammrohr 10 ist längs einer Achse 12 kreiszylindrisch
gestaltet und begrenzt in seinem Inneren eine Brennkammer 14.
In der Brennkammer 14 befindet sich an der bezogen auf Fig. 1 linken Seite ein
nicht dargestellter Düsenkörper des Brenners, der als Zerstäuberbrenner
ausgebildet ist.
Am Düsenkörper wird flüssiger Brennstoff eingeblasen und von Primärbrennluft
mitgerissen. Der Brennstoff zerstäubt am Düsenstock, wird dort entzündet und
strömt als Brenngas längs einer in Fig. 1 mit Pfeilen 16 veranschaulichten
Hauptströmungsrichtung in dem Flammrohr 10 längs der Achse 12 von der
bezogen auf Fig. 1 linken Seite zur rechten Seite.
Im Flammrohr 10 ist quer zur Achse 12 und im wesentlichen quer zur
Hauptströmungsrichtung 16 eine im wesentlichen kreisförmige Prallscheibe 18 mit
Hilfe von drei oder vier Befestigungsfüßen 18 (zwei davon sind dargestellt) an der
inneren Mantelfläche des Flammrohrs 10 befestigt. Die Prallscheibe 18 dient zum
Aufstauen der Brenngase und der darin mitgeführten Hitze im Flammrohr 10.
Aufgrund dieser hitzestauenden Wirkung der Prallscheibe 18 können das
Flammrohr 10 und damit der Brenner insgesamt in Richtung der Achse 12
verhältnismäßig kurz ausgebildet sein.
Damit die Prallscheibe 18 aus einem vergleichsweise kostengünstigen Material
hergestellt werden kann und nicht teure hochtemperaturfeste und stark
korrosionsresistente Materialien für die Prallscheibe verwendet werden müssen, ist
eine Kühlluftzuführung 22 vorgesehen, mit der die Prallscheibe auf ihrer bezogen
auf Fig. 1 rechten Seite, d.h. auf ihrer Rückseite 24 von kühlender Luft angeströmt
werden kann.
Die Kühlluftzuführung 22 führt während des Betriebs des Brenners zu einer
Verringerung der Temperatur der Prallscheibe 18 im Vergleich zu Prallscheiben
herkömmlicher Brenner.
Ausgebildet ist die Kühlluftzuführung 22 mit Öffnungen 26, die über den Umfang
der inneren Mantelfläche des Flammrohrs 10 verteilt auf einem Kreis angeordnet
sind. Die Öffnungen 26 liegen bezogen auf Fig. 1 auf der rechten Seite der
Prallscheibe 18, so dass die durch die Öffnungen 26 zugeführte Kühlluft unmittelbar
zur Rückseite 24 der Prallscheibe 18 gelenkt wird.
An den Öffnungen 26 sind nicht dargestellte Luftführungskanäle angeschlossen, in
die kühlende Luft von einer (ebenfalls nicht dargestellten) Brennluftversorgung des
Heizgerätes zugeführt wird. Die Brennluftversorgung ist in der Regel mit einem
Brennluftgebläse versehen, das auch zum Zuführen der Primärluft am Düsenkörper
dient.
Die Form der Öffnungen 26 ist mit Luftleitflächen derart gestaltet, dass die
kühlende Luft durch das Flammrohr 10 in radialer Strömungsrichtung 28 nach
innen auf das Zentrum der Prallscheibe 10 gerichtet ist (siehe Fig. 2). Auf diese
Weise wird die Mitte der Prallscheibe im Vergleich zu deren Rand verhältnismäßig
stark gekühlt, weil sich im Windschatten der Prallscheibe 18 Turbulenzen bilden.
In Fig. 3 ist eine Ausführungsform veranschaulicht, bei der Luftleitflächen an den
Öffnungen 26 und an den zugehörigen Luftführungskanälen vorgesehen sind, die
die kühlende Luft in einer tangentialen Strömungsrichtung 30 zur Prallscheibe 18
führen. Diese Art der Anströmung der Prallscheibe führt zu einem Drall 32 der
kühlenden Luft an der Rückseite 24 der Prallscheibe 18. Aufgrund des Dralls 32
verweilt die kühlende Luft verhältnismäßig lange an der Rückseite 24, so dass
vergleichsweise viel Wärmeenergie von der Prallscheibe 18 auf die kühlende Luft
übergeht.
Die Kühlluftzuführung 22 ist aufgrund der Anordnung der Öffnungen 26 zugleich so
gestaltet, dass die zugeführte Luft als Sekundärbrennluft für die in der
Brennkammer 14 brennende Flamme dient. Dies führt zu einer wirkungsvollen und
zugleich schadstoffarmen Oxidation der im Brennstoff vorhandenen Kohlenstoffe.
Bezugszeichenliste
- 10
- Flammrohr
- 12
- Achse
- 14
- Brennkammer
- 16
- Hauptströmungsrichtung der Primärluft
- 18
- Prallscheibe
- 20
- Befestigungsfüße
- 22
- Kühlluftzuführung
- 24
- Rückseite
- 26
- Öffnungen
- 28
- radiale Strömungsrichtung
- 30
- tangentiale Strömungsrichtung
- 32
- Drall