EP1555482A2 - Vorrichtung zur Erzeugung eines Luft/Kohlenwasserstoff-Gemischs - Google Patents

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EP1555482A2
EP1555482A2 EP05000631A EP05000631A EP1555482A2 EP 1555482 A2 EP1555482 A2 EP 1555482A2 EP 05000631 A EP05000631 A EP 05000631A EP 05000631 A EP05000631 A EP 05000631A EP 1555482 A2 EP1555482 A2 EP 1555482A2
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EP
European Patent Office
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hydrocarbon
air
heating
hydrocarbon mixture
feed
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EP05000631A
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Günter Eberspach
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Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
Original Assignee
J Eberspaecher GmbH and Co KG
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Publication date
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/10—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour
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    • F23D11/105—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour medium and fuel meeting before the burner outlet at least one of the fluids being submitted to a swirling motion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
    • F23C7/002—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23D11/36—Details, e.g. burner cooling means, noise reduction means
    • F23D11/42—Starting devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23D11/36—Details, e.g. burner cooling means, noise reduction means
    • F23D11/44—Preheating devices; Vaporising devices
    • F23D11/441—Vaporising devices incorporated with burners
    • F23D11/448—Vaporising devices incorporated with burners heated by electrical means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2900/00—Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
    • F23D2900/11101—Pulverising gas flow impinging on fuel from pre-filming surface, e.g. lip atomizers

Definitions

  • the invention relates to a device for producing an air / hydrocarbon mixture, comprising a sputtering arrangement with a Hydrocarbon feed and an air supply for generating the Air / hydrocarbon mixture by atomization of liquid hydrocarbon.
  • Such a device in the form of a spray nozzle for a burner, in particular for an applicable to a vehicle heater, is from the DE 102 07 311 A1.
  • the nebulizer nozzle includes air flow guide elements, the air flow guide areas for the supply of combustion air limit, and a Brennstoffzu 1500an extract for application of fuel on the surface of an air flow guide element.
  • the applied to the surface of the air flow guiding element Fuel is introduced into the atomizer nozzle using the air flow guide element atomized air around.
  • Atomizer burners having a spray nozzle of this type have the disadvantage that, especially at low temperatures, the fuel or hydrocarbon due to its viscosity is not fine enough atomized can be. This leads to larger combustion air flows liquid hydrocarbon particles are carried, which is a longer Travel distance to be vaporized. In such Particles are in danger of condensing into larger drops and thus as condensate, d. H. in liquid form, available in the atomizer burner are. Such liquid drops affect the operation of the atomizer burner, because the liquid hydrocarbon due to its condensing from the air / hydrocarbon mixture the properties of the Mixture so influenced that a leaner mixture for combustion arrives.
  • the operation can be affected by the fact that the drops on walls, such as interior walls or baffles of the atomizer burner, knock down.
  • the liquid fuel can due to insufficient atomization therefore not for it accumulate places provided in the atomizer burner, for example in Form of a so-called fuel sump, or the burner unburned leave liquid or as white smoke.
  • this object is achieved by an apparatus for producing an air / hydrocarbon mixture solved which is a sputtering arrangement with a hydrocarbon feed and an air supply for generating the air / hydrocarbon mixture by atomization of liquid hydrocarbon includes.
  • According to the invention is further a heating arrangement for heating the Hydrocarbon provided before the atomization.
  • the viscosity of the same reduces, which causes the hydrocarbon, especially at low temperatures, better in the air can be atomized. Carrying of larger hydrocarbon particles in the air / hydrocarbon mixture stream can be reduced or even prevented in this way.
  • the hydrocarbon feed may at least one by means of Heating arrangement include heatable tubular feed area. This allows heating of the hydrocarbon directly in the feed, it being advantageous that in the region of the feeder usually a easy access for the arrangement of the heating arrangement is present.
  • the feed area a Venturi section includes.
  • Such an arrangement can be used For example, in devices that use the Venturi principle hydrocarbon atomize with air, adding the appropriate Venturi sections heat before the hydrocarbon is atomized.
  • the device be formed such that the sputtering at least one Airflow guiding element, which can be flowed around by the air, comprises the hydrocarbon feed is adapted to the liquid hydrocarbon to the surface of the air flow guiding element promote, and that by the heating arrangement of the hydrocarbon on the Surface of the air flow guiding element is heated.
  • the warming of the hydrocarbon on the surface leads due to the reduced Viscosity for a better distribution of the applied on the surface liquid hydrocarbon. This results in a finer Hydrocarbon film on the surface for atomization, leaving a Air / hydrocarbon mixture can be formed that either only very small or, ideally, no hydrocarbon particles in contains liquid form.
  • the air flow guiding element can be heated by the heating arrangement.
  • the heating of the air flow guiding element leads to heating of the surface of the air flow guiding element and thus for heating the applied liquid hydrocarbon.
  • the heating arrangement comprises at least one in the air flow guiding element arranged heating element.
  • the provision of has at least one heating element in the air flow guide element the advantage that the heating element can be arranged such that effective heating of the surface is made possible.
  • a or several such heating elements directly in the production of the Air flow guiding element as part of a spray nozzle to be built in.
  • the object solved in that in a space area, which the air / hydrocarbon mixture receives, at least one receiving element provided is for receiving liquid hydrocarbon from the air / hydrocarbon mixture.
  • a receiving element is used for recording of liquid hydrocarbon particles in the air / hydrocarbon mixture be carried along due to the insufficient atomization. This can be at least partially, in the optimal case completely prevented Be sure that liquid hydrocarbon particles continue in the air / hydrocarbon mixture be entrained and that the operation of the with the Mixture-fed system is thereby impaired.
  • this is at least one receiving element on at least one wall bounding the space area intended. This allows the arrangement of at least one receiving element on walls where, due to the construction, due to the prevailing flow conditions and in particular due from low temperatures there is a risk of being in the air / hydrocarbon mixture entrained, insufficiently atomized liquid hydrocarbon particles knock down.
  • the at least one receiving element may be connected to an air / hydrocarbon mixture stream be provided deflecting deflection.
  • deflecting elements can, for example, baffle plates, flame covers etc. which are usually right in the mainstream of the Air / hydrocarbon mixture are, d. h., the danger that is at These deflectors not enough atomized, liquid hydrocarbon particles knock down is relatively high.
  • the baffles serve with, but also without receiving element to the unbridled carry liquid hydrocarbon particles in the air / hydrocarbon mixture to prevent at least part of the liquid hydrocarbon particles to be able to catch.
  • An efficient uptake of liquid hydrocarbon particles to the Receiving elements can be achieved if they are able to to absorb liquid hydrocarbon. Due to the absorption of the liquid hydrocarbon absorbed by the material of the receiving element and does not stick in the form of larger drops due to friction, Viscosity or surface tension on the receiving element. In principle, can due to the absorption also a larger amount of liquid Hydrocarbon can not be included in comparison with one absorbing material, without the risk of the formation of hydrocarbon droplets on the baffle element provided with absorbent material consists.
  • the at least a receiving element is formed of porous material.
  • porous material allows for absorption of larger quantities of liquid hydrocarbon compared with others, especially not porous materials. This will cause dripping after ingestion of hydrocarbon at the surface of the receiving element diminished or even completely prevented.
  • porous material allows in addition to the absorption also the evaporation of the absorbed Hydrocarbon, so that liquid hydrocarbon, at low Temperatures was absorbed by the receiving element, the Air / hydrocarbon mixture can be fed back.
  • Such Arrangement helps to complete the processing of the Hydrocarbon and prevents the deterioration of the operation by newly formed drops of liquid hydrocarbon.
  • the material with regard to its porosity it may be such that it is suitable for the respective arrangement of the receiving element and for each used Type of hydrocarbon has optimal properties in terms of Absorbency.
  • the sputtering arrangement and / or the heating arrangement and / or the receiving element and / or the Spaces are combined with each other.
  • the hydrocarbon especially at low temperatures, better to be atomized in the air, what to carry of larger hydrocarbon particles in the air / hydrocarbon mixture stream reduce or even prevent, and on the other hand can be particles of liquid hydrocarbon, which despite the improved Atomization in the air / hydrocarbon mixture could be present be absorbed or absorbed by the receiving element. This causes, in the optimal case, dripping induced by dripping, in particular the escape of unburned liquid Fuel or white smoke, a system fed with the mixture can be prevented.
  • the device according to the invention can, for example, in a heater used to optimize combustion. It is also possible to use the device in a reformer for the recovery of Hydrogen z. B. for fuel cells is used to use on the one hand an optimized combustion, for example, for heating the reformer to operating temperature, and on the other hand the Formation of the air / hydrocarbon mixture to be used for reforming can be improved.
  • An apparatus for producing an air / hydrocarbon mixture has, with reference to FIG. 1, a sputtering arrangement designated 10 and a space area designated 12, to which the air / hydrocarbon mixture can be fed.
  • the sputtering assembly 10 includes a hydrocarbon feed 14 via which liquid hydrocarbon, e.g. As gasoline, diesel, biodiesel or the like, the sputtering assembly 10 is supplied.
  • the supplied hydrocarbon is atomized in the sputtering assembly 10 and arrives together with also supplied via the sputtering assembly 10 air in the space area 12.
  • the air is distributed over a spatial area 16 on two air flow space areas 18, 20.
  • the two air flow space regions 18, 20 are separated from each other by a first air flow guide element 22.
  • the second air flow guide 14, hydrocarbon is applied to a first air flow space confining surface 26 of the first air flow guide member 22 by an inner swirl flow S i generated in the first air flow space 18.
  • the liquid hydrocarbon forms on the surface 26 a fuel film 28, which is moved by the inner swirl flow S i to a spray lip 30.
  • the liquid hydrocarbon is atomized due to a shearing action between the inner swirl flow S i and an outer swirl flow S a generated in the second air flow space region 20.
  • the thus formed air / hydrocarbon mixture passes downstream in the space area 12, in which the mixture can be burned, for example.
  • an ignition device 32 for example in the form of a Glühzünduxes, provided.
  • a deflection element 34 is arranged, at which the air / hydrocarbon mixture is deflected and swirled for better combustion.
  • liquid hydrocarbon particles entrained in the air / hydrocarbon mixture can optionally be collected at the deflection element 34.
  • the combustion exhaust gases resulting from the combustion in the space region 12 leave the space region 12 downstream in the direction of a space region 36 which is not further described.
  • a heating arrangement 37 according to the invention shown. Both heating arrangements 37 are arranged in the first air flow guiding element 22, around the surface 26 of the first air flow guiding element 22 and thus also be able to heat the fuel film 28.
  • a first embodiment shows in the upper part of the longitudinal section of the first air flow guiding element 22 five cross sections of one in the form of a screw / spiral in the first air flow guiding element 22 arranged heating wire 38.
  • the second embodiment shows a in the first air flow guide element 22 arranged glow plug 40, with the Air flow guide element 22, the surface 26 and the Fuel film 28 can be heated.
  • the heating of the heating wire 38 and the glow plug 40 is effected by the application of an electrical Voltage, so that in the heating wire 38 and in the glow plug 40 is an electrical Current flows and the heating wire 38 and the glow plug 40 due to their respective electrical resistance to be heated.
  • the warming of the the surface 26 of the first air flow guide element 22nd applied fuel film 28 but can also in other ways carried out, for example, by several on the circumference of the Air flow guide element 22 arranged glow plugs 40, through Microwave radiation or the like.
  • the sputtering arrangement with the inventive Heating arrangement both in heaters can be used.
  • a sputtering arrangement also in a reformer made from the air / hydrocarbon mixture Hydrogen is recovered, used, if necessary in combination with a combustion order to the reformer before the actual Reforming the air / hydrocarbon mixture to operating temperature to heat up.
  • the reformer can, for example, in the area of space 36 may be arranged.
  • FIG. 2 shows the space region 12 with the ignition device 32 and the deflecting element 34, as well as the not further described space portion 36 of the device for generating an air / hydrocarbon mixture.
  • a sputtering assembly 10 ' is shown schematically functioning according to the Venturi principle arrangement.
  • the hydrocarbon is fed to the atomization assembly 10 'through a Venturi section 50, which is in the form of a Venturi tube.
  • the air supply is through an air flow space portion 52 bounded by respective air flow guide elements 54, 56.
  • the air flowing past the venturi section 50 in the air flow space region 52 represented by the two arrows S I , atomizes the hydrocarbon emerging at the end 58 of the venturi section 50.
  • the air / hydrocarbon mixture enters the space area 12, where it can be burned.
  • Venturi section 50 When using Venturi section 50 as a hydrocarbon feed
  • the heater assembly can be attached directly to the Venturi section be as in two variants in the cross-sectional views according to the section line III-III of Fig. 2 in Figs. 3a and 3b is shown.
  • the heating of the venturi section 50 and thus of it supplied hydrocarbon can, according to Fig. 3a by a suitable in Way heating wire 60 arranged on Venturi section 50, For example, by the heating wire 60 helically around the hydrocarbon leading, tubular supply portion 61 of the Venturi section 50 is arranged.
  • Another embodiment sees the arrangement one or more glow pins 62, for example radially around the hydrocarbon leading, tubular supply portion 61 of the Venturi section 50, before.
  • the heating of the heating wire 60 and the glow pins 62 takes place as already described above, by electrical resistance.
  • the heating assembly 37 may be provided.
  • the sputtering assembly 10 "in Fig. 4 represents all representative of the Apparatus for producing an air / hydrocarbon mixture suitable Sputtering arrangements is. It recognizes the space area 12, the not further described space area 36, the ignition device 32 and the deflection element 34.
  • the space region 12 is bounded by walls 70, on which at least partially receiving elements 72 arranged are.
  • On the deflector 34 which may be a baffle plate, for example can, a receiving element 72 'is also attached.
  • the Andes Walls 70 of the space portion 12 and arranged on the deflector 34 Receiving elements 72, 72 'take up liquid hydrocarbon particles in the formed by the sputtering assembly 10 " Air / hydrocarbon mixture are carried.
  • the arrangement of preferably absorbent and porous receiving elements 72, 72 ' is such, that taking into account the prevailing in the space area 12 flow conditions the best possible absorption of liquid hydrocarbon particles from the air / hydrocarbon mixture can.
  • the walls 70 are completely lined with receiving elements 72 or that, for example also in the space area 12 protruding parts, such. B. the Ignition device 32, provided with corresponding receiving elements are.
  • the receiving elements 72 on the walls 70 in particular liquid carbon particles from the air / hydrocarbon mixture be absorbed by appropriate radial components the prevailing flow to be worn on the walls.
  • the On the deflector 34 arranged receiving element 72 'takes in particular liquid carbon particles due to high air flow rates are not completely evaporated in the main flow direction. This prevents liquid hydrocarbon particles from unbraked leave the room area 12 in the direction of the room area 36.
  • the receiving elements 72, 72 'shown in FIG. 4 may preferably be combined with sputtering assemblies 10, 10 ', which the Heating arrangement 37 for heating the hydrocarbon to be atomized contain.
  • the atomization is improved, which the entrainment of larger hydrocarbon particles in the air / hydrocarbon mixture stream can reduce or even prevent, and
  • a device for generating an air / hydrocarbon mixture a sputtering arrangement with a hydrocarbon feed and an air supply for generating the air / hydrocarbon mixture by atomization of liquid hydrocarbon.
  • a heating arrangement provided with the on the surface of the first air flow guiding element applied hydrocarbon can be heated.
  • the warmed and thus less viscous hydrocarbon is by appropriate Air currents flowing through the airflow space areas be generated, moved to a nebulizer lip and there atomized, so that a suitable for combustion or reforming air / hydrocarbon mixture arises.

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Abstract

Eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Luft/Kohlenwasserstoff-Gemischs umfasst eine Zerstäubungsanordnung (10) mit einer Kohlenwasserstoff-Zuführung (14) und einer Luftzuführung (16, 18, 20) zum Erzeugen des Luft/Kohlenwasserstoff-Gemischs durch Zerstäubung von flüssigem Kohlenwasserstoff. In einem ersten Luftströmungsführungs-Element (22) ist eine Heizanordnung (37) vorgesehen, mit der an der Oberfläche (26) des ersten Luftströmungsführungs-Elements (22) aufgebrachter Kohlenwasserstoff (28) erwärmt werden kann. Der erwärmte und somit weniger viskose Kohlenwasserstoff (28) wird durch entsprechende Luftströmungen, die durch die Luftströmungs-Raumbereiche (18, 20) erzeugt werden, zu einer Zerstäuberlippe (30) bewegt und dort zerstäubt, so dass ein zur Verbrennung oder Reformierung geeignetes Luft/Kohlenwasserstoff-Gemisch entsteht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Luft/Kohlenwasserstoff-Gemischs, umfassend eine Zerstäubungsanordnung mit einer Kohlenwasserstoff-Zuführung und einer Luft-Zuführung zum Erzeugen des Luft/Kohlenwasserstoff-Gemischs durch Zerstäubung von flüssigem Kohlenwasserstoff.
Eine solche Vorrichtung in Form einer Zerstäuberdüse für einen Brenner, insbesondere für ein an einem Fahrzeug einsetzbares Heizgerät, ist aus der DE 102 07 311 A1 bekannt. Die Zerstäuberdüse umfasst Luftströmungsführungs-Elemente, die Luftströmungsführungs-Bereiche für die Zufuhr von Verbrennungsluft begrenzen, und eine Brennstoffzuführanordnung zum Aufbringen von Brennstoff auf die Oberfläche eines Luftströmungsführungs-Elements. Der auf die Oberfläche des Luftströmungsführungs-Elements aufgebrachte Brennstoff wird in der Zerstäuberdüse unter Einsatz der das Luftströmungsführungs-Element umströmenden Luft zerstäubt.
Zerstäuberbrenner, die eine Zerstäuberdüse dieser Art aufweisen, haben den Nachteil, dass insbesondere bei tiefen Temperaturen der Brennstoff bzw. Kohlenwasserstoff aufgrund seiner Viskosität nicht fein genug zerstäubt werden kann. Dies führt dazu, dass im Verbrennungsluftstrom größere flüssige Kohlenwasserstoff-Partikel mitgeführt werden, die eine längere Flugstrecke zurücklegen müssen, um verdampft zu werden. Bei solchen Partikeln besteht die Gefahr, dass sie zu größeren Tropfen kondensieren und somit als Kondensat, d. h. in flüssiger Form, im Zerstäuberbrenner vorhanden sind. Solche flüssigen Tropfen beeinträchtigen den Betrieb des Zerstäuberbrenners, weil der flüssige Kohlenwasserstoff aufgrund seines Kondensierens aus dem Luft/Kohlenwasserstoff-Gemisch die Eigenschaften des Gemischs derart beeinflusst, dass ein magereres Gemisch zur Verbrennung gelangt. Ferner kann der Betrieb dadurch beeinträchtigt werden, dass sich die Tropfen an Wandungen, beispielsweise Innenwänden oder Prallplatten des Zerstäuberbrenners, niederschlagen. Der flüssige Brennstoff kann sich aufgrund der ungenügenden Zerstäubung folglich an nicht dafür vorgesehenen Stellen im Zerstäuberbrenner ansammeln, beispielsweise in Form eines so genannten Brennstoffsumpfs, oder den Brenner unverbrannt flüssig oder als Weißrauch verlassen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines Luft/Kohlenwasserstoff-Gemischs derart auszugestalten, dass durch Tropfenbildung induzierte Beeinträchtigungen des Betriebs eines mit dem Gemisch gespeisten Systems vermindert werden können.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Luft/Kohlenwasserstoff-Gemischs gelöst, die eine Zerstäubungsanordnung mit einer Kohlenwasserstoff-Zuführung und einer Luft-Zuführung zum Erzeugen des Luft/Kohlenwasserstoff-Gemischs durch Zerstäubung von flüssigem Kohlenwasserstoff umfasst.
Erfindungsgemäß ist dabei weiter eine Heizanordnung zum Erwärmen des Kohlenwasserstoffs vor der Zerstäubung vorgesehen.
Durch die Erwärmung des Kohlenwasserstoffs wird die Viskosität desselben reduziert, was dazu führt, dass der Kohlenwasserstoff, insbesondere auch bei tiefen Temperaturen, besser in der Luft zerstäubt werden kann. Das Mitführen von größeren Kohlenwasserstoff-Partikeln im Luft/Kohlenwasserstoff-Gemischstrom kann auf diese Weise reduziert bzw. sogar verhindert werden.
Die Kohlenwasserstoff-Zuführung kann wenigstens einen vermittels der Heizanordnung erwärmbaren rohrartigen Zuführbereich umfassen. Dies ermöglicht die Erwärmung des Kohlenwasserstoffs direkt in der Zuführung, wobei es vorteilhaft ist, dass im Bereich der Zuführung in der Regel ein leichter Zugang für die Anordnung der Heizanordnung vorhanden ist.
In diesem Zusammenhang ist es möglich, dass der Zuführbereich einen Venturi-Abschnitt umfasst. Eine solche Anordnung kann dazu verwendet werden, beispielsweise in Geräten, die nach dem Venturi-Prinzip Kohlenwasserstoff mit Luft zerstäuben, die entsprechenden Venturi-Abschnitte zu erwärmen, bevor der Kohlenwasserstoff zerstäubt wird.
Zur besseren Zerstäubung des Kohlenwasserstoffs kann die Vorrichtung derart ausgebildet sein, dass die Zerstäubungsanordnung wenigstens ein von der Luft umströmbares Luftströmungsführungs-Element umfasst, dass die Kohlenwasserstoff-Zuführung dazu ausgebildet ist, den flüssigen Kohlenwasserstoff auf die Oberfläche des Luftströmungsführungs-Element zu fördern, und dass durch die Heizanordnung der Kohlenwasserstoff auf der Oberfläche des Luftströmungsführungs-Elements erwärmbar ist. Die Erwärmung des Kohlenwasserstoffs auf der Oberfläche führt aufgrund der reduzierten Viskosität zu einer besseren Verteilung des auf der Oberfläche aufgebrachten flüssigen Kohlenwasserstoffs. Hierdurch gelangt ein feinerer Kohlenwasserstoff-Film auf der Oberfläche zur Zerstäubung, so dass ein Luft/Kohlenwasserstoff-Gemisch gebildet werden kann, das entweder nur sehr kleine oder im optimalen Fall keine Kohlenwasserstoff-Partikel in flüssiger Form enthält.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Luftströmungsführungs-Element durch die Heizanordnung erwärmbar ist. Die Erwärmung des Luftströmungsführungs-Elements führt zur Erwärmung der Oberfläche des Luftströmungsführungs-Elements und somit zur Erwärmung des aufgebrachten flüssigen Kohlenwasserstoffs.
Bevorzugterweise umfasst die Heizanordnung wenigstens ein in dem Luftströmungsführungs-Element angeordnetes Heizelement. Das Vorsehen von wenigstens einem Heizelement in dem Luftströmungsführungs-Element hat den Vorteil, dass das Heizelement derart angeordnet werden kann, dass eine effektive Erwärmung der Oberfläche ermöglicht wird. Ferner kann ein bzw. können mehrere solche Heizelemente direkt bei der Herstellung des Luftströmungsführungs-Elements als Bestandteil einer Zerstäuberdüse eingebaut werden.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass in einem Raumbereich, welcher das Luft/Kohlenwasserstoff-Gemisch aufnimmt, wenigstens ein Aufnahmeelement vorgesehen ist zur Aufnahme von flüssigem Kohlenwasserstoff aus dem Luft/Kohlenwasserstoff-Gemisch. Ein solches Aufnahmeelement dient der Aufnahme von flüssigen Kohlenwasserstoff- Partikeln, die im Luft/Kohlenwasserstoff-Gemisch aufgrund der nicht genügenden Zerstäubung mitgeführt werden. Damit kann wenigstens teilweise, im optimalen Fall vollständig, verhindert werden, dass flüssige Kohlenwasserstoff-Partikel weiter im Luft/Kohlenwasserstoff-Gemisch mitgeführt werden und dass der Betrieb des mit dem Gemisch gespeisten Systems dadurch beeinträchtigt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das wenigstens eine Aufnahmeelement an wenigstens einer den Raumbereich begrenzenden Wandung vorgesehen. Dies ermöglicht die Anordnung von wenigstens einem Aufnahmeelement an Wandungen, bei denen aufgrund der Konstruktion, aufgrund der vorherrschenden Strömungsverhältnisse und insbesondere aufgrund von tiefen Temperaturen die Gefahr besteht, dass sich im Luft/Kohlenwasserstoff-Gemisch mitgeführte, nicht genügend zerstäubte flüssige Kohlenwasserstoff-Partikel niederschlagen.
Das wenigstens eine Aufnahmeelement kann an einem den Luft/Kohlenwasserstoff-Gemisch-Strom ablenkenden Ablenkelement vorgesehen sein. Derartige Ablenkelemente können beispielsweise Prallplatten, Flammblenden o.ä. sein, die in der Regel direkt in der Hauptströmung des Luft/Kohlenwasserstoff-Gemischs stehen, d. h., die Gefahr, dass sich an diesen Ablenkelementen nicht genügend zerstäubte, flüssige Kohlenwasserstoff-Partikel niederschlagen, ist relativ hoch. Die Prallplatten dienen mit, aber auch ohne Aufnahmeelement dazu, das ungebremste Mitführen von flüssigen Kohlenwasserstoff-Partikeln im Luft/Kohlenwasserstoff-Gemisch zu verhindern, um wenigstens einen Teil der flüssigen Kohlenwasserstoff-Partikel auffangen zu können. Durch die Anordnung von wenigstens einem Aufnahmeelement an einem Ablenkelement können flüssige Kohlenwasserstoff-Partikel aus dem Luft/Kohlenwasserstoff-Gemisch noch effizienter aufgefangen und sozusagen heraus gefiltert werden. Ferner können die Partikel im Aufnahmeelement derart zurückgehalten werden, dass die Bildung von Kohlenwasserstoff-Tropfen am Ablenkelement im optimalen Fall verhindert werden kann.
Eine effiziente Aufnahme von flüssigen Kohlenwasserstoff-Partikeln an den Aufnahmeelementen kann erreicht werden, wenn diese in der Lage sind, den flüssigen Kohlenwasserstoff zu absorbieren. Durch die Absorption wird der flüssige Kohlenwasserstoff vom Material des Aufnahmeelements aufgesaugt und haftet nicht in Form von größeren Tropfen auf Grund von Reibung, Viskosität bzw. Oberflächenspannung am Aufnahmeelement. Prinzipiell kann aufgrund der Absorption auch eine größere Menge von flüssigem Kohlenwasserstoff aufgenommen werden im Vergleich mit einem nicht absorbierenden Material, ohne dass die Gefahr der Bildung von Kohlenwasserstoff-Tropfen am mit absorbierendem Material versehenen Ablenkelement besteht.
In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn das wenigstens eine Aufnahmeelement aus porösem Material gebildet ist. Die Verwendung von porösem Material ermöglicht eine Aufnahme von größeren Mengen von flüssigem Kohlenwasserstoff im Vergleich mit anderen, insbesondere nicht porösen Materialien. Dadurch wird die Tropfenbildung nach der Aufnahme von Kohlenwasserstoff an der Oberfläche des Aufnahmeelements vermindert bzw. sogar ganz verhindert. Ferner ermöglicht poröses Material neben der Absorption auch die Verdunstung des aufgenommenen Kohlenwasserstoffs, so dass flüssiger Kohlenwasserstoff, der bei tiefen Temperaturen vom Aufnahmeelement absorbiert wurde, dem Luft/Kohlenwasserstoff-Gemisch wieder zugeführt werden kann. Eine solche Anordnung wirkt unterstützend für die vollständige Verarbeitung des Kohlenwasserstoffs und verhindert die Beeinträchtigung des Betriebs durch erneut gebildete Tropfen von flüssigem Kohlenwasserstoff. Das Material kann bezüglich seiner Porosität derart beschaffen sein, dass es für die jeweilige Anordnung des Aufnahmeelements und für die jeweils verwendete Art von Kohlenwasserstoff optimale Eigenschaften aufweist hinsichtlich der Absorptionsfähigkeit.
Um eine möglichst optimale Anordnung erreichen zu können, ist es besonders zweckmäßig, wenn in der Vorrichtung die Zerstäubungsanordnung und/oder die Heizanordnung und/oder das Aufnahmeelement und/oder der Raumbereich miteinander kombiniert werden. In einer derartigen Ausführungsform kann einerseits der Kohlenwasserstoff, insbesondere auch bei tiefen Temperaturen, besser in der Luft zerstäubt werden, was das Mitführen von größeren Kohlenwasserstoff-Partikeln im Luft/Kohtenwasserstoff-Gemischstrom reduzieren bzw. sogar verhindern kann, und andererseits können Partikel von flüssigem Kohlenwasserstoff, die trotz der verbesserten Zerstäubung im Luft/Kohlenwasserstoff-Gemisch vorhanden sein könnten, durch das Aufnahmelement aufgenommen bzw. absorbiert werden. Dies führt dazu, dass im optimalen Fall durch Tropfenbildung induzierte Betriebsbeeinträchtigungen, insbesondere das Austreten von unverbrannt flüssigem Brennstoff bzw. von Weißrauch, eines mit dem Gemisch gespeisten Systems verhindert werden können.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann beispielsweise in einem Heizgerät verwendet werden, um die Verbrennung zu optimieren. Ferner ist es auch möglich, die Vorrichtung in einem Reformer, der zur Gewinnung von Wasserstoff z. B. für Brennstoffzellen zum Einsatz kommt, einzusetzen, wobei einerseits eine optimierte Verbrennung, beispielsweise zur Erwärmung des Reformers auf Betriebstemperatur, ermöglicht wird und andererseits die Bildung des zur Reformierung zu verwendenen Luft/Kohlenwasserstoff-Gemischs verbessert werden kann.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1
eine schematische Längsschnittansicht eines Zerstäuberbrenners, in dem beispielhaft zwei alternative erfindungsgemäße Heizanordnungen einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Luft/Kohlenwasserstoff-Gemischs vorgesehen sind;
Fig. 2
eine schematische Längsschnittansicht eines Zerstäuberbrenners, in dem ein Venturi-Abschnitt als Kohlenwasserstoff-Zuführung vorgesehen ist;
Fig. 3
zwei Ausführungsvarianten der Heizanordnung im Venturi-Abschnitt (Fig. 3a, b); und
Fig. 4
eine Prinzip-Längsschnittansicht von erfindungsgemäßen Aufnahmeelementen in einem Raumbereich, welchem das Luft/Kohlenwasserstoff-Gemisch zuführbar ist.
Eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Luft/Kohlenwasserstoff-Gemischs weist mit Bezug auf Fig. 1 eine mit 10 bezeichnete Zerstäubungsanordnung und einen mit 12 bezeichneten Raumbereich auf, welchem das Luft/Kohlenwasserstoff-Gemisch zuführbar ist. Die Zerstäubungsanordnung 10 umfasst eine Kohlenwasserstoff-Zuführung 14, über die flüssiger Kohlenwasserstoff, z. B. Benzin, Diesel, Biodiesel oder dergleichen, der Zerstäubungsanordnung 10 zugeführt wird. Der zugeführte Kohlenwasserstoff wird in der Zerstäubungsanordnung 10 zerstäubt und gelangt zusammen mit ebenfalls über die Zerstäubungsanordnung 10 zugeführter Luft in den Raumbereich 12. In der Zerstäubungsanordnung 10 wird die Luft über einen Raumbereich 16 auf zwei Luftströmungs-Raumbereiche 18, 20 verteilt. Die beiden Luftströmungs-Raumbereiche 18, 20 sind durch ein erstes Luftströmungsführungs-Element 22 voneinander getrennt. Ein zweites Luftströmungsführungs-Element 24 begrenzt zusammen mit dem ersten Luftströmungsführungs-Element 22 den ersten Luftströmungs-Raumbereich 18. Ein drittes Luftströmungsführungs-Element 26 begrenzt zusammen mit dem ersten Luftströmungsführungs-Element 22 den zweiten Luftströmungs-Raumbereich 20. Der durch die Kohlenwasserstoff-Zuführung 14 zugeführte Kohlenwasserstoff wird durch eine im ersten Luftströmungs-Raumbereich 18 erzeugte innere Drallströmung Si an eine den ersten Luftströmungs-Raumbereich begrenzende Oberfläche 26 des ersten Luftströmungsführungs-Elements 22 aufgetragen. Der flüssige Kohlenwasserstoff bildet auf der Oberfläche 26 einen Brennstofffilm 28, der durch die innere Drallströmung Si zu einer Zerstäuberlippe 30 bewegt wird. An der Zerstäuberlippe 30 wird der flüssige Kohlenwasserstoff aufgrund einer Scherwirkung zwischen der inneren Drallströmung Si und einer im zweiten Luftströmungs-Raumbereich 20 erzeugten äußeren Drallströmung Sa zerstäubt. Das auf diese Weise gebildete Luft/Kohlenwasserstoff-Gemisch gelangt stromabwärts in den Raumbereich 12, in dem das Gemisch beispielsweise verbrannt werden kann. Für die Verbrennung ist eine Zündvorrichtung 32, beispielsweise in Form eines Glühzündstiftes, vorgesehen. Im Raumbereich 12 ist ein Ablenkelement 34 angeordnet, an dem das Luft/Kohlenwasserstoff-Gemisch zur besseren Verbrennung abgelenkt und verwirbelt wird. Ferner können am Ablenkelement 34 ggf. im Luft/Kohlenwasserstoff-Gemisch mitgeführte flüssige Kohlenwasserstoff-Partikel aufgefangen werden. Die durch die Verbrennung im Raumbereich 12 entstandenen Verbrennungsabgase verlassen den Raumbereich 12 stromabwärts in Richtung eines nicht weiter beschriebenen Raumbereichs 36.
In der Zerstäubungsanordnung 10 in Fig. 1 sind auch zwei Ausführungsvarianten einer erfindungsgemäßen Heizanordnung 37 dargestellt. Beide Heizanordnungen 37 sind im ersten Luftströmungsführungs-Element 22 angeordnet, um die Oberfläche 26 des ersten Luftströmungsführungs-Elements 22 und somit auch den Brennstofffilm 28 erwärmen zu können. Eine erste Ausführungsvariante zeigt im oberen Teil des Längsschnitts des ersten Luftströmungsführungs-Elements 22 fünf Querschnitte eines in Form einer Schraube/Spirale im ersten Luftströmungsführungs-Element 22 angeordneten Heizungsdrahts 38. Die zweite Ausführungsvariante zeigt einen im ersten Luftströmungsführungs-Element 22 angeordneten Glühstift 40, mit dem das Luftströmungsführungs-Element 22, dessen Oberfläche 26 und der Brennstofffilm 28 erwärmt werden können. Die Erwärmung des Heizdrahts 38 und des Glühstifts 40 erfolgt durch das Anlegen einer elektrischen Spannung, so dass im Heizdraht 38 bzw. im Glühstift 40 ein elektrischer Strom fließt und der Heizdraht 38 bzw. der Glühstift 40 aufgrund ihres jeweiligen elektrischen Widerstands erwärmt werden. Die Erwärmung des an der Oberfläche 26 des ersten Luftströmungsführungs-Elements 22 aufgebrachten Brennstofffilms 28 kann aber auch in anderer Art und Weise erfolgen, beispielsweise durch mehrere am Umfang des Luftströmungsführungs-Elements 22 angeordnete Glühstifte 40, durch Mikrowellenstrahlung oder dergleichen.
Es ist selbstverständlich, dass die Zerstäubungsanordnung mit der erfindungsgemäßen Heizanordnung sowohl in Heizgeräten, wie z. B. einer Standheizung, eingesetzt werden kann. Ferner kann eine solche Zerstäubungsanordnung auch in einem Reformer, der aus dem Luft/Kohlenwasserstoff-Gemisch Wasserstoff gewinnt, verwendet werden, ggf. in Verbindung mit einer Verbrennungsanordnung, um den Reformer vor der eigentlichen Reformierung des Luft/Kohlenwasserstoff-Gemischs auf Betriebstemperatur erwärmen zu können. Der Reformer kann beispielsweise im Raumbereich 36 angeordnet sein.
In Fig. 2 erkennt man den Raumbereich 12 mit der Zündvorrichtung 32 und dem Ablenkelement 34, sowie dem nicht weiter beschriebenen Raumbereich 36 der Vorrichtung zur Erzeugung eines Luft/Kohlenwasserstoff-Gemischs. Als Zerstäubungsanordnung 10' ist schematisch eine nach dem Venturi-Prinzip funktionierende Anordnung dargestellt. Der Kohlenwasserstoff wird durch einen Venturi-Abschnitt 50, der in Form eines Venturi-Röhrchens dargestellt ist, der Zerstäubungsanordnung 10' zugeführt. Die Luftzuführung erfolgt durch einen Luftströmungs-Raumbereich 52, der von entsprechenden Luftströmungsführungs-Elementen 54, 56 begrenzt wird. Die im Luftströmungs-Raumbereich 52 am Venturi-Abschnitt 50 vorbei strömende Luft, dargestellt durch die beiden Pfeile SI, zerstäubt den am Ende 58 des Venturi-Abschnitts 50 austretenden Kohlenwasserstoff. Entsprechend dem bei Fig. 1 Beschriebenen gelangt das Luft/Kohlenwasserstoff-Gemisch in den Raumbereich 12, in dem es verbrannt werden kann.
Bei der Verwendung des Venturi-Abschnitts 50 als Kohlenwasserstoff-Zuführung kann die Heizanordnung direkt am Venturi-Abschnitt angebracht werden, wie dies in zwei Ausführungsvarianten in den Querschnittsdarstellungen entsprechend der Schnittlinie III-III der Fig. 2 in den Fig. 3a und 3b dargestellt ist. Die Erwärmung des Venturi-Abschnitts 50 und somit des darin zugeführten Kohlenwasserstoffs kann gemäß Fig. 3a durch einen in geeigneter Weise am Venturi-Abschnitt 50 angeordneten Heizdraht 60 erfolgen, beispielsweise indem der Heizdraht 60 wendelartig um den Kohlenwasserstoff führenden, rohrartigen Zuführbereich 61 des Venturi-Abschnitts 50 angeordnet wird. Eine andere Ausführungsvariante sieht die Anordnung von einem oder mehreren Glühstiften 62, beispielsweise radial um den Kohlenwasserstoff führenden, rohrartigen Zuführbereich 61 des Venturi-Abschnitts 50, vor. Die Erwärmung des Heizdrahts 60 bzw. der Glühstifte 62 erfolgt wie bereits oben beschrieben, durch elektrischen Widerstand. Auch bei der Verwendung eines Venturi-Abschnitts kann eine andere geeignete Form der Heizanordnung 37 vorgesehen sein.
Die Zerstäubungsanordnung 10" in Fig. 4 stellt stellvertretend alle für die Vorrichtung zur Erzeugung eines Luft/Kohlenwasserstoff-Gemischs geeigneten Zerstäubungsanordnungen dar. Man erkennt den Raumbereich 12, den nicht weiter beschriebenen Raumbereich 36, die Zündvorrichtung 32 sowie das Ablenkelement 34. Der Raumbereich 12 wird von Wandungen 70 begrenzt, an denen wenigstens teilweise Aufnahmeelemente 72 angeordnet sind. Auf dem Ablenkelement 34, das beispielsweise eine Prallplatte sein kann, ist ebenfalls ein Aufnahmeelement 72' angebracht. Die an den Wandungen 70 des Raumbereichs 12 und am Ablenkelement 34 angeordneten Aufnahmeelemente 72, 72' nehmen flüssige Kohlenwasserstoff-Partikel auf, die im durch die Zerstäubungsanordnung 10" gebildeten Luft/Kohlenwasserstoff-Gemisch mitgeführt werden. Die Anordnung der vorzugsweise saugfähigen und porösen Aufnahmeelemente 72, 72' ist derart, dass unter Berücksichtigung der im Raumbereich 12 herrschenden Strömungsverhältnisse eine möglichst optimale Absorption von flüssigen Kohlenwasserstoff-Partikeln aus dem Luft/Kohlenwasserstoff-Gemisch erfolgen kann. In diesem Zusammenhang ist es auch denkbar, dass die Wandungen 70 vollständig mit Aufnahmeelementen 72 ausgekleidet sind oder dass beispielsweise auch in den Raumbereich 12 vorstehende Teile, wie z. B. die Zündvorrichtung 32, mit entsprechenden Aufnahmeelementen versehen sind. Durch die Aufnahmeelemente 72 auf den Wandungen 70 können insbesondere flüssige Kohlenstoff-Partikel aus dem Luft/Kohlenwasserstoff-Gemisch aufgenommen werden, die durch entsprechende Radialkomponenten der vorherrschenden Strömung an die Wandungen getragen werden. Das am Ablenkelement 34 angeordnete Aufnahmeelement 72' nimmt im Speziellen flüssige Kohlenstoff-Partikel auf, die aufgrund hoher Luftströmungsgeschwindigkeiten in Hauptströmungsrichtung nicht vollständig verdunstet sind. Damit wird verhindert, dass flüssige Kohlenwasserstoff-Partikel ungebremst den Raumbereich 12 in Richtung des Raumbereichs 36 verlassen.
Die in der Fig. 4 dargestellten Aufnahmeelemente 72, 72' können vorzugsweise mit Zerstäubungsanordnungen 10, 10' kombiniert werden, welche die Heizanordnung 37 zur Erwärmung des zu zerstäubenden Kohlenwasserstoffs enthalten. Hierdurch wird einerseits die Zerstäubung verbessert, was das Mitführen von größeren Kohlenwasserstoff-Partikeln im Luft/Kohlenwasserstoff-Gemischstrom reduzieren bzw. sogar verhindern kann, und andererseits können trotz der vorhergehenden Erwärmung vorhandene Partikel von flüssigem Kohlenwasserstoff durch die Aufnahmeelemente 72, 72' absorbiert werden.
Zusammenfassend umfasst eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Luft/Kohlenwasserstoff-Gemischs eine Zerstäubungsanordnung mit einer Kohlenwasserstoff-Zuführung und einer Luftzuführung zum Erzeugen des Luft/Kohlenwasserstoff-Gemischs durch Zerstäubung von flüssigem Kohlenwasserstoff. In einem ersten Luftströmungsführungs-Element ist eine Heizanordnung vorgesehen, mit der an der Oberfläche des ersten Luftströmungsführungs-Elements aufgebrachter Kohlenwasserstoff erwärmt werden kann. Der erwärmte und somit weniger viskose Kohlenwasserstoff wird durch entsprechende Luftströmungen, die durch die Luftströmungs-Raumbereiche erzeugt werden, zu einer Zerstäuberlippe bewegt und dort zerstäubt, so dass ein zur Verbrennung oder Reformierung geeignetes Luft/Kohlenwasserstoff-Gemisch entsteht.

Claims (14)

  1. Vorrichtung zur Erzeugung eines Luft/Kohlenwasserstoff-Gemischs umfassend eine Zerstäubungsanordnung (10; 10') mit einer Kohlenwasserstoff-Zuführung (14) und einer Luftzuführung (16, 18, 20; 52) zum Erzeugen des Luft/Kohlenwasserstoff-Gemischs durch Zerstäubung von flüssigem Kohlenwasserstoff,
    dadurch gekennzeichnet, dass eine Heizanordnung (37) zum Erwärmen des Kohlenwasserstoffs vor der Zerstäubung vorgesehen ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenwasserstoff-Zuführung (14) wenigstens einen vermittels der Heizanordnung (37) erwärmbaren rohrartigen Zuführbereich (61) umfasst.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Zuführbereich (61) einen Venturiabschnitt (50) umfasst.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstäubungsanordnung wenigstens ein von der Luft umströmbares Luftströmungsführungs-Element (22) umfasst, dass die Kohlenwasserstoff-Zuführung (14) dazu ausgebildet ist, den flüssigen Kohlenwasserstoff auf die Oberfläche (26) des Luftströmungsführungs-Elements (22) zu fördern, und dass durch die Heizanordnung (37) der Kohlenwasserstoff auf der Oberfläche (26) des Luftströmungsführungs-Elements (22) erwärmbar ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass durch die Heizanordnung (37) das Luftströmungsführungs-Element (22) erwärmbar ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Heizanordnung (37) wenigstens ein in dem Luftströmungsführungs-Element (22) angeordnetes Heizelement (38; 40) umfasst.
  7. Vorrichtung zur Erzeugung eines Luft/Kohlenwasserstoff-Gemischs umfassend eine Zerstäubungsanordnung mit einer Kohlenwasserstoff-Zuführung (14) und einer Luftzuführung (16, 18, 20) zum Erzeugen des Luft/Kohlenwasserstoff-Gemischs durch Zerstäubung von flüssigem Kohlenwasserstoff und einen Raumbereich (12), welchem das Luft/Kohlenwasserstoff-Gemisch zuführbar ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass in dem Raumbereich (12) wenigstens ein Aufnahmeelement (72, 72') vorgesehen ist zur Aufnahme von flüssigem Kohlenwasserstoff aus dem Luft/Kohlenwasserstoff-Gemisch.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Aufnahmeelement (72) an wenigstens einer den Raumbereich (12) begrenzenden Wandung (70) vorgesehen ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Aufnahmeelement (72') an einem den Luft/Kohlenwasserstoff-Gemischstrom ablenkenden Ablenkelement (34) vorgesehen ist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Aufnahmeelement (72, 72') flüssigen Kohlenwasserstoff absorbiert.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Aufnahmeelement (72, 72') aus porösem Material gebildet ist.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass eine Heizanordnung (37) nach Anspruch 1 vorgesehen ist, optional in Verbindung mit wenigstens einem Merkmal der Ansprüche 2 bis 6.
  13. Heizgerät umfassend die Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  14. Reformer umfassend die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
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