WO2002089995A1

WO2002089995A1 - Zweistoffdüse

Info

Publication number: WO2002089995A1
Application number: PCT/EP2002/004899
Authority: WO
Inventors: Bent Kjeldal; Ove Steen Boe
Original assignee: Danfoss A/S
Priority date: 2001-05-08
Filing date: 2002-05-04
Publication date: 2002-11-14
Also published as: DE10122147A1

Abstract

Es wird eine Zweistoffdüse angegeben mit einer Drallkammer (2), die eine Austrittsdüse (1) aufweist und in die eine Gaskanalanordnung (4, 5) am Umfang und eine Brennstoffkanalanordnung (9, 10) stirnseitig auf der der Austrittsdüse (1) gegenüberliegenden Seite münden, wobei die Drallkammer (2) zumindest im Bereich der Gaskanalanordnung (4, 5) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.Man möchte eine derartige Zweistoffdüse bei Brennstoffzellen verwenden können.Hierzu ist vorgesehen, daß der Durchmesser der Drallkammer (2) um mindestens den Faktor 7 größer ist als der Durchmesser der Austrittsdüse (11).

Description

Zweistoffdüse

Die Erfindung betrifft einer Zweistoffdüse mit einer D allkämm r, die eine Austrittsdüse aufweist und in die eine Gaskanalanordnung am Umfang und eine Brennstoffka- nalanordnung stirnseitig auf der der Austrittsdüse ge- genüberliegenden Seite münden, wobei die Drallka mer zumindest im Bereich der Gaskanalanordnung einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.

Eine derartige Zweistoffdüse ist aus DE 197 52 245 C2 bekannt. Die Drallkammer weist einen zylinderförmigen Abschnitt auf, in dessen Umfaήgswand die Gaskanalanordnung mündet. An diesem Abschnitt schließt sich auf der der Brennstoffkanalanordnung gegenüberliegenden Seite ein kegelförmiger Abschnitt an, an dessen Spitze die Austrittsdüse angeordnet ist. Das Gehäuse dieser Zweistoffdüse ist aus mehreren plattenartigen Teilen zusam-

DRESDNER BANK, FRANKFURT/M. 230030800 (BLZ 50080000) ■ S.W.I.FT-CODE DRES DE FF POSTBANK FRANKFURT/M. 3425-605 (BLZ 50O1O06O) mengesetzt. Das Verhältnis des Durchmessers des zylinderförmigen Abschnitts zum Durchmesser der Austrittsdüse liegt zwischen 2 und 6, vorzugsweise zwischen 3 und 4.

Eine andere Zweistoffdüse ist aus DE 41 18 538 C2 bekannt. Hier mündet der Brennstoffkanal nicht stirnseitig in die Drallkammer, sondern der Brennstoffkanal ist durch ein Rohr verlängert, das bis in die Drallkammer hineingeführt ist. Der Eintritt des Gases in die Drallkammer erfolgt so, daß das Gas das Rohr zunächst umströmt .

Bei Zweistoffdüsen für ^"Ölbrenner, wie sie in den ge- nannten Entgegenhaltung beschrieben sind, besteht die erzeugte Mischung aus Luft und einem flüssigen, fein zerstäubten Brennstoff, beispielsweise Heizöl. Das Mischungsverhältnis ist so gewählt, daß ein kleiner Luftüberschuß im Verhältnis zu der Menge besteht, die theoretisch für eine vollständige Verbrennung erforderlich wäre. Typischerweise verwendet man einen Überschuß von 3 bis 6%. Bei Ölbrennern hat man allerdings den Vorteil, daß diese mit einem intermittierenden Betrieb arbeiten können, wobei in den Zeiten, in denen Öl ver- brannt wird, relativ große Mengen an Öl und Luft durchgesetzt werden können.

Anders sieht es aus bei Zweistoffdüsen, die für Brennstoffzellen verwendet werden sollen. Hier ist es erfor- derlich, daß relativ kleine Mengen an Brennstoff und dementsprechend auch relativ kleine Mengen Luft durchgesetzt werden, dies allerdings kontinuierlich oder zumindest über längere Zeiträume. Dennoch muß auch bei den kleinen Massenströmen eine hervorragende Durchmischung von Brennstoff und Luft erreicht werden, d. h. der Brennstoff muß in möglichst kleinen Tröpfchen vorliegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zweistoffdüse bereitzustellen, die für eine Brennstoffzelle geeignet ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Zweistoffdüse der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Durchmesser der Drallkammer um mindestens den Faktor 7 größer ist als der Durchmesser der Austrittsdüse.

Bei dieser Ausgestaltung erreicht man, daß man auch bei kleinen Brennstoffmengen und dementsprechend kleinen Luftmengen bei Dauerbetrieb eine ausreichende Durchmischung von Brennstoff und Luft erzielen kann. Bei Brennstoffzellen kann beispielsweise Heizöl als Brenn- stoff verwendet werden. Aus dem Heizöl wird Wasserstoff gewonnen. Die Wasserstoffgewinnung erfolgt durch einen Reformierungsprozeß, wobei das Öl im voraus fein zerstäubt und mit Luft im richtigen Verhältnis vermischt sein muß. Bei Brennsto fzellen wird oft eine unter- stöchiometrische Reaktion gewünscht. Eine derartige Reaktion läuft beispielsweise nach folgender Reaktionsgleichung ab:

1: C₂H₄ + 0₂ -> 2H₂ +2C0

Für eine vollständige Verbrennung, wie sie beispielsweise in einem Ölbrenner erfolgt, würde die Reaktionsgleichung für die gleiche Brennstoffmenge nach folgen- der Reaktionsgleichung 2 ablaufen, d. h. mit dreifacher Sauerstoffmenge und damit entsprechend dreifacher Luftmenge :

2: C₂H₄ + 30₂ -> 2H₂0 + 2C0₂

Der Grund für das unterstöchiometrische Verhalten bei Reaktion 1- ist der Wunsch nach Bildung von Kohlen on- oxid und Wasserstoff, die nachfolgend unter zusätzli- eher Energiegewinnung weiter reagieren können. Das Mischen von Öl und Luft vor der Reformierung kann beispielsweise in einer Zweistoffdüse erfolgen, wie dies aus den genannten Entgegenhaltungen bekannt ist. Aufgrund der kleinen Luftmenge (die Luftmenge ist, wie oben angegeben, bei der Reaktion 1 gedrittelt) wird aber mit den bekannten Zweistoffdüse keine ausreichende Zerstäubung erreicht. Wenn man jedoch das Durchmesserverhältnis mindestens auf den Wert 7 setzt, dann wird eine gute Zerstäubung erreicht.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß für ein Verhältnis der Durchmesser von Drallkammer und Austrittsdüse gilt:

7 < D_K/D_A < 30, insbesondere 7 < D_K/D_A < 18,

wobei D_κ der Durchmesser der Drallkammer und D_A der Durchmesser der Austrittsdüse ist. Versuche haben ergeben, daß ein Durchmesserverhältnis, das über 7, aber unter 30, vorzugsweise sogar bei 18 oder weniger liegt, die besten Ergebnisse zeigt. Das Heizöl-Luft-Gemisch, das mit einer derartigen Zweistoffdüse erzeugt werden kann, ist hervorragend zum Betrieb einer Brennstoffzelle geeignet. Vorzugsweise mündet die Brennstoffkanalanordnung über eine Brennstoffdüse in die Drallkammer, deren Durchmesser kleiner als der Durchmesser der Austrittsdüse ist. Durch die Wahl eines kleineren Durchmessers für die

Brennstoffdüse wird eine Dämpfung von Druckimpulsen des Brennstoffs beim Eintritt in die Drallkammer erreicht. Man nimmt an, daß dies einen vorteilhaften Effekt auf die Zerstäubung das Heizöls in der Luft hat. Dadurch, daß die Austrittsdüse einen größeren Durchmesser als die Brennstoffdüse aufweist, wird vermieden, daß sich in der Drallkammer ein "Stau" bildet, der eine Zerstäubung des Heizöls behindern könnte.

Auch ist bevorzugt, daß die Brennstoffdüse einen Abschnitt der Brennstoffkanalanordnung mit vermindertem Durchmesser bildet. Der in die Drallkammer eingespeiste Brennstoff kann auch bei einer normalen oder langsamen Zufuhr ausreichend gedämpft werden, um die gewünschte Zerstäubung zu realisieren. Die Verluste bei der Zuführung des Brennstoffs werden allerdings klein gehalten, weil sich der erhöhte Widerstand in der Brennstoffka- nalanordnung auf den relativ -kurzen Bereich der Brenn- stoffdüse beschränkt. Der Gas- oder Luftwirbel, der sich in der Drallkammer ausbildet, ist dann in der Lage, von dem zugeführten Brennstoff sozusagen immer nur die äußere Schicht abzuschälen, was zu einer kontrollierten Zerstäubung des Brennstoffs vor allem dann führt, wenn nur geringe Brennstof mengen mit wenig Luft zerstäubt werden sollen.

Vorzugsweise mündet die Gaskanalanordnung unmittelbar im Anschluß an eine Stirnseite in die Drallkammer, in der die Brennstoffkanalanordnung in die Drallkammer mündet. Das aus den Mündungen der Gaskanalanordnung austretende Gas kann sich also nur in Richtung auf die Austrittsdüse hin ausbreiten. Damit wird vermieden, daß sich eine Gasströmung in der Drallkammer ergibt, die von der Austrittsdüse weg gerichtet ist. Das Zusammenwirken von Gas und Brennstoff wird vielmehr so beschränkt, daß einer Strömung des Brennstoffs in Richtung auf die Austrittsdüse lediglich eine tangentiale Gasströmung zugeordnet ist, die ebenfalls eine Strömungskomponente in Richtung auf die Austrittsdüse aufweist. Damit wird auch beim Austreten des Brennstoff- Gas-Gemischs aus der Zweistoffdüse eine Bedingung geschaffen, die für eine Zerstäubung des Brennstoffs gün- stig ist. Eine Wiedervereinigung der Tröpfchen zu größeren Tropfen wird vermieden. Vorzugsweise ist ein Gehäuserücksprung um das Austrittsende der Austrittsdüse herum angeordnet. Das austretende Gas-Brennstoff- Gemisch tritt dann sozusagen aus einer Spitze der Zwei- stoffdüse aus, so daß Umgebungsluft nachströmen kann. Dies sind günstigen Bedingungen für den Betrieb an einer Brennstoffzelle.

Bevorzugterweise endet -die Brennstoffkanalanordnung in einem Rohr, das über eine vorbestimmte Strecke in die Drallkammer hineinragt. Diese Ausgestaltung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn sehr kleine Olmengen zerstäubt werden sollen, beispielsweise 200 ml pro Stunde oder weniger. Man hat festgestellt, daß bei der- artig kleinen Olmengen durch das Rohr eine wesentlich gleichmäßigere Zerstäubung erfolgt als bei einer Ausgestaltung, bei der die Brennstoffkanalanordnung in einer ebenen Begrenzungsfläche der Drallkammer mündet. Mögli- cherweise liegt dies daran, daß das Öl erst ein Tröpfchen von einer gewissen Größe bilden muß, bevor es mitgerissen wird. Bei der Verwendung eines Rohres sind die Flächen, an denen das Öl anhaften kann, wesentlich kleiner. Die Luft kann dementsprechend das Öl oder eine andere Flüssigkeit, die zerstäubt werden muß, wesentlich besser erreichen und somit kontinuierlich mitreißen.

Vorzugsweise liegt die vorbestimmte Strecke im Bereich von 1 bis 7 mm. Das Rohr kann also länger sein als die axiale Erstreckung der Mündung der Gaskanalanordnung, die im Bereich der stirnseitigen Begrenzung der Drallkammer mündet. Dementsprechend hat das Gas, das durch die Gaskanalanordnung eingespeist wird, nicht nur eine Drallkomponente, d.h. das Gas wird in U laufrichtung bewegt, sondern es hat auch eine starke axiale Komponente, d.h. das Gas streicht in Längsrichtung über das Rohr hinweg und reißt das an der Mündung des Rohres austretende Öl mit sich.

Bevorzugterweise weist die vorbestimmte Strecke eine Länge im Bereich von 10% bis 80% der Entfernung zwischen der Austrittsdüse und dem der Austrittsdüse ge- genüberliegenden Ende der Drallkammer. Damit steht genügend Raum zur Verfügung, in dem eine Vermischung zwischen dem Gas und der Flüssigkeit in der Drallkammer stattfinden kann.

Auch ist bevorzugt, daß die vorbestimmte Strecke länger ist als die Hälfte der Entfernung zwischen dem der Austrittsdüse gegenüberliegenden Ende der Drallkammer und dem Beginn einer zur Austrittsdüse führenden Durchmes- serverringerung der Drallkammer. Mit dieser Ausgestaltung wird erreicht, daß die Mischung aus Gas und Flüssigkeit sich nicht nur bilden kann, sondern gleichzeitig auch eine Bewegungskomponente erhält, die nach in- nen auf die Austrittsdüse zu gerichtet ist.

Vorzugsweise weist das Rohr einen Außendurchmesser von maximal 4 mm auf. Die Dicke des Rohres wird damit begrenzt, so daß in der Drallkammer ein ausreichendes Vo- lu en verbleibt, in dem sich der Luftwirbel ausbilden kann.

Vorzugsweise weist das Rohr einen Außendurchmesser auf, der maximal 70% des Durchmessers der Drallkammer be- trägt. Wenn der Durchmesser größer wird, wird der

Druckabfall entlang des Rohres zu groß. Bei einem Außendurchmesser von maximal 70% des Durchmessers der Drallkammer verbleibt ein genügend großer Freiraum in der Drallkammer, so daß ausgeglichene Druckverhältnisse hergestellt werden können.

Vorzugsweise ist das Rohr an seinem in die Drallkammer hineinragenden Ende konisch abgeschrägt. Dies verbessert die Strömungsverhältnisse insbesondere dann, wenn das Rohr eine etwas stärkere Wanddicke hat. Aber auch bei dünneren Wanddicken des Rohres ergeben sich günstige Strömungsverhältnisse, die dazu beitragen, die durch das Rohr hindurchtretende Flüssigkeit mit dem Gas in der Drallkammer zu zerstäuben.

Hierbei ist bevorzugt, daß das Ende um einen Winkel im Bereich von 30° bis 60° gegenüber der Achse des Rohres abgeschrägt ist. Dieser Winkel ist einerseits spitz ge- nug, so daß das über die Stirnseite des Rohres strömende Gas die aus dem Rohr austretende Flüssigkeit zerstäuben kann, weil sie nicht senkrecht auf eine Um- fangsflache des Flüssigkeitsstrahles trifft. Anderer- seits ist der Winkel aber nicht zu spitz, so daß die

Gasströmung noch einen erheblichen Einfluß auf die ausströmende Flüssigkeit nehmen kann.

Vorzugsweise weist das Rohr in seiner Umfangswand min- destens eine Austrittsöffnung auf. Die durch das Rohr tretende Flüssigkeit kann also seitlich aus dem Rohr austreten. Dies ist insbesondere bei kleineren Flüssigkeitsmengen von Vorteil, weil die seitlich aus dem Rohr austretende Flüssigkeit durch die Gasströmung noch bes- ser abgeschält werden kann.

Hierbei ist bevorzugt, daß die Austrittsöffnung im Bereich des Endes angeordnet ist. Die Gasströmung hat am Ende des Rohres eine relativ große Komponente in Rich- tung auf die Austrittsdüse, ist gleichzeitig aber schon in einem nicht mehr zu vernachlässigenden Maße in eine wirbeiförmige Strömung versetzt worden. Beide Komponenten zusammen sind in der Lage, eine seitlich austretende Flüssigkeit auch bei geringen Flüssigkeitsmengen ab- zuschälen und zu zerstäuben.

Hierbei ist bevorzugt, daß das Rohr an seiner Stirnseite geschlossen ist. Der Verschluß an der Stirnseite zwingt die Flüssigkeit, ausschließlich durch die Öff- nung in der Umfangswand auszutreten. Dies ergibt günstige Bedingungen für die Flüssigkeit. Man kann nur eine Austrittsöffnung in der Umfangswand vorsehen. In vielen Fällen wird es aber günstig sein, mehrere, sy - etrisch um die Achse des Rohres verteilt angeordnete Austrittsöffnung vorzusehen. Die Anzahl der Austrittsöffnungen und ihre Größe läßt sich durch einige wenige Versuche leicht ermitteln.

Bevorzugterweise ist die Brennstoffkanalanordnung in einem ersten Gehäuseteil und die Drallkammer in einem zweiten Gehäuseteil angeordnet, wobei das erste Gehäuseteil und das zweite Gehäuseteil durch ein Überwurfge- häuse miteinander verbunden sind, das das zweite Gehäuseteil aufnimmt und gegen das erste Gehäuseteil spannt. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, daß eine Befestigung des Überwurfgehäuses im Grunde nur am ersten Gehäuseteil erforderlich ist. Das zweite Gehäuseteil wird dadurch gleichzeitig am ersten Gehäuseteil befestigt. Dies erleichtert die Fertigung und ermöglicht eine relativ genaue Zuordnung von erstem Gehäuseteil und zweiten Gehäuseteil zueinander.

Vorzugsweise ist das Überwurfgehäuse mit dem ersten Gehäuseteil verschraubt. Eine Verschraubung ist eine relativ einfache Verbindungsmöglichkeit, die auch unter Zuhilfenahme von Maschinen leicht realisiert werden kann.

Bevorzugterweise weist das Überwurfgehäuse im Bereich der Anlage des zweiten Gehäuseteils am ersten Gehäuseteil eine ringförmige Ausnehmung auf, die mit einem Gaszufuhrkanal in Verbindung steht. Das Überwurfgehäuse wird also nicht nur dazu verwendet, das erste Gehäuseteil und das zweite Gehäuseteil miteinander zu verbinden. Es bietet gleichzeitig die Führung für das Gas, das zur Zerstäubung der Flüssigkeit verwendet werden soll. Zusätzliche Maßnahmen zur Führung des Gases sind nicht erforderlich.

Bevorzugterweise weist die Ausnehmung eine in Richtung auf die Austrittsdüse geneigte Begrenzungswand auf. Das Gas erhält dann eine Bewegungskomponente in Richtung auf die Austrittsdüse, die die Zerstäubung der Flüssigkeit weiter erleichtert. Verwirbelungen des Gases in der Drallkammer, die die Zerstäubung behindern könnten, werden wirkungsvoll vermieden. Das Gas wird in eine wirbeiförmige Strömung versetzt, die eine erste Bewegungskomponente in Umfangsrichtung und eine zweite Bewegungskomponente in Axialrichtung aufweist. Mit einer derartigen Gasströmung ist es möglich, den aus der Mün- düng des Rohres austretenden Flüssigkeitsstrahl sozusagen von außen nach innen abzuschälen.

Bevorzugterweise überdeckt die Ausnehmung mehr als die Hälfte der Mündung der Gaskanalanordnung. Dies erlaubt eine weitgehend verlustfreie Strömung des Gases in die Drallkammer.

Bevorzugterweise spannt das Überwurfgehäuse ein drittes Gehäuseteil, in dem die Austrittsdüse angeordnet ist, gegen das zweite oder das erste Gehäuseteil. Mit dieser Ausgestaltung kann man mit einer einzigen Montagehandlung sämtliche Gehäuseteile aneinander befestigen. Die Verwendung von mehreren Gehäuseteilen erlaubt es, die einzelnen Gehäuseteile mit der jeweils gewünschten Prä- zision zu fertigen. Beispielsweise ist bei der Austrittsdüse eine größere Genauigkeit erforderlich als beim zweiten Gehäuseteil, das die Drallkammer aufnimmt. Die Erfindung betrifft auch die Verwendung einer derartigen Zweistoffdüse zur Einleitung einer unterstöchio- metrischen Reaktion. Wie oben erläutert, läßt sich eine derartige Reaktion, bei der nur relativ geringe Luftmengen zulässig sind, mit guten Ergebnissen bei einer Zweistoffdüse erzielen, die den geschilderten Aufbau hat.

Hierbei ist besonders bevorzugt, daß die Reaktion eine Reformierung ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeich- nung beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt II-II durch eine Zweistoffdüse nach Fig. 2,

Fig. 2 einen Längsschnitt I-I nach Fig. 1,

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform einer Zweistoffdüse,

Fig. 4 eine dritte Ausführungsform einer Zweistoffdüse,

Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung eines

Ausschnitts einer vierten Ausführungsform einer Zweistoffdüse, Fig. 6 eine fünfte Ausführungsform einer Zweistoffdüse,

Fig. 7 eine sechste Ausführungsform einer Zweistoffdüse und

Fig. 8 eine siebte Ausführungsform einer Zweistoffdüse.

Eine Zweistoffdüse 1 weist eine Drallkammer 2 auf, die im wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet ist. Sie weist auf jeden Fall einen kreisförmigen Querschnitt auf, wie er beispielsweise auch durch eine konische Ausbildung realisiert werden kann. In die Umfangswand 3 der Drallkammer 2 münden in Umfangsrichtung gleichförmig verteilt mehrere Gaskanäle 4, 5, die zusammen eine Gaskanalanordnung bilden. Über die Gaskanalanordnung kann ein Gas, beispielsweise Luft, in die Drallkammer 2 eingespeist werden, so daß in der Drallkammer 2 ein Luftwirbel entsteht.

Eine Stirnseite 6 ist im wesentlichen als ebene Fläche ausgebildet. Diese ebene Fläche wird durch die stirnseitige Außenwand eines Gehäuseteils 7 gebildet, das mit einem Gehäuseteil 8 verbunden ist, in dem die

Drallkammer 2 untergebracht ist. In dem Gehäuseteil 7 befindet sich ein Brennstoffkanal 9, der über eine Brennstoffdüse 10 in die Drallkammer 2 mündet. Die Brennstoffdüse 10 weist einen Durchmesser auf, der um den Faktor 6 kleiner ist als der Durchmesser des Brennstoffkanals 9, genauer gesagt als der Abschnitt des Brennstoffkanals 9, der in Strömungsrichtung des zugeführten Brennstoffs vor der Brennstoffdüse 10 liegt. Durch den relativ großen Querschnitt des Brennstoffkanals 9 wird erreicht, daß der Strömungswiderstand für den Brennstofftransport klein bleibt. Auch wird erreicht, daß der Brennstoff relativ langsam in die Drallkammer 2 eintreten kann. Die Zerstäubung des Brennstoffs erfolgt durch den Gaswirbel. Die Brennstoffdüse 10 dämpft dabei Druckimpulse, die bei der Brennstoffzufuhr auftreten könnten.

An der dem Gehäuseteil 7 gegenüberliegenden Stirnseite der Drallkammer 2 ist eine Austrittsdüse 11 angeordnet, die weiter unten näher beschrieben wird.

Die Brennstoffdüse 10 weist eine relativ große Länge auf. Diese Länge beträgt mindestens das 2,5-fache des Durchmessers der Brennstoffdüse 10. Damit wird erreicht, daß der in die Drallkammer 2 eintretende Brennstoffstrahl zumindest schwach in die Drallkammer 2 hinein und in Richtung auf die Austrittsdüse 11 gerichtet ist.

Wie insbesondere aus Fig. 2 zu erkennen ist, münden die Gaskanäle 4, 5 unmittelbar im Anschluß an das Gehäuseteil 7, so daß das durch die Gaskanäle 4, 5 eintretende Gas gezwungen ist, ausschließlich in Richtung auf die Austrittsdüse 11 hin zu strömen, wobei natürlich durch die zylinderförmige Ausbildung der Drallkammer 2 dafür gesorgt ist, daß dabei ein Gaswirbel entsteht, der in der Lage ist, sich mit dem eintretenden Brennstoff sehr gut zu mischen. Dieser Gaswirbel bewegt sich dann mit dem zerstäubten Brennstoff zusammen auf die Austrittsdüse 11 hin, wo das Gemisch beim Austritt zerstäubt wird. Dabei erfolgt die Mischung des Brennstoffs mit dem Gas nicht unbedingt bereits vollständig beim Eintritt des Brennstoffs in die Drallkammer 2, d. h. am Ende der Brennstoffdüse 10. Vielmehr wird durch den Gaswirbel erreicht, daß auch der Brennstoff, der in der Drallkammer 2 noch strahlförmig vorliegt, mit hervorragenden Ergebnissen gemischt werden kann.

Die Austrittsdüse 11 weist eine Länge auf, die mindestens das 1,8-fache ihres Durchmessers beträgt. Darüber hinaus hat sie einen größeren Durchmesser als die

Brennstoffdüse 10. Durch das Durchmesserverhältnis wird gewährleistet, daß kein "Stau" in der Drallkammer 2 entsteht, das Gas-Brennstoff-Gemisch also gut durch die Austrittsdüse 11 abfließen kann. Gleichwohl bildet auch die Austrittsdüse 11 einen gewissen Drosselwiderstand, insbesondere durch ihre Länge. Mit der Länge der Austrittsdüse 11 wird erreicht, daß das Gas-Brennstoff- Gemisch mit einer gewissen Richtung aus der Zweistoffdüse 1 ausgestoßen wird. Dies ist insbesondere im Zu- sammenhang mit einer Brennstoffzelle von Vorteil, weil man damit dafür sorgen kann, daß das Gas-Brennstoff- Gemisch an den Ort verbracht werden kann, wo es letztendlich reagieren soll.

Die Austrittsdüse 11 ist in einem Gehäuseteil 12 angeordnet, der an das Gehäuseteil 8 angesetzt ist. Der Gehäuseteil 12 weist hierbei einen Innenkonus 13 auf, der eine Durchmesserverringerung vom Durchmesser D_κ der Drallkammer 2 zum Durchmesser D_A der Austrittsdüse 11 bewirkt. Das Gehäuseteil 8 ist seiner Stirnseite entsprechend angeschrägt, so daß man den Innenkonus 13 gleichzeitig als Anlagefläche für die Verbindung der Gehäuseteile 8, 12 verwenden kann. Die Austrittsdüse 11 ist in einem Vorsprung 14 am Gehäuseteil 12 angeordnet. Mit anderen Worten ist das Austrittsende 15 der Austrittsdüse 11 von einem Rück- sprung 16 des Gehäuseteils 12 umgeben. Dieser Rücksprung 16 ermöglicht, daß das Gas-Brennstoff-Gemisch, das aus der Austrittsdüse 11 austritt, eine gewisse Menge an Umgebungsluft mitreißt.

Fig. 3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform einer

Zweistoffdüse 1, bei der gleiche und einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 1 und 2 versehen sind.

Eine Änderung gegenüber der Ausführungsform der Fig. 1 und 2 besteht darin, daß sich die Brennstoffdüse 10 als Teil der Brennstoffkanalanordnung in einem Rohr 17 fortsetzt, das sich über eine Länge von etwa 4 mm in die Drallkammer hinein erstreckt. Dementsprechend weist das Rohr eine Mündung 18 auf, die um die Länge des Rohres 17 von der Stirnseite 6 der Drallkammer 2 entfernt ist, die der Austrittsdüse 11 gegenüberliegt. Das Rohr 17 hat eine Länge, die kleiner ist als die Hälfte der Entfernung zwischen der Stirnseite 6 und einem Ein- trittsende 19 der Austrittsdüse 11. Das Rohr 17 ist aber länger als die Hälfte der Entfernung zwischen der Stirnseite 6 und dem Beginn des Innenkonus 13, der die Durchmesserverringerung bildet, mit der sich die Drallkammer 2 zur Austrittsdüse 11 hin verjüngt.

Das erste Gehäuseteil 7, in dem die Kanalanordnung 9 angeordnet ist, das zweite Gehäuseteil 8, in dem sich die Drallkammer 2 befindet, und das dritte Gehäuseteil 12, das die Austrittsdüse 11 aufnimmt, sind mit Hilfe eines Überwurfgehäuses 20 aneinander befestigt. Das Überwurfgehäuse 20 weist ein Innengewinde 21 auf, das mit einem Außengewinde 22 am ersten Gehäuseteil 7 ver- schraubt ist. Das Überwurfgehäuse 20 weist eine Öffnung 23 auf, die an den Umfang des Vorsprungs 14 des dritten Gehäuseteils 12 angepaßt ist. Diese Öffnung 23 zentriert also das dritte Gehäuseteil 12 gegenüber dem Überwurfgehäuse 20 und damit das dritte Gehäuseteil 12 gegenüber dem ersten Gehäuseteil 7, an dem das Rohr 17 befestigt ist. Die Öffnung 23 ist in einer Stirnwand 24 des Überwurfgehäuses 20 ausgebildet, die das dritte Gehäuseteil 12 gegen das zweite Gehäuseteil 8 und damit das zweite Gehäuseteil 8 gegen das erste Gehäuseteil 7 spannt. Durch den Innenkonus 13 wird das zweite Gehäuseteil 8 gegenüber dem dritten Gehäuseteil 12 zentriert.

Das Überwurfgehäuse 20 weist im Bereich der Anlagestel- le des zweiten Gehäuseteils 8 am ersten Gehäuseteil 7 eine ringförmige radiale Ausnehmung 25 auf, die im Querschnitt die Form eines Trapezes hat. Mit anderen Worten verläuft zwar die Umfangswand der Ausnehmung 25 parallel zur Achse 26 der Zweistoffdüse 1. Die übrigen Wände verlaufen aber nicht senkrecht zu der Umfangswand 27, sondern die der Austrittsdüse 11 zugewandte Wand 28 ist in Richtung auf die Austrittsdüse 11 geneigt. Sie schließt also mit der Umfangswand 27 einen stumpfen Winkel ein.

Die Ausnehmung 25 steht in Verbindung mit einem Gaszu- fuhrkanal 29. Die Ausnehmung 25 überlappt die Gaskanäle 4, 5 teilweise, jedoch nicht vollständig, in Axialrich- tung. Die Überdeckung beträgt aber mindestens 50%.

Diese Ausgestaltung hat folgenden Effekt. Gas, das durch den Gaszufuhrkanal in die Ausnehmung 25 gelangt, wird zum einen in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt. Zum anderen wird das Gas durch die Gaskanäle 4, 5 in die Drallkammer 2 eingespeist. Wie insbesondere aus Fig. 1 zu erkennen ist, erfolgt die Einspeisung so, daß das Gas einen Wirbel in Umfangsrichtung bildet. Gleich- zeitig bekommt das Gas durch die geneigte Wand 28 aber eine Bewegungskomponente in Axialrichtung, d.h. auf die Austrittsdüse 11 zu. In die andere Richtung kann sich das Gas nicht bewegen, weil hier die Stirnseite 6 eine Bewegung verhindert. Das Gas bewegt sich also in einem in Umfangsrichtung laufenden Strom langsam auf die Austrittsdüse 11 zu und streicht dabei an der Umfangsflä- che des Rohres 17 entlang. Sobald es die Mündung 18 erreicht, nimmt es die dort austretende Flüssigkeit mit und verwirbelt sie.

Die übrigen Abmessungen können genauso ausgebildet sein, wie in Verbindung mit der Ausführungsform der Fig. 1 und 2 erläutert.

Die Zweistoffdüse wird vorzugsweise bei der Zerstäubung von Öl verwendet, und hier bevorzugterweise in Verbindung mit Brennstoffzellen. Sie ist aber auch in einem gewöhnlichen Ölbrenner verwendbar, wo die Verbrennung unter anderen Bedingungen erfolgt.

Die Zweistoffdüse ist aber auch in Verbindung mit anderen Flüssigkeiten verwendbar, beispielsweise bei der Zerstäubung von Wasser. Die Fig. 4 bis. 8 zeigen weitere Ausgestaltungen einer Zweistoffdüse, bei denen gleiche Teile wie in den Fig. 1 bis 3 mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Fig. 4 zeigt eine dritte Ausführungsform, die im wesentlichen der Ausgestaltung nach Fig. 3 entspricht. Im Unterschied zu der Ausgestaltung nach Fig. 3 ist das Rohr 17 wesentlich kürzer. Es hat hier nur eine Länge in der Größenordnung von 1 mm. Dementsprechend hat das Rohr 17 eine Länge, die etwa 10% der Entfernung zwischen der Austrittsdüse 11 und dem der Austrittsdüse 11 gegenüberliegenden Ende 6 der Drallkammer 2 entspricht. Damit ist das Rohr 17 sogar noch kürzer als die axiale Erstreckung der Mündung des Gaskanals 5. Gleichwohl wird das durch den Gaskanal 5 austretende Gas in der

Drallkammer 2 in Rotation versetzt und weist eine starke axiale Strömungskomponente auf, so daß es dementsprechend Flüssigkeit, die durch das Rohr 17 hindurchtritt, abschälen, zerstäuben und in Richtung auf die Austrittsdüse 11 transportieren kann.

Fig. 5 zeigt eine abgewandelte Ausgestaltung des Rohres 17, das hier eine Stirnseite 30 aufweist, die konisch abgeschrägt ist. Der Winkel des Konus 30 beträgt etwa 30° bis 60° zur Achse 31 des Rohres 17. Aus Gründen der Übersicht ist die Wandstärke des Rohres 17 übertrieben dick dargestellt. Selbstverständlich ist die konische Abschrägung der Stirnseite 30 auch bei Rohren 17 mit einer geringeren Wandstärke möglich und sinnvoll. Die konisch abgeschrägte Stirnseite 30 ist auch nicht auf spezielle Längen des Rohres 17 begrenzt. Sie kann im Grunde bei allen Längen des Rohres 17 eingesetzt werden. Fig. 6 zeigt eine Ausgestaltung, die sich von derjenigen nach Fig. 4 dadurch unterscheidet, daß das Rohr 17 eine wesentlich größere Länge aufweist, d.h. die Mün- düng 18 des Rohres 17 befindet sich wesentlich dichter an der Austrittsdüse 11. Die Länge des Rohres 17 beträgt in diesem Ausführungsbeispiel etwa 7 mm, d.h. die Rohrlänge entspricht etwa 80% der Entfernung zwischen der Austrittsdüse 11 und dem Boden 6 der Drallkammer 2. Würde man die Länge des Rohres 17 noch größer wählen, müßte der Gasdruck erhöht werden, um bei größeren Olmengen eine ausreichende Zerstäubung des Öles (oder einer anderen Flüssigkeit) zu gewährleisten. Würde man umgekehrt das Rohr 17 kürzer als 1 mm machen (wie in Fig. 4 dargestellt), dann hätte das Rohr 17 nur eine sehr beschränkte Wirkung bei kleineren Olmengen. Ein größerer Gasdruck ist nicht erwünscht, weil die Erzeugung beispielsweise von Druckluft relativ teuer ist.

Fig. 7 zeigt eine dritte Ausgestaltung, die sich von der Ausgestaltung nach Fig. 6 dadurch unterscheidet, daß das Rohr einen wesentlich größeren Außendurchmesser aufweist als das Rohr 17 in Fig. 6. Der Außendurchmesser des Rohres 17 liegt bei etwa 4 mm oder 70% des Durchmessers der Drallkammer 2. Wenn der Außendurchmesser des Rohres 17 größer wird, würde der Druckabfall entlang des Rohres 17 zu groß werden. Bei der Ausgestaltung nach Fig. 7 ist die konisch abgeschrägte Stirnseite 30 klar erkennbar. Es sei aber noch einmal darauf hingewiesen, daß die konisch abgeschrägte Stirnseite 30 auch bei den Ausgestaltungen nach den Fig. 1 bis 4 und 6 verwendet werden kann. Fig. 8 zeigt eine siebte Ausgestaltung einer Zweistoffdüse mit einem Rohr 17, das an seiner Stirnseite einen Verschluß 33 aufweist. Dafür ist in seiner Umfangswand mindestens eine Öffnung 32 vorgesehen, durch die Öl oder eine andere Flüssigkeit aus dem Rohr 17 in die Drallkammer 2 austreten kann. Die Anzahl und die Verteilung der Austrittsöffnungen 32 richtet sich nach dem gewünschten Verwendungszweck. Wenn kleinere Flüssig- keitsmengen zerstäubt werden sollen, wird man nur zwei oder drei Austrittsöffnungen 32 verwenden, gegebenenfalls auch nur eine Austrittsöffnung. Die durch die Gaskanäle 4, 5 in die Drallkammer 2 eingespeiste Luftmenge wird in der Drallkammer in Rotation versetzt und ist dann in der Lage, auch relativ kleine Flüssigkeitsmengen zu erfassen, zu verwirbeln und zu zerstäuben, die durch die Ausöffnungen 32 in der Umfangswand des Rohres 17 austreten. Die so zerstäubte Flüssigkeit wird dann aus der Austrittsdüse 11 herausgestoßen.

Claims

Patentansprüche

1. Zweistoffdüse mit einer Drallkammer, die eine Austrittsdüse aufweist und in die eine Gaskanalanordnung am Umfang und eine Brennstoffkanalanordnung stirnseitig auf der der Austrittsdüse gegenüberlie- genden Seite münden, wobei die Drallkammer zumindest im Bereich der Gaskanalanordnung einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Drallkammer (2) um mindestens den Faktor 7 größer ist als der Durch- messer der Austrittsdüse (11) .

2. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für ein Verhältnis der Durchmesser von Drallkammer (2) und Austrittsdüse (11) gilt:

7 < D_K/D_A < 30, insbesondere 7 < D_K/D_A < 18,

wobei D_κ der Durchmesser der Drallkammer (2) und D_A der Durchmesser der Austrittsdüse (11) ist.

3. Düse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich- net, daß die Brennstoffkanalanordnung über eine Brennstoffdüse (10) in die Drallkammer (2) mündet, deren Durchmesser kleiner als der Durchmesser der Austrittsdüse (11) ist.

4. Düse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffdüse (10) einen Abschnitt der Brennstoffkanalanordnung mit vermindertem Durchmesser bildet.

5. Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Gaskanalanordnung (4, 5) unmittelbar im Anschluß an eine Stirnseite (6) in die Drallkammer (2) mündet, in der die Brennstoffka- nalanordnung mündet.

6. Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffkanalanordnung in einem Rohr (17) endet, das über eine vorbestimmte Strecke in die Drallkammer (2) hineinragt.

7. Düse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Strecke im Bereich von 1 bis 7 mm liegt.

8. Düse nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Strecke eine Länge im Bereich von 10% bis 80% der Entfernung zwischen der Austrittsdüse (11) und dem der Austrittsdüse (11) gegenüberliegenden Ende (6) der Drallkammer (2) aufweist.

9. Düse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Strecke länger ist als die Hälfte der Entfernung zwischen dem der Austrittsdüse (11) gegenüberliegenden Ende (6) der Drallkammer (2) und dem Beginn einer zur Austrittsdüse (11) füh- renden Durchmesserverringerung (13) der Drallkammer (2) .

10. Düse nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (17) einen Außendurch- esser von maximal 4 mm aufweist.

11. Düse nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (17) einen Außendurchmesser aufweist, der maximal 70% des Durch- messers der Drallkammer (2) beträgt.

12. Düse nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (17) an seinem in die Drallkammer (2) hineinragenden Ende (30) konisch abgeschrägt ist.

13. Düse nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende (30) um einen Winkel im Bereich von 30° bis 60° gegenüber der Achse (31) des Rohre (17) abgeschrägt ist.

14. Düse nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (17) in seiner Umfangswand mindestens eine Austrittsöffnung (32) aufweist.

15. Düse nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnung (32) im Bereich des Endes (30) angeordnet ist.

16. Düse nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (17) an seiner Stirnseite geschlossen ist.

17. Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffkanalanordnung in einem ersten Gehäuseteil (7) und die Drallkam- mer (2) in einem zweiten Gehäuseteil (8) angeordnet sind, wobei das erste Gehäuseteil (7) und das zweite Gehäuseteil (8) durch ein Überwurfgehäuse (20) miteinander verbunden sind, das das zweite Gehäuseteil (8) aufnimmt und gegen das erste Ge- häuseteil (7) spannt.

18. Düse nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Überwurfgehäuse (20) mit dem ersten Gehäuseteil (7) verschraubt ist.

19. Düse nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Überwur gehäuse (20) im Bereich der Anlage des zweiten Gehäuseteils (8) am ersten Gehäuseteil (7) eine ringförmige Ausnehmung (25) aufweist, die mit einem Gaszufuhrkanal (29) in Verbindung steht.

20. Düse nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (25) eine in Richtung auf die Aus- trittsdüse (11) geneigte Begrenzungswand (28) aufweist.

21. Düse nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekenn- der Mündung der Gaskanalanordnung (4, 5) überdeckt,

22. Düse nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Überwurfgehäuse (20) ein drittes Gehäuseteil (12), in dem die Austrittsdüse (11) angeordnet ist, gegen das zweite oder das erste Gehäuseteil (7, 8) spannt.

23. Verwendung einer Zweistoffdüse nach einem der An- Sprüche 1 bis 22 zur Einleitung einer unterstöchio- metrischen Reaktion.

24. Verwendung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktion eine Reformierung ist.