WO2013127393A1 - Mobiles, mit flüssigem brennstoff betriebenes heizgerät - Google Patents

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Vitali Dell
Volodymyr Ilchenko
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Definitions

  • the present invention relates to a mobile fuel heater operated with liquid fuel.
  • a “mobile heater” in the present context is understood to mean a heater that is designed and adapted for use in mobile applications, in particular that it is transportable (possibly permanently installed in a vehicle or merely accommodated for transport therein ) and not exclusively for a permanent, stationary use, as is the case for example when heating a building, the mobile heater can also be fixed in a vehicle (land vehicle, ship, etc.), in particular in a vehicle In particular, it can be designed for heating a vehicle interior, such as a land vehicle, watercraft or aircraft, as well as a partially open space, such as can be found on ships, in particular yachts Heater can also be used temporarily stationary, such as in large tents, Contain According to an advantageous development, the mobile heater is designed as a stand-alone or auxiliary heater for a land vehicle, such as for a caravan, a motorhome, a bus, a car, etc.
  • Mobile heaters often come e.g. as vehicle heaters for heating a vehicle used.
  • such mobile heaters are e.g. as a heater, which can provide additional heat while the drive motor of the vehicle, or as a heater, which can provide both for running and stationary drive motor heat for heating purposes, used.
  • a heater which can provide additional heat while the drive motor of the vehicle, or as a heater, which can provide both for running and stationary drive motor heat for heating purposes, used.
  • In such mobile heaters is required that they should be able to operate on the one hand with small heating powers up to below 1 kW and on the other hand should have the largest possible heating power bandwidth, so - depending on needs - very different heating capacities are available.
  • the requirements for a possibly low-pollution combustion increase in mobile heaters increasingly.
  • mobile heaters use burners which intervene in a combustion chamber with components for flame stabilization, such as, in particular, bottlenecks, constrictions or other areas in the area of the flame and the outflowing hot gases.
  • the components are provided to allow the most stable operation at different heating capacities. Such components are subjected to particularly high loads in the operation of the mobile heater and often form the components that limit the life of the mobile heater.
  • the mobile fuel heater operated with liquid fuel comprises: a combustion chamber having a combustion air inlet, the combustion chamber having an expansion section adjoining the combustion air inlet, the cross section of which widens with increasing distance from the combustion air inlet and in which combustion air with fuel is in operation is reacted in a flaming combustion; a fuel supply arranged to supply fuel to the expansion section; and an air guiding device configured to introduce the combustion air into the expansion section with a circumferential flow component such that an axial recirculation region is formed in the expansion section, in which gases flow in the direction of the combustion air inlet counter to a main flow direction.
  • the combustion chamber is fluidically divided into a primary combustion zone and a secondary combustion zone.
  • the primary combustion zone has the expansion section and the recirculation section.
  • the secondary combustion zone is provided with a secondary combustion air inlet such that a higher combustion air coefficient ⁇ is established in the secondary combustion zone than in the primary combustion zone.
  • a combustion chamber is understood as meaning a spatial region of the heater in which a flaming reaction of fuel with combustion air takes place.
  • the term combustion chamber does not designate the wall surrounding this spatial region, which wall may be formed, for example, by a plurality of components.
  • the flaming combustion takes place at least also in the expansion section and not only in a region of the combustion chamber located downstream thereof.
  • the air guiding device which is the one at the combustion air inlet passing air so strongly with a circumferential flow component (ie a strong swirl) ensures that an axial recirculation region forms in the expansion section, in which gases flow in the direction of the combustion air inlet against a main flow direction, a low-emission and stable combustion is achieved, allowing operation over a wide range of heating power without the need for additional flame retardant components projecting into the combustion chamber. Due to the specified geometric design and the formation of the recirculation is achieved that the flame propagates always stable starting from the widening sab also at different heat outputs, ie different fuel and combustion air mass flows. In this way, thus stabilizes the flame in the combustion chamber itself.
  • the formation of the recirculation can be achieved in a simple manner that the expansion sab cut expands sufficiently strong, for example, with a half-cone angle of at least 20 °, and the supplied combustion air with a provided sufficiently large circumferentially extending flow component, in particular a swirl number of at least 0.6.
  • the primary combustion zone and the secondary combustion zone which has a higher combustion air ratio ⁇ , than the primary combustion zone, a combustion with particularly low emissions is provided and soot deposits can be reduced.
  • the mobile heater can be designed such that in the primary combustion zone, a combustion air ratio of about 1 sets and in the secondary combustion zone, a combustion air of about 1.6. In this case, in the primary combustion zone preferably sets a significantly higher temperature than in the secondary combustion zone.
  • the recirculation area is completely formed in the primary combustion zone and in the secondary combustion zone the hot gases flow mainly in the main flow direction.
  • the secondary combustion air inlet can be formed in particular by a plurality of holes in a wall of the combustion chamber, is supplied by the combustion air from the outside.
  • the fuel is supplied to the combustion air inlet into the expansion section, since in this case a particularly advantageous premixing of fuel and combustion air can take place.
  • the primary combustion zone has the expansion section and an adjoining intermediate section of the combustion chamber.
  • the flow conditions and the combustion air numbers in the combustion zones can be set particularly stable.
  • a second combustion air inlet for supplying combustion air into the primary combustion zone is provided in the intermediate section, the flow conditions and the combustion air ratio ⁇ in the primary combustion zone can be particularly simple and reliable be set.
  • the second combustion air inlet can be formed, for example, by a plurality of holes in a wall of the combustion chamber through which further combustion air is supplied into the primary combustion zone.
  • the arrangement of the second combustion air inlet can be chosen in particular such that the combustion air supplied there flows up to a longitudinal axis of the burner and is supplied to the recirculation area.
  • the secondary combustion air inlet is formed such that the passing secondary combustion air is supplied with respect to a longitudinal axis of the heater radially from the outside to gases that flow out of the primary combustion zone.
  • the secondary combustion air inlet can be designed in particular such that the secondary combustion air does not flow up to the longitudinal axis of the burner, but is supplied in a jacket-like manner from the outside to the gases flowing out of the primary combustion zone.
  • the secondary combustion air inlet can preferably have a multiplicity of holes in the wall of the combustion chamber. The holes may preferably have a smaller diameter than holes which form the second combustion air inlet for the primary combustion zone.
  • the primary combustion zone and the secondary combustion zone merge into one another with a free flow cross-section.
  • there are no components obstructing a flow in the axial direction of the combustion chamber such as e.g. Flame diaphragms, constrictions or the like provided.
  • no components are provided in the combustion chamber, which often limit the life of conventional heaters due to the high load during operation, so that a mobile heater can be provided with a long life.
  • components required for operation such as in particular ignition elements and / or sensors, which have only insignificant influence on the flow, may optionally protrude into the combustion chamber.
  • the heater is designed such that the combustion gases flow into the secondary combustion zone in a heat exchanger.
  • no tertiary combustion zone is provided, in which a third combustion air quantity is established, so that the hot combustion exhaust gases can be used efficiently for heating a medium to be heated via the heat exchanger.
  • the fuel supply has at least one evaporator element for evaporating the liquid fuel. Unlike a fuel supply, which has only one injector for injecting the fuel, the use of the evaporator element allows stable operation of the mobile heater even at low heat outputs below 1 kW, ie 5 low fuel and combustion air mass flows.
  • the evaporator element acts as a buffer.
  • the evaporator element allows a use of different liquid fuels, since effects due to different Siedelt) temperatures and Verdampfungsenthalpien be mitigated by the evaporator element.
  • the at least one evaporator element is arranged such that it at least partially surrounds the combustion air inlet.
  • a symmetrical supply of vaporized fuel is achieved, so that a particularly homogeneous mixture of combustion air and fuel is achieved, which enables pollutant-poor combustion. If the at least one evaporator element surrounds the combustion air inlet annularly, a particularly symmetrical supply of vaporized fuel is made possible.
  • the evaporator element is partially covered by a cover, so that a fuel outlet section is formed in an uncovered area.
  • a cover it can be reliably achieved that liquid fuel is evenly distributed in the evaporator element, so that the entire evaporator element is utilized to vaporize fuel and deposit formation in the evaporator element is suppressed.
  • the supply of liquid fuel to the evaporator element preferably takes place in a region of the evaporator element remote from the fuel outlet section, in which region the evaporator element is covered by the cover. If the cover forms a wall of the expansion section, the heat input achieved in the evaporator element can be adjusted in a simple manner by designing the cover, in particular with regard to material and wall thickness.
  • the fuel outlet section is arranged at the combustion air inlet, a particularly reliable mixing of combustion air and vaporized fuel can take place.
  • the evaporator element is arranged such that vaporized fuel emerges with a directional component directed counter to the main flow direction.
  • a particularly effective mixing of combustion air and fuel is achieved directly at the combustion air inlet.
  • the fuel may also have further direction components at the outlet, in particular a radial direction component in the direction of a longitudinal axis of the combustion chamber.
  • the expansion sab cut a continuous
  • the widening portion may be formed in particular conically widening. Due to the configuration with a continuously widening cross-section unwanted corner vortices, which would form at a sudden widening cross-section, can be prevented.
  • the expansion section widens with an opening angle of at least 20 °.
  • an embodiment of the expansion section is provided which acts like a fluid discontinuous cross-sectional widening. In conjunction with the combustion air supply with the flow component running in the circumferential direction, reliable flame anchoring in the widening section is achieved even with different heat outputs.
  • the air guiding device is designed such that the combustion air is introduced into the expansion section with a swirl number of at least 0.6.
  • the swirl number (S N ) is an integral quantity that indicates the ratio of tangential to axial momentum flux. With a swirl number of at least 0.6, a completely formed recirculation zone is reliably obtained.
  • the heater may be configured such that the combustion air is introduced into the combustion air inlet at flow velocities which are higher than the turbulent flame velocities occurring in the combustion chamber. In this case, it is reliably ensured that no flame can form directly at the combustion air inlet, so that a burn-back of the flame to the fuel supply is prevented.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of the burner of a mobile heater according to a first embodiment
  • FIG. 2 is a schematic perspective view of the burner of FIG. 1; FIG.
  • Fig. 3 is a schematic perspective view of an air guiding device in the
  • FIG. 4 is a schematic illustration of a housing surrounding the spoiler shown in FIG. 3;
  • FIG. 5 is a schematic diagram of an evaporator element in the first embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic sectional view of the burner of a mobile heater according to a second embodiment.
  • the mobile fuel heater operated with liquid fuel is designed, in particular, as a stationary or additional heater for a vehicle, in particular for a land vehicle.
  • the burner 1 of the mobile heater is shown.
  • the mobile heater has, in addition to the burner 1 shown in particular in a conventional manner, a heat exchanger for heat transfer to a medium to be heated, such as in particular a liquid in a liquid circuit of a vehicle or to be heated air.
  • the heat exchanger may be e.g. surrounded in a conventional manner, the burner 1 pot-like.
  • the mobile heater comprises at least one fuel supply device, which may be constituted in particular by a fuel pump, a combustion air delivery device, e.g. a combustion air blower, and at least one control unit for controlling the mobile heater.
  • the burner 1 has a combustion chamber 2, in which fuel is converted with combustion air in a flaming combustion during operation of the mobile heater.
  • the burner 1 is shown in a schematic sectional view, wherein the sectional plane is selected such that a longitudinal axis Z of the burner 1 lies in the sectional plane.
  • the burner 1 is essentially rotationally symmetrical with respect to the longitudinal axis Z.
  • the combustion chamber 2 has a combustion air inlet 3 at which combustion air is supplied into the combustion chamber 2 during operation.
  • the combustion chamber 2 Immediately adjacent to the combustion air inlet 3, the combustion chamber 2 has a widening portion 20, whose cross section widens with increasing distance from the combustion air inlet 3.
  • the widening portion is bounded by a conical wall formed by a cover 4, which will be described in more detail.
  • a substantially cylinder jacket-shaped wall 5 adjoins the conical wall of the widening section 20, so that the combustion chamber 2 has a section 21 of essentially constant cross-section following the widening section 20.
  • the widening section 20 widens with an opening angle of at least 20 °.
  • the opening angle s is the angle formed between the wall of the widening portion 20 and the longitudinal axis Z. In the illustrated embodiment, the opening angle s is e.g. between 40 ° and 50 °.
  • the combustion chamber 2 has a free flow cross-section such that no components blocking a free flow of gases protrude laterally into the combustion chamber 2, so that the gas flows in the combustion chamber 2 can be adjusted according to the geometry of the expansion section 20 and the subsequent section 21 , as will be described in more detail.
  • an air guiding device 6 is provided, which is designed to cut the combustion air with a running in the circumferential direction flow component in the expansion sab 20 initiate.
  • the air guiding device 6 is designed such that the combustion air is provided with a very large swirl.
  • the air guiding device 6 is designed such that the air is introduced into the combustion air inlet 3 with a swirl number of at least 0.6.
  • the burner 1 is designed such that via the air guiding device 6, a pressure drop in a range between 2 mbar and 20 mbar occurs.
  • the spoiler 6 will be described in more detail with reference to FIGS. 3 and 4.
  • the spoiler 6 has an approximately annular shape and is provided on the outside with spirally extending vanes 60, between which also spirally extending passages 61 are formed.
  • the spoiler 6 is used in the mobile heater according to the embodiment in a substantially hollow cylindrical housing 7, which is shown in Fig. 4.
  • the air guiding device 6 is inserted into the housing 7 such that the spirally running aisles 61 are closed on the circumferential side by the housing 7.
  • the spirally extending passages 61 are open only at their two end faces, so that combustion air can pass through.
  • Fig. 3 it is shown that the spoiler 6 with a central cylindrical
  • Through hole 62 is provided.
  • This through-hole 62 may be e.g. be used as a passage for an ignition element in the combustion chamber 2. In the illustrated embodiment, however, in the assembled state of the burner 1, the through-hole 62 is closed by a shutter 63, as shown in FIG.
  • the air guiding device 6 is arranged in such a way that combustion air enters the passage 61 closed by the housing 7 at one end, flows through the spirally extending passageways 61 and is introduced into the expansion section 20 of the combustion chamber 2 at the other end face becomes.
  • the spiral-shaped design of the gears 61, the combustion air is thereby provided with a twist.
  • the gears 61 are designed such that the combustion air is provided at the passage with the required swirl number of at least 0.6.
  • the combustion air is supplied to the spoiler 6 by a combustion air delivery device (not shown), e.g. a fan may be supplied, as shown schematically in Fig. 1 by arrows B.
  • the combustion air is introduced into the expansion section 20 at the combustion air inlet 3 with a flow component extending in the circumferential direction.
  • a fuel supply is further provided such that fuel is also supplied to the combustion air inlet 3 in the expansion portion 20, as shown schematically in Fig. 1 by arrows.
  • the mobile heater is designed for operation with liquid fuel and may, for example, be operable with fuel which is also used for an internal combustion engine of a vehicle, in particular diesel, Gasoline and / or ethanol.
  • the fuel supply has at least one evaporator element 9 for evaporating supplied liquid fuel.
  • the evaporator element 9 in the first embodiment has the shape of a hollow cone stump, as can be seen in FIG.
  • the evaporator element 9 in this case has an opening angle cc, which corresponds to the opening angle of the expansion section 20.
  • the evaporator element 9 is formed of a porous and heat-resistant material and may in particular metal fleece, metal mesh and / or metal fabric.
  • a plurality of fuel pipes 10 for supplying liquid fuel to the evaporator element 9 are provided. Although two fuel lines 10 are shown by way of example in Fig. 1, e.g. Also only a fuel line 10 may be provided or more fuel lines 10 may be provided.
  • the evaporator element 9 On a side facing away from the combustion chamber 2 side, the evaporator element 9 is covered by a rear wall 11, through which the fuel lines 10 are passed. On the combustion chamber 2 side facing the evaporator element 9 is covered by the previously described cover 4, which may be formed in particular of a metal sheet.
  • the evaporator element 9 is arranged such that it surrounds the combustion air inlet 3 in an annular manner.
  • the evaporator element 9 has an uncovered fuel outlet section 12 at the combustion air inlet 3, at which vaporized fuel can escape from the evaporator element 9.
  • the other sides of the evaporator element 9 are - apart from the fuel lines 10 - each covered, so that fuel can escape only at the fuel outlet portion 12 from the evaporator element 9.
  • the fuel outlet section 12 surrounds the combustion air inlet 3 in a ring shape so that fuel can be supplied uniformly from all sides. It should be noted that the evaporator element 9 does not necessarily have to have a closed ring shape and if
  • Evaporator elements 9 may be arranged distributed over the circumference.
  • the evaporator element 9 is thermally coupled via the cover 4 to the expansion section 20, so that during operation of the mobile heater, heat is transferred from the flame anchored in the expansion section 20 into the evaporator element 9 in order to provide evaporation heat required there for the fuel evaporation.
  • an ignition element for starting the burner can be provided which projects at least partially into the combustion chamber and, for the sake of simplicity, is not shown in FIG.
  • the above-described components of the burner 1 are surrounded on the outside by a substantially hollow-cylindrical burner flange 13, which forms a flow space for supplied combustion air.
  • the burner flange 13 also serves to attach the burner to the rear of other components of the mobile heater, which are not shown.
  • the burner flange 13 is designed such that an annular gap is formed between the inside of the burner flange 13 and the outside of the section 21 of the combustion chamber wall adjoining the widening section 20, through which part of the supplied combustion air can flow.
  • the burner flange 3 is connected to the section 21 such that the gap is closed there. As can be seen in FIGS.
  • the section 21 of the combustion chamber wall adjoining the widening section 20 has a plurality of holes 22 and 23 through which combustion air can likewise enter the combustion chamber 2.
  • the portion 21 of the combustion chamber wall is provided with a plurality of relatively large holes 22 having a second combustion air inlet for supplying combustion air in one in the
  • Combustion chamber 2 formed primary combustion zone PZ form, as will be described in more detail below.
  • a multiplicity of substantially smaller holes 23 are provided, through which secondary combustion air is introduced into a second zone. Därbrennzone SZ trained area of the combustion chamber 2 can flow and form a secondary combustion air inlet.
  • the holes 23 forming the secondary combustion air inlet extend in the axial direction over a significantly larger portion than the holes 22 forming the second combustion air inlet for the primary combustion zone PZ.
  • the burner 1 of the mobile heater is designed such that the gas supplied from the combustion air conveyor Combustion air is divided in a certain ratio, so that a part of the combustion air is supplied via the spoiler 6 at the combustion air inlet 3 in the expansion portion 20, another part of the combustion air through the gap and the second combustion air inlet forming large holes 22 is supplied and the rest Combustion air is supplied via the secondary combustion air inlet forming holes 23 in the secondary combustion zone SZ of the combustion chamber.
  • the desired combustion air distribution is achieved via the geometric configuration of the burner 1.
  • the respective Brennluftmen- conditions are set such that sets a combustion air ratio ⁇ of about 1 in the primary combustion zone PZ of the combustion chamber 2 and in the Sekundärbrennzone SZ a much larger combustion air coefficient ⁇ , for. about 1.6.
  • the primary combustion zone PZ is in the widening sab section 20 and an intermediate section adjoining it with a substantially constant cross section
  • Combustion chamber 2 is formed.
  • the secondary combustion zone SZ closes downstream of the main flow direction H directly to the primary combustion zone PZ.
  • the primary combustion zone PZ and the secondary combustion zone SZ merge into one another with a free flow cross section, so that, in particular, no structural separation is provided.
  • the secondary combustion air inlet forming holes 23 are formed such that the secondary combustion air enters the combustion chamber 2 such that it is fed radially from the outside to the effluent from the primary combustion zone PZ gases.
  • the emerging from the air guide 6 combustion air is mixed at the combustion air inlet 3 with the emerging there from the evaporator element 9 fuel. Due to the strong swirl of the combustion air in conjunction with the strong expansion of the expansion portion 20, the flow of the combustion air-fuel mixture by acting centrifugal forces on the wall of the expansion portion 20 remains abutting. A formation of so-called dead water areas outside the wall can be reliably prevented even with a strong expansion.
  • the flow sweeps along the wall of the expansion section 20 at relatively high speeds, so that a good convective heat transfer to the cover 4 and via heat conduction to the evaporator element 9 located behind it takes place during operation of the burner. Due to the high flow velocities in the vicinity of the combustion air inlet 3, a premix of fuel and combustion air, which contributes to a particularly low-emission conversion, takes place in a first region of the expansion section 20, in which no flame can form.
  • the design of the widening portion 20 acts fluidically seen as a discontinuous cross-sectional widening, so that in the twisted flow a strong expansion of the nuclear vortex occurs. Due to the adjusting local static pressures following the expansion of the core vortex a collapse of the core vortex, so that in a radially inner region near the longitudinal axis Z forms a strong backflow against the main flow direction H, as shown in Fig. 1 schematically by arrows , Thus, a recirculation region RB is formed near the longitudinal axis Z.
  • the recirculation vortexes that are formed have a position in the described geometric configuration of the burner 1 that is essentially independent of the mass flow of the combustion air-fuel mixture, so that a self-stabilization or anchoring of the flame takes place in the widening section 20.
  • the formation of these flow conditions can be explained by the fact that the twisted flow in the expansion section 20 expands radially, with a delay in the axial direction.
  • the tangential component of the velocity causes a radial pressure gradient, whereby the static pressure in the direction of the longitudinal axis Z is lower. Due to these pressure conditions, the recirculation region RB is formed.
  • the gases thus flow counter to the main flow direction H, ie in the direction of the combustion air inlet 3.
  • the combustion air supplied through the holes 22 in the intermediate section ie the second combustion air inlet
  • Another part of the through the holes 22 supplied Combustion air does not reach the recirculation area, but flows into the secondary combustion zone SZ.
  • a first combustion air coefficient .alpha. Is established in this way, which is approximately 1 in the embodiment. Due to the strong turbulence, a very good mixing of fuel and combustion air takes place in the primary combustion zone PZ, in which the recirculation region RB is formed.
  • the secondary combustion air which flows through the holes 23 which are arranged further downstream (with respect to the main flow direction H) and form the secondary combustion air inlet, does not reach the recirculation region RB, but is supplied from the outside in a shell-like manner to gases which flow out of the primary combustion zone PZ. In this case, this secondary combustion air does not reach the longitudinal axis Z of the burner 1.
  • the secondary combustion air fed in sets a significantly greater combustion air coefficient ⁇ in the secondary combustion zone SZ immediately following the primary combustion zone PZ. In this way, almost complete, rapid conversion of fuel with combustion air is achieved in the primary combustion zone PZ at high temperatures, in which only low CO emissions occur.
  • the primary combustion zone PZ has a relatively short length in the axial direction, so that low NO x emissions can be achieved.
  • exhaust gas aftertreatment takes place at a higher combustion air coefficient ⁇ and at lower temperatures, in which all combustible fractions which have not reacted in the primary combustion zone PZ are reacted.
  • the secondary combustion zone SZ has a greater length in the axial direction than the primary combustion zone PZ.
  • the reaction there is also particularly low in pollutants.
  • the outflowing exhaust gases are introduced into a heat exchanger for heat transfer to a medium to be heated, so that the heat released is used efficiently for heating the medium to be heated.
  • the burner 1 can operate over a wide range of different heating powers, in particular in a power range from 0.8 kW to about 20 kW, with particularly low emissions.
  • the combination of the combustion chamber design with the evaporator element 9 enables stable operation even at relatively low heat outputs.
  • the evaporator element 9 is also a stable supply of fuel into the combustion chamber 2 even if 10 air bubbles should form in the fuel line. Due to the resulting self-stabilization or anchoring of the flame in the widening section 20, a high heat input into the evaporator element 9 occurs at high heat outputs, so that reliably the required large amount of fuel per unit time can be vaporized there.
  • FIG. 6 A second embodiment will now be described with reference to FIG. 6, in which only the differences from the first embodiment will be described in greater detail to avoid repetition, and the same reference numerals as in the first embodiment will be used for the same components.
  • the second embodiment differs from the first embodiment in that the fuel supply has an atomizing nozzle 90 for atomizing the liquid fuel instead of the evaporator element 9 for evaporating the liquid fuel provided in the first embodiment, as will be described in more detail.
  • the widening section 20 also has a cross section in the second embodiment, which widens with increasing distance from the combustion air inlet 3. Even with the second Embodiment, the expansion sab section 20 is limited by a conical wall, which, however, unlike the first embodiment is not formed by a separate cover 4, but by a rear wall 40 of the combustion chamber 2.
  • the through hole 62 of the air guiding device 6 is also not closed by a shutter 63, but the atomizer nozzle 90 is disposed in the through hole 62.
  • the liquid fuel is supplied to the atomizer nozzle 90 via a fuel line 100, as shown schematically in FIG.
  • the air guiding device 6 is arranged in such a way that the air emerging from the air guiding device 6 enters a tapering section 19, which is located in front of the combustion air inlet 3.
  • the tapered portion 19 is formed in the example shown in Fig. 6 by a tapered truncated cone.
  • the tapered section 19 surrounds the atomizer nozzle 90 and causes the combustion air after leaving the air guide device 6 to be forced to flow around the outlet region of the injection nozzle 90 and thereby cool it. There is thus a cooling of the injection nozzle 90 by the supplied combustion air.
  • the atomizing nozzle 90 is formed so that the fuel substantially hollow cone emerges from the atomizer nozzle 90 in the expansion portion 20, as shown schematically in Fig. 6 by dashed lines.
  • the opening angle of the hollow cone, with which the atomized fuel emerges from the atomizer nozzle 90 is preferably selected such that the fuel enters the shear flow region, which is between the gases flowing off the wall of the expansion section 20 and the gases flowing back in the axial recirculation region formed.
  • the opening angle of the hollow cone, with which the atomized fuel is supplied is between 20 ° and 40 °, preferably between 25 ° and 35 °.
  • the angle between the exiting atomized fuel and the longitudinal axis Z is again referred to as the opening angle.

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Abstract

Es wird ein mobiles, mit flüssigem Brennstoff betriebenes Heizgerät bereitgestellt, mit: einer Brennkammer (2), die einen Brennlufteintritt (3) aufweist, wobei die Brennkammer einen an den Brennlufteintritt (3) anschließenden Aufweitungsabschnitt (20) aufweist, dessen Querschnitt sich mit zunehmendem Abstand von dem Brennlufteintritt (3) aufweitet und in dem im Betrieb Brennluft mit Brennstoff in einer flammenden Verbrennung umgesetzt wird; einer Brennstoffzufuhr, die derart angeordnet ist, dass Brennstoff in den Aufweitungsabschnitt (20) zugeführt wird; und einer Luftleitvorrichtung (6), die dazu ausgebildet ist, die Brennluft derart mit einer in Umfangsrichtung verlaufenden Strömungskomponente in den Aufweitungsabschnitt (20) einzuleiten, dass sich in dem Aufweitungsabschnitt (20) ein axialer Rezirkulationsbereich (RB) ausbildet, in dem Gase entgegen einer Hauptströmungsrichtung (H) in Richtung des Brennlufteintritts (3) strömen. Die Brennkammer (2) ist strömungstechnisch in eine Primärbrennzone (PZ) und eine Sekundärbrennzone (SZ) unterteilt. Die Primärbrennzone (PZ) weist den Aufweitungsabschnitt (20) und den Rezirkulationsbereich (RB) auf. Die Sekundärbrennzone (SZ) ist derart mit einem Sekundärbrennlufteintritt (23) versehen, dass sich in der Sekundärbrennzone (SZ) eine höhere Verbrennungsluftzahl (λ) als in der Primärbrennzone (PZ) einstellt.

Description

Mobiles, mit flüssigem Brennstoff betriebenes Heizgerät
Die vorliegende Erfindung betrifft ein mobiles, mit flüssigem Brennstoff betriebenes Heizgerät.
Unter einem„mobilen Heizgerät" wird im vorliegenden Kontext ein Heizgerät verstanden, das für den Einsatz in mobilen Anwendungen ausgelegt und dementsprechend angepasst ist. Dies bedeutet insbesondere, dass es transportabel ist (ggf. in einem Fahrzeug fest eingebaut oder lediglich für den Transport darin untergebracht) und nicht ausschließlich für einen dau- erhaften, stationären Einsatz, wie es beispielsweise bei der Beheizung eines Gebäudes der Fall ist, ausgelegt ist. Dabei kann das mobile Heizgerät auch fest in einem Fahrzeug (Landfahrzeug, Schiff, etc.), insbesondere in einem Landfahrzeug, installiert sein. Insbesondere kann es zur Beheizung eines Fahrzeug-Innenraums, wie beispielsweise eines Land-, Wasser- oder Luftfahrzeugs, sowie eines teiloffenen Raumes, wie er beispielsweise auf Schiffen, insbeson- dere Yachten, aufzufinden ist, ausgelegt sein. Das mobile Heizgerät kann auch vorübergehend stationär eingesetzt werden, wie beispielsweise in großen Zelten, Containern (zum Beispiel Baucontainern), etc.. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist das mobile Heizgerät als Stand- oder Zuheizer für ein Landfahrzeug, wie beispielsweise für einen Wohnwagen, ein Wohnmobil, einen Bus, einen Pkw, etc., ausgelegt.
Mobile Heizgeräte kommen häufig z.B. als Fahrzeugheizgeräte zum Beheizen eines Fahrzeugs zum Einsatz. Bei Anwendungen in einem Fahrzeug werden derartige mobile Heizgeräte z.B. als Zuheizer, die bei laufendem Antriebsmotor des Fahrzeugs zusätzlich Wärme bereitstellen können, oder als Standheizer, die sowohl bei laufendem als auch bei ruhendem An- triebsmotor Wärme zu Heizzwecken bereitstellen können, eingesetzt. Bei solchen mobilen Heizgeräten ist gefordert, dass diese einerseits mit kleinen Heizleistungen bis zu unterhalb von 1 kW betreibbar sein sollen und andererseits eine möglichst große Heizleistungsbandbreite aufweisen sollen, sodass - je nach Bedarf - sehr unterschiedliche Heizleistungen bereitstellbar sind. Ferner steigen bei mobilen Heizgeräten die Anforderungen an eine mög- liehst schadstoffarme Verbrennung in zunehmendem Maße.
Üblicherweise kommen bei mobilen Heizgeräten Brenner zum Einsatz, die in einer Brennkammer mit Bauteilen zur Flammstabilisierung, wie insbesondere Engstellen, Einschnürungen oder anderen in den Bereich der Flamme und der abströmenden heißen Gase eingreifen- den Bauteilen versehen sind, um einen möglichst stabilen Betrieb bei verschiedenen Heizleistungen zu ermöglichen. Solche Bauteile sind im Betrieb des mobilen Heizgeräts besonders hohen Belastungen ausgesetzt und bilden häufig die Komponenten, die die Lebensdauer des mobilen Heizgeräts beschränken.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes mobiles, mit flüssigem Brennstoff betriebenes Heizgerät bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch ein mobiles, mit flüssigem Brennstoff betriebenes Heizgerät nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das mobile, mit flüssigem Brennstoff betriebene Heizgerät weist auf: eine Brennkammer, die einen Brennlufteintritt aufweist, wobei die Brennkammer einen an den Brennlufteintritt an- schließenden Aufweitungsabschnitt aufweist, dessen Querschnitt sich mit zunehmendem Abstand von dem Brennlufteintritt aufweitet und in dem im Betrieb Brennluft mit Brennstoff in einer flammenden Verbrennung umgesetzt wird; eine Brennstoffzufuhr, die derart angeordnet ist, dass Brennstoff in den Aufweitungsabschnitt zugeführt wird; und eine Luftleitvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, die Brennluft derart mit einer in Umfangsrichtung verlaufenden Strömungskomponente in den Aufweitungsabschnitt einzuleiten, dass sich in dem Aufweitungsabschnitt ein axialer Rezirkulationsbereich ausbildet, in dem Gase entgegen einer Hauptströmungsrichtung in Richtung des Brennlufteintritts strömen. Die Brennkammer ist strömungstechnisch in eine Primärbrennzone und eine Sekundärbrennzone unterteilt. Die Primärbrennzone weist den Aufweitungsabschnitt und den Rezirkulationsbereich auf. Die Sekundärbrennzone ist derart mit einem Sekundärbrennlufteintritt versehen, dass sich in der Sekundärbrennzone eine höhere Verbrennungsluftzahl λ als in der Primärbrennzone einstellt.
Unter einer Brennkammer wird vorliegend ein Raumbereich des Heizgeräts verstanden, in dem eine flammende Umsetzung von Brennstoff mit Brennluft erfolgt. Insbesondere bezeich- net im Rahmen der vorliegenden Beschreibung die Bezeichnung Brennkammer nicht die diesen Raumbereich umgebende Wandung, die z.B. durch eine Mehrzahl von Komponenten gebildet sein kann. Die flammende Verbrennung findet dabei zumindest auch in dem Aufweitungsabschnitt statt und nicht lediglich in einem stromabwärts von diesem befindlichen Bereich der Brennkammer. Durch die Luftleitvorrichtung, die die an dem Brennlufteintritt ein- tretende Luft derart stark mit einer in Umfangsrichtung verlaufenden Strömungskomponente (d.h. einem starken Drall) versieht, dass sich in dem Aufweitungsabschnitt ein axialer Rezir- kulationsbereich ausbildet, in dem Gase entgegen einer Hauptströmungsrichtung in Richtung des Brennlufteintritts strömen, ist eine schadstoffarme und stabile Verbrennung erzielt, bei der ein Betrieb über eine große Heizleistungsbandbreite ermöglicht ist, ohne dass zusätzliche flammstabilisierende Bauteile, die in die Brennkammer ragen, erforderlich sind. Aufgrund der angegebenen geometrischen Ausgestaltung und der Ausbildung des Rezirkulationsbereichs wird erreicht, dass sich die Flamme auch bei unterschiedlichen Heizleistungen, d.h. unterschiedlichen Brennstoff- und Brennluftmasseströmen, immer stabil ausgehend von dem Auf- weitung sab schnitt ausbreitet. In dieser Weise stabilisiert sich somit die Flamme in der Brennkammer selbst. Die Ausbildung des Rezirkulationsbereichs kann in einfacher Weise dadurch erreicht werden, dass sich der Aufweitung sab schnitt ausreichend stark aufweitet, z.B. mit einem Halbkegelwinkel von zumindest 20°, und die zugeführte Brennluft mit einer ausreichend großen in Umfangsrichtung verlaufenden Strömungskomponente versehen wird, insbesondere einer Drallzahl von zumindest 0,6. Durch das Vorsehen der Primärbrennzone und der Sekundärbrennzone, die eine höhere Verbrennungsluftzahl λ aufweist, als die Primärbrennzone, wird eine besonders schadstoffarme Verbrennung bereitgestellt und Rußablagerungen können verringert werden. Z.B. kann das mobile Heizgerät derart ausgelegt sein, dass sich in der Primärbrennzone eine Verbrennungsluftzahl von ca. 1 einstellt und in der Sekundärbrennzone eine Verbrennungsluftzahl von ca. 1,6. Dabei stellt sich in der Primärbrennzone bevorzugt eine deutlich höhere Temperatur ein, als in der Sekundärbrennzone. Der Rezirkulationsbe- reich ist dabei vollständig in der Primärbrennzone ausgebildet und in der Sekundärbrennzone strömen die heißen Gase hauptsächlich in der Hauptströmungsrichtung. Der Sekundärbrenn- lufteintritt kann dabei insbesondere durch eine Mehrzahl von Löchern in einer Wand der Brennkammer gebildet sein, durch die Brennluft von außen zugeführt wird. Bevorzugt wird der Brennstoff an dem Brennlufteintritt in den Aufweitungsabschnitt zugeführt, da in diesem Fall eine besonders vorteilhafte Vormischung von Brennstoff und Brennluft erfolgen kann.
Gemäß einer Weiterbildung weist die Primärbrennzone den Aufweitungsabschnitt und einen daran anschließenden Zwischenabschnitt der Brennkammer auf. In diesem Fall können die Strömungsverhältnisse und die Verbrennungsluftzahlen in den Brennzonen besonders stabil eingestellt werden. Wenn in dem Zwischenabschnitt ein zweiter Brennlufteintritt zum Zuführen von Verbrennungsluft in die Primärbrennzone vorgesehen ist, können die Strömungsverhältnisse und die Brennluftzahl λ in der Primärbrennzone besonders einfach und zuverlässig eingestellt werden. Der zweite Brennlufteintritt kann dabei z.B. durch eine Mehrzahl von Löchern in einer Wandung der Brennkammer gebildet sein, durch die weitere Brennluft in die Primärbrennzone zugeführt wird. Die Anordnung des zweiten Brennlufteintritts kann dabei insbesondere derart gewählt sein, dass die dort zugeführte Brennluft bis zu einer Längsachse des Brenners strömt und dem Rezirkulationsbereich zugeführt wird.
Gemäß einer Weiterbildung ist der Sekundärbrennlufteintritt derart ausgebildet ist, dass die hindurchtretende Sekundärbrennluft bezüglich einer Längsachse des Heizgeräts radial von außen zu Gasen zugeführt wird, die aus der Primärbrennzone abströmen. In diesem Fall kann eine besonders stabile und schadstoffarme Verbrennung in der Brennkammer erzielt werden. Der Sekundärbrennlufteintritt kann dabei insbesondere derart ausgebildet werden, dass die Sekundärbrennluft nicht bis zu der Längsachse des Brenners strömt, sondern den aus der Primärbrennzone abströmenden Gasen von außen mantelartig zugeführt wird. Der Sekundärbrennlufteintritt kann dabei bevorzugt eine Vielzahl von Löchern in der Wandung der Brenn- kammer aufweisen. Die Löcher können dabei bevorzugt einen kleineren Durchmesser aufweisen, als Löcher, die den zweiten Brennlufteintritt für die Primärbrennzone bilden.
Gemäß einer Weiterbildung gehen die Primärbrennzone und die Sekundärbrennzone mit einem freien Strömungsquerschnitt ineinander über. Es sind somit keine eine Strömung in der axialen Richtung der Brennkammer behindernden Bauteile, wie z.B. Flammblenden, Einschnürungen oder Ähnliches vorgesehen. In diesem Fall sind in der Brennkammer keine Komponenten vorgesehen, die bei herkömmlichen Heizgeräten aufgrund der hohen Belastung im Betrieb oftmals die Lebensdauer begrenzen, sodass ein mobiles Heizgerät mit einer langen Lebensdauer bereitgestellt werden kann. Es ist zu beachten, dass für den Betrieb erforderliche Komponenten, wie insbesondere Zündelemente und/oder Sensoren, die nur unerheblichen Einfluss auf die Strömung haben, gegebenenfalls in die Brennkammer ragen können.
Gemäß einer Weiterbildung ist das Heizgerät derart ausgebildet, dass die Verbrennungsgase nach der Sekundärbrennzone in einen Wärmetauscher strömen. In diesem Fall ist insbesonde- re keine Tertiärbrennzone vorgesehen, in der sich eine dritte Verbrennungsluftzahl einstellt, sodass die heißen Verbrennungsabgase effizient für eine Beheizung eines zu erwärmenden Mediums über den Wärmetauscher genutzt werden können. Gemäß einer Weiterbildung weist die Brennstoffzufuhr zumindest ein Verdampferelement zum Verdampfen des flüssigen Brennstoffs auf. Im Unterschied zu einer Brennstoffzufuhr, die ausschließlich über eine Einspritzdüse zum Einspritzen des Brennstoffs verfügt, ermöglicht der Einsatz des Verdampferelements auch bei niedrigen Heizleistungen unter 1 kW, d.h. 5 niedrigen Brennstoff- und Brennluft-Masseströmen, einen stabilen Betrieb des mobilen Heizgeräts. Ferner ist in dieser Weise auch in dem Fall einer Luftblasenbildung in einer Brennstoffzufuhrleitung ein stabiler Betrieb ermöglicht, da das Verdampferelement als Puffer wirkt. Zudem ermöglicht das Verdampferelement eine Verwendung unterschiedlicher flüssiger Brennstoffe, da durch das Verdampferelement Effekte aufgrund von unterschiedlichen Siedelt) temperaturen und Verdampfungsenthalpien abgemildert werden.
Gemäß einer Weiterbildung ist das zumindest eine Verdampferelement derart angeordnet, dass es den Brennlufteintritt zumindest teilweise umgibt. In diesem Fall ist eine symmetrische Zuführung von verdampftem Brennstoff erreicht, sodass eine besonders homogene Durchmi- 15 schung von Brennluft und Brennstoff erzielt wird, die eine Schadstoff arme Verbrennung ermöglicht. Wenn das zumindest eine Verdampferelement den Brennlufteintritt ringförmig umgibt, ist eine besonders symmetrische Zuführung von verdampftem Brennstoff ermöglicht.
Gemäß einer Weiterbildung ist das Verdampferelement teilweise durch eine Abdeckung ab- 0 gedeckt, sodass in einem nicht abgedeckten Bereich ein Brennstoffaustrittsabschnitt gebildet ist. In diesem Fall kann zuverlässig erreicht werden, dass sich flüssiger Brennstoff gleichmäßig in dem Verdampferelement verteilt, sodass das gesamte Verdampferelement zur Verdampfung von Brennstoff ausgenutzt wird und Ablagerungsbildung in dem Verdampferelement unterdrückt wird. Bevorzugt erfolgt dabei die Zufuhr von flüssigem Brennstoff zu dem 5 Verdampferelement in einem von dem Brennstoffaustrittsabschnitt entfernten Bereich des Verdampferelements, in dem das Verdampferelement durch die Abdeckung abgedeckt ist. Wenn die Abdeckung eine Wandung des Aufweitungsabschnitts bildet, kann durch Auslegung der Abdeckung, insbesondere im Hinblick auf Material und Wandstärke, der erzielte Wärmeeintrag in das Verdampferelement in einfacher Weise eingestellt werden.
0
Wenn der Brennstoffaustrittsabschnitt an dem Brennlufteintritt angeordnet ist, kann eine besonders zuverlässige Durchmischung von Brennluft und verdampftem Brennstoff erfolgen. Gemäß einer Weiterbildung ist das Verdampferelement derart angeordnet, dass verdampfter Brennstoff mit einer der Hauptströmungsrichtung entgegengerichteten Richtungskomponente austritt. In diesem Fall wird eine besonders effektive Durchmischung von Brennluft und Brennstoff unmittelbar an dem Brennlufteintritt erreicht. Dabei kann der Brennstoff beim Austritt auch weitere Richtungskomponenten aufweisen, insbesondere eine radiale Richtungskomponente in Richtung einer Längsachse der Brennkammer.
Gemäß einer Weiterbildung weist der Aufweitung sab schnitt einen kontinuierlich
aufweitenden Querschnitt auf. Der Aufweitungsabschnitt kann dabei insbesondere konisch aufweitend ausgebildet sein. Durch die Ausgestaltung mit einem kontinuierlich aufweitenden Querschnitt können unerwünschte Eckwirbel, die sich bei einem sprunghaft aufweitenden Querschnitt ausbilden würden, verhindert werden.
Gemäß einer Weiterbildung weitet sich der Aufweitungsabschnitt mit einem Öffnung swinkel von zumindest 20° auf. In diesem Fall ist eine Ausgestaltung des Aufweitungsabschnitts bereitgestellt, die strömungsmechanisch wie eine unstetige Querschnittserweiterung wirkt. Im Zusammenspiel mit der Brennluftzufuhr mit der in Umfangsrichtung verlaufenden Strömungskomponente wird eine zuverlässige Flammenverankerung in dem Aufweitungsabschnitt auch bei verschiedenen Heizleistungen erreicht.
Gemäß einer Weiterbildung ist die Luftleitvorrichtung derart ausgebildet, dass die Brennluft mit einer Drallzahl von zumindest 0,6 in den Aufweitungsabschnitt eingeleitet wird. Die Drallzahl (SN) ist eine integrale Größe, die das Verhältnis von tangentialem zum axialen Impulsstrom angibt. Bei einer Drallzahl von zumindest 0,6 wird zuverlässig eine vollständig ausgebildete Rezirkulationszone erhalten.
Bevorzugt kann das Heizgerät derart ausgelegt sein, dass die Brennluft in dem Brennlufteintritt mit Strömungsgeschwindigkeiten eingeleitet wird, die höher als die in der Brennkammer auftretenden turbulenten Flammengeschwindigkeiten sind. In diesem Fall ist zuverlässig si- chergestellt, dass sich unmittelbar an dem Brennlufteintritt keine Flamme ausbilden kann, sodass ein Rückbrand der Flamme zu der Brennstoffzufuhr verhindert ist.
Weitere Vorteile und Weiterbildungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen. Fig. 1 ist eine schematische Schnittdarstellung des Brenners eines mobilen Heizgeräts gemäß einer ersten Ausführungsform;
Fig. 2 ist eine schematische perspektivische Darstellung des Brenners aus Fig. 1,
Fig. 3 ist eine schematische perspektivische Darstellung einer Luftleitvorrichtung bei dem
Brenner aus Fig. 1,
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung eines Gehäuses, das die in Fig. 3 dargestellte Luftleitvorrichtung umgibt,
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung eines Verdampferelements bei der ersten Ausführungsform, und
Fig. 6 ist eine schematische Schnittdarstellung des Brenners eines mobilen Heizgeräts gemäß einer zweiten Ausführungsform. ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM
Eine erste Ausführungsform wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis Fig. 5 beschrieben.
Bei der Ausführungsform ist das mobile, mit flüssigem Brennstoff betriebene Heizgerät ins- besondere als eine Stand- oder Zusatzheizung für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Landfahrzeug, ausgebildet. In den Figuren ist lediglich der Brenner 1 des mobilen Heizgeräts dargestellt. Das mobile Heizgerät weist neben dem dargestellten Brenner 1 insbesondere in an sich bekannter Weise einen Wärmetauscher zur Wärmeübertragung auf ein zu erwärmendes Medium, wie insbesondere eine Flüssigkeit in einem Flüssigkeitskreislauf eines Fahrzeugs oder zu erwärmende Luft, auf. Der Wärmetauscher kann dabei z.B. in an sich bekannter Weise den Brenner 1 topfartig umgeben. Ferner weist das mobile Heizgerät zumindest eine Brennstoffzufuhrvorrichtung, die insbesondere durch eine Brennstoffpumpe gebildet sein kann, eine Brennluftfördervorrichtung, die z.B. ein Brennluftgebläse aufweisen kann, und zumindest eine Steuerungseinheit zur Ansteuerung des mobilen Heizgeräts auf.
Im Folgenden wird der Brenner 1 des mobilen Heizgeräts unter Bezug auf die Fig. 1 bis Fig. 5 eingehender beschrieben. Der Brenner 1 weist eine Brennkammer 2 auf, in der im Betrieb des mobilen Heizgeräts Brennstoff mit Brennluft in einer flammenden Verbrennung umgesetzt wird. In Fig. 1 ist der Brenner 1 in einer schematischen Schnittdarstellung dargestellt, wobei die Schnittebene derart gewählt ist, dass eine Längsachse Z des Brenners 1 in der Schnittebene liegt. Der Brenner 1 ist im Wesentlichen bezüglich der Längsachse Z rotationssymmetrisch ausgebildet. Die Brennkammer 2 weist einen Brennlufteintritt 3 auf, an dem im Betrieb Brennluft in die Brennkammer 2 zugeführt wird.
Unmittelbar an den Brennlufteintritt 3 anschließend weist die Brennkammer 2 einen Aufweitungsabschnitt 20 auf, dessen Querschnitt sich mit zunehmendem Abstand von dem Brennlufteintritt 3 aufweitet. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Aufweitungsabschnitt durch eine konische Wandung begrenzt, die durch eine Abdeckung 4 gebildet ist, die noch eingehender beschrieben wird. In einer Hauptströmungsrichtung H schließt sich an die konische Wandung des Aufweitungsabschnitts 20 eine im Wesentlichen zylindermantel- förmige Wandung 5 an, sodass die Brennkammer 2 anschließend an den Aufweitungsabschnitt 20 einen Abschnitt 21 mit im Wesentlichen gleichbleibendem Querschnitt aufweist. Die Größenverhältnisse sind dabei derart gewählt, dass das Durchmesserverhältnis V zwi- sehen dem Außendurchmesser DL der Luftleitvorrichtung 6 und dem Durchmesser DK des Abschnitts 21 der Brennkammer 2 kleiner oder gleich 0,5 ist (V = DL/Dk und V < 0,5).
Der Aufweitungsabschnitt 20 weitet sich mit einem Öffnungswinkel von zumindest 20° auf. Der Öffnung s winkel ist dabei der Winkel, der zwischen der Wandung des Aufweitungsab- Schnitts 20 und der Längsachse Z ausgebildet ist. Bei der dargestellten Ausführungsform beträgt der Öffnung s winkel z.B. zwischen 40° und 50°. Die Brennkammer 2 weist insgesamt einen freien Strömungsquerschnitt derart auf, dass keine eine freie Strömung von Gasen behindernden Komponenten seitlich in die Brennkammer 2 ragen, sodass sich die Gasströmungen in der Brennkammer 2 gemäß der Geometrie des Aufweitungsabschnitts 20 und des an- schließenden Abschnitts 21 einstellen können, wie noch eingehender beschrieben wird.
Vor dem Brennlufteintritt 3 ist eine Luftleitvorrichtung 6 vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, die Brennuft mit einer in Umfangsrichtung verlaufenden Strömungskomponente in den Aufweitung sab schnitt 20 einzuleiten. Die Luftleitvorrichtung 6 ist dabei derart ausgebildet, dass die Brennluft mit einem sehr großen Drall versehen wird. Die Luftleitvorrichtung 6 ist derart ausgebildet, dass die Luft mit einer Drallzahl von zumindest 0,6 in den Brennlufteintritt 3 eingeleitet wird. Der Brenner 1 ist dabei derart ausgelegt, dass über die Luftleitvorrichtung 6 ein Druckabfall in einem Bereich zwischen 2 mbar und 20 mbar auftritt. Die Luftleitvorrichtung 6 wird unter Bezug auf die Fig. 3 und Fig. 4 eingehender beschrieben. Bei der Ausführungsform weist die Luftleitvorrichtung 6 eine in etwa ringförmige Form auf und ist auf der Außenseite mit spiralförmig verlaufenden Leitschaufeln 60 versehen, zwischen denen ebenfalls spiralförmig verlaufende Gänge 61 ausgebildet sind. Die Luftleitvorrichtung 6 ist bei dem mobilen Heizgerät gemäß der Ausführungsform in ein im Wesentlichen hohlzylindrisches Gehäuse 7 eingesetzt, das in Fig. 4 dargestellt ist. Die Luftleitvorrichtung 6 ist dabei derart in das Gehäuse 7 eingesetzt, dass die spiralförmig verlaufenden Gänge 61 um- fangsseitig durch das Gehäuse 7 geschlossen sind. Somit sind die spiralförmig verlaufenden Gänge 61 jeweils nur an ihren beiden Stirnseiten offen, sodass Brennluft hindurchtreten kann. In Fig. 3 ist dargestellt, dass die Luftleitvorrichtung 6 mit einer zentralen zylindrischen
Durchgangsbohrung 62 versehen ist. Diese Durchgangsbohrung 62 kann z.B. als Durchführung für ein Zündelement in die Brennkammer 2 genutzt werden. Bei der dargestellten Aus- führungsform ist die Durchgangsbohrung 62 im zusammengebauten Zustand des Brenners 1 jedoch durch einen Verschluss 63 verschlossen, wie in Fig. 1 dargestellt ist.
Die Luftleitvorrichtung 6 ist bei der Ausführungsform derart angeordnet, dass Brennluft an einer Stirnseite in die durch das Gehäuse 7 verschlossenen Gänge 61 eintritt, durch die spiralförmig verlaufenden Gänge 61 strömt und an deren anderer Stirnseite an dem Brennlufteintritt 3 in den Aufweitungsabschnitt 20 der Brennkammer 2 eingeleitet wird. Durch die spiralför- mige Ausgestaltung der Gänge 61 wird die Brennluft dabei mit einem Drall versehen. Die Gänge 61 sind dabei derart ausgebildet, dass die Brennluft bei dem Durchtritt mit der erforderlichen Drallzahl von zumindest 0,6 versehen wird. Die Brennluft wird der Luftleitvorrichtung 6 durch eine (nicht dargestellte) Brennluftfördervorrichtung, die z.B. ein Gebläse aufweisen kann, zugeführt, wie in Fig. 1 durch Pfeile B schematisch dargestellt ist.
Durch die beschriebene Ausgestaltung der Luftleitvorrichtung 6 wird die Brennluft an dem Brennlufteintritt 3 mit einer in Umfangsrichtung verlaufenden Strömungskomponente in den Aufweitungsabschnitt 20 eingeleitet. Bei der ersten Ausführungsform ist ferner eine Brennstoffzufuhr derart vorgesehen, dass Brennstoff ebenfalls an dem Brennlufteintritt 3 in den Aufweitungsabschnitt 20 zugeführt wird, wie in Fig. 1 durch Pfeile schematisch dargestellt ist. Das mobile Heizgerät ist für einen Betrieb mit flüssigem Brennstoff ausgelegt und kann z.B. mit Brennstoff betreibbar sein, der auch für einen Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs zum Einsatz kommt, insbesondere Diesel, Benzin und/oder Ethanol. Die Brennstoffzufuhr weist bei der ersten Ausführungsform zumindest ein Verdampferelement 9 zum Verdampfen von zugeführtem flüssigen Brennstoff auf.
Das Verdampferelement 9 hat bei der ersten Ausführungsform die Form eines Hohlkegel- stumpfes, wie in Fig. 5 zu sehen ist. Das Verdampferelement 9 weist dabei einen Öffnungswinkel cc auf, der dem Öffnungswinkel des Aufweitungsabschnitts 20 entspricht. Das Verdampferelement 9 ist aus einem porösen und hitzebeständigen Material gebildet und kann insbesondere Metall vlies, Metallgeflecht und/oder Metallgewebe aufweisen. Wie in Fig. 1 dargestellt ist, ist eine Mehrzahl von Brennstoffleitungen 10 zum Zuführen von flüssigem Brennstoff zu dem Verdampferelement 9 vorgesehen. Obwohl in Fig. 1 beispielhaft zwei Brennstoffleitungen 10 dargestellt sind, kann z.B. auch nur eine Brennstoffleitung 10 vorgesehen werden oder es können mehr Brennstoffleitungen 10 vorgesehen werden.
Auf einer von der Brennkammer 2 abgewandten Seite ist das Verdampferelement 9 durch eine Rückwand 11 bedeckt, durch die die Brennstoffleitungen 10 hindurchgeführt sind. Auf der der Brennkammer 2 zugewandten Seite ist das Verdampferelement 9 durch die bereits zuvor beschriebene Abdeckung 4 bedeckt, die insbesondere aus einem Metallblech gebildet sein kann. Das Verdampferelement 9 ist derart angeordnet, dass es den Brennlufteintritt 3 ringförmig umgibt. Das Verdampferelement 9 weist an dem Brennlufteintritt 3 einen unbedeckten Brennstoffaustrittsabschnitt 12 auf, an dem verdampfter Brennstoff aus dem Verdampferelement 9 austreten kann. Die anderen Seiten des Verdampferelements 9 sind - abgesehen von den Brennstoffleitungen 10 - jeweils bedeckt, sodass Brennstoff nur an dem Brennstoffaustrittsabschnitt 12 aus dem Verdampferelement 9 austreten kann. Der Brennstoffaustrittsabschnitt 12 umgibt den Brennlufteintritt 3 ringförmig, sodass von allen Seiten gleichmäßig Brennstoff zuführbar ist. Es ist zu beachten, dass das Verdampferelement 9 nicht zwingend eine geschlossene Ringform aufweisen muss und ggfs. auch mehrere separate
Verdampferelemente 9 über den Umfang verteilt angeordnet sein können. Das Verdampferelement 9 ist über die Abdeckung 4 thermisch an den Aufweitungsabschnitt 20 angekoppelt, sodass bei einem Betrieb des mobilen Heizgeräts Wärme von der in dem Aufweitungsab- schnitt 20 verankerten Flamme in das Verdampferelement 9 übertragen wird, um dort für die Brennstoffverdampfung erforderliche Verdampfungswärme bereitzustellen. Es kann ferner ein Zündelement zum Starten des Brenners vorgesehen sein, das zumindest teilweise in die Brennkammer ragt und der Einfachheit halber in Fig. 1 nicht dargestellt ist. Durch die Anordnung des Verdampferelements 9 in der beschriebenen Weise, bei der die Brennstoffleitungen 10 räumlich von dem Brennstoffaustrittsabschnitt 12 beabstandet sind, wird eine gleichmäßige Ausbreitung des zugeführten flüssigen Brennstoffs in dem Verdampferelement 9 erreicht, sodass das gesamte Verdampferelement 9 für die Brennstoffverdamp- fung ausgenutzt wird. Ferner wird durch die beschriebene Anordnung, bei der die Mündungen der Brennstoffleitungen in der Hauptströmungsrichtung H weiter voraus angeordnet sind als der Brennstoffaustrittsabschnitt 12, erreicht, dass der Brennstoff mit einer der Hauptströmungsrichtung H entgegengerichteten Richtungskomponente aus dem Verdampferelement 9 austritt. In dieser Weise wird eine besonders homogene Durchmischung des austretenden Brennstoffs mit der aus der Luftleitvorrichtung 6 austretenden Brennluft erreicht, sodass unmittelbar am Brennlufteintritt 3 eine gute Durchmischung von Brennluft und verdampftem Brennstoff erzielt wird.
Die zuvor beschriebenen Komponenten des Brenners 1 sind außen durch einen im Wesentli- chen hohlzylindrischen Brennerflansch 13 umgeben, der einen Strömungsraum für zugeführte Brennluft bildet. Der Brennerflansch 13 dient ferner einer Befestigung des Brenners an rückseitig befindlichen weiteren Komponenten des mobilen Heizgeräts, die nicht dargestellt sind. Der Brennerflansch 13 ist derart ausgebildet, dass zwischen der Innenseite des Brennerflan- sches 13 und der Außenseite des an den Aufweitungsabschnitt 20 anschließenden Abschnitts 21 der Brennkammerwandung ein ringförmiger Spalt gebildet ist, durch den ein Teil der zugeführten Brennluft strömen kann. An einem bezüglich der Hauptströmungsrichtung H stromabwärtigen Ende ist der Brennerflansch 3 mit dem Abschnitt 21 derart verbunden, dass der Spalt dort verschlossen ist. Wie in den Fig. 1 und Fig. 2 zu sehen ist, weist der an den Aufweitungsabschnitt 20 anschließende Abschnitt 21 der Brennkammerwandung eine Mehrzahl von Löchern 22 und 23 auf, durch die ebenfalls Brennluft in die Brennkammer 2 eintreten kann. In einem unmittelbar an den Aufweitungsabschnitt 20 anschließenden Zwischenabschnitt der Brennkammer 2 ist der Abschnitt 21 der Brennkammerwandung mit einer Mehrzahl von relativ großen Löchern 22 versehen, die einen zweiten Brennlufteintritt zum Zuführen von Brennluft in eine in der
Brennkammer 2 ausgebildete Primärbrennzone PZ bilden, wie im Folgenden noch eingehender beschrieben wird. In einem bezüglich der Hauptströmungsrichtung H weiter stromabwärts gelegenen Bereich des Abschnitts 21 der Brennkammerwandung ist eine Vielzahl von wesentlich kleineren Löchern 23 vorgesehen, durch die Sekundärbrennluft in einen als Sekun- därbrennzone SZ ausgebildeten Bereich der Brennkammer 2 strömen kann und die einen Se- kundärbrennlufteintritt bilden. Die den Sekundärbrennlufteintritt bildenden Löcher 23 erstrecken sich bei der Ausführungsform in der axialen Richtung über einen deutlich größeren Abschnitt, als die den zweiten Brennlufteintritt für die Primärbrennzone PZ bildenden Löcher 22. Der Brenner 1 des mobilen Heizgeräts ist derart ausgelegt, dass die von der Brennluftfördereinrichtung zugeführte Brennluft in einem bestimmten Verhältnis aufgeteilt wird, sodass ein Teil der Brennluft über die Luftleitvorrichtung 6 an dem Brennlufteintritt 3 in den Aufweitungsabschnitt 20 zugeführt wird, ein anderer Teil der Brennluft über den Spalt und die den zweiten Brennlufteintritt bildenden großen Löcher 22 zugeführt wird und die restliche Brenn- luft über die den Sekundärbrennlufteintritt bildenden Löcher 23 in die Sekundärbrennzone SZ der Brennkammer zugeführt wird.
Die gewünschte Brennluftaufteilung wird dabei über die geometrische Ausgestaltung des Brenners 1 erzielt. Insbesondere sind bei der Ausführungsform die jeweiligen Brennluftmen- gen derart eingestellt, dass sich in der Primärbrennzone PZ der Brennkammer 2 eine Verbrennungsluftzahl λ von ca. 1 einstellt und in der Sekundärbrennzone SZ eine wesentlich größere Verbrennungsluftzahl λ, z.B. ca. 1,6.
Die Primärbrennzone PZ ist dabei in dem Aufweitung sab schnitt 20 und einem daran an- schließenden Zwischenabschnitt mit im Wesentlichen gleichbleibendem Querschnitt der
Brennkammer 2 ausgebildet. Die Sekundärbrennzone SZ schließt sich bezüglich der Hauptströmung srichtung H stromabwärts unmittelbar an die Primärbrennzone PZ an. Wie in Fig. 1 zu sehen ist, gehen die Primärbrennzone PZ und die Sekundärbrennzone SZ dabei mit einem freien Strömungsquerschnitt ineinander über, sodass insbesondere keine bauliche Trennung vorgesehen ist. Die den Sekundärbrennlufteintritt bildenden Löcher 23 sind dabei derart ausgebildet, dass die Sekundärbrennluft derart in die Brennkammer 2 eintritt, dass sie radial von außen zu den aus der Primärbrennzone PZ abströmenden Gasen zugeführt wird.
Die sich in der Brennkammer 2 ausbildenden Strömungsverhältnisse werden im Folgenden eingehender beschrieben. Es wird insbesondere über eine große Bandbreite von verschiedenen Heizleistungen eine stabile Verankerung der Flamme in dem Aufweitungsabschnitt 21 erzielt.
Die aus der Luftleitvorrichtung 6 austretende Brennluft wird an dem Brennlufteintritt 3 mit dem dort aus dem Verdampferelement 9 austretenden Brennstoff durchmischt. Aufgrund des starken Dralls der Brennluft in Verbindung mit der starken Aufweitung des Aufweitungsabschnitts 20 bleibt die Strömung des Brennluft-Brennstoff-Gemischs durch wirkende Zentrifugalkräfte an der Wandung des Aufweitungsabschnitts 20 anliegend. Eine Ausbildung von sogenannten Totwassergebieten außen an der Wandung kann dabei auch bei einer starken Aufweitung zuverlässig verhindert werden. Die Strömung streicht dabei mit relativ hohen Geschwindigkeiten an der Wandung des Aufweitungsabschnitts 20 entlang, sodass im Betrieb des Brenners eine gute konvektive Wärmeübertragung auf die Abdeckung 4 und über Wärmeleitung auf das dahinter befindliche Verdampferelement 9 erfolgt. Durch die hohen Strömungsgeschwindigkeiten in der Nähe des Brennlufteintritts 3 erfolgt in einem ersten Bereich des Aufweitungsabschnitts 20, in dem sich keine Flamme ausbilden kann, eine Vormischung von Brennstoff und Brennluft, die zu einer besonders schadstoffarmen Umsetzung beiträgt.
Die Ausgestaltung des Aufweitungsabschnitts 20 wirkt strömungsmechanisch gesehen wie eine unstetige Querschnittserweiterung, sodass bei der verdrallten Strömung eine starke Aufweitung des Kernwirbels auftritt. Aufgrund der sich einstellenden lokalen statischen Drücke folgt im Anschluss an die Aufweitung des Kernwirbels ein Zusammenfallen des Kernwirbels, sodass sich in einem radial innenliegenden Bereich nahe der Längsachse Z eine starke Rückströmung entgegen der Hauptströmungsrichtung H ausbildet, wie in Fig. 1 schematisch durch Pfeile dargestellt ist. Es bildet sich somit nahe der Längsachse Z ein Rezirkulationsbe- reich RB aus. Die sich dabei ausbildenden Rezirkulations wirbel weisen bei der beschriebenen geometrischen Ausgestaltung des Brenners 1 dabei eine Position auf, die im Wesentlichen unabhängig vom Massenstrom des Brennluft-Brennstoff-Gemisches ist, sodass eine Selbststabilisierung bzw. Verankerung der Flamme in dem Aufweitungsabschnitt 20 erfolgt. Das Ausbilden dieser Strömungsverhältnisse kann dadurch erklärt werden, dass sich die verdrallte Strömung in dem Aufweitungsabschnitt 20 radial aufweitet, wobei eine Verzögerung in axialer Richtung erfolgt. Die Tangentialkomponente der Geschwindigkeit bewirkt dabei einen radialen Druckgradienten, wodurch der statische Druck in Richtung zur Längsachse Z geringer wird. Aufgrund dieser Druckverhältnisse bildet sich der Rezirkulationsbereich RB aus. In dem nahe der Längsachse befindlichen Rezirkulationsbereich RB strömen die Gase somit entgegen der Hauptströmungsrichtung H, d.h. in Richtung des Brennlufteintritts 3. Die durch die Löcher 22 in dem Zwischenabschnitt (d.h. den zweiten Brennlufteintritt) zugeführte Brennluft strömt von außen bis in den achsnahen Bereich, sodass sie zu einem Teil mit in den Rezirkulationsbereich RB gelangt und zur Ausbildung des Brennstoff-Brennluft-Gemischs in der Primärbrennzone PZ beiträgt. Ein anderer Teil der durch die Löcher 22 zugeführten Brennluft gelangt nicht in den Rezirkulationsbereich, sondern strömt in die Sekundärbrennzone SZ ab. In der Primärbrennzone PZ stellt sich in dieser Weise eine erste Verbrennungsluftzahl λ ein, die bei der Ausführungsform ca. 1 beträgt. Durch die starke Verwirbelung findet dabei in der Primärbrennzone PZ, in der der Rezirkulationsbereich RB ausgebildet ist, eine sehr gute Durchmischung von Brennstoff und Brennluft auf.
Die Sekundärbrennluft, die durch die weiter stromabwärts (bzgl. der Hauptströmungsrichtung H) angeordneten, den Sekundärbrennlufteintritt bildenden Löcher 23 einströmt, gelangt nicht bis in den Rezirkulationsbereich RB, sondern wird von außen mantelförmig zu Gasen zuge- führt, die aus der Primärbrennzone PZ abströmen. Diese Sekundärbrennluft gelangt dabei nicht bis zur Längsachse Z des Brenners 1. Durch die zugeführte Sekundärbrennluft stellt sich in der unmittelbar an die Primärbrennzone PZ anschließenden Sekundärbrennzone SZ eine deutlich größere Verbrennungsluftzahl λ ein. In dieser Weise wird in der Primärbrennzone PZ bei hohen Temperaturen eine nahezu vollständige, schnelle Umsetzung von Brennstoff mit Brennluft erzielt, bei der nur geringe CO- Emissionen auftreten. Die Primärbrennzone PZ weist dabei eine relativ kurze Baulänge in der axialen Richtung auf, sodass niedrige NOx-Emissionen erreicht werden können. In der an die Primärbrennzone PZ anschließenden Sekundärbrennzone SZ erfolgt bei einer höheren Verbrennungsluftzahl λ und bei niedrigeren Temperaturen eine Abgasnachbehandlung, bei der alle brennbaren Anteile, die nicht in der Primärbrennzone PZ reagiert haben, umgesetzt werden. Die Sekundärbrennzone SZ weist dabei eine größere Baulänge in der axialen Richtung als die Primärbrennzone PZ auf. Durch die in der Sekundärbrennzone SZ einge- stellte niedrigere Temperatur erfolgt auch die Umsetzung dort besonders schadstoffarm. Unmittelbar nach der Sekundärbrennzone SZ werden die abströmenden Abgase in einen Wärmetauscher zur Wärmeübertragung auf ein zu erwärmendes Medium eingeleitet, sodass die freigesetzte Wärme effizient zur Erwärmung des zu erwärmenden Mediums genutzt wird. Aufgrund der beschriebenen Ausgestaltung lässt sich der Brenner 1 über eine große Bandbreite von verschiedenen Heizleistungen, insbesondere in einem Leistungsbereich von 0,8 kW bis ca. 20 kW, besonders schadstoffarm betreiben. Die Kombination der Brennkammerausgestaltung mit dem Verdampferelement 9 ermöglicht einen stabilen Betrieb auch bei relativ niedrigen Heizleistungen. Durch das Verdampferelement 9 erfolgt ferner eine stabile Zufuhr von Brennstoff in die Brennkammer 2 selbst wenn sich in der Brennstoffleitung 10 Luftblasen ausbilden sollten. Aufgrund der resultierenden Selbststabilisierung bzw. Verankerung der Flamme in dem Aufweitungsabschnitt 20 erfolgt bei hohen Heizleistungen ein hoher Wärmeeintrag in das Verdampferelement 9, sodass dort zuverlässig die benötigte große Brennstoffmenge pro Zeit verdampft werden kann. Bei einer niedrigeren Heizleistung erfolgt ein entsprechend kleinerer Wärmeeintrag, sodass der Brenn- stoffverdampfungsprozess ebenfalls über eine große Bandbreite an Heizleistungen zuverlässig in dem gewünschten Maß aufrechterhalten werden kann. Durch die erzielte Durchströmung von im Wesentlichen dem gesamten Volumen des Verdampferelements 9 wird einer Ablagerungsbildung in dem Verdampferelement 9 zuverlässig entgegengewirkt. Durch die Brennstoffzuführung über das Verdampferelement 9 wird ferner eine besonders kostengünstige Ausgestaltung des Brenners 1 ermöglicht.
Da mit der beschriebenen Ausgestaltung eine definierte gute Durchmischung von Brennstoff und Brennluft erreicht wird und ferner über die Primärbrennzone PZ und die Sekundärbrennzone SZ eine zweistufige Umsetzung erfolgt, wird eine sehr schadstoffarme Verbrennung erreicht. Die Brennluft wird bei dem beschriebenen mobilen Heizgerät über die Luftleitvor- richtung 6 mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit in den Aufweitungsabschnitt 20 eingeleitet. In dieser Weise kann zuverlässig ein unerwünschter Rückbrand verhindert werden.
ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORM
Eine zweite Ausführungsform wird im Folgenden unter Bezug auf Fig. 6 beschrieben, wobei zur Vermeidung von Wiederholungen nur die Unterschiede zu der ersten Ausführungsform eingehender beschrieben werden und für dieselben Bauteile bzw. Komponenten dieselben Bezugszeichen wie bei der ersten Ausführungsform verwendet werden.
Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich darin von der ersten Ausführungsform, dass die Brennstoffzufuhr anstelle des bei der ersten Ausführungsform vorgesehenen Verdampferelements 9 zum Verdampfen des flüssigen Brennstoffs eine Zerstäuberdüse 90 zum Zerstäuben des flüssigen Brennstoffs aufweist, wie noch eingehender beschrieben wird. Der Aufweitungsabschnitt 20 weist auch bei der zweiten Ausführungsform einen Querschnitt auf, der sich mit zunehmendem Abstand von dem Brennlufteintritt 3 aufweitet. Auch bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ist der Aufweitung sab schnitt 20 durch eine konische Wandung begrenzt, die allerdings im Unterschied zur ersten Ausführungsform nicht durch eine separate Abdeckung 4 gebildet ist, sondern durch eine Rückwand 40 der Brennkammer 2. Bei der zweiten Ausführungsform ist ferner die Durchgangsbohrung 62 der Luftleitvorrichtung 6 nicht durch einen Verschluss 63 verschlossen, sondern die Zerstäuberdüse 90 ist in der Durchgangsbohrung 62 angeordnet. Der flüssige Brennstoff wird der Zerstäuberdüse 90 über eine Brennstoffleitung 100 zugeführt, wie in Fig. 6 schematisch dargestellt ist. Die Luftleitvorrichtung 6 ist bei der zweiten Ausführungsform derart angeordnet, dass die aus der Luft- leitvorrichtung 6 austretende Luft in einen sich verjüngenden Abschnitt 19 eintritt, der sich vor dem Brennlufteintritt 3 befindet. Der sich verjüngende Abschnitt 19 wird bei dem in Fig. 6 dargestellten Beispiel durch einen sich verengenden Kegelstumpf gebildet. Der sich verjüngende Abschnitt 19 umgibt die Zerstäuberdüse 90 und bewirkt, dass die Brennluft nach dem Austritt aus der Luftleitvorrichtung 6 gezwungen wird, den Austrittsbereich der Ein- spritzdüse 90 zu umströmen und diese dadurch zu kühlen. Es erfolgt somit eine Kühlung der Einspritzdüse 90 durch die zugeführte Brennluft. Ferner wird in dieser Weise erreicht, dass rückströmende heiße Gase vom dem Verbrennungsprozess in der Brennkammer 2 nicht bis zu der Einspritzdüse 90 gelangen können. Außerdem bewirkt die Querschnittsverengung eine Erhöhung der tangentialen Geschwindigkeitskomponente der hindurchtretenden Brennluft und bringt den axialen Geschwindigkeitsanteil näher zur Längsachse Z.
Die Zerstäuberdüse 90 ist derart ausgebildet, dass der Brennstoff im Wesentlichen hohlkegelförmig aus der Zerstäuberdüse 90 in den Aufweitungsabschnitt 20 austritt, wie in Fig. 6 schematisch durch gestrichelte Linien dargestellt ist. Der Öffnungswinkel des Hohlkegels, mit dem der zerstäubte Brennstoff aus der Zerstäuberdüse 90 austritt, ist dabei bevorzugt so gewählt, dass der Brennstoff in den Scherströmungsbereich eintritt, der sich zwischen den an der Wandung des Aufweitungsabschnitts 20 abströmenden Gasen und den in dem axialen Rezirkulationsbereich rückströmenden Gasen ausbildet. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Öffnung swinkel des Hohlkegels, mit dem der zerstäubte Brennstoff zuge- führt wird, zwischen 20° und 40°, bevorzugt zwischen 25° und 35°. Als Öffnungswinkel wird dabei wiederum der Winkel zwischen dem austretenden zerstäubten Brennstoff und der Längsachse Z bezeichnet.

Claims

Patentansprüche
Mobiles, mit flüssigem Brennstoff betriebenes Heizgerät mit:
einer Brennkammer (2), die einen Brennlufteintritt (3) aufweist, wobei die Brennkammer einen an den Brennlufteintritt (3) anschließenden Aufweitungsabschnitt (20) aufweist, dessen Querschnitt sich mit zunehmendem Abstand von dem Brennlufteintritt (3) aufweitet und in dem im Betrieb Brennluft mit Brennstoff in einer flammenden Verbrennung umgesetzt wird,
einer Brennstoffzufuhr, die derart angeordnet ist, dass Brennstoff in den Aufweitungsabschnitt (20) zugeführt wird, und
einer Luftleitvorrichtung (6), die dazu ausgebildet ist, die Brennluft derart mit einer in Umfangsrichtung verlaufenden Strömungskomponente in den Aufweitung sab schnitt (20) einzuleiten, dass sich in dem Aufweitungsabschnitt (20) ein axialer Rezirkulations- bereich (RB) ausbildet, in dem Gase entgegen einer Hauptströmungsrichtung (H) in Richtung des Brennlufteintritts (3) strömen, wobei
die Brennkammer (2) strömungstechnisch in eine Primärbrennzone (PZ) und eine Sekundärbrennzone (SZ) unterteilt ist,
die Primärbrennzone (PZ) den Aufweitung sab schnitt (20) und den Rezirkulationsbe- reich (RB) aufweist und
die Sekundärbrennzone (SZ) derart mit einem Sekundärbrennlufteintritt (23) versehen ist, dass sich in der Sekundärbrennzone (SZ) eine höhere Verbrennungsluftzahl λ als in der Primärbrennzone (PZ) einstellt.
Mobiles Heizgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärbrennzone (PZ) den Aufweitungsabschnitt (20) und einen daran anschließenden Zwischenabschnitt der Brennkammer (2) aufweist.
Mobiles Heizgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Zwischenabschnitt ein zweiter Brennlufteintritt (22) zum Zuführen von Brennluft in die Primärbrennzone (PZ) vorgesehen ist.
Mobiles Heizgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärbrennlufteintritt (23) derart ausgebildet ist, dass die hindurchtretende Sekundärbrennluft bezüglich einer Längsachse (Z) des Heizgeräts radial von außen zu Gasen zugeführt wird, die aus der Primärbrennzone (PZ) abströmen.
5. Mobiles Heizgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärbrennzone (PZ) und die Sekundärbrennzone (SZ) mit einem freien Strömungsquerschnitt ineinander übergehen.
6. Mobiles Heizgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizgerät derart ausgebildet ist, dass die Verbrennungsgase nach der Sekundärbrennzone (SZ) in einen Wärmetauscher strömen.
7. Mobiles Heizgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzufuhr zumindest ein Verdampferelement (9) zum Verdampfen des flüssigen Brennstoffs aufweist.
8. Mobiles Heizgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Verdampferelement (9) derart angeordnet ist, dass es den Brennlufteintritt (3) zumindest teilweise umgibt.
9. Mobiles Heizgerät nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdampferelement (9) teilweise durch eine Abdeckung (4) abgedeckt ist, sodass in einem nicht abgedeckten Bereich ein Brennstoffaustrittsabschnitt (12) gebildet ist.
10. Mobiles Heizgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffaustrittsabschnitt (12) an dem Brennlufteintritt (3) angeordnet ist.
11. Mobiles Heizgerät nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (4) eine Innenwand des Aufweitungsabschnitts (20) bildet.
12. Mobiles Heizgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdampferelement (9) derart angeordnet ist, dass verdampfter Brennstoff mit einer der Hauptströmungsrichtung (H) entgegengerichteten Richtungskomponente austritt.
13. Mobiles Heizgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufweitungsabschnitt (20) einen kontinuierlich aufweitenden Querschnitt aufweist, insbesondere konisch aufweitend ausgebildet ist.
14. Mobiles Heizgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Aufweitung sab schnitt (20) mit einem Öffnungswinkel von zumindest 20° aufweitet.
15. Mobiles Heizgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftleitvorrichtung (6) derart ausgebildet ist, dass die Brennluft mit einer Drallzahl von zumindest 0,6 in den Aufweitungsabschnitt (20) eingeleitet wird.
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