Zerstäubungsbrenner

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Zerstäubungsbrenner für flüssige Brennstoffe mit einem Gehäuse, in dem zueinander konzentrische Kanäle für die Zufuhr eines Druckgases und des Brennstoffes in Strömungsrichtung vor einer Mischkammer angeordnet sind, und mit einem Ultraschallerzeuger aus zwei den Querschnitt des Druckgaskanals einnehmenden, relativ zueinander drehbaren Einsätzen mit Durchgangsöffnungen für das Druckgas.

[0002] Zerstäubungsbrenner dienen dazu, insbesondere flüssige Brennstoffe, und zwar auch sehr zähflüssige, in derart kleine Teilchen zu zerstäuben, dass eine einwandfreie und möglichst rückstandsfreie Verbrennung erzielt wird. Eine Zerstäubung mit Hilfe von UItraschall hat sich als sehr wirksam erwiesen, weil dadurch auch eine intensive Mischung zwischen dem zerstäubten oder gasförmigen Brennstoff und dem Reaktionssauerstoff gefördert wird.

[0003] Bei aus der Praxis bekannten Brennern, die mit den sogenannten Hartmannschen Schallschwingungsgeneratoren arbeiten, kann nur eine sehr geringe Schalleistung erzeugt werden, die lediglich zur Zerstäubung geringer Brennstoffmengen ausreicht. Ein Mischungseffekt wird dabei so gut wie gar nicht beobachtet.

[0004] Ferner ist es bekannt, mit Hilfe von elektrisch erregten Quarz- oder Stabschwingern Ultraschall in sehr hohem Frequenzbereich zu erzeugen und damit Flüssigkeiten zu zerstäuben. Auch damit können aber nur geringe Flüssigkeitsmengen zerstäubt werden, die in der Grössenordnung von weniger als 1 kg/h liegen.

[0005] Bei einem bekannten Zerstäubungsbrenner (DE-A-15 51 648) wird der Ultraschall durch einen Druckgasstrom hoher Geschwindigkeit erzeugt, der von einem in der der Druckgasmündung angeordneten Widerlager in Richtung auf die Mündung abgelenkt wird und dadurch ein Schwingungsfeld erzeugt. Die Wirkungen dieses Schwingungsfeldes sind allerdings auf den Mündungsbereich begrenzt. Ebenso ist die damit erzeugbare Schallenergie begrenzt.

[0006] Bei einem Zerstäubungsbrennner der eingangs beschriebenen Gattung (US-A-31 82 710) wird ein Teil des Gehäuses zur Leitung der Ultraschallenergie benutzt, ohne dass eine gezielte Sammlung, Bündelung und Spiegelung oder Refkexion der Ultraschallenergie erreicht wird. Deswegen dürfte die Zerstäubungswirkung der Ultraschallenergie am Düsenaustritt vergleichsweise gering sein. Bei einem Zerstäubungsbrenner kommt es aber darauf an, die Ultraschallenergie möglichst im Austrittsbereich der Brennstoffdüsen oder Zerstäubungsdüsen zu konzentrieren. Da eine Energieerzeugung an dieser Stelle nicht in Frage kommt, wird die Übertragung der Ultraschallenergie problematisch, wenn die Übertragungsstrecken nicht hinreichend definiert sind oder die Gefahr besteht, dass ein Grossteil der Ultraschallenergie durch unerwünschte Reflexion oder Dämpfung verlorengeht.

[0007] Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Zerstäubungsbrenner der eingang beschriebenen Gattung anzugeben, bei dem die erzeugte Ultraschallenergie weitgehend verlustfrei zur Mischkammer gebracht werden kann.

[0008] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Einsätze als konzentrisch zueinander angeordnete Trommeln ausgebildet sind, auf deren jeweiligem Umfang die Durchgangsöffnungen angeordnet sind, dass koaxial zu den Trommeln auf ihrer der Mischkammer abgewandten Seite ein zur Mischkammer hin gerichteter Reflektor zum Bündeln und Richten der Ultraschallenergie auf einen weiteren Reflektor angeordnet ist, der in Strömungsrichtung am Ende der Mischkammer angeordnet ist und die Ultraschallenergie im Mündungsbereich der konzentrischen Kanäle bündelt.

[0009] Hierbei wird durch gezielten Einsatz von Reflektoren die weit ausserhalb der Mischkammer erzeugte und ungerichtet abgestrahlte Ultraschallenergie zunächst in einem Reflektor geammelt und dann gebündelt zur Mischkammer übertragen, wo sie von einem weiteren Reflektor empfangen sowie von diesem am gewünschten Ort konzentriert wird. Durch Sammlung und Bündelung der Ultraschallenergie werden unkontrollierte Reflexions- und Dämpfungsverluste weitgehend vermieden.

[0010] Bevorzugt wird eine Ausführung, bei der eine Trommel als Stator und die andere Trommel als Rotor ausgebildet ist. An die rotierende Trommel kann dann ein externer Antrieb angeschlossen werden, mit dem die Drehzahl der rotierenden Trommel und damit die erzeugte Schallfrequenz gesteuert werden kann. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass die rotierende Trommel von der Druckgasströmung selbst angetrieben wird. Dazu können die Durchgangsöffnungen düsenartig ausgebildet sein oder die Trommel eine von der Druckgasströmung beaufschlagte Beschaufelung aufweisen.

[0011] Wenn das Druckgas zwischen dem Ultraschallerzeuger und der Mischkammer längere Wege zurückzulegen hat, können zusätzlich im Bereich der Mischkammer ringförmige Helmholtz-Resonatoren angeordnet sein, die ihrerseits durch die einfallenden Schallschwingungen zu Eigenschwingungen angeregt werden.

[0012] Damit bei Verwendung verschiedener flüssiger und/oder gasförmiger Brennstoffe die dabei entstehende Flamme an die Grösse des jeweils vorhandenen Feuerraums angepasst werden kann, sollte der die Mischkammer begrenzende Gehäuseteil in Richtung der konzentrischen Kanäle verstellbar sein, wodurch im Ergebniss der Austrittskegel der zerstäubten oder zerstäubenden Brennstoffe und damit die Flammlänge beeinflusst werden kann.

[0013] In gewissem Umfang lässt sich die Form der Flamme auch durch Verstellung der Schwingungsfrequenz, d.h. durch Drehzahländerung des Rotors und/oder durch unterschiedliche Ausbildung der Durchgangsöffnungen in den Einsätzen variieren. Dazu können die Durchgangsöffnungen als Schlitze, als Bohrungen oder Öffnungen mit anderen Querschnitten in verschiedenen Teilungen ausgeführt sein.

[0014] Im folgenden werden in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert; es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung und teilweise geschnitten die Seitenansicht eines Zerstäubungsbrenners, Fig. 2 einen Teilschnitt des Gegenstandes nach Figur 1.

[0015] Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte Zerstäubungsbrenner besitzt ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse 1, in das radial ein Rohr 2 mit zueinander konzentrischen Brennstoffkanälen 3, 4 eingeführt ist. Das Rohr 2 geht mit einem Krümmer 5 in einen zum Gehäuse 1 konzentrischen Abschnitt 6 über, der im Bereich einer Mischkammer 7 mündet.

[0016] Der Ringraum zwischen dem Gehäuse 1 und dem Rohr 2 ist ein Druckgaskanal 8, der sich zwischen der Mischkammer 7 und einem am anderen Ende des Gehäuses 1 angeordneten Ultraschallerzeuger 9 erstreckt.

[0017] Der Ultraschallerzeuger 9 weist bei dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel einen Gehäuseabschnitt 10 mit vergrössertem Durchmesser auf, in den ein Anschlussstutzen 11 für die Zuführung von Druckgas tangential einmündet. Im Bereich des Anschlussstutzens 11 weist die Wandung des Gehäuseabschnitts 10 eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen 12 auf, die, wie dargestellt, sich in Richtung des Anschlussstutzens 11 erstrecken.

[0018] Im Gehäuseabschnitt 10 befindet sich ein trommelartiger Rotor 13, dessen Aussendurchmesser nur geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser des Gehäuseabschnitts 10. Auf dem Mantel des Rotors 13 befinden sich wiederum eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen 14, die im wesentlichen radial gerichtet sind.

[0019] Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Durchgangsöffnungen 12, 14 als Schlitze ausgebildet, die sich in Längsrichtung der Gehäuseachse erstrecken.

[0020] Der Rotor 13 ist am Gehäuseende gelagert und an einen E-Motor 15 angeschlossen, der stirnseitig an das Gehäuse 1 angeflanscht ist.

[0021] Beim Brennerbetrieb treibt der E-Motor 15 den Rotor 13 an. Das durch den Anschlussstutzen 11 herangeführte Druckgas kann die Durchgangsöffnungen 12, 14 nur dann passieren, wenn entsprechende Durchgangsöffnungen miteinander fluchten. Entsprechend der Anzahl und Verteilung der Durchgangsöffnungen 12 bzw. 14 und der Drehzahl des E-Motors wirkt dadurch der Rotor 13 im Gehäuseabschnitt 10 als Ultraschallerzeuger, dessen Schwingungsenergie über den Durchgangskanal 8 zur Mischkammer 7 übertragen wird. Um die Übertragung der Schallschwingungsenergie zu verbessern, ist innerhalb des trommelartigen Rotors 13 ein parabolischer Reflektor 16 angeordnet, der in Figur 1 mit gestrichelten Linien angedeutet ist. Dieser Reflektor sammelt die Schallenergie und gibt sie gebündelt in Richtung auf die Mischkammer 7 ab.

[0022] Die Mischkammer 7 wird ihrerseits von einem Reflektor 17 begrenzt, der ebenfalls parabolische Form hat, jedoch so eingestellt ist, dass die von diesem Reflektor 17 aufgenommene Schallschwingungsenergie im Mündungsbereich der Brennstoffkanäle 3, 4 gebündet wird.

[0023] Wie in Figur 1 angedeutet, wird die Mischkammer 7 aussen von einem Gehäuseteil 18 begrenzt, welches den Reflektor 17 trägt und ausserdem in axialer Richtung des Gehäuses 1 verstellbar ist. Durch Verstellung des Gehäuseteils 18 kann die sich vor der Mündung der Brennstoffkanäle 3, 4 ausbildende Flamme beeinflusst werden.

[0024] Da jedoch bei grösseren Längen des Druckgaskanals 8 die Dämpfung der Schallenergie nicht mehr zu vernachlässigen ist, sind am Innenumfang des Gehäuseteiles 18 mehrere hintereinandergeschaltete Helmholtz-Resonatoren angeordnet, die durch die einfallende Schallenergie zu Resonanzen angeregt werden und ihrerseits Schallenergie abstrahlen.

[0025] Die im Ultraschallerzeuger 9 erzeugte und in die Mischkammer 7 übertragene Schallenergie sorgt für eine sehr feine Zerstäubung der zugeführten flüssigen Brennstoffe. Sie sorgt ausserdem durch Turbulenzbildung für eine intensive Durchmischung des Druckgases mit dem zerstäubten Brennstoff. Wenn der Brenner zusätzlich mit gasförmigen Brennstoffen oder nur mit gasförmigen Brennstoffen betrieben wird, sorgt die Schallenergie für eine intensive Durchmischung dieser Brennstoffe mit dem Druckgas.

Ansprüche

1. Zerstäubungsbrenner für flüssige Brennstoffe mit einem Gehäuse (1), in dem zueinander konzentrische Kanäle (3, 4, 8) für die Zufuhr eines Druckgases und des Brennstoffes in Strömungsrichtung vor einer Mischkammer (7) angeordnet sind, und mit einem UItraschallerzeuger (9) aus zwei den Querschnitt des Druckgaskanals (8) einnehmenden, relativ zueinander drehbaren Einsätzen (10, 13) mit Durchgangsöffnungen (12, 14) für das Druckgas, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsätze als konzentrisch zueinander angeordnete Trommeln (10, 13) ausgebildet sind, auf deren jeweiligem Umfang die Durchgangsöffnungen (12, 14) angeordnet sind, dass koaxial zu den Trommeln (10, 13) auf ihrer der Mischkammer (7) abgewandten Seite ein zur Mischkammer (7) hin gerichteter Reflektor (16) zum Bündeln und Richten der Ultraschallenergie auf einen weiteren Reflektor (17) angeordnet ist, der in Strömungsrichtung am Ende der Mischkammer (7) angeordnet ist und die Ultraschallenergie im Mündungsbereich der konzentrischen Kanäle 3, 4, 8) bündelt.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trommel (10) als Stator und die andere Trommel (13) als Rotor ausgebildet ist.

3. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor einen externen Antrieb (16) aufweist.

4. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierende Trommel (13) von der Druckgasströmung angetrieben ist und dass dazu die Durchgangsöffnungen (12, 14) düsenartig ausgebildet sind oder die Trommeln (10, 13) eine von der Druckgasströmung beaufschlagte Beschaufelung aufweisen.

5. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektoren (16, 17) Parabolreflektoren sind.

6. Brenner nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Mischkammer (7) ringförmige Helmholtz-Resonatoren (19) angeordnet sind.

7. Brenner nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass der die Mischkammer (7) begrenzende Gehäuseteil (18) in Richtung der konzentrischen Kanäle (3, 4, 8) verstellbar ist.

Claims

1. An atomizing burner for liquid fuels with a casing (1), in which mutually concentric ducts (3, 4, 8) for the supply of a high-pressure gas and the fuel are disposed upstream of a mixing chamber (7), and with an ultrasonic generator (9) comprising two inserts (10, 13) occupying the cross-section of the high-pressure gas duct (8) and rotatable relative to one another and having through openings (12, 14) for the high-pressure gas, characterized in that the inserts are constructed in the form of drums (10, 13) which are arranged concentrically to one another and on the peripheries of which are arranged the respective through opening (12, 14), and a reflector (16) is disposed coaxially with the drums (10, 13) on the side thereof remote from the mixing chamber (7) and facing the mixing chamber (7) in order to concentrate and direct the ultrasonic energy onto a further reflector (17) disposed at the downstream end of the mixing chamber (7) and which concentrates the ultrasonic energy in the region of the openings of the concentric ducts (3, 4, 8).

2. A burner according to Claim 1, characterized in that one drum (10) is formed as a stator and the other drum (13) is formed as a rotor.

3. A burner according to Claim 2, characterized in that the rotor has an external drive (16).

4. A burner according to Claim 2, characterized in that the rotating drum (13) is driven by the high-pressure gas flow, and for this purpose either the through openings (12, 14) are constructed in the form of nozzles orthe drums (10, 13) have a blade arrangement acted upon by the high-pressure gas flow.

5. A burner according to Claim 1, characterized in that the reflectors (16, 17) are parabolic reflectors.

6. A burner according to any one of Claims 1 to 5, characterized in that annular Helmholtz resonators (19) are disposed in the region of the mixing chamber (7).

7. A burner according to any one of Claims 1 to 6, characterized in that the casing portion (18) adjoining the mixing chamber (7) is adjustable in the direction of the concentric ducts (3, 4, 8).

Revendications

1. Brûleur à pulvérisation pour combustibles liquides, muni d'une enveloppe (1) dans laquelle sont disposés, avant une chambre de mélange (7) dans le sens d'écoulement, des canaux concentriques entre eux (3, 4, 8) pour l'amenée d'un gaz sous pression et du combustible, et d'un générateur d'ultrasons (9) formé de deux éléments d'insertion (10, 13) occupant la section du canal à gaz sous pression (8), pouvant tourner l'un par rapport à l'autre, présentant des ouvertures de passage (12, 14) pour le gaz sous pression, caractérisé par le fait que les éléments d'insertion sont conçus soue la forme de tambours (10, 13) disposés concentriquement l'un à l'autre, sur la circonférence respective desquels sont disposées les ouvertures de passage (12, 14), que coaxialement aux tambours (10, 13), sur leur côté opposé à la chambre de mélange (7), est disposé un réflecteur (16) dirigé vers la chambre de mélange (7) pour concentrer et diriger l'énergie d'ultrasons sur un autre réflecteur (17) qui est disposé à la fin de la chambre de mélange (7), dans le sens découle- ment, et qui concentre l'énergie d'ultrasons dans la région d'embouchure des canaux concentriques (3, 4,8).

2. Brûleur selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'un tambour (10) est conçu sous forme de stator et l'autre tambour (13) sous forme de rotor.

3. Brûleur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le rotor présente un entraînement extérieur (16).

4. Brûleur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le tambour tournant (13) est entraîné par l'écoulement de gaz sous pression et qu'à cet effet, les ouvertures de passage (12, 14) sont constituées de façon similaire à des buses ou les tambours (10, 13) présentent un aubage subissant l'action de l'écoulement de gaz sous pression.

5. Brûleur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les réflecteurs (16, 17) sont des réflecteurs paraboliques.

6. Brûleur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que dans la région de la chambre de mélange (7) sont disposés des résonateurs de Helmholtz annulaires (19).

7. Brûleur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que la partie d'enveloppe (18) limitant la chambre de mélange (7) est réglable dans la direction des canaux concentriques (3, 4, 8).

Zeichnung