Verfahren und Brenner zum Verbrennen von flüssigem Brennstoff

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbrennen von flüssigem Brennstoff mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruchs 1 und einen Brenner mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruchs 2.

[0002] Die Verbrennung von flüssigen, Kohlenwasserstoffe enthaltenden Brennstoffen verlangt grundsätzlich den Aufbereitungsschritt der Vergasung der Flüssigkeit vor der Verbrennung. Vollzieht sich dieser Vorgang innerhalb einer gewissen kritischen Zeit, die etwa bei einer hundertstel Sekunde liegt, verläuft die Verbrennung ausschließlich über gasförmige Zwischenoxidationsprodukte, wobei schließlich das Endprodukt Kohlendioxid durch Oxidation von Kohlenmonoxid entsteht. Dabei wird die Bildung von Ruß unterdrückt, dessen Partikel als Kondensationskerne für saure Verbrennungsprodukte wirken. Ferner führt ein Rußbelag auf der Wärmeaustauschfläche zu zusätzlichen Energieverlusten.

[0003] Bei einer aus der EP-A-0 043 908 bekannten Zerstäuberdüse tritt der unter Druck zugeführte Brennstoffstrahl in einen Druckausgleichsraum ein, in dem der gleiche Druck herrscht wie in dem Brennraum. An den Druckausgleichsraum schließt sich ein Ringspalt an, in dem der Brennstoff durch senkrecht zum Brennstoffstrahl geführte Luft zerstäubt wird. Die in geringer Menge und mit geringem Druck zugeführte Luft dient ausschließlich der Zerstäubung und wird nach Beendigung der Startphase nicht mehr benötigt.

[0004] In der DE-C-3 038 063 ist ein Brenner beschrieben, bei dem zwischen den konischen Mantelflächen eines Einsatzkörpers und eines Leitkörpers ein Strömungsweg für die Verbrennungsluft gebildet ist. Dabei weist die Konusspitze zur Brennstoffzuleitung.

[0005] Auf diese Weise wird die Luft in einer Rückströmung zur Brennstoffzuführung geführt. Darüber hinaus ist der Einsatzkörper auf seiner Außenseite mit Leitschaufeln versehen, die dem Luftstrom einen Drall aufzwingen. Dieser Drall erzeugt in dem Brennstoff-Luft-Gemisch eine Wirbelbewegung, die eine Rezirkulationsbewegung der Reaktionspartner bewirkt, dabei aber die Brennstofftrofpen nach außen drängt. Die durch die Gestaltung des bekannten Brenners beabsichtigte Wirkung einer Verringerung der Rußbildung kann sich nur unzureichend einstellen, da kein absolut homogenes Gemisch entsteht.

[0006] In der AT-B-234 256 ist ein Öldruckzerstäuber gezeigt, bei dem bei hoher Leistung der Öldruck ausreicht, um das Öl zu zerstäuben. Bei geringer Leistung wird durch Dampf eine zusätzliche Zerstäubung bewirkt. Der Zerstäuberdampf wird durch einen engen Spalt geführt, der senkrecht zu dem zentralen Ölstrahl verläuft.

[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Verfahren und den Brenner derart auszubilden, daß auch bei geringen Durchsätzen der Brennstoff mit einer'völlig rußfreien Flamme brennt, ein Verstopfen der vom Brennstoff durchflossenen Austrittsbohrung vermieden und die Flammenwurzel innerhalb der Austrittsöffnung gehalten ist.

[0008] Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Ein Brenner zur Durchführung dieses Verfahrens ist durch die Merkmale des Patentanspruches 2 gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0009] Bei dem Erfindungsgegenstand wird die gesamte für die Verbrennung notwendige Verbrennungsluft zur Zerstäubung des Brennstoffes verwendet. Dabei wird der kompakte Brennstoff durch einander entgegengerichtete Luftstrahlen in feinste Tröpfchen zerschlagen und mit der Verbrennungsluft homogen vermischt. Die Vermischung wird noch dadurch verbessert, daß die Luft drallfrei zugeführt wird, so daß auf die Tropfen keine Zentrifugalkraft wirkt, durch die sie nach außen gedrängt und separiert werden könnten. Auf diese Weise werden die Voraussetzungen geschaffen, unter denen die Verbrennung des flüssigen Brennstoffes ausschließlich über gasförmige Zwischenoxidationsprodukte und damit ohne Rußbildung erfolgen kann. Das so aufbereitete Brennstoff-Luft-Gemisch strömt der Austrittsöffnung zu, durch deren Bemessung und die sich dadurch einstellende Strömungsgeschwindigkeit sichergestellt ist, daß die Flammenwurzel in einem bestimmten Abstand von dem Ort der Vermischung liegt und eine homogene Vermischung von fein zerstäubtem Brennstoff und Verbrennungsluft erzielt wird. Durch die Bemessung des konischen Abschnittes wird erreicht, daß die Flammwurzel aber noch innerhalb der Austrittsöffnung sich befindet.

[0010] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Die Zeichnung stellt einen Längsschnitt durch einen Brenner gemäß der Erfindung dar.

[0011] Der Brenner weist ein Führungsrohr 1 auf, das mit einem Anschluß 2 für die Zuführung von Verbrennungsluft versehen ist. Innerhalb des Führungsrohres 1 ist ein zylindrischer Leitkörper 4 mit einer ebenen Bodenfläche 20 vorgesehen. Der Leitkörper 4 ist axial verschiebbar. Er ist mit Abstand von dem Führungsrohr 1 derart angeordnet, daß ein ringförmiger Kanal 3 gebildet ist. Dabei wird der Abstand durch ebene Distanzstücke 21, die keinen Drall erzeugen, eingehalten. Dieser Kanal 3 wird von der Verbrennungsluft achsparallel und drallfrei durchströmt.

[0012] Zentrisch in dem Führungsrohr 1 ist eine Brennstoffleitung für die Zuführung von flüssigem Brennstoff angeordnet. Die Brennstoffleitung besteht aus einem Rohr 5 und einer Austrittsbohrung 6, die durch die Längsachse des Leitkörpers 4 geführt ist. Die Austrittsbohrung 6 mündet zentrisch in die Bodenfläche 20 des Leitkörpers 4.

[0013] Das Führungsrohr 1 ist austrittsseitig durch einen Abschlußkörper 7 verschlossen. Der Abschlußkörper 7 ist mit einem Flansch 8 versehen, über den der Abschlußkörper 7 an einem Flansch 9 einer Brennkammer 10 befestigt ist. Die Brennkammer 10 ist ein Teil eines Heizungskessels 11. Der Abschlußkörper 7 weist in der Verlängerung der Austrittsbohrung 6 eine Austrittsöffnung 12 auf. Außerdem sind durch den Abschlußkörper 7 eine Hochspannungszündung 13 und eine Flammenüberwachung 14 hindurchgeführt, die in die Brennkammer 10 hineinragen.

[0014] Der Abschlußkörper 7 enthält auf der dem Führungsrohr 1 zugewandten Seite eine ebene Stirnfläche 15, der in einem axialen Abstand die Bodenfläche 20 des Leitkörpers 4 gegenübersteht. Die Bodenfläche 20 und die Stirnfläche liegen parallel zueinander und bilden einen Spalt 16 von gleichbleibender Breite, der senkrecht zu der Längsachse der Austrittsbohrung 6 verläuft.

[0015] Der Spalt 16 steht mit dem ringförmigen Kanal 3 in Verbindung und weist einen wesentlich geringeren Querschnitt als dieser auf. Durch die Verstellbarkeit des Leitkörpers 4 kann die Spaltbreite variiert werden.

[0016] Die Austrittsöffnung 12 weist, in Strömungsrichtung gesehen, zunächst einen zylindrischen Abschnitt 17 auf, dessen Durchmesser gleich seiner Höhe ist. Der zylindrische Abschnitt 17 geht unter sprunghafter Vergrößerung seines Durchmessers in einen sich konisch erweiternden Abschnitt 18 über. Zwischen dem zylindrischen Abschnitt 17 und dem konischen Abschnitt 18 ist dadurch eine Abreißkante 19 gebildet. Der Querschnitt des zylindrischen Abschnittes 17 ist in Abhängigkeit von der Breite des Spaltes 16 so groß gewählt, daß in ihm die Strömungsgeschwindigkeit des durchströmenden Mediums stets um mindestens das Dreifache größer ist als die Zündgeschwindigkeit des Brennstoffes. Die Zündgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der eine Flamme durch ein Brennstoff-Luft-Gemisch zurückwandert. Sie beträgt für Öl etwa 12 m/s. Der größte Durchmesser des konischen Abschnittes 18 ist so dimensioniert, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums am Austritt aus dem Abschnitt 18 auf eine Geschwindigkeit abgebaut wird, die unterhalb der Zündgeschwindigkeit liegt.

[0017] Durch die zentrische Austrittsbohrung 6 tritt der flüssige Brennstoff als kompakter Strahl mit einer mittleren Geschwindigkeit von 2 m/s aus. Die Verbrennungsluft strömt achsparallel und drallfrei durch den ringförmigen Kanal 3 und trifft nach einer Umlenkung von 90° in dem Spalt 16 senkrecht auf den Brennstoffstrahl. Innerhalb des durch die planparallelen Flächen 15, 20 gebildeten Spaltes 16 werden die Luftstrahlen erheblich beschleunigt und prallen im Zentrum des Spaltes 16 mit hoher Geschwindigkeit zusammen.

[0018] Die hochbeschleunigten Luftstrahlen zerschlagen den zentrisch eintretenden Brennstoffstrahl in feinste Tröpfchen mit einem Durchmesser von etwa 0,02 mm und erzeugen eine homogene Vermischung von Brennstofftröpfchen und Luft. Das so aufbereitete Brennstoff-Luft-Gemisch durchströmt den zylindrischen Abschnitt 17 der Austrittsöffnung 12 mit einer Strömungsgeschwindigkeit, die deutlich oberhalb der Zündgeschwindigkeit liegt, wobei diese Geschwindigkeit innerhalb des konischen Abschnittes 18 auf einen Wert unterhalb der Zündgeschwindigkeit abgebaut wird. Nach der Zündung des Brennstoff-Luft-Gemisches in der Brennkammer 10 stabilisiert sich die Flammenwurzel in dem konischen Abschnitt 18 der Austrittsöffnung 12, wobei auch bei kalter Brennkammer 10 sofort eine rußfreie Flamme mit sehr rascher Verbrennungsreaktion entsteht, so daß die Verbrennung der Brennstoffdämpfe bereits beim Austritt aus der Brennkammer 10 abgeschlossen ist. Dies ermöglicht die Konstruktion von Wärmetauschern mit geringen Abmessungen und turbulenter Rauchgasströmung in engen Rauchgaszügen, zumal in keiner Einstellung, auch nicht bei Luftmangel, Ruß entsteht.

Ansprüche

1. Verfahren zum Verbrennen von flüssigen Brennstoff mit Verbrennungsluft, die drallfrei durch einen durch zwei planparallele Flächen begrenzten Spalt senkrecht zu einem zentralen Brennstoffstrahl geführt und dabei erheblich beschleunigt wird, wobei der kompakte Brennstoffstrahl zerschlagen wird und das so erzeugte Brennstoff-Luft-Gemisch einem Brennraum zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoff-Luft-Gemisch mit einer Strömungsgeschwindigkeit abgeführt wird, die der dreifachen Zündgeschwindigkeit entspricht.

2. Brenner für flüssigen Brennstoff mit einem Führungsrohr (1) für Verbrennungsluft, in dem mit Abstand unter Bildung eines ringförmigen Kanales (3) ein Leitkörper (4) angeordnet ist, der axial verstellbar ist und durch den axial eine Brennstoffleitung mit einer zentrischen Austrittsbohrung (6) geführt ist, zu der koaxial eine Austrittsöffnung (12) für das Brennstoff-Luft-Gemisch vorgesehen ist, zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am austrittsseitigen Ende des Führungsrohres (1) durch zwei planparallele Flächen (15, 20) ein Spalt (16) begrenzt ist, der senkrecht zur Achse der Austrittsbohrung (6) im Leitkörper (4) verläuft und einen wesentlich engeren Querschnitt als der ringförmige Kanal (3) aufweist und daß der Querschnitt der Austrittsöffnung (12) für das Brennstoff-Luft-Gemisch in Abhängigkeit von der Leistung des Brenners so groß bemessen ist, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches mindestens der dreifachen Zündgeschwindigkeit entspricht.

3. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnung (12) zunächst einen zylindrischen Abschnitt (17) aufweist, dessen Durchmesser und Länge gleich groß sind und daß der zylindrische Abschnitt (17) in Strömungsrichtung des Brennstoff-Luft-Gemisches in einen sich konisch erweiternden Abschnitt (18) übergeht.

4. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der kleinste Durchmesser des konischen Abschnittes (18) größer ist als der Durchmesser des zylindrischen Abschnittes (17) und daß der größte Durchmesser des konischen Abschnittes (18) einen solchen Wert aufweist, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoff-Luft-Gemisches kleiner als die Zündgeschwindigkeit ist.

Claims

1. Process for the combustion of liquid fuel with air for combustion which is guided free of spin perpendicularly to a central fuel jet through a gap bounded by two planar parallel surfaces and is at the same time accelerated appreciably, wherein the compact fuel jet is broken up and the fuel-air mixture thus produced is conducted to a combustion space, characterised thereby, that the fuel-air mixture is conducted away at a flow speed which corresponds to three times the ignition speed.

2. Burner for liquid fuel with a guide tube (1) for air for combustion, in which tube a guide body (4) is arranged at a spacing while forming an annular channel (3), which guide body is axially displaceable and through which a fuel duct with a central exit bore (6) is led axially, co-axially with which an exit opening (12) for the fuelair mixture is provided, for the carrying-out of a process according to claim 1, characterised thereby, that a gap (16) at the exit end of the guide tube (1) is bounded by two planar parallel surfaces (15, 16), extends in the guide body (4) perpendicularly to the axis of the exit bore (6) and displays a substantially narrower cross-section than the annular channel (3), and that the cross-section of the exit opening (12) for the fuel-air mixture is dimensioned in dependence on the performance of the burner to be so large that the flow speed of the mixture corresponds to at least three times the ignition speed.

3. Burner according to claim 2, characterised thereby, that the exit opening (12) initially displays a cylindrical portion (17), the diameter and length of which are equally great, and that the cylindrical portion (17) passes over into a portion (18) enlarging conically in the direction of flow of the fuel-air mixture.

4. Burner according to claim 3, characterised thereby, that the smallest diameter of the conical portion (18) is greater than the diameter of the cylindrical portion (17) and that the greatest diameter of the concial portion (18) displays such a value that the flow speed of the fuel-air mixture is smaller than the ignition speed.

Revendications

1. Dispositif pour la combustion d'un combustible liquide prévoyant que l'air de combustion passe, sans subir de mouvement tournant, par une fente limitée par deux plans parallèles, perpendiculairement en direction d'un jet de combustible central et se trouve ainsi considérablement accéléré, ledit jet de combustible compact étant brisé et le mélange combustible-air ainsi produit étant dirigé dans une chambre de combustion, caractérisé par le fait que le mélange combustible-air est évacué à une vitesse de flux correspondant au triple de la vitesse d'allumage.

2. Brûleur pour combustible liquide comportant un tube de conduit (1) pour l'air de combustion à l'intérieur duquel est disposé, en laissant une certaine distance pour former un canal annulaire (3), un corps directeur (4) qui est réglable axialement et par lequel passe axialement une conduite de combustible munie d'un orifice de sortie central (6) coaxialement auquel est prévu un orifice de sortie (12) pour le mélange combustible-air, pour la réalisation d'un procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'à l'extrémité du tube de conduit (1) côté sortie une fente (16) est délimitée par deux surfaces parallèles (15,20), ladite fente (16) s'étendant perpendiculairement à l'axe de l'orifice de sortie (6) dans le corps directeur (4) et présentant une section sensiblement plus étroite que celle du canal annulaire (3) et par le fait que la section de l'orifice de sortie (12) pour le mélange combustible-air est dimensionnée en fonction de la puissance du brûleur de telle sorte que la vitesse de flux du mélange corresponde au minimum au triple de la vitesse d'allumage.

3. Brûleur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'orifice de sortie (12) présente d'abord un tronçon cylindrique (17) dont le diamètre et la longueur sont égaux et par le fait qu'en direction du flux du mélange combustible-air le tronçon cylindrique (17) se transforme pour devenir un tronçon (18) s'élargissant en forme de cone.

4. Brûleur selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le plus petit diamètre du tronçon conique (18) est plus grand que le diamètre du tronçon cylindrique (17) et par le fait que le plus grand diamètre du tronçon conique (18) présente une grandeur telle que la vitesse de flux du mélange combustible-air soit inférieure à la vitesse d'allumage.

Zeichnung