Technisches Gebiet
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zerstäubungsvorrichtung gemäss Oberbegriff
des Anspruchs 1. Sie betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung.
Stand der Technik
[0002] Nach Abstellen jeder mit einem flüssigen Brennstoff betriebenen Feuerungsanlage verbleibt
n der Brennstoffleitung zwischen Ventil und Zerstäuber eine Brennstoffsäule, beispielsweise
eine Oelsäule, die sich bei liegender oder hängender Leitung und zu grossem Durchmesser
der Leitung durch die einwirkende Gravitation "verselbständigen" kann. Ebenso kann
sich der Brennstoff während der Betriebspause durch Wärme-Einwirkung aus der heissen
Umgebung oder durch sonstige Einflüsse ausdehnen. Diese Labilität der Brennstoffsäule,
die um so grösser ausfällt, je grösser der Leitungsquerschnitt ist, führt dazu, dass
der flüssige Brennstoff aus der Brennstoffdüse tropft. Je nach Länge und Dicke der
brennstofführenden Leitung und Zeitdauer der Betriebspause kann sich durch die beschriebene
Gravitation bzw. Expansion der Brennstoffsäule eine ansehnliche Menge an Flüssigbrennstoff
ansammeln, teilweise verdampfen und über die natürliche Konvektion in die Umgebung
gelangen. Bei einem Wiederstart der Feuerungsanlage verbrennt der so ausgetretene
Brennstoff nicht vollständig. Dies führt unveigerlich dazu, dass sich die Verbrennung
während der Startphase bezüglich UHC- und anderer Schadstoff-Emissionen als äusserst
unkrontrollierbar verhält, wobei es erfahrungsgemäss relativ lange dauert, bis sich
ein dergestalt instabiles System stabilisiert hat.
Darstellung der Erfindung
[0003] Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen
gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Zerstäubungsvorrichtung
der eingangs genannten Art ein Nachtropfen eines flüssigen Brennstoffes aus einer
Brennstoffdüse gegen Null streben zu lassen, gleichzeitig bei jedem Wiederstart der
Anlage verzögerungsfrei Brennstoff in genügender Menge zur Verfügung zu haben.
[0004] Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass nach einem Abstellen
der Anlage eine dem Volumen nach minimierte durch Kapillarkräfte gehaltene Brennstoffsäule
vorliegt, die über einen beliebig langen Betriebsunterbruch stabil bleibt, d.h., zu
keinem Nachtropfen mit entleerender Wirkung für die Brennstoffsäule neigt. Diese Ausgangslage
gewährleistet, dass bei jedem Wiederstart der Anlage verzögerungsfrei jene erste notwendige
Menge Brennstoff zur Verfügung steht. Eine zeitliche Diskrepanz zwischen Bereitstellung
des Verbrennungsluftstromes und Beimischung eines flüssigen Brennstoffes in der Vormischstrecke
oder in der Flammenzone liegt hier nicht vor, weshalb mit keinerlei Startverzögerung
zu rechnen ist, was sich wiederum auf die Güte der Flamme niederschlägt, was wiederum
ein Positivum gegen die Schadstoff-Emissionen ist. Dies alles wird erreicht, indem
eine erste Vorkehrung dahin zielt, ein Magnetventil in Abströmungsrichtung der Brennstoffleitung
möglichst nahe der Brennstoffdüse zu plazieren. Eine zweite Vorkehrung zielt dahin,
die Brennstoffsäule zwischen Magnetventil und Brennstoff-Düsenaustritt gegen äussere
Einflüsse und gegen eine innere Dynamik des flüssigen Brennstoffes selbst abzuschotten,
ohne dabei irgendwelche Zündungsbehinderungen bei einem Wiederstart einzuhandeln.
Die Stabilisierung der Brennstoffsäule geht von der Ueberlegung aus, dass bei genügend
kleinen Rohrdurchmessern die Trennfront zwischen Luft und flüssigem Brennstoff, beispielsweise
Oel, durch die Oberflächenspannung bzw. Kapillarkräfte stabilisiert wird. In einem
solchen Fall kann sich kein Wandfilm bilden. Das Kriterium für die Wirksamkeit der
Oberflächenspannung wird anhand der sogenannten Eötvös-Zahl errechnet. Die errechnete
Zahl entspricht dem maximal zulässigen Kapillardurchmesser, in welchem die Brennstoffsäule
durch die dort vorherrschende Oberflächenspannung stabilisiert wird.
[0005] Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung
sind in den weiteren Ansprüchen gekennzeichnet.
[0006] Im folgenden wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt
und näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen
Elemente sind fortgelassen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegebenen.
[0007] Die einzige Figur zeigt ein Zerstäubungssystem mit einer Brennstoffdüse und mit einer
Blendenkonfiguration.
Wege zur Ausführung der Erfindung und gewerbliche Verwertbarkeit
[0008] Die Figur zeigt ein Zerstäubungssystem 1 mit einer Brennstoffdüse 3, bei welcher
es sich sowohl um eine Simplex- als auch um eine Rücklaufdüse handeln kann. Die Brennstoffdüse
3 ist in Abströmungsrichtung von einer ersten Blende 1a und einer zweiten Blende 1b
ergänzt ist. Die Zerstäubung eines flüssigen Brennstoffes 9, vorzugsweise Oel, gemäss
vorliegender Konfiguration, erfolgt dabei in zwei Stufen: Erstens durch Druckzerstäubung,
zweitens durch eine luftunterstützte Zerstäubung und eine Umlenkung des Sprühkegels.
Dessen ungeachtet ist es ohne weiteres möglich, auf eine Blende, entweder auf die
erste 1a oder auf die zweite 1b, zu verzichten, oder überhaupt ohne Blenden zu fahren..
Dies hängt im wesentlichen davon ab, wie die betrieblichen Verhältnisse der ganzen
Blendenkonfiguration 1a, 1b gelagert sind, wo der Einsatz einer solchen Zerstäubung
bezüglich Art des Brennraumes, d.h. , ob es sich un eine atmosphärische Brennkammer,
oder um eine Gleichdruck- resp. Hochdruck-Brennkammer einer Gasturbine, oder um eine
Brennkammer mit isocorer Verbrennung handelt, vorgesehen ist. Danebst spielt selbstverständlich
auch die Struktur und die Verbrennungsart (Diffusions-, Vormischverbrennung, etc.)
des jeweiligen Brenners, in welchen ebendiese Blendenkonriguration 1a, 1b integriert
sein kann, eine Rolle. Die in der Figur ersichtliche für Oel ausgelegte Brennstoffdüse
3 wirkt stromauf der beiden Blenden 1a, 1b, wobei es sich hier um eine Brennstoffdüse
3 handelt, welche mit Brennstoff-Drücken ab 3,5 bar arbeitet, demnach es sich um eine
Zerstäubungsdüse handelt. Dies ist nicht notwendigerweise die einzige mögliche Konstellation
der beiden Blenden 1a, 1b gegenüber der Brennstoffdüse 3, sondern die letztgenannte
kann ohne weiteres auf gleicher Höhe mit der ersten 1a oder mit der zweiten Blende
1b liegen. Dies hängt im wesentlichen damit zusammen, wie die Zuführung von Verbrennungsluft
7 konzipiert ist. Es sind daher auch Konfigurationen möglich, wo die Brennstoffdüse
3 stromab der letzten Blende wirkt. Was die Verbrennungsluft 7 anbelangt, kann diese
aus reiner Frischluft bestehen; sie kann aber auch aus einem Gemisch von Frischluft
und rückgeführtem Abgas bestehen, wobei darin ohne weiteres Anteile aus einem gasförmigen
Brennstoff zugemischt werden können. Diese Verbrennungsluft 7 wird für die Beimischung
zum Brennstoff 9 aus der Brennstoffdüse 3 in zwei Teilströme aufgeteilt. Ein erster
Teilstrom 7a erfasst den Brennstoff 9 im Bereich der Brennstoffdüse 3, ein zweiter
Teilstrom 7b durchströmt in geeigneter Weise die erste Blende 1a und wird in eine
stromab der Brennstoffdüse 3 vorhandene Vormischstrecke 6 zugeleitet, wo die endgültige
Gemischbildung stattfindet. Die Verbrennungsluft 7 kann ohne weiteres vom einem Gebläse
einer atmosphärischen Feuerungsanlage für Heizkessel stammen, dessen Druck in der
Regel zwischen ca. 10 und 100 mbar beträgt. Somit ist zugleich gesagt worden, dass
die hier gezeigte Brennstoffdüse 3 auf Druckzerstäubung arbeitet und vorzüglich in
Anlagen eingesetzt wird, wo ein Flüssigbrennstoff 9 zum Einsatz kommt. Dies ist aber
keine unabdingbare Vorgabe, denn eine solche Düse 3 samt Blendenkonfiguration 1a,
1b kann auch Bestandteil eines mit flüssigem und/oder gasförmigem Brennstoff betriebenen
Brenners einer Gasturbogruppe sein. Das hier gezeigte Zerstäubungssystem 1 kann des
weiteren als Brennstofflanze eingesetzt werden, beispielsweise in einem Brenner, wie
er in EP-A1-0 312 809 beschrieben ist. Diese hier angezogene Europäische Patentanmeldung
bildet sonach, soweit Erweiterungen des hiesigen Erfindungsgegenstandes in Betracht
gezogen werden, integrierenden Bestandteil vorliegender Patentanmeldung. Zur Klarstellung,
inwieweit eine solche Integrierung reicht, sei gesagt, dass die in Fig. 1 von EP-A1-0
312 809 gezeigte Düse mit Fos. 3 durch das hier gezeigte und beschriebene Zerstäubungssystem
1 zu ersetzen wäre. Die Brennstoffdüse 3 ist durch eine Brennstoffleitung 4 mit einer
Pumpe 9 verbunden, wobei diese Pumpe 8 vorzugsweise ausserhalb des Brennersystems
plaziert wird. Zwischen Pumpe 8 und Brennstoffdüse 3 weist die Brennstoffleitung 4
ein Magnetventil 5 auf, dessen Abstand zur Brennstoffdüse 3 einen minimierten Betrag
aufweist. Die Fixierung dieses Abstandes ist betragsmässig ein Optimum zwischen einer
möglichst kurzen ruhenden Brennstoffsäule, die nach jedem Abstellen des Brenners stehen
bleibt, und jener minimalen Brennstoffmenge, die zwischen zwei Starts durch thermische
Ausdehnung austreten darf, damit keine unzulässigen UHC-Emissionen entstehen können.
Die Stabilisierung der ruhenden Brennstoffsäule zwischen Magnetventil 5 und Brennstoffdüse
3 wird erreicht, indem der brennstofführende Durchmesser 4a so gewählt wird, dass
die Trennfront zwischen Luft und flüssigem Brennstoff durch Oberflächenspannung bzw.
Kapillarkräfte gehalten wird. Das Kriterium für die Wirksamkeit der Oberflächenspannung
zur Trennung von Luft- und Flüssigbrennstoffsäulen wird anhand der nach Eötvös benannten
Kennzahl wie folgt errechnet:

wobei σ die Oberflächenspannung bezeichnet (σ beträgt im vorliegenden Fall ≈ 0,028
kg/s²).Setzt man den angegeben Wert für σ = 0,028 Kg/s², für g = 9,81 m/s²,für ρ oel
= 820 kg/m3 in diese Bedingung ein, so lässt sich der für einen Brennstoff kritische
Durchmesser 4a berechnen. Eo beträgt für Oel 3.4.
[0009] Die errechnete Zahl entspricht somit dem maximal zulässigen Kapillardurchmesser 4a,
in welchem eine dort ruhende Brennstoffsäule durch die vorherrschenden Oberflächenspannung
stabil bleibt. Die Eötvös-Zahl beträgt für Oel 3,4. Strömungstechnisch ist zu den
Blendenkonfiguration 1a, 1b anzumerken, dass die herangeführte Verbrennungsluft 7,
obwohl sie bei atmosphärischen Feuerungsanlagen nur einen kleinen Druck aufweist,
den Flüssigbrennstoff-Sprühkegel 9 aus der Brennstoffdüse 3 komprimiert. Dies geschieht
bereits mit einem vorherrschenden Druck ab 10 mbar. Diese Verbrennungsluftströmung
trifft dabei auf den Sprühkegel radial und/oder quasi-radial bis axial auf, und sie
zwingt dessen Brennstoff durch eine in der Blende 1a mittig plazierte Oeffnung abzuströmen.
Entlang dieser Oeffnung, die Bestandteil der Vormischstrecke 6 ist, entsteht bereits
ein sehr gutes homogenes Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisch. Diese Oeffnung schafft
darüber hinaus eine Verringerung des Sprühwinkels, der weitaus kleiner als der ursprüngliche
aus der Brennstoffdüse 3 ausfällt. Die Zerstäubung des Brennstoffes 9 entlang dieser
Oeffnung bleibt auch unabhängig gegenüber der bereitgestellten Zerstäubungsgüte im
Bereich des zugeführten Teilverbrennungsluftstromes 7a. Der Querschnitt der Oeffnung
ist so ausgelegt, dass ca. 50% der gesamten Verbrennungsluft 7 dort durchströmen können.
Der restliche Verbrennungsluftanteil 7b strömt radial und/oder quasi-radial bis axial
nach der ersten Blende 1a in die Vormischstrecke 6 ein. Bei einer solchen Konfiguration
muss sichergestellt werden, dass die Durchgänge durch die erste Blende 1a eine entsprechende
Schluckfähigkeit aufweisen müssen. Dieser Verbrennungsluftstrom 7b modelliert die
schlussendlich gewünschte Sprühwinkelgrösse des Gemisches in den Brennraum 2 oder
in eine anschliessende Vormischzone oder Brennerkammer, wie dies der Fall ist, beim
Einsatz dieses Zerstäubungssystems 1 in eine nachgeschalteten Brennerkammer. Noch
vorhandene Tropfen des flüssigen Brennstoffes werden durch diesen weiteren Verbrennungsluftstrom
7b vollständig zerstäubt. Aus diesen letzten Ausführungen betreffend die Zerstäubungsgüte
geht leicht hervor, wie eminent wichtig die engumgrenzte quantitative Bereitstellung
des Brennstoffes über alle Betriebsstufen ist. Die heiklen Betriebsstufen sind sicher
das Abstellen und Wiederanfahren der Anlage. Ist einmal das Magnetventil 5 auf "zu"
gefahren, so ist es wichtig, dass die Brennstoffsäule zwischen Magnetventil 5 und
Brennstoffdüse 3 mengenmässig konserviert bleibt. Ein Abtröpfen des Brennstoffes aus
der Brennstoffdüse 3 hätte eine doppelte negative Wirkung: einerseits stünde dann
unmittelbar beim Wiederanfahren keine genügende mischungsfähige Brennstoffmenge zur
Verfügung, andererseits bildete die durch Abtröpfen aus der Brennstoffdüse 3 ausgeflossene
und demnach fehlende Brennstoffmenge Ursache für einen schlechten Start und eine demzufolge
schlechte Verbrennung, was ein Anstieg der Schadstoffemissionen zur Folge hätte, abgesehen
davon, dass ein solch instabiles System schwer und zeitlich nicht sofort aufgefangen
werden könnte. Die Plazierung des Magnetventils 5 in einer unmittelbaren Nähe der
Brennstoffdüse 3 und demzufolge nahe der Flammenzone bringt bezüglich kalorischer
Belastung keine Nachteile mit sich, denn das Magnetventil 5 wird hier durch die herangeführte
Verbrennungsluft 7 fortlaufend in angemessener Weise gekühlt. Nun ist es so, dass
auf die Brennstoffsäule zwischen Brennstoffdüse 3 und Magnetventil 5 während des Stillstandes
der Anlage eine kalorische Belastung einwirkt, welche grösser als die Oberflächenspannung
im Kapillardurchmesser werden kann. Durch die Ueberwindung der Oberflächenspannung
durch kalorisch bedingte Ausdehnung des flüssigen Brennstoffes kommt es unweigerlich
zu einem Austropfen aus der Brennstoffdüse 3. Diese austretende Brennstoffmenge muss
dabei minimiert werden, sollen während des Startvorganges die UHC-Emissionen, über
eine Messzeit von 10 sec., nicht über 30 ppm anschwellen. Nachdem der Durchmesser
der Brennstoffsäule zwischen Magnetventil 5 und Brennstoffdüse 3 und die thermische
Belastung der Brennstoffleitung bekannt sind, wird deren Länge soweit minimiert, dass
die nicht zu verhindernde austretende Brennstoffmenge so klein bleibt, dass die zugrundegelegten
UHC-Emissionswerte einzuhalten sind. Selbstverständlich wird bei dieser Langenfestlegung
angestrebt, ein Optimum zwischen möglichst viel zur Verfügung stehendem Brennstoff
für die Startphase und einer möglichst kleinen Tropfmenge zu erreichen.
1. Zerstäubungsvorrichtung eines flüssigen Brennstoffes in einer Feuerungsanlage, im
wesentlichen bestehend aus einer Brennstoffdüse (3), einer der Brennstoffdüse (3)
angeschlossenen Brennstoffleitung (4), einer im Bereich der Brennstoffdüse (3) plazierten
Blendenkonfiguration (1a, 1b) , dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffleitung
(4) stromauf der Brennstoffdüse (3) ein Ventil (5) trägt, dass die Brennstoffleitung
(4) zwischen Magnetventil (5) und Brennstoffdüse (3) einen minimierten brennstofführenden
Durchmesser (4a) aufweist, der nach folgender Formel ermittelbar ist:

wobei ρ fl. das spezifische Gewicht des flüssigen Brennstoffes, g die Gravitationskonstante,
σ die Oberflächenspannung und Eo die Eötvös-Zahl bedeuten.
2. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Blendenkonfiguration
aus einer Blende (1a) besteht.
3. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Blendenkonfiguaration
aus zwei hintereinander geschalteten Blenden (1a, 1b) besteht.
4. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüse
(3) in Strömungsrichtung gegenüber der Blendenkonfiguration (1a, 1b) vorgeschaltet,
sich auf gleicher oder nachgeschaltet ist.
5. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüse
(3) mit einer Verbrennungsluft (7, 7a, 7b)betreibbar ist, welche aus Frischluft, oder
aus einem Gemisch aus Frischluft und rezirkuliertem Abgas, oder aus einem Gemisch
aus Frischluft und/oder rezirkuliertem Abgas und/oder einem Anteil eines Brennstoffes
besteht.
6. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsluft
(7, 7a, 7b) radial oder quasiradial bis achsial auf den Brennstoff (9) auftritt.
7. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (5)
ein Magnetventil ist.
8. Verfahren zum Betrieb eines Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass der Abstand zwischen Brennstoffdüse (3) und Magnetventil (5) dergestalt minimiert
wird, dass die austretende Brennstoffmenge aus der Brennstoffleitung (4a) während
eines Stillstandes der Anlage infolge dort vorherrschender kalorischer Belastung bei
einem Wiederstart derselben eine UHC-Emission unterhalb 30 ppm, ermittelt über eine
Messzeit von 10 sec., indiziert.