ZERSTÄUBUNGSDÜSE

Abstract

 Bei einer Zerstäubungsdüse zum Zerstäuben von Flüssigkeiten, insbesondere Brennsoff, umfassend einen zentralen Brennstoffkanal mit einer zentralen Austrittsöffnung und einen den Brennstoffkanal umgebenden Kanal für Zerstäubungsmedium, der einen Hartmanngenerator und eine die zentrale Austrittsöffnung umgebende ringförmige Austrittsöffnung aufweist, wobei der Hartmanngenerator eine ringförmige Resonanzkammer umfasst, die in Richtung zur Düsenachse hin offen ist, ist vorgesehen, dass die ringförmige Austrittsöffnung innen von einer kegeligen Leitfläche begrenzt ist, die nach vorne in Richtung zur zentralen Austrittsöffnung konvergiert und deren nach hinten verlaufende gedachte Verlängerung in die Resonanzkammer eintaucht.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Zerstäubungsdüse zum Zerstäuben von Flüssigkeiten, insbesondere Brennstoff, umfassend einen zentralen Brennstoffkanal mit einer zentralen Austrittsöffnung und einen den Brennstoffkanal umgebenden Kanal für Zerstäubungsmedium, der einen Hartmanngenerator und eine die zentrale Austrittsöffnung umgebende ringförmige Austrittsöffnung aufweist, wobei der Hartmanngenerator eine ringförmige Resonanzkammer umfasst, die in Richtung zur Düsenachse hin offen ist.

[0002] Die Erfindung betrifft weiters einen Brenner mit einer solchen Zerstäubungsdüse.

[0003] Zerstäubungsdüsen dieser Art, bei denen die ringförmige Resonanzkammer des Hartmanngenerators in Richtung zur Düsenachse hin offen ist, sind bspw. aus der US 3,908,904 und der AT 285791 B bekannt. Es sind auch Zerstäubungsdüsen mit Hartmanngenerator bekannt geworden, bei denen die ringförmige Resonanzkammer nach außen hin offen ist, wobei auf die WO 2011/050377 A1 und die AT 339456 B verwiesen wird. Hierbei wird der aus dem Brennstoffkanal austretende Brennstoff durch die im Hartmanngenerator erzeugten Ultraschallschwingungen in feine Tröpfchen zerteilt, wodurch das Sprühbild des Brennstoffes und die Flammenform beeinflusst werden können. Die Zerstäubung ist insbesondere notwendig, um die Oberfläche des Brennstoffes zu vergrößern und damit eine schnelle und möglichst vollständige Verbrennung sicherzustellen.

[0004] Ein Hartmanngenerator ist ein Schall- oder Ultraschallschwingungserzeuger und umfasst eine ringförmige Düse, über welche das unter Druck stehende Zerstäubungsmedium in eine der Düse gegenüberliegende Resonanzkammer eingebracht wird, in welcher das Zerstäubungsmedium zu Schwingungen angeregt und ein Schwingungsfeld erzeugt wird, das im Bereich des aus dem Brennstoffkanal austretenden Brennstoffs zur Wirkung gelangt, um den Brennstoff zu zerstäuben. Der Vorteil eines solchen Schwingungserzeugers besteht darin, dass mit einer relativ geringen Menge an Zerstäubungsmedium eine effiziente Zerstäubung des Brennstoffs gelingt. Die mit dem Schwingungserzeuger erzielbare Zerstäubung des Brennstoffs ermöglicht es, auch Brennstoffe, die nur zum Teil aus brennbaren Bestandteilen bestehen, zu verbrennen. Insbesondere können damit Brennstoffe mit einem hohen Wassergehalt einer Verbrennung zugeführt werden.

[0005] Um das Flammenbild des Brenners einzustellen, sind bei solchen Zerstäubungsdüsen Reflektorflächen vorgesehen, die das zu Schwingungen angeregte Zerstäubungsmedium in die gewünschte Richtung ablenken bzw. richten. Solche Reflektorflächen sind üblicherweise konisch ausgebildet und verbreitern sich in Axialrichtung.

[0006] Zerstäubungsdüsen der eingangs genannten Art arbeiten mit einem unter Druck zugeführten Gas, wie z.B. Pressluft oder Dampf, als Zerstäubungsmedium, welches einen hohen Kostenfaktor beim Betrieb einer Zerstäubungsdüse darstellt. Sowohl die Menge an Zerstäubungsmedium als auch der apparative und energetische Aufwand für die Bereitstellung des erforderlichen Drucks des Zerstäubungsmediums stellen hierbei Kostenfaktoren dar.

[0007] Weiters besteht bei eher kleinen Brennräumen oftmals das Problem, dass der Einsatz von herkömmlichen Zerstäubungsdüsen der eingangs genannten Art nicht möglich ist, weil die durch die Düse erzeugte Flamme zu lang ist.

[0008] Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Zerstäubungsdüse der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass der Bedarf an Zerstäubungsmedium während des Betriebes wesentlich verringert werden kann. Weiters ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Zerstäubungsdüse bereitzustellen, die im Betrieb eine relativ kurze Flamme ermöglicht.

[0009] Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei einer Zerstäubungsdüse der eingangs genannten Art vor, dass die ringförmige Austrittsöffnung innen von einer kegeligen Leitfläche begrenzt ist, die nach vorne in Richtung zur zentralen Austrittsöffnung konvergiert und deren nach hinten verlaufende gedachte Verlängerung in die Resonanzkammer eintaucht. Die Leitfläche, welche das aus der Resonanzkammer austretende Schwingungsfeld innen begrenzt, ist somit so angeordnet, dass sich das zu Schwingung angeregte Zerstäubungsmedium vom Austritt aus der offenen Seite der Resonanzkammer in Richtung zur zentralen Austrittsöffnung des Brennstoffs nach innen ausbreiten kann. Bevorzugt ist hierbei vorgesehen, dass direkt am Austritt des Zerstäubungsmediums aus der Resonanzkammer an der Innenseite weder eine in Achsrichtung verlaufende Leitfläche noch eine nach außen konvergierende Leitfläche vorgesehen ist, sondern lediglich eine nach innen konvergierende Leitfläche, welche das Schwingungsfeld direkt in den Bereich des zentral austretenden Brennstoffs gelangen lässt. Es ist bevorzugt ein Freiraum vorgesehen, der sich unmittelbar vom Austritt der nach innen hin gerichteten Resonanzkammer schräg nach vorne und innen bis zur Düsenachse erstreckt und der die gewünschte Ausbreitung des Zerstäubungsmediums zum austretenden Brennstoff hin erlaubt.

[0010] Die beschriebene Ausbildung führt im Betrieb vorzugsweise dazu, dass der jetförmig aus der zentralen Austrittsöffnung austretende Brennstoffstrahl kurz nach dem Austritt eingeschnürt wird.

[0011] Das Merkmal der nach innen hin offenen Resonanzkammer bedeutet hierbei, dass die im Querschnitt der ringförmigen Resonanzkammer senkrecht zum Boden der Resonanzkammer verlaufende Linie, insbesondere Symmetrielinie, schräg nach innen vorne zur Düsenachse verläuft. Der Begriff vorne bezeichnet hierbei die Seite der Austrittsöffnung der Düse bzw. die Fließrichtung des Brennstoffs im zentralen Brennstoffkanal in Richtung zur zentralen Austrittsöffnung.

[0012] Die erfindungsgemäße Ausbildung ermöglicht es, dass das Zerstäubungsmedium direkt aus der Resonanzkammer zur zentralen Austrittsöffnung gelangen und dort mit dem Brennstoff zusammenwirken kann. Eine Reflektorfläche zum Umlenken des Zerstäubungsmediums nach innen zum Brennstoff ist also nicht nötig. Diese Ausgestaltung führt einerseits dazu, dass die Geschwindigkeit des Zerstäubungsmediums geringer gewählt werden kann, weil das Zerstäubungsmedium zielgerichteter eingesetzt wird. Dadurch besteht beim Erzielen der gleichen Brennstofftröpfchengröße wie beim Stand der Technik ein geringerer Bedarf an Zerstäubungsmedium, wodurch die Betriebskosten im Vergleich zu herkömmlichen Zerstäubungsdüsen erheblich reduziert werden können. Andererseits führt die erfindungsgemäße Ausbildung dazu, dass der Sprühwinkel des Brennstoffes größer wird. Dadurch wird die Flamme im Betrieb kürzer, wodurch auch der Einsatz in kleinen Brennräumen möglich ist.

[0013] Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Außenrand der ringförmigen Austrittsöffnung und die zentrale Austrittsöffnung im Wesentlichen in derselben Ebene liegen. Dadurch kann der erfindungsgemäße Effekt weiter verstärkt werden. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die zentrale Austrittsöffnung relativ zum Außenrand der ringförmigen Austrittsöffnung zurückversetzt ist. Diese Ausführung eignet sich besonders für Düsen, die eine kurze Flamme aufweisen sollen. Beide Ausführungsformen ermöglichen es, dass das aus der Resonanzkammer austretende Schwingungsfeld auf direktem Weg und ohne Hindernisse oder Umlenkungen auf den zentral austretenden Brennstoff auftreffen kann.

[0014] Weiters ist bevorzugt vorgesehen, dass der Außenrand der ringförmigen Austrittsöffnung vom Rand der Resonanzkammer gebildet wird. Dadurch ist die Resonanzkammer besonders nahe am Brennbereich angeordnet, wodurch eine effizientere Verbrennung erzielt werden kann.

[0015] Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Resonanzkammer im Längsschnitt im Wesentlichen rechteckig ausgebildet ist. Eine solche Resonanzkammer ist für die Erzeugung von Ultraschallschwingungen und damit für den Zerstäubungseffekt vorteilhaft.

[0016] Um eine gleichmäßige Zerstäubung und eine einfach herzustellende Düse bereitzustellen, ist bevorzugt vorgesehen, dass die Resonanzkammer als umlaufende Nut ausgebildet ist.

[0017] Weiters ist bevorzugt vorgesehen, dass die weiter vorne liegende Seitenwand der Resonanzkammer einen spitzen Winkel, bevorzugt einen Winkel von >45°, insbesondere einen Winkel von 60-75°, mit der Düsenachse einschließt. Dadurch ist gewährleistet, dass das Zerstäubungsmedium beim Austritt aus der Resonanzkammer schräg in Richtung zur Düsenachse geführt wird. Die Gestalt der resultierenden Flamme kann durch diesen Winkel beeinflusst werden.

[0018] Um die Flamme der Düse zielgerichteter nach vorne führen zu können, ist bevorzugt vorgesehen, dass an den Außenrand der ringförmigen Austrittsöffnung axial anschließend eine sich verbreiternde, insbesondere konische Fläche angeordnet ist. Eventuell aus dem Flammbereich ausgetretene Tröpfchen prallen an dieser Fläche ab und werden wieder in die Flamme zurückgeführt. Dadurch wird eine effizientere Verbrennung erzielt.

[0019] Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Brennstoffkanal außen durch einen Führungskörper begrenzt ist und der Zerstäubüngskanal innen durch den Führungskörper begrenzt ist. Der Führungskörper ist also zwischen dem Brennstoffkanal und dem Zerstäubungskanal angeordnet und trennt diese beiden Kanäle. Der Führungskörper ist bevorzugt einteilig ausgebildet, kann aber alternativ auch aus mehreren Teilen bestehen.

[0020] Weiters ist bevorzugt vorgesehen, dass der Zerstäubungskanal eine Ablenkung aufweist, die ausgebildet ist, um das Zerstäubungsmedium um 60°-100°, bevorzugt 70°-85° zur Achse geneigt über eine Verendung in die Resonanzkammer zu führen. Das Fluss des Zerstäubungsmediums wird aufgrund des vergleichsweise geringen Winkels der Ablenkung hierbei nicht zu sehr beeinträchtigt. Dadurch wird das Fließverhalten des Zerstäubungsmediums verbessert und insbesondere eine homogene Ausbringung aus der Austrittsöffnung bereitgestellt.

[0021] Hierbei ist bevorzugt vorgesehen, dass die Ablenkung durch den Führungskörper gebildet ist und teilweise in die Resonanzkammer ragt. Die Ablenkung ist bevorzugt einteilig mit dem Führungskörper ausgebildet. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Ablenkung an einem pilzförmigen Fortsatz ausgebildet ist und die kegelige Leitfläche auf der der Ablenkung gegenüberliegenden Seite des pilzförmigen Fortsatzes angeordnet ist. Die Ablenkung ist bevorzugt abgerundet ausgebildet, um das Strömungsverhalten zu verbessern. Durch das zumindest teilweise Hineinragen in die Resonanzkammer wird wirkungsvoll verhindert, dass Teile des Zerstäubungsmediums an der Resonanzkammer vorbei direkt zur Austrittsöffnung strömen.

[0022] Weiters ist bevorzugt vorgesehen, dass sich der Brennstoffkanal zur zentralen Austrittsöffnung hin, insbesondere konisch, erweitert. Dadurch kann die Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffes im Flammbereich reduziert werden.

[0023] Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In dieser zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Zerstäubungsdüse.

[0024] In Fig. 1 ist mit 1 ein Brennstoffkanal und mit 2 ein Kanal für Zerstäubungsmedium bezeichnet. Der Brennstoffkanal 1 ist vollständig vom Kanal für Zerstäubungsmedium 2 umgeben. Zwischen dem Brennstoffkanal 1 und dem Kanal für Zerstäubungsmedium 2 ist ein Führungselement 3 angeordnet, welches den Brennstoffkanal 1 außen und den Kanal für Zerstäubungsmedium 2 innen begrenzt. Der Brennstoffkanal 1 endet in einer kreisflächenförmigen Austrittsöffnung 4, die innerhalb der ringförmigen Austrittsöffnung 5 des Kanals für Zerstäubungsmedium 2 angeordnet ist. Der Kanal für Zerstäubungsmedium 2 weist eine Resonanzkammer 6 auf, die als Nut und im dargestellten Längsschnitt rechteckig ausgebildet ist. Mit 7 ist die Düsenachse bezeichnet und der Pfeil 8 kennzeichnet die Strömungsrichtung.

[0025] Die ringförmige Austrittsöffnung 5 ist innen von einer kegeligen Leitfläche 9 begrenzt, die nach vorne in Richtung zur zentralen Austrittsöffnung konvergiert und deren nach hinten verlaufende gedachte Verlängerung in die Resonanzkammer 6 eintaucht. In dieser Ausführungsform ist die kegelige Leitfläche 9 auf einem pilzförmigen Fortsatz 10 angeordnet. Auf der der kegeligen Leitfläche 9 gegenüberliegenden Seite des pilzförmigen Fortsatzes 10 ist eine abgerundete Ablenkung 11 angeordnet, die das Zerstäubungsmedium im Kanal 2 in einem Winkel von ca. 90° zur Düsenachse 7 umleitet und über eine Düsen in die Resonanzkammer 6 führt.

[0026] Weiters liegen der Außenrand der ringförmigen Austrittsöffnung 5 und die zentrale Austrittsöffnung 4 im Wesentlichen in derselben Ebene. Der Außenrand der ringförmigen Austrittsöffnung 5 wird hierbei durch den vorderen Rand der Resonanzkammer 6 gebildet.

[0027] An den Außenrand der ringförmigen Austrittsöffnung 5 ist axial anschließend eine sich verbreiternde, insbesondere konische Fläche 12 angeordnet. Auch der Brennstoffkanal 1 weist zur zentralen Austrittsöffnung 4 hin eine konische Erweiterung 13 auf.

[0028] Im Betrieb werden durch den Brennstoffkanal 1 und durch den Kanal für Zerstäubungsmedium 2 Brennstoff bzw. Zerstäubungsmedium zu den Austrittsöffnungen 4 und 5 geleitet. Das Zerstäubungsmedium wird in der Resonanzkammer 6 oszillierend in Schwingung versetzt und trifft im an die Austrittsöffnungen 4 und 5 anschließenden Bereich auf den Brennstoff, der dadurch zerstäubt wird. Durch die erfindungsgemäße Ausführung wird das Zerstäubungsmedium direkt zum Brennstoff geführt und nicht über eine Reflektorfläche. Dadurch wird der Sprühwinkel des Brennstoffes größer und die Flamme daher kürzer. Zusätzlich wird dadurch der Zerstäubungsmediumverbrauch geringer.

Ansprüche

1. Zerstäubungsdüse zum Zerstäuben von Flüssigkeiten, insbesondere Brennstoff, umfassend einen zentralen Brennstoffkanal mit einer zentralen Austrittsöffnung und einen den Brennstoffkanal umgebenden Kanal für Zerstäubungsmedium, der einen Hartmanngenerator und eine die zentrale Austrittsöffnung umgebende ringförmige Austrittsöffnung aufweist, wobei der Hartmanngenerator eine ringförmige Resonanzkammer umfasst, die in Richtung zur Düsenachse hin offen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmige Austrittsöffnung (5) innen von einer kegeligen Leitfläche (9) begrenzt ist, die nach vorne in Richtung zur zentralen Austrittsöffnung (4) konvergiert und deren nach hinten verlaufende gedachte Verlängerung in die Resonanzkammer (6) eintaucht.

2. Zerstäubungsdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenrand der ringförmigen Austrittsöffnung (5) und die zentrale Austrittsöffnung (4) im Wesentlichen in derselben Ebene liegen.

3. Zerstäubungsdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Austrittsöffnung (4) relativ zum Außenrand der ringförmigen Austrittsöffnung (5) zurückversetzt ist.

4. Zerstäubungsdüse nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenrand der ringförmigen Austrittsöffnung (5) vom Rand der Resonanzkammer (6) gebildet wird.

5. Zerstäubungsdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzkammer (6) im Längsschnitt im Wesentlichen rechteckig ausgebildet ist.

6. Zerstäubungsdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzkammer (6) als umlaufende Nut ausgebildet ist.

7. Zerstäubungsdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die weiter vorne liegende Seitenwand der Resonanzkammer (6) einen spitzen Winkel, bevorzugt einen Winkel von >45°, insbesondere einen Winkel von 60-75°, mit der Düsenachse (7) einschließt.

8. Zerstäubungsdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass an den Außenrand der ringförmigen Austrittsöffnung (5) axial anschließend eine sich verbreiternde, insbesondere konische Fläche (12) angeordnet ist.

9. Zerstäubungsdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffkanal (1) außen durch einen Führungskörper (3) begrenzt ist und der Zerstäubungskanal (2) innen durch den Führungskörper (3) begrenzt ist.

10. Zerstäubungsdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Zerstäubungskanal (2) eine Ablenkung aufweist, die ausgebildet ist, um das Zerstäubungsmedium um 60°-100°, bevorzugt 70°-85° zur Achse (7) geneigt über eine Verendung in die Resonanzkammer (6) zu führen.

11. Zerstäubungsdüse nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkung durch den Führungskörper (3) gebildet ist und teilweise in die Resonanzkammer (6) ragt.

12. Zerstäubungsdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Brennstoffkanal (1) zur zentralen Austrittsöffnung (4) hin, insbesondere konisch, erweitert.

13. Brenner mit einer Zerstäubungsdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 12.

14. Verwendung einer Zerstäubungsdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zum Zerstäuben einer Flüssigkeit, insbesondere eines flüssigen Brennstoffs, mit Hilfe eines Zerstäubungsmediums, wobei der zerstäubte Brennstoff in den Brennraum einer Brennkammer ausgestoßen wird.

15. Verwendung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Hartmanngenerator an der ringförmigen Austrittsöffnung (5) ein Schwingungsfeld erzeugt.

16. Verwendung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungsfeld ein Schallschwingungsfeld mit einer Frequenz von 10.000 Hz bis 20.000 Hz ist.

17. Verwendung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungsfeld eine Einschnürung des aus der zentralen Austrittsöffnung (4) austretenden Brennstoffstrahls hervorruft.

18. Verwendung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass als flüssiger Brennstoff Heizöl leicht, Heizöl schwer, Lösemittel, Teer, Steinkohleteerpech, chemische hochkalorische Rückstandsflüssigkeiten, chemische niedrigkalorische Rückstandsflüssigkeiten, flüssiger Schwefel, Abfallschwefelsäure in verschiedenen Konzentrationen und/oder Suspensionen eingesetzt wird.

19. Verwendung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass als Zerstäubungsmedium Dampf, Pressluft, Brenngase, Stickstoff und/oder Sauerstoff eingesetzt wird.

Zeichnung