CH654392A5 - Fluessigbrennstoffbrenner. - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Flüssigbrennstoffbrenner, mit einem ein Einlassende und ein Auslassende aufweisenden Flammrohr, mit mindestens einer mit dem Einlassende in Verbindung stehenden Atomisierkammer, mit mindestens zwei hohlen Atomisierkolben. Jeder dieser Atomisierkolben weist eine glatte Oberfläche mit einer Durchtrittsöffnung auf, auf welcher Oberfläche über der Durchtrittsöffnung ein Brennstoffilm erzeugt wird, wobei dem Kolbeninneren Druckluft zugeführt wird, die über die Durchtrittsöffnung ausströmt und hierbei den Brennstoff vernebelt. Der Atomisierkammer wird Luft zugeführt, und diese Luft zusammen mit dem vernebelten Brennstoff strömt durch Öffnungen in einer die Atomisierkammer vom Flammrohrtrennenden Feuerwand in das Flammrohr.

Es wurde in der Industrie wohl erkannt, dass es notwendig ist, eine Brennstoffverbrennungseinrichtung zu entwickeln und zur Verfügung zu stellen, welche in der Lage ist, einen flüssigen Brennstoff in sehr wirksamer Weise mit wenig oder keinem Raum und mit minimaler Verschmutzung der Atmosphäre zu verbrennen.

Bei bestehenden Haushaltölbrennern muss der Brenner mit geringen Rauchemissionen arbeiten, um ein Verrussen des Wärmeaustauschers und eine mögliche Verschmutzung der bewohnten Bezirke zu vermeiden. Demzufolge muss ein grosser Anteil von überschüssiger Luft in den Verbrennungs-

prozess eingeführt werden, um sicherzustellen, dass der Brenner bei annehmbaren Rauchpegeln arbeitet.

Der Betrieb des Hochdruckölbrenners, welcher meist ausschliesslich in Hausheizungen verwendet wird, variiert heut-5 zutage bekanntlich von einer Konstruktion zur anderen in dramatischer Weise.

Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Hochdruckdüsen ihre Aufgabe des Atomisierens (Vernebeins) des Brennstoffes schlecht erfüllen. Diese Düsen erzeugen eine beträchtliche io Anzahl von grossen Tröpfchen, welche auf die Wandungen der Verbrennungskammern auftreffen und langsam abbrennen. Die Geschwindigkeit, mit der diese Partikelchen letztlich verdampfen und brennen, hängt ab von der Grösse, der Form und der residuellen Hitze innerhalb der Verbren-15 nungskammer des Ofens oder Boilers. Es kann gesagt werden, dass dann die Verbrennungskammer innerhalb des Ofens oder Boilers als Aufnahmegefäss zum Auffangen grosser Brennstofftröpfchen dient und als eine Nachbrennvorrichtung zum Verbrennen dieser grossen Kraftstoff-20 tröpfchen. Wären die in der Tat vorhandenen Hochdrucköl-brenner in der Lage, das Öl in einem hohen Masse zu vernebeln, könnte der Wärmeaustauscher direkt mit dem Brenner gekoppelt werden, und es würde keine Notwendigkeit für eine heisse Verbrennungskammer oder einen Feuerraum zur 25 Vervollständigung des Verbrennungsprozesses bestehen.

In vielen Fällen kann der konventionelle Ölbrenner zwei-bis dreimal grösser sein, als es notwendig ist, um eine adäquate Raumerwärmung zu erzeugen. Dies ist der Fall, wenn der gleiche Brenner zusätzlich zur Raumerwärmung zur 30 Erzeugung von heissem Wasser herangezogen wird. Wenn die Aussentemperatur gering ist und der Heisswasserbedarf gross, dann muss der Hochdruckbrenner in der Lage sein, beiden Erfordernissen zu genügen. Dieser maximale Wärmebedarf ist derjenige, der normalerweise die Brennleistung des 35 Brenners bestimmt. Wenn dagegen der Wärmebedarf gering ist, wie dies der Fall ist in den Frühlings- und Herbstmonaten, und der Heisswasserbedarf ein Minimum beträgt, wie dies nachts der Fall ist, dann würde der Brenner nach wie vor mit der gleichen Feuerleistung arbeiten, wie dies der Fall ist, 40 wenn der Heizungs- und Warmwasserbedarf gross ist. Der einzige Unterschied besteht lediglich darin, dass, wenn die Heizerfordernisse niedrig sind, der Brenner lediglich für eine kurze Betriebsdauer eingeschaltet bleibt. Diese Arbeitsweise ist bekanntlich sehr ineffizient. Während des kurzen Ein-45 schaltzyklus kann der Brenner nicht seine rauchfreie Arbeitsweise und einen vernünftigen Wirkungsgrad erreichen, bevor der Thermostat ihn ausschaltet. Während des Ausschaltzyklus wird die residuelle Wärme des Ofens an die Atmosphäre abgegeben, was zu einem Anwachsen des Wärmeverlustes so führt. Während des Ausschaltzyklus tritt ein weiterer Wärmeverlust innerhalb des Hauses auf, da Warmluft über den Kamin austritt. Von dieser Beschreibung kann abgeleitet werden, dass das ökonomischste Hausölbrennersystem ein solches wäre, bei welchem der Brenner kontinuierlich 55 arbeitet mit der Fähigkeit, seine Leistung zu variieren, um den Änderungen des Wärmebedarfs innerhalb des Haushaltes zu genügen. Auf diese Weise werden Verluste vermieden, die mit einem wiederholten Starten und Abschalten verbunden sind. Mit einer einfachen Kalkulation kann 60 gezeigt werden, dass die zusätzlichen elektrischen Kosten für einen kontinuierlichen Brennerbetrieb minimal sind, verglichen zu der Brennstoffeinsparung, welche realisiert werden kann.

Der der vorliegenden Erfindung gemäss dem Stand der 65 Technik am nächsten kommende Brennstoffbrenner ist in der US-PS 3 751 210 von Robert S. Babington und Wallace W. Velie offenbart. Diese Patentschrift stellt das hauptsächliche Dokument dar, das im US-Prüfverfahren und auch in

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den meisten der entsprechenden ausländischen Prüfungsverfahren entgegengehalten wurde.

In der Tat sind bei der entgegengehaltenen Erfindung zwei Atomisierköpfe in einer gemeinsamen Kammer vorgesehen. Einer dieser Köpfe dient jedoch einzig und allein dem Zweck, eine Zündflamme zur Verfügung zu stellen, um die Kammer 48 zu erwärmen und eine Vergasung (Verdampfung) des Brennstoffes zu bewirken, derart, dass die Mischung aus vergastem Brennstoff und Luft im wesentlichen im Inneren der Haupt-Brennkammer 60 verbrannt wird.

In der Vergaser-Kammer 48 findet lediglich ein sehr kleiner Teil der Verbrennung statt, und zwar nur soviel, wie notwendig ist, um genügend Wärme zu liefern, um die Vergasung des Brennstoffes zu ermöglichen und den atomisierten Brennstoff über eine Mehrzahl von Öffnungen 71 in die Haupt-Brennkammer 60 zu überführen. In der Kammer 48 müssen lediglich 2 bis 5% des Brennstoffes verbrannt werden, um genügend Wärme für eine vollständige Vergasung zu liefern (Spalte 2, Zeilen 45-47). Aus der weiteren Beschreibung (Spalte 3, Zeilen 20-25) geht klar hervor, dass die Mischung aus Brennstoff und Luft im Inneren der Vergasungs-Kammer 48 so brennstoffhaltig ist, dass eine Verbrennung nur «am Rand des engen Konus der Brennstofftropfen» stattfinden kann, derart, dass nur «ein sehr kleiner Teil des in die Gas-Verteilungskammer eingespritzten, vergasten Brennstoffes» von der Zündflamme verbraucht wird. Es wird ausdrücklich daraufhingewiesen (Spalte 3, Zeilen 48-50), dass der Temperaturbereich, der bei der kleinen Menge Brennstoffes, der in der Vergasungs-Kammer verbrannt wird, involviert ist,

«etwa 371 °C (700°F)» beträgt. Dies ist in krassem Gegensatz zur Temperatur von etwa 982°C (1800°F), die zu erwarten ist, wenn etwa vollständige Verbrennung stattfindet. In der entgegengehaltenen Patentschrift wird erwähnt (Spalte 8, Zeilen 23-25), dass der Schlitz in der Kugel des Zünd-Atomisierers kleiner als derjenige in der Kugel des Haupt-Atomisierers ist, wodurch willentlich ein bedeutsamer Unterschied zwischen der im Zünd-Atomisierkopf atomisierten Brennstoffmenge und der im Haupt-Atomisierkopf atomisierten Brennstoffmenge eingeführt wird.

Wichtig ist jedoch, dass es in der entgegegengehaltenen Patentschrift von Babington und Velie für den Betrieb der betreffenden Erfindung von kleiner Bedeutung, wenn überhaupt, ist, dass zwei Atomisierköpfe in einer gemeinsamen Kammer vorgesehen sind. Beim Brenner nach der vorliegenden Erfindung wird hingegen der atomisierte Brennstoff mit Luft vermischt und im wesentlichen vollständig im Inneren des Flammrohres verbrannt, was ein völlig anderes Konzept ist als dasjenige, das in der Entgegenhaltung offenbart ist, in welcher der einzige Zweck zur Erwärmung der Kammer 48 vermittels einer Zündflamme darin besteht, den Brennstoff zu atomisieren, so dass die Mischung aus atomi-siertem Brennstoff und Luft anderswo verbrannt werden kann.

Zusätzlich zur vorangehend kommentierten US-PS 3 751 210 wurden im internationalen Recherchenbericht auch noch die Patentschriften US-PS 2 250 680, US-PS 3 589 845, US-PS 1 519 152 und US-PS 1 803 697 erwähnt. Zu diesen Patentschriften wird nachstehend Stellung bezogen.

In beiden Patentschriften US-PS 2 250 680 und US-PS 3 589 845 fehlt jeglicher Hinweis auf eine oder mehrere Ato-misierkammern, über deren konvexe Aussenkonfiguration Brennstofföl strömt. Auch fehlt in diesen Patentschriften das Konzept, wonach Ströme atomisierten Brennstoffes in Richtung auf eine Achse und entlang dieser Achse eines Flammrohres, in welchem der atomisierte Brennstoff verbrannt wird, gerichtet werden.

Die Erfindung gemäss US-PS I 519 152 beschränkt sich auf

Brenner des Verdampfungstyps. Der flüssige Brennstoff wird veranlasst, über eine Brenner-Platte 6 zu strömen, wo er entzündet wird. Auch hier fehlt das Konzept, wonach flüssiger Brennstoff atomisiert wird, indem mittels eines Stromes von s unter Druck stehendem Gas ein dünner Film des flüssigen Brennstoffes durchbrochen wird.

Auch in der US-PS 1 803 697 ist nicht von einer oder mehreren Atomisierkammern die Rede, über deren konvexe Aussenkonfiguration Brennstofföl strömt, und es fehlt auch das l» Konzept, wonach Ströme atomisierten Brennstoffes in Richtung auf eine Achse und entlang dieser Achse eines Flammrohres, in welchem der atomisierte Brennstoff verbrannt wird, gerichtet werden. Ebenfalls fehlt das Konzept, wonach ein dünner Film einer über eine konvexe Fläche strömenden 15 Flüssigkeit durchbrochen wird, indem ein unter Druck stehender Strom durch den Film geführt wird, mit dem Zweck, den Film zu durchbrechen und ihn in feine Teilchen einer Mischung von flüssigem Brennstoff und Luft zu zerstreuen.

Weitere, zur vorliegenden Erfindung Bezug habende Ein-20 richtungen werden nachstehend beschrieben.

Eine erfinderische Neuerung bei Brennstoffbrennern ist dargestellt im US-Patent Nr. 3 425 058, erteilt am 28. Januar 1969 an Robert S. Babington. Der darin beanspruchte Brenner stellt eine Anwendung der Flüssigkeitsvernebelungs-25 prinzipien dar, welche beansprucht sind in den US-Patenten 3 421 699 und 3 421 692, erteilt am 14. Januar 1969 an den gleichnamigen Erfinder und seine Miterfinder, zur Entwicklung des Geräts und der Methode, wie in diesen Patenten gezeigt. Im kurzen besteht das Prinzip in diesen vorer-3o wähnten Patenten darin, eine Flüssigkeit zum Versprühen vorzubereiten, in dem diese veranlasst wird, sich als dünner Film über die äussere Oberfläche einer hohlen Kolbenkammer zu verteilen, welche mindestens eine Bohrung aufweist. Wenn Gas in das Innere der Kolbenkammer eingeführt 35 wird, dann strömt es durch die Öffnung aus und erzeugt hierbei einen sehr gleichmässigen Nebel von kleinen Flüssigkeitsteilchen.

Durch Verändern der Zahl der Öffnungen, der Form der Öffnungen, der Form und Eigenschaft der Oberfläche, der 40 Geschwindigkeit und der Menge der der Oberfläche zugeführten Flüssigkeit und durch Steuern des Gasdrucks innerhalb der Kolbenkammer kann die Menge und Qualität des resultierenden Nebels optimiert werden, um diese für eine bestimmte Brenneranwendung anzupassen.

45 Es ist dieses zuvor beschriebene Prinzip, welches bei der Entwicklung des Brenners angewendet wurde, der im vorerwähnten Patent 3 425 058 offenbart ist.

In diesem oben erwähnten Patent ist der Brenner so einfach, dass er selbst als Brennstoffvernebelungs-Untersy-50 stem für einen Brenner, denn als kompletter Brenner bezeichnet werden könnte. In der Tat ist von diesem einfachen Brenner, oder Unterbaugruppe, der mehr hochentwik-kelte und komplette Brenner abgeleitet, welcher in der vorliegenden Erfindung beschrieben ist. In dem vorher erwähnten 55 Patent 3 425 058 besteht der Brenner aus einer einfachen Ver-nebelungskammer mit einer darüber angeordneten Abdek-kung, wobei die Abdeckung mit einer Nebelaustrittsöffnung versehen ist, um atomisierten Brennstoff in einer im wesentlichen vertikalen Richtung zu verteilen. Innerhalb der Verne-60 belungskammer ist ein hohler kolbenartiger Vernebeier (Ato-misierer) angeordnet, welcher mit einer äusseren Quelle von unter Druck stehender Luft in Verbindung steht. Flüssigkeit wird derart in die Vernebelungskammer eingeführt, dass sie über die äussere Oberfläche des Vernebelungskolbens fliesst. 65 Überflüssiger Brennstoff, welcher nicht versprüht wurde, fliesst abwärts in einen Abfluss, wo er mittels einer Pumpe zu der Flüssigkeitszuführleitung zurückgeführt wird. Der Verne-belungskolben ist mit einer kleinen Öffnung versehen, welche

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zentral im Bereich der Öffnung der Abdeckung angeordnet ist; die von dort austretende Luft erzeugt einen feinen Nebel, der nach oben und aus der Vernebelungskammer austritt zur Verbrennung ausserhalb des Systems. Mittel, welche eine Reihe von regulierbaren Öffnungen umfassen, sind in der Vernebelungskammer angeordnet, so dass Luft in die Kammer, d.h. den Brenner, eingezogen und mit dem Nebel vermischt werden kann, wenn dieser durch die Öffnung in der oberseitigen Abdeckung austritt.

Von dieser sehr einfachen Version eines Brennstoffbrenners wurde eine höherentwickelte Vorrichtung abgeleitet, wie sie in einem Artikel in der Januar-1976-Ausgabe von «Populär Science» mit dem Titel «Clock-Proof Superspray Oilburner» gezeigt und diskutiert ist. Wie in diesem Artikel vermerkt, war eine der Entwicklungen die Verwendung von zwei Vernebelungskolben, die dazu dienten, die atomisierten Flüssigkeiten gegeneinander hinausströmen zu lassen, um eine stabilere Flamme und eine gute Stelle zur Einleitung der Zündung zu erzeugen.

Andere Anordnungen mit gegeneinander gerichteten Sprühköpfen wurden auch vorgeschlagen in den US-Patenten von Babington, nämlich Patent 3 751210, datiert August 1973, und Patent 3 864 326, datiert Februar 1975.

Die ganze vorerwähnte Entwicklungsarbeit, die auf der Verwendung des «Babington»-Prinzips basiert, hat bewiesen, dass dieses System zur Verwendung als Brennstoffbrennsystem sehr gut geeignet ist und dass, falls zweckmässig ausgelegt, solch ein System sehr geeignet ist, einen wirtschaftlichen, praktischen und hoch wirksamen Brennstoffbrenner zu ergeben, welcher für Hausheizöfen verwendbar ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Vorbekannten zu vermeiden und einen Flüssigbrennstoffbrenner zu schaffen, der sich zur Verwendung in den meisten Heizofentypen und insbesondere als austauschbarer Brenner für existierende Heizsysteme eignet. Diese Aufgabe wird mit dem Flüssigbrennstoffbrenner nach dem Patentanspruch 1 gelöst.

Die Vorteile der Erfindung sind wie folgt:

Mit dem erfindungsgemässen Brenner kann Brennstofföl nahe dem maximalen theoretischen Wirkungsgrad verbrannt werden, mit einer Rauchentwicklung, welche nahe Null ist * vom Augenblick an, in welchem der Brenner gezündet wird, und welche über den gesamten Brennerbetrieb hinweg Null bleibt.

Bei der vorliegenden Erfindung werden die Ineffektivi-täten eliminiert, welche mit den häufigen Ein- und Ausschaltzyklen des Brenners verbunden sind. Durch einfache Steuerung der Flüssigkeitsfilmdicken über den Vernebelungsober-flächen, wie nachfolgend noch beschrieben wird, kann die Brennleistung des Brenners über einen typischen Bereich von 5-1 verändert werden. Dies bedeutet, dass der gleiche Brenner ohne Veränderungen der Vernebier, entweder manuell oder automatisch, den Heiz- und/oder Heisswasser-anforderungen eines Hauses angepasst werden kann. Beispielsweise kann während der mässig kühlen Frühlings- und Sommerabende der Brenner eingestellt werden zum Betrieb mit einer Verbrauchsleistung von 0,761/h (0,2 Gallonen/ Stunde). Und während der kalten Wintertage, wenn heisses Wasser gefordert wird, kann der gleiche Brenner eingestellt werden auf einen Ölverbrauch von 3,781/h (1,0 Gallonen/ Stunde). Diese Einstellung kann manuell vorgenommen werden durch simples Einstellen der Brennstoffdurchflussmenge über den Vernebelungskammern mittels eines einfachen Ventils in der Flüssigverbrennungsluft, welche zum Flammrohr geliefert wird. In der am weitesten entwickelten Ausführungsform des neuen, hier beanspruchten Brenners kann die Einstellung automatisch mit geeigneten Steuerungstechniken vorgenommen werden.

Im einzelnen sind die Vorteile des erfindungsgemässen Flüssigbrennstoffbrenners die folgenden:

Die Brennleistung ist auf einfache Weise entweder manuell oder automatisch veränderbar und an die Heizanforderungen anpassbar.

Der Flüssigbrennstoffbrenner ist mit hohem Wirkungsgrad betreibbar, ohne Rücksicht auf die Verbrennungskammer, in welcher er angeordnet ist, und ist deshalb als austauschbarer Brenner für vorhandene Öfen ideal geeignet.

Es ist eine beträchtliche Reduzierung der Energiekosten möglich, wenn der Flüssigbrennstoffbrenner bei vorhandenen Öfen eingesetzt wird.

Der Flüssigbrennstoffbrenner weist eine ausgezeichnet stabile Flammenfront auf.

Der Flüssigbrennstoffbrenner kann bei niederen Brennleistungen betrieben werden, beispielsweise bei weniger als 1,91/h (0,5 Gallonen/Stunde), ohne dass Verrussungspro-bleme auftreten.

Die Verbrennung wird im wesentlichen innerhalb des Flammrohres des Brenners vollendet.

Die Verbrennungsluft wird in Stufen zugeführt, zur Steuerung der Verbrennungsgeschwindigkeit und der Temperatur und somit zur Vermeidung grosser Stickstoffoxydemissionen.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. lAund 1B sind schematische Ansichten eines typischen Heizofens, durch welche die Nützlichkeit der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu den üblichen bekannten Geräten gezeigt wird;

Fig. 2 ist eine stirnseitige Endansicht eines Flüssigbrennstoffbrenners, wie er bei einem Heizofen gemäss Fig. 1 verwendet wird;

Fig. 3 ist ein Vertikalschnitt längs der Linie 3-3 der Fig. 2, wobei Einzelheiten einer der Atomisiervorrichtungen gezeigt sind;

Fig. 4 ist ein Schnitt längs der Linie 4-4 der Fig. 2, bei welcher Einzelheiten der Atomisierungsvorrichtungen und des Flammrohres gezeigt sind;

Fig. 5 ist ein Schnitt durch eine andere Ausführungsform der Erfindung mit Einzelheiten des Flammrohres und der Atomisierungsvorrichtungen;

Fig. 6 ist noch ein weiterer Schnitt durch eine Atomisier-vorrichtung, bei welcher ein verbessertes Sprühaustrittshorn verwendet wird.

In den Fig. 2 und 4 ist eine Ausführungsart des erfindungsgemässen Brennstoffbrenners dargestellt. In der Fig. 4 trägt ein Blasrohr 1, welches typischerweise einen Aussendurch-messer von etwa 10,16 cm (4") aufweist und welches im wesentlichen aus einem länglichen Rohr mit offenen Enden besteht, konzentrisch darin ein Flammrohr 3, welches typischerweise 7,62 cm (3") bis 9,53 cm (3%") im Durchmesser ist, mittels mehrerer kreisförmiger Ringe 5 und 7. Der konzentrische Bezug zwischen dem Blasrohr und dem Flammrohr definiert einen ringförmigen Luftdurchgang 4 dazwischen. Der kreisförmige Ring 7 ist massiv, so dass er am Auslassende der Brennereinheit diesen ringförmigen Luftdurchgang abschliesst, damit sekundäre Verbrennungsluft gerichtet wird, wie später noch diskutiert wird. Der kreisförmige Ring 5 hilft dazu, das Flammrohr 3 konzentrisch zu tragen, und enthält eine Reihe von in Umfangsrichtung verlaufende Bohrungen 6. Diese Bohrungen erzeugen einen geringen Druckabfall im Luftstrom, welcher durch diesen Luftdurchgang 4 hindurchgeht, der seinerseits die Luftströmung durch diesen Durchgang vergleichmässigt. Das heisse oder stromabwärts liegende Ende 9 des Flammrohres ist nor4

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malerweise im Feuerraum des Ofens angeordnet. Das andere Ende 11 des Flammrohres 3 ist relativ kühl und ist verbunden mit einer gelochten Feuerwand 14, welche im wesentlichen konisch geformt dargestellt ist. Diese Wand ist versehen mit einer relativ grossen zentrischen Öffnung 16, welche durch diese Feuerwand 14 hindurchgeht. An dieser Feuerwand sind auch befestigt zwei Brennstoffatomisiersysteme 30 und 30', welche definiert sind durch topfförmige Atomisierkammern 15,15'. Typischerweise sind die Löcher in dieser gelochten Feuerwand etwa 3,2 mm (Vs") im Durchmesser oder weniger, und die grosse zentrale Öffnung 16 kann in der Grössenord-nung von etwa 12,7 mm (W) bis etwa 38,1 mm (VA") Durchmesser betragen.

Weiter stromaufwärts von den Brennstoffatomisier-systemen und nicht dargestellt sind Mittel vorgesehen für die Montage des Brennermotors, Luftkompressors, der Luftbläser, des Brennstoffrückströmsystems und der elektronischen Brennerverbrennungssteuerungen.

Das heisse Ende 9 des Flammrohres 3 ist mit zwei Ausschnitten 13,13' versehen, deren Funktion nachfolgend deutlich wird. In entsprechender Weise ist das Flammrohr mit zwei weiteren Öffnungen 12,12' versehen, welche etwa in der Mitte seiner Länge angeordnet sind. Diese Öffnungen (12,12') sind 90° relativ zu den Ausschnitten 13,13' angeordnet. Wie in Fig. 2 gezeigt, sind die Ausschnitte 13' und 13 an der 12-Uhr- und 6-Uhr-Stellung angeordnet, während die Öffnungen 12 und 12' an der 3-Uhr- und 9-Uhr-Stel-lung angeordnet sind. Das Rohr 3 kann jedoch um 90°

gedreht sein, so dass die relative Stellung der Ausschnitte 13' und 13 in bezug auf diejenige der Öffnungen 12' und 12 umgekehrt sein kann. Eine solche Umkehrung dient lediglich dazu, zu veranlassen, dass die den Brenner verlassende Flamme büschelförmig austritt in der 12-Uhr- und 6-Uhr-Stellung anstelle in der 3-Uhr- und 9-Uhr-Stellung, wie dies bei der Anordnung nach den Fig. 2 und 4 der Fall ist. Die Funktion dieser Öffnungen und Ausschnitte wird anschliessend noch im einzelnen diskutiert.

Durch die zentrale Öffnung 16 der Wand 14 erstreckt sich in das Flammrohr ein konventioneller Funkenzünder 18, der zwei Entlade-Elektroden 19 und 21 umfasst und der in der Mitte zwischen den Strahlen angeordnet ist, welche von den Atomisiersystemen 30,30' austreten. Der Zünder kann getragen werden durch einen geeigneten Stützarm (nicht gezeigt) und wird natürlich bestromt durch eine Quelle von Hochspannungselektrizität. Zusätzlich, falls gewünscht, braucht der Spalt zwischen den Elektroden 19 und 21 nicht in der Mitte zwischen den Kraftstoffatomisiersystemen 30,30' angeordnet zu sein, sondern kann nahe dem Strahlbüschel von einem der Atomisiersysteme 30 und 30' angeordnet sein.

Wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt, können die Atomisierkammern 15 und 15' jeweils mit Strahlaustrittshörnern 17 und 17' versehen sein, deren Zweck später diskutiert wird.

Fig. 3 zeigt, dass jede Atomisierkammer 15,15' mit zwei Leitungen 23' und 25' versehen ist, welche im wesentlichen ellbogenförmig verlaufen und mit einem Ende in die Kammer sich erstrecken längs einer im wesentlichen vertikalen Ebene und welche unmittelbar durch die Wandungen hindurchgehen. Die obere Leitung 23' definiert eine Brennstoffeinlassleitung, deren unteres Ende 36' sich in die Atomisierkammer 15' erstreckt, wo sie im wesentlichen oberhalb des oberen Punkts des Atomisierkolbens 26' angeordnet ist. Das obere Ende 37' der Leitung 25' fluchtet mit der unteren inneren Oberfläche der Atomisierkammer 15'.

Direkt unterhalb jeder Brennstoffzufuhrleitung 23' und getragen von der Rückwand 31 ' der Atomisierkammer 15 ' ist ein Atomisierkolben 26' angeordnet, welcher in Fig. 3 in Form einer hohlen Kugel gezeigt ist, welcher jedoch in der Form irgendeines hohlen Kolbens mit einer sanft konvexen

äusseren Oberfläche sein kann. Dem Atomisierkolben 26' wird über die Leitung 27' Gas unter Druck zugeführt, wobei die Leitung sich durch die rückwärtige Wand 31 ' der Atomisierkammer 15' erstreckt. Der Atomisierkolben 26' istzumin-s dest mit einer kleinen Öffnung 29' versehen, von der in Fig. 3 lediglich eine gezeigt ist und welche so angeordnet ist, dass Partikel eines Brennstoffnebels direkt in Richtung und durch das Austrittshorn 17' ausströmen.

Wie in Fig. 3 klar gezeigt, ist die Rückwand 31 ' der Atomi-lo sierkammer 15' mit zwei Bläsereinlass-Öffnungen 33' versehen, deren Funktion im einzelnen später beschrieben wird.

Obwohl nicht gezeigt, ist es selbstverständlich, dass jede Einlassleitung 23' mit einer Quelle eines flüssigen Brennstoffs über eine Pumpe verbunden ist, wobei der Brennstoff ls durch diese Leitungen gepumpt werden kann und sich niederschlägt auf der konvexen Oberfläche des Atomisierkolbens 26'. Dementsprechend ist die Abflussleitung 25' mit dem Brennstoffzuführsystem verbunden, so dass ein Über-schuss, d.h. abfliessende Flüssigkeit, welche durch die Öff-20 nung 29' im Atomisierkolben 26' nicht atomisiert wurde, zum nicht dargestellten Brennstoffsystem zurückkehren kann und darin von neuem zirkuliert. Die oben gegebene Beschreibung mit speziellem Bezug auf das Brennstoffatomisiersy-stem 30' der Fig. 3 ist in identischer Weise anwendbar auf das 25 Brennstoffatomisiersystem 30, welches in Fig. 4 gezeigt ist.

Die Fig. 3 zeigt eine Möglichkeit, wie das Sprühaustritts-horn 17' an der Atomisierkammer 15' befestigt sein kann. Dieses Horn 17' ist in seiner bevorzugten Form gezeigt als abgeschnittener Konus, dessen schmale Öffnung in Richtung 30 des Flammrohres gerichtet ist. Bei bestimmten Brennerbauarten kann jedoch das Austrittshorn 17' aus einem einfachen zylindrischen Abschnitt oder selbst aus einem abgeschnittenen Konus bestehen, welcher nach aussen in Richtung des Flammrohres divergiert. Die Grösse und Form des Sprühaus-35 trittshornes 17' hängt ab von den aerodynamischen Bedingungen der umgebenden Atomisierkammer 15', wie bestimmt durch den stromaufwärtigen Bläserdruck und den stromabwärtigen statischen und dynamischen Druck innerhalb des Flammrohres. In jedem Fall ist das Sprühaustritts-40 horn so ausgelegt, dass die Grösse der flüssigen Brennstoffsprühpartikel gesteuert wird und/oder verhindert wird, dass die Flamme innerhalb des Flammrohres stromaufwärts in die Atomisierkammer eindringt. Diese Vorteile werden weiterhin erklärt in der folgenden Diskussion der Fig. 6, welche eine 45 verbesserte Austrittshornausbildung zeigt. In bestimmten Anwendungsfällen der vorliegenden Erfindung, wo ein ausreichender Luftstrom und Druck von dem Zusatzkompressor und dem Verbrennungsluftbläser erhältlich ist, können das stromaufwärtige Fortschreiten der Flamme verhindert und so die Grösse der Flüssigkeitspartikel optimiert werden, ohne die Notwendigkeit, ein Sprühaustrittshorn 17' vorzusehen. Dies erfolgt durch Steuern der Bedingungen innerhalb der Atomisierkammer 15' und umfasst die gegenseitigen Beziehungen von Variablen, wie beispielsweise Grösse und Form 55 des Atomisierkolbens 26' zueinander, ferner Grösse und Form der Austrittsöffnung 29', den Druck, der dem Inneren des Atomisierkolbens 26' über das Rohr 27' zugeführt wird, den inneren Durchmesser der Einlassleitung 23', den Abstand und die relative Längsstellung des Atomisierkolbens 60 26' in bezug auf das untere Ende 36' der Einlassleitung 23', den Abstand zwischen der Austrittsöffnung 29' und der vorderen Fläche 38' der Atomisierkammer 15', die Brennstoffmenge, welche über die Einlassleitung 23' zugeführt wird, die Grösse der Bläsereinlassöffnungen 33' und die Geschwindig-65 keit und Menge der über die Bläsereinlassöffnungen 33 ' in die Atomisierkammer 15' eintretenden Luft. In den Fällen, wo die Sprühaustrittshörner 17 und 17' nicht erforderlich sind, werden sie einfach weggelassen mit dem Ergebnis, dass

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die von den Atomisierkolben 26 und 26' abgehenden Sprühpartikel über die Öffnungen 34 und 34' in den jeweiligen Atomisierkammern 15 und 15' direkt in das Flammrohr 3 austreten.

Die folgenden Parameter stellen einige typische Werte für einen Brenner mit einer variablen Brennleistung von etwa 0,761/h (0,2) bis etwa 2,271/h (0,6 Gallonen/Stunde) dar. Ein typischer Atomisierkolben ist von einer sphärischen oder kugeligen Form zwischen etwa 6,3 mm (Vi") bis etwa 25,4 mm (1 ") Aussendurchmesser. Die Querschnittsfläche der Austrittsöffnung 29' beträgt typischerweise etwa 0,065 mm2 (0,0001 Quadrat") bis etwa 0,19 mm2 (0,0003 Quadrat"). Der dem Inneren des Atomisierkolbens 26' über das Rohr 27' zugeführte Druck beträgt typischerweise etwa 0,14 kg/cm2 (2 psi) bis etwa 1,40 kg/cm2 (20 psi). Der Abstand 35' zwischen der Austrittsöffnung 29' und der Vorderfläche 3 8 ' der Atomisierkammer 15 ' kann von 0 bis etwa 25,4 mm (1 ") betragen. Der Abstand zwischen dem unteren Ende 36' der Einlassleitung 23' und der Oberfläche des Atomisierkolbens 26' beträgt typischerweise etwa 3,2 mm (Vs") bis etwa 9,5 mm (3/s"). Die typischen Abmessungen der Bläsereinlassöffnungen 33' betragen etwa 3,2 mm (Vs") bis 9,5 mm (V&") Durchmesser. Die typischen inneren Durchmesser des Einlassrohres 23' sind etwa 1,6 mm (W) bis etwa 6,3 mm (Vi"). Die Länge des Sprühaustrittshorns 17', falls vorhanden,

kann bis etwa 38,1 mm (1 Vi") betragen und weist einen Austrittsdurchmesser zwischen etwa 9,5 mm (Ys") und 25,4 mm (l")auf.

Bei der Ausführungsform nach der Fig. 5 weist die Brennstoffverbrennungsvorrichtung ein Blasrohr 1 auf, welches im wesentlichen aus einer länglichen an den Enden offenen Leitung besteht. Innerhalb des Blasrohres 1 ist ein Flammrohr 3 angeordnet, welches in bezug auf das Blasrohr konzentrisch gehalten ist, so dass dazwischen ein ringförmiger Luftdurchgang definiert wird. Das Flammrohr 3 wird konzentrisch zu dem Blasrohr 1 gehalten, durch Anordnung gegen eine Umfangsschulter 67, welche einen Satz von Stiften oder Schrauben (nicht gezeigt) einschliessen kann. Andere Mittel können verwendet werden, um das Flammrohr konzentrisch innerhalb des Blasrohres 1 zu halten. Das Flammrohr 3 ist an beiden Enden offen; ein Ende davon, welches als heisses Ende bezeichnet werden kann, ist in das Innere des Feuerraumes eines Ofens gerichtet. Das andere Ende, welches als kühles Ende bezeichnet werden kann, ist befestigt mittels eines Schiebesitzes über die vorerwähnte Schulter 67 an der Atomisierkammer 52. Weiter stromaufwärts von der Atomisierkammer 52 und nicht gezeigt können Vorkehrungen zur Aufnahme der Zusatzbrennerausrüstung vorgesehen sein, wie beispielsweise des Antriebsmotors, des Luftatomisier-kompressors, der Verbrennungsluftbläser, des Kraftstoff-rückzirkulationssystems und der elektronischen Brennersteuerungen, falls gewünscht.

Das offene Ende 9 des Flammrohres 3 ist mit zwei Ausschnitten 13,13' versehen, deren Funktion nachfolgend deutlich wird. In ähnlicher Weise ist das Flammrohr versehen mit zwei weiteren Öffnungen 12,12', welche etwa in der Mitte seiner Länge angeordnet sind. Diese Öffnungen 12,12' sind 90° relativ zu den Ausschnitten 13,13' angeordnet, jedoch kann, wie schon zuvor erwähnt, das Flammrohr 3 um 90° gedreht sein, um das den Brenner verlassende Flammenmuster zu verändern.

Zusätzlich ist das Flammrohr der Fig. 5 mit mehreren zentrifugalen Wirbelklappen oder Schlitzen 50 versehen. Ein konventioneller Aufbau verwendet vier Schlitze, wobei jeder im Abstand von etwa V\ des Umfangs des Flammrohres von den benachbarten Schlitzen angeordnet ist. Andere Ausbildungen und eine andere Anzahl von Schlitzen können verwendet werden, falls gewünscht. Die Schlitze sind stromaufwärts von den Öffnungen 12,12' und vorzugsweise axial etwa mittig zwischen den Öffnungen 12,12' und der Feuerwand 57 angeordnet. Die Schlitze sind für einen Vorhang von verwirbelter Luft längs der Flammrohrwandung vorgesehen. Die Verwirbelung ist begrenzt, wie nachfolgend diskutiert wird, durch die gegenseitige Beziehung der Schlitze mit den Öffnungen 12,12' und den Ausschnitten 13,13'. Typischerweise weisen die Öffnungen 50,12,12', 13 und 13' eine Querschnittsfläche von 129 bis 258 mm2 (0,2 bis 0,4 Quadrat") für einen typischen Brenner mit einer veränderbaren Brennleistung von etwa 0,76 bis etwa 2,271/h (0,2 bis etwa 0,6 Gallonen/Stunde) auf.

Das zylindrische Flammrohr 3 ist an seinem gegenüberliegenden Ende 11 mit zwei Sprühaustrittshörnern 17 und 17' versehen, welche in eine gemeinsame Atomisierkammer 52 münden. Wie schon zuvor diskutiert, sind bei bestimmten Brennerbetriebsbedingungen diese Sprühaustrittshörner 17 und 17' nicht erforderlich, und in einem solchen Fall sind anstelle dieser einfache Öffnungen in dieser Atomisierkammer 52 vorgesehen.

Die Sprühaustrittshörner 17 und 17' werden von einer festen Wand 51 getragen, welche im wesentlichen eben und querverlaufend zum Flammrohr dargestellt ist. Ebenfalls von der festen Vorderwand 51 getragen ist ein Luftblasrohr 53, welches innerhalb und konzentrisch um die Zentralachse der Atomisierkammer 52 angeordnet ist. Das Luftblasrohr 53 geht durch die Rückwand 54 der Atomisierkammer 52 hindurch und wird von dieser auch getragen. Das Luftblasrohr 53 kann zwei Öffnungen 56,56' umfassen (beispielsweise typischerweise mit einem Durchmesser zwischen 3,2 mm bis 12,7 mm (Vs" bis Vi"), welche zu der Atomisierkammer 52 führen. Diese Öffnungen sind für einen Teil der Blasluft vorgesehen, welche in das zentrale Blasrohr eintritt und in die Atomisierkammer 52 eingeführt wird, sich dort vermengt mit dem Brennstoffnebel und in das Flammrohr über die Sprühaustrittshörner 17 und 17' austritt. Sollten die Öffnungen 56 und 56' nicht ausreichend sein, um die Kammer 52 mit der benötigten Luft zu versorgen, oder falls es gewünscht ist, den statischen Dru'ck innerhalb der gemeinsamen Kammer 52 weiter anzuheben, dann werden Blaslufteinlassöffnungen 66 und 66' von gleicher oder kleinerer Querschnittsfläche wie 66,66' in der Wandung 54 vorgesehen. Folglich kann durch Bemessung der Bläserlufteinlassöffnungen 66 und 66' in Verbindung mit den Öffnungen 56 und 56' die Kammer 52 bei irgendeinem gewünschten Druck betrieben werden. Die Vorderwand 51 der Atomisierkammer 52 ist mit einer relativ grossen Zentralöffnung 55 versehen, welche durch die Wand 51 hindurchgeht. Diese Öffnung 55 weist die gleiche Grösse wie der Innendurchmesser des Luftblasrohres 53 auf, welcher etwa 6,35 mm bis 38,1 mm (W bis etwa lVi") beträgt, so dass die Blasluft direkt durch das Luftblasrohr 53 passieren und in das Flammrohr über die Öffnung 55 in der Wand 51 eintreten kann. Geringfügig stromabwärts, etwa 3,2 mm bis etwa 12,7 mm (Vs" bis etwa Vi"), von der Vorderwand 51 der Atomisierkammer und parallel dazu ist eine gelochte, d.h. perforierte Feuerwand 57 angeordnet, welche als etwa eben gezeigt ist und Öffnungen enthält. Die perforierte Feuerwand 57 ist mit einer relativ grossen Zentralöffnung 59 versehen, welche durch die Wand 57 hindurchgeht. Die grosse Zentralöffnung 59 der perforierten Feuerwand 57 ist vorzugsweise kleiner als der Innendurchmesser des zentralen Blasrohres und damit auch als die Öffnung 55 in der Wand 51. Als Ergebnis wird ein kleiner Anteil der Luft radial nach aussen zwischen die Vörderwand 51 der Atomisierkammer 52 und die perforierte Feuerwand gezwungen. Diese durch die perforierte Feuerwand in das Flammrohr strömende Luft verhindert, dass die Flammen innerhalb des Flammrohres gegen die Feuerwand kommen.

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Durch die Rückwand 54 und die Vorderwand 51 der Atomisierkammer 52 und weiter sich erstreckend in das Flammrohr verlaufen durch zwei Öffnungen in der Feuerwand 57 zwei Elektroden 19 und 21. Diese Elektroden sind umschlossen durch Porzellanumhüllungen 68 und 69, um die Elektroden gegenüber dem Brennstoffnebel abzuschützen bei ihrem Durchgang durch die Atomisierkammer 52. Der Funkenspalt 70 zwischen den Elektroden 19 und 21 ist innerhalb des Flammrohres und an der äusseren Peripherie des aus dem Atomisierkolben 26 austretenden Nebelstrahls angeordnet.

Wie in Fig.5 gezeigt, kann die Kammer 52 mit Austrittshörnern 17 und 17' versehen sein, über welche der atomisierte Brennstoff in das Flammrohr 3 eintritt.

Beide Atomisierkolben 26,26' sind innerhalb der gleichen Atomisierkammer 52 angeordnet. Der Kolben 26' wird von der Rückwand 54 der Kammer 52 getragen, und der Kolben 26 ist über die Leitungen 27', 61 mit dem Kolben 26' verbunden. Die Verwendung einer gemeinsamen Kammer stellt sicher, dass der statische Druck um den Atomisierkolben 26 herum im wesentlichen der gleiche ist wie derjenige, der den Kolben 26' umgibt. Die Kolben 26 und 26' werden jeweils über Leitungen 27 und 27' mit Druckluft gespeist. Wie die Fig. 5 zeigt, wird die Luft nach 27 und 27' von der gleichen Quelle über die jeweilige Leitung 60 und 61 zugeführt. Natürlich können, falls gewünscht, getrennte Luftquellen verwendet werden.

Das Flüssigbrennstoffspeisesystem für die atomisierenden Kolben ist im wesentlichen das gleiche wie das Brennstoffzuführsystem in bezug auf Fig. 3, mit Ausnahme, dass beide Speiseleitungen in der gleichen Kammer sind. Auch bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist nur eine gemeinsame Ableitung am unteren Punkt der Atomisierkammer 52 nötig. Jeder Atomisierkolben 26 und 26' ist mit mindestens einer kleinen Öffnung 29 und 29' versehen, wie dargestellt in Fig. 3, welcher so angeordnet ist, dass Luft und Brennstoffnebel direkt in Richtung des zugeordneten Sprühaustritts-horns 17 und 17' strömt.

Wie in Fig. 5 gezeigt, ist die Rückwand 54 der Atomisierkammer 52 mit einer Öffnung 61 ' versehen, damit Luft in das Luftblasrohr 53 einzutreten vermag.

Zwei Brennstoffeinlassleitungen 23 und 23' sind vorzugsweise mit einer Quelle von flüssigem Brennstoff mittels einer Pumpe verbunden, wobei der Brennstoff durch diese Leitungen gepumpt werden kann und sich auf den konvexen Oberflächen der Atomisierkolben 26 und 26' niederschlägt. In ähnlicher Weise ist die einzige Abflussleitung 25' mit dem Brennstoffspeisesystem verbunden, so dass Flüssigkeit, welche innerhalb der gemeinsamen Atomisierkammer 52 nicht atomisiert wurde, zum nicht gezeigten Brennstoffsystem zurückkehren und zu den Einlassleitungen 23 und 23' zurückgeleitet werden kann.

Demgemäss sind die Hauptunterschiede zwischen der Ausbildung nach Fig. 5 im Vergleich zu Fig. 4 eine einzige Atomisierkammer anstelle von zwei Kammern, eine im wesentlichen plane Vorderwand anstelle einer im wesentlichen konisch geformten Feuerwand, eine perforierte Feuerwand im Abstand zur Vorderwand der Atomisierkammer und das Vorhandensein von zentrifugalen Wirbelklappen oder Schlitzen. Falls gewünscht, kann der Brenner nach Fig. 4 modifiziert sein durch Verwendung von weniger als allen Modifikationen, wie sie zuvor im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 diskutiert wurden, durch Verwendung irgendeiner oder irgendwelchen Kombinationen von zwei oder mehr der neuen Merkmale des Brenners, wie er in Fig. 5 dargestellt ist.

Unter Berücksichtigung insbesondere der Fig. 3 und 4 ist die Arbeitsweise des Brennstoffvernebelungs- und Verbrennungssystems wie folgt.

Flüssiger Brennstoff wird in das System durch die Leitungen 23,23' eingeführt. Der flüssige Brennstoff fliesst über die Atomisierkolben 26,26', und ein Teil davon wird vernebelt durch die unter Druck stehende Luft, welche in jedem s Kolben über die Leitungen 27,27' eingeführt wird. Flüssigkeit, welche nicht vernebelt wurde, fliesst zum Boden der Atomisierkammer 15,15' und wird dort durch die Abflussleitungen 25,25' zur Rezirkulation in das Brennstoffspeisesystem abgezogen.

io Wie schon vorstehend beschrieben, ist der Atomisierpro-zess beschrieben in den beiden US-PS 3 421 699 und 3 421 692.

Infolge des Luftaustritts von den Atomisierkolben über die Öffnungen 29 und 29' wird ein Unterdruckbereich in unmit-15 telbarer Nähe dieser Öffnung erzeugt. Dies bewirkt, dass zusätzliche Luft über die Öffnungen 33,33 ' in die Atomisierkammer 15,15' fliesstund mit dem vernebelten Brennstoff in das Flammrohr 3 ausströmt. Zusätzliche Verbrennungsluft wird über die Öffnung 16 in der gelochten Feuerwand 14 20 zugeführt und fliesst axial längs des Flammrohres 3, um sich mit dem Brennstoffnebel zu schneiden, welcher von den Ato-misierern 26 und 26' ausströmt und bereit ist, sich zu entzünden, wenn der Zünder 18 bestromt wird, damit ein Funke zwischen den Elektroden 19 und 21 auftritt.

25 In dem hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel tritt die Verbrennungsluft durch die Öffnung 16 ein. Es liegt jedoch im Rahmen der Erfindung, die Verbrennungsluft zuzuführen durch Vergrössern der Luftzufuhr, welche über die Öffnungen 33 und 33' in Fig. 4 in die Atomisierkammern 30 eintritt oder die Öffnungen 66,66' in Fig. 5. Dies wiederum führt dazu, dass mehr Luft über die Austrittshörner 17 und 17' dem Flammrohr 3 zugeführt wird. Diese beiden Ströme der so erzeugten Zusatzluft schneiden sich im wesentlichen längs der Flammrohrachse, und die Resultierende dieser 35 beiden aneinander schneidenden Luftströme hat die Tendenz, im wesentlichen längs der Achse des Flammrohres zu fliessen. Eine solche Ausbildung kann in bestimmten Fällen zufriedenstellend sein, insbesondere wenn die Brennergeometrie es schwierig macht, dass die Verbrennungsluft direkt 40 in das Flammrohr von einem Ende davon gerichtet wird,

oder in Fällen, wo der Brenner für eine geringe Brennleistung ausgelegt ist, wobei bei einer solchen alternativen Ausführungsform ausreichend Verbrennungsluft erhalten wird.

Zusätzliche Verbrennungsluft strömt längs des ringför-45 migen Durchgangs 4 zwischen dem Flammrohr 3 und dem Blasrohr 1 und wird in das Innere des Flammrohres 3 durch die Öffnungen 12,12' und die Ausschnitte 13,13' geleitet. Fig. 4 zeigt auch eine Möglichkeit, bei der zusätzliche Verbrennungsluft geliefert werden kann an der Verbindung zwi-50 sehen dem Flammrohr und der konischen Feuerwand, wie beispielsweise durch eine Mehrzahl von Öffnungen 8. Die einzigartige Konfiguration des Flammrohres innerhalb des Blasrohres führt zu einem einheitlichen Wärmeaustauscher, in welchem Verbrennungsluft für hochtreibende Zwecke 55 durch den ringförmigen Bereich zwischen dem Flammrohr und dem Blasrohr hindurchgeht. Beim Durchwandern dieser Strecke wird die Verbrennungsluft erhitzt von den inneren heissen Wänden des Flammrohres. Diese Heissluft, welche in das Innere des Flammrohres an den zwei zuvor erwähnten 60 Eintrittstellen und durch die Öffnungen 8 geliefert wird, hilft, falls gewünscht, die rasche Verdampfung des vernebelten Brennstoffs zu beschleunigen und damit den Verbrennungs-prozess stromabwärts in dem Flammrohr zu vollenden. Das Erhitzen der Verbrennungsluft auf diese Weise erlaubt es, die 65 Temperatur innerhalb des Flammrohres auf einem gewünschten Mass zu halten, um die Emission von Stickstoffoxyden auf einem Minimum zu halten.

Noch ein weiterer Vorteil der Weise, in welcher die Ver-

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brennungsluft erwärmt ist, besteht in der Erzeugung einer Flamme, die, wenn sie vom Brenner austritt, kurz und büschelförmig ist. Dies wird erreicht durch Einführen erhitzter Luft auf unsymmetrische Weise, welche im Gegensatz steht zu der Brennstoff-Luftmischtechnik, wie sie bei konventionellen Ölbrennern verwendet wird. Beispielsweise werden an der ersten Verbrennungslufteinströmstelle stromabwärts zwei Luftströme 12,12' rechtwinklig zur Längsachse des Blasrohrs an der 3-Uhr- und 9-Uhr-Stellung eingeführt. Wird die Flamme innerhalb des Flammrohres einem unsymmetrischen Luftstrom dieser Art unterworfen, dann wird die Flamme nach aussen verwirbelt und füllt das Flammrohr an der 6-Uhr- und 12-Uhr-Stellung. Weiterhin bewirkt der niedere statische Druck innerhalb der Luftströme in der 3-Uhr-und 9-Uhr-Stellung, dass die Flamme die Luftströme umschliesst, wodurch eine kürzere und kompaktere Flamme erzeugt wird, welche das gesamte Flammrohr füllt.

Bei der zweiten Verbrennungslufteinströmstelle werden zwei Luftströme an der Lippe des Blasrohres eingeführt, jedoch werden diesmal die Luftströme eingeführt an der 12-Uhr- und 6-Uhr-Stellung. Dies bewirkt, dass die Flamme in die 3-Uhr- und 9-Uhr-Stellung ausgebreitet wird, wenn sie das Brennerblasrohr verlässt und in die Verbrennungskammer eintritt.

Eine kurze buschige Flamme dieser Art ist ideal für austauschbare Brenner, da ein solcher für die Verwendung bei jeder Art von Verbrennungskammer geeignet ist. Dies ist im Gegensatz zu einer langen dünnen Flamme, welche gegen die Rückseite vieler Verbrennungskammern auftritt und eine Erosion der Verbrennungskammerauskleidung bewirkt. Gleichzeitig dient die Verbrennungsluft, welche zwischen dem Flammrohr und dem Blasrohr wandert, dazu, das äussere Blasrohr kühl zu halten, wodurch Wärme-Erosionen des Blasrohres vermieden werden. Im Fall der vorliegenden Erfindung ist das Vernebelungssystem so wirksam, und die nachfolgende Brennstoffluftmischung und Verdampfung wird ebenfalls mit solch einem hohen Wirkungsgrad bewerkstelligt, dass der Brenner keine heisse Verbrennungskammer benötigt, um eine gute Verbrennung zu gewährleisten.

Die vorliegende Brennerkonstruktion nach Fig. 4 wurde bei einer Vielzahl von unterschiedlichen Verbrennungskammern verwendet, und es war jeweils möglich, einen rauchfreien Betrieb zu erreichen, mit einem Rauchgas/CCh-Pegel zwischen 14-14V2%, bei einem Betrieb mit einer Brennleistung, welche nahe der Ofen-Nennleistung ist. Selbst wenn der vorliegende Brenner eingestellt ist für einen Betrieb mit einer Brennleistung weit unterhalb der Ofen-Nennleistung [beispielsweise Brennerbetrieb bei 0,951/h (0,25 Gallonen/ Stunde) bei einem 3,791/h (1,0 Gallonen/Stunde)-Ofen], fiel der C02-Pegel bei rauchfreiem Betrieb normalerweise nie unter 13%.

Die Brennerkonstruktion, wie in Fig. 5 dargestellt, ist etwas besser im Betrieb als die in Fig. 4 dargestellte. Beispielsweise beträgt der C02-Pegel im Rauchgas 15%, was nahezu der Maximalpegel ist, der ohne Auftreten von Rauch erreicht wurde. Dieser Wert ist etwas unterhalb des theoretisch erhältlichen, wenn die genaue Luftmenge mit einem Kohlenwasserstoffbrennstoff gemischt wird. Dies steht in Gegensatz zum mittleren konventionellen Heimölbrenner, welcher bei CO2-Pegeln von 8% arbeitet, selbst wenn die Brennleistung an die Ofenkapazität angepasst ist.

Diese Eigenschaft einer totalen Unabhängigkeit von der Ofenkonstruktion und der Ofentemperatur macht die vorliegende Erfindung ideal als austauschbaren Brenner. Diese Nichtabhängigkeit von der Ofentemperatur bedeutet auch, dass der vorliegende Brenner eine rauchlose Arbeitsweise erreicht, wenn eine Zündung auftritt und bevor die Verbrennungskammer heiss wird. Der typische konventionelle Hochdruckbrenner benötigt einige Minuten, bis der Rauchpegel abfällt auf einen akzeptablen Wert, nachdem die Zündung auftrat.

Eine weitere zu erwähnende Tatsache besteht darin, dass es 5 bei konventionellen Hochdruckdüsen schwierig ist, bei einer Brennleistung unter etwa 2,651/h (0,7 Gallonen/Stunde) zu arbeiten, ohne dass hierbei die Gefahr von Verstopfungen besteht. Bei dem vorliegenden Brenner besteht im wesentlichen keine minimale Brennleistung. Der Prototyp eines 10 Brenners wurde bei einer Brennleistung von weniger als 0,381/h (0,1 Gallonen/Stunde) betrieben. Dies bedeutet, dass jeder einzelne Atomisierer bei weniger als 0,191/h (0,05 Gallonen/Stunde) arbeitet. Weiterhin ist es bei dem vorliegenden Brenner nicht notwendig, dass beide Vernebier den gleichen 15 Betrag von Brennstoffnebel erzeugen, damit der Brenner wirksam arbeitet. Beispielsweise kann ein Vernebier bei einer Brennleistung von 0,231/h (0,06 Gallonen/Stunde) arbeiten, während der andere eine Brennleistung von 0,151/h (0,04 Gallonen/Stunde) hat. Ein Brenner dieses Typs wird 20 genauso wirkungsvoll arbeiten wie einer, bei welchem jeder Vernebier eine Nebelmenge von 0,191/h (0,05 Gallonen/ Stunde) erzeugt. Diese Möglichkeiten einer geringen Brennleistung nach der vorliegenden Erfindung ist sehr wichtig in bezug auf die vorhandene Energiekrisis, da Heime zukünftig 2s mit besserer Isolation gebaut werden und der Trend nach Brennern mit geringer Brennleistung geht, welche einen hohen Betriebswirkungsgrad aufweisen.

Es ist zu vermerken, dass die Perforationen in der Feuerwand 14 eine solche Anzahl aufweisen und so bemessen sind, 30 dass durch diese Wand ein sehr langsamer Luftstrom hindurchgeht. Dieser sanfte Luftstrom bewirkt, dass keine Verbrennungsprodukte eindringen bzw. zurückströmen in Richtung der Brennstoffatomisiersysteme und des Zünders, wodurch verhindert wird, dass diese Elemente verrussen. 35 Der einschliessende Winkel zwischen den Brennstoffato-misiersystemen 30,30' ist in Fig. 4 gezeigt als näherungsweise 90°. Dieser Winkel kann verändert werden und kann jedoch zwischen 15° und 150°, vorzugsweise zwischen 45° und 150°, liegen.

40 Zurückkehrend zu den Fig. 1 und 1A ist zu vermerken, dass bei bekannten Systemen die Vernebelungsdüsen am Ende des Blasrohres angeordnet sind. Folglich ist die Düse hohen Temperaturen und demzufolge firnisartigen Niederschlägen und Verrussungen unterworfen.

45 Im Gegensatz dazu sind bei Verwendung des verbesserten Brennstoffbrennsystems des Inhabers die Vernebelungs-kolben weit stromaufwärts vom Ende des Blasrohres angeordnet und somit von der Strahlungs- und Konvektions-hitze des Feuerraums und den damit zusammenhängenden so Problemen der Brennstoffaufspaltung und der Verschmie-rung abgeschirmt.

Obwohl die Brennerkonstruktionen gem. den Fig. 3 und 4 mit hohem Wirkungsgrad und ziemlich zufriedenstellend arbeiten, kann der Betrieb bei hohen Brennleistungen dazu 55 führen, dass in begrenztem Masse die konische Feuerwand 14 und Teile des Flammrohres verrussen. Die verbesserte Konstruktion, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist, vermeidet jede Russbildung. Lediglich die grundsätzlichen Unterschiede zwischen dem Betrieb eines Brenners gem. Fig. 5 und demjenigen 60 eines Brenners gem. Fig. 4 werden nachfolgend diskutiert, wobei verständlich ist, dass diejenige Aspekte des Betriebs des Brenners gem. Fig. 5 nicht in irgendeinem Detail diskutiert werden, wenn diese Aspekte gleich sind zu denjenigen des Brenners, wie er in Fig. 4 gezeigt ist. 65 Das Luftblasrohr 53 richtet Luft längs der zentralen Achse auf eine einzige Atomisierkammer 52 und längs der Zentralachse des Flammrohres 3. Ein Teil der in das Luftblasrohr 53 eintretenden Blasluft wird bevorzugt über die Öffnungen 56

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und 56' in die Vernebelungskammer 52 gezwungen, wo sie sich vermischt mit dem Brennstoffnebel und über die Sprühaustrittshörner 17 und 17' in das Flammrohr 3 ausströmt. Die Vernebier können Luft über die Öffnungen 56 und 56' in die Kammer 52 ziehen unter Einwirkung des Niederdruckbereiches, welcher bei den Öffnungen dieser Vernebelungs-kolben erzeugt wird; unter bestimmten Arbeitsbedingungen kann Druckluft in die Vernebelungskammer 52 auch durch die Öffnungen 56 und 56' gepresst werden.

Wie bereits früher festgestellt, kann die gemeinsame Kammer 52 mit Bläserluftdrucköffnungen 66 und 66' versehen sein, so dass die gemeinsame Kammer 52 bei einem noch höheren statischen Druck betrieben werden kann, falls dies gewünscht ist. Ein solcher Druck wird besonders verwendet bei hohen Brennleistungen und dort, wo es wünschenswert ist, möglichst viel Luft mit dem atomisierten Nebel zu vermischen, bevor diese Mischung in das Flammrohr ausströmt.

Die Verwendung einer einzigen gemeinsamen Vernebelungskammer, welche die Vernebelungskolben enthält, anstelle einer Vielzahl von Vernebelungskammern stellt sicher, dass der jeden Vernebelungskolben umgebende Druck im wesentlichen der gleiche ist. Mit einer gemeinsamen Atomisierkammer wird auch die örtliche Luftgeschwindigkeit um jeden Vernebier herum vermindert infolge des grossen Volumens, welches die Kammer 52 innenseitig aufweist. Mit einer solchen Kammer 52 ist weiterhin sichergestellt, dass hohe Luftgeschwindigkeiten nicht den über die Vernebier 26 und 26' fliessenden Flüssigkeitsfilm stört bzw. beeinflusst. Die Konstruktion nach Fig. 5 ist daher weniger empfindlich als diejenige nach Fig. 4.

Da die grosse zentrale Öffnung in der perforierten Wand kleiner ist als der Innendurchmesser des zentralen Luftblasrohres 53, wird ein kleiner Anteil von Luft radial nach aussen zwischen die Vorderfläche der Vernebelungskammer und die perforierte Feuerwand gerichtet. Die Perforationen in der Feuer wand weisen eine solche Anzahl auf und sind so bemessen, dass ein sehr sanfter Luftstrom durch diese Wand hindurchgeht. Diese Luft strömt durch die perforierte Feuerwand in das Flammrohr, hält hierbei die Flammen von der Feuerwand weg und isoliert die relativ kühle Oberfläche der Frontfläche der Vernebelungskammer von der heissen Umgebung der stromabwärtigen Seite der Feuerwand. Ohne die perforierte Feuerwand wäre die Bedingung eines relativ kühlen Brennstoffes an der Innenseite der Vernebelungskammer nicht vorhanden, und das heisse Feuer an der stromabseitigen Seite der Vernebelungskammer könnte dazu führen, dass die Vorderwand der Atomisierkammer an der flammrohrseitigen Seite verrusst. Die Verwendung von im wesentlichen geraden Wänden anstelle einer im wesentlichen konischen Feuerwand nach Fig. 4 vermindert zusätzlich die Tendenz der Fussbildung, da bei der Konstruktion nach Fig. 4 die Zahl der dort vorhandenen Ecken es schwierig macht, bei allen Ecken eine ausreichende Luftmischung zu erzeugen.

Die Verwendung einer im wesentlichen ebenflächigen Feuerwand beseitigt die Notwendigkeit der Begrenzung des minimalen Sprühwinkels, wie er im Zusamenhang mit den Strahlen in Fig. 4 erwähnt wurde. Die Verwendung einer ebenflächigen Feuerwand erlaubt, dass der minimale Einschlusswinkel, unter dem sich die Strahlen treffen, wesentlich reduziert werden kann. Der bevorzugte minimale Einschlusswinkel ist etwa 5°. Ausgezeichnete Ergebnisse werden erreicht mit einem Winkel von etwa 27°.

Die zentrifugalen Wirbelklappen oder -schlitze 50 begünstigen eine rasche Mischung der Verbrennungsluft und des Brennstoffnebels und verhindern somit eine Russbildung im Flammrohr 3. Die Luft, welche über die zentrifugalen Wirbelklappen in das Flammrohr einströmt, erzeugt einen Vorhang von verwirbelter Luft längs der Flammrohrwand.

Dieser isoliert die Flammrohrwand vor einer direkten Flammberührung und verhindert heisse Stellen und Flamm-s erosionsprobleme. Der Vorhang von verwirbelter Luft ist im stromaufwärtigen Bereich des Flammrohres am stärksten, wo er über die Schlitze eintritt. Wenn die verwirbelte Luft mit den Querluftströmen etwa in der Mitte des Flammrohres aus den Öffnungen 12,12' zusammentrifft und abermals an der io Austrittslippe des Flammrohres von den Ausschnitten 13, 13', dann ist die Wirbelbewegung im wesentlichen zerstört. Dies ist wichtig, um sicherzustellen, dass die verwirbelte Luft mit dem verdampften und brennenden Brennstoff vermischt ist, bevor sie aus dem Flammrohr 3 austritt.

15 Es wurde vorstehend im Zusammenhang mit der Fig. 3 diskutiert, dass das Sprühaustrittshorn 17' zwei Zwecken dient. Das Horn 17' ist dazu vorgesehen, den mittleren Durchmesser des Nebelstrahls, der in das Flammrohr 3 eintritt, zu steuern, und verhindert auch, dass die Flamme innerhalb des 20 Flammrohrs 3 stromaufwärts und in die Vernebelungskammer 15 wandert. Die Nebelteilchengrösse kann optimiert werden durch Einstellen der Geometrie des Horns 17' in bezug auf seine Länge, seinen Austrittsdurchmesser und seinen Konuswinkel. Dieses Horn kann so dimensioniert 25 sein, dass der von der Öffnung 29' abgehende Strahl vom Horn 17' unbehindert in das Flammrohr 3 strahlt, oder das Horn kann so ausgelegt sein, dass ein Teil des von 29' ausgehenden Strahls begrenzt wird. Im letzteren Fall dienen die inneren Wandungen dieses Horns dazu, die grösseren Nebel-30 partikel an der äusseren Peripherie des Nebelstrahls abzufangen. Diese abgefangenen Brennstoffteilchen fliessen einfach zurück in die Vernebelungskammer 15 längs der geneigten inneren Wandungen dieses Sprühaustrittshorns 17'. Diese Technik arbeitet gut, wenn das erforderliche 35 Abschäumen gering ist und wenn die Geschwindigkeit der durch das Horn strömenden Mischung aus Luft und Brennstoffpartikelchen gering ist. Falls jedoch, wenn es gewünscht wird, ein wesentlicher Anteil des Strahls begrenzt werden soll, um weiterhin die Teilchengrösse zu reduzieren, oder 40 wenn die Geschwindigkeit innerhalb des Austrittshorns 17' gross ist, dann ist der in Fig. 6 gezeigte Austrittshornaufbau nützlicher. Dieser Hochgeschwindigkeitsaustritthornaufbau 20 weist eine innere Hülle 17' und eine äussere Hülle 22 auf. Wie in Fig. 6 gezeigt, sind die stromabseitigen Enden dieser 45 Hülle vorzugsweise in der gleichen Ebene. In einigen Fällen jedoch und abhängig vom statischen Druck, der Verbren-nungslfutgeschwindigkeit und dem Wirbel innerhalb des Flammrohres 3 kann die äussere Hülle 22 etwas länger oder kürzer sein als die innere Hülle 17', um einen besseren Rück-50 fluss zu begünstigen und/oder Russbildung zwischen den Hüllen oder um die gesamte Konfiguration 20' zu eliminieren.

Im Betrieb hält die Hochgeschwindigkeitssprühaustritts-hornanordnung 20' nach Fig. 6 einen Teil des von der Öff-55 nung 29' abgehenden Sprühstrahls ab.

Die relativ hohe Geschwindigkeit des durch die innere Hülle 17' strömenden Nebels bewirkt, dass abscheidender Brennstoff längs der inneren Wandung der Hülle 17' in Richtung auf das Flammrohr fliesst. Es wird verhindert, dass 60 dieser Brennstoff in das Flammrohr überfliesst mittels der äusseren Hülle 22. Dieser Brennstoff, der die Austrittslippe der inneren Hülle 17' erreicht, fliesst zurück zwischen dieser inneren Hülle und dieser äusseren Hülle 22, hauptsächlich längs der äusseren Oberfläche der inneren Hülle 17, zurück 65 zur vorderen Wand 28 der Atomisierkammer 15. Dieser überschüssige oder zurückfliessende Brennstoff wird in die Kammer 15 durch ein kleines Abflussrohr 23 zurückgeführt. Während des Brennerbetriebs füllt sich das Abflussrohr 72,

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welches einen Innendurchmesser von etwa 1,6 mm (Vis") bis 3,2 mm (Vs") aufweist, mit Brennstoff und wirkt als Sperre zur Verhinderung eines Rückflusses von Verbrennungsprodukten in die Verneblerkammer.

Der andere Zweck der Hochgeschwindigkeitssprühaus-trittshornvorrichtung 20 ist das Verhindern eines Rück-brandes in der Vernebelungskammer. Im wesentlichen wirkt die Vorrichtung als Ejektor, der so bemessen ist, dass die Brennstoff-Luftgeschwindigkeit, welche von der inneren Hülle 17' abgeht, mindestens ebenso gross ist wie die Flammgeschwindigkeit des Brennstoffabbrandes innerhalb des Flammrohres 3. Dies bedeutet, dass die Flamme innerhalb des Flammrohres sich nicht stromaufwärts in die Vernebelungskammer 15' ausbreiten kann.

In den Fällen, wo die Geschwindigkeit des mit Luft vermischten Geschwindigkeitsnebels, der aus dem Austrittshorn 20' austritt, sehr hoch ist, so dass eine Flammeninstabilität oder eine Fluktuation der Flammenfront innerhalb des Flammrohres 3 auftreten könnte, kann ein Flammhalter 71

vorgesehen werden. Dieser Flammhalter weist die Form eines einfachen Ringes mit einer grossen mittigen Öffnung 63 auf, die so bemessen ist, dass sie geringfügig grösser ist als der Nebeldurchmesser an diesem Punkt. Dies ermöglicht, dass 5 der Brennstoffnebel ungehindert durch diese Öffnung 63 hindurchtritt, ohne die Wandungen dieses Flammhalters 71 zu benetzen. Die Turbulenz und folglich der niedere statische Druck, der um den Flammhalter 71 herum entsteht, wenn der Strahl durch ihn hindurchgeht, bewirkt, dass die Flamme an io der stromabwärtigen Fläche des Flammhalters 71 sitzt oder selbst dort befestigt ist. In Fig. 6 wird der Flammhalter 71 getragen von der äusseren Hülle 22 durch zwei schmale stangenartige Befestigungsteile 62. Es ist wünschenswert, dass diese Stangen 62 einen geringen Querschnitt aufweisen, so is dass der Flammhalter 71 als etwa 3,2 mm (Vs") bis 38,1 mm (1 Vi") stromabwärts vom Austritt der inneren Hülle 17' frei im Raum aufgehängt erscheint. Die genaue Stelle des Flammhalters 71 hängt ab von der relativen Geschwindigkeit zwischen der Flamme und dem die Hülle 17' verlassenden 20 Gemisch von Brennstoff und Luft.

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3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

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1. Flüssigbrennstoffbrenner, mit einem ein Einlassende und ein Auslassende aufweisenden Flammrohr (3), mit mindestens einer mit dem Einlassende in Verbindung stehenden Atomisierkammer (15,15'; 52), mit mindestens zwei hohlen Atomisierkolben (26,26'), wobei jeder dieser Atomisier-kolben (26,26') eine glatte Oberfläche mit einer Durchtrittsöffnung (29,29') aufweist, auf dieser Oberfläche über der Durchtrittsöffnung (29,29') ein Brennstoffilm erzeugt und dem Kolbeninnern Druckluft zugeführt wird, die über die Durchtrittsöffnung (29,29') ausströmt und hierbei den Brennstoff vernebelt, der Atomisierkammer (15,15'; 52) Luft zugeführt wird und diese Luft zusammen mit dem vernebelten Brennstoff durch Öffnungen (17,17') in einer die Atomisierkammer (15,15'; 52) vom Flammrohr (3) trennenden Feuerwand (14,57) in das Flammrohr (3) strömt, dadurch gekennzeichnet, dass die atomisierten Brennstoffströme in Richtung des Auslassendes und ebenso in Richtung der Längsachse des Flammrohres (3) gerichtet sind, so dass sie sich im wesentlichen an der Längsachse schneiden, und dass in der Feuerwand (57) Luftdurchtrittsöffnungen (59) sowie im Flammrohr (3) benachbart der Feuerwand (57) Luft-einlassöffnungen (50) und Sekundärluftöffnungen (12,12', 13,13') längs dem Flammrohr (3) verteilt vorgesehen sind.

2. Flüssigbrennstoffbrenner nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lufteinlassöffnungen als Wirbelkappen (50) ausgebildet sind.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Flüssigbrennstoffbrenner nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feuerwand (57) eine zentrale Luftdurchtrittsöffnung (59) aufweist.

4. Flüssigbrennstoffbrenner nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärluftöffnungen (12,12', 13,13') im axialen Mittelbereich und im Ausströmbereich des Flammrohres angeordnet sind.

5. Flüssigbrennstoffbrenner nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Sekundärluftöffnungen (12,12') im Mittelbereich und Ausströmbereich des Flammrohres (13,13') paarweise um 90° versetzt angeordnet sind.