DE10014405B4 - Venturidüse für einen Zweistoff-Brenner - Google Patents

Abstract

Venturidüse zum Zerstäuben von flüssigem Brennstoff zur Verbrennung des Brennstoffs in Anwesenheit von Brennluft in der Brennkammer (10) eines Brenners, insbesondere eines Brenners für eine Fahrzeugzusatz- bzw. -standheizung, die axial in einen Brennstoff/Brennluft-Austragteil (18) und einen Brennstoff/Brennluft-Zufuhrteil (19) unterteilt ist, wobei die beiden Venturidüsenteile (18, 19) mittels einer Ringdichtung (21) voneinander getrennt und gegeneinander wärmeisoliert sind, die im wesentlichen vollflächig an die aufeinander zu weisenden ringförmigen Stirnflächen der beiden Venturidüsenteile (18, 19) axial angrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass der Zufuhrteil (19) der Venturidüse (12) bezüglich seiner axialen Erstreckung in etwa doppelt so lang ist wie ihr Austragteil (18).

Description

• Die Erfindung betrifft eine Venturidüse zum Zerstäuben von flüssigem Brennstoff zur Verbrennung des Brennstoffs in Anwesenheit von Brennluft in der Brennkammer eines Brenners, insbesondere eines Brenners für eine Fahrzeugzusatz- bzw. -standheizung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Eine gattungsgemäße Venturidüse ist aus der US 2 721 607 A bekannt. Der Diffusor ist aus zwei durch einen Flansch verbundenen Teilen mit einer dazwischen liegenden Wärme isolierenden Dichtung zusammengesetzt. Die Wärme isolierende Dichtung liegt dort relativ nahe an der im engsten Teil der Venturidüse angeordneten Brennstoffzufuhr. Dadurch kann die Temperatur in diesem Bereich auf Werte ansteigen, die eine Verkrackung des Brennstoffs und die Bildung von Ablagerungen verursacht.
• Ein Zweistoff-Brenner ist beispielsweise aus der DE 41 18 538 C2 bekannt. Dieser Brenner besitzt eine Zweistoff-Düse zur Feinverdüsung von Brennstoff. Diese Düse besteht aus einer im Wesentlichen zylindrischen Mischkammer, einem bezüglich deren Längsachse koaxialen Zuführrohr für den flüssigen Brennstoff und einer Brennluftmittelzufuhr. Die Mischkammer ist durch einen Düseneinsatz zum Austragen von zerstäubtem Brennstoff/Brennluftgemisch abgeschlossen und besitzt eine zentrale Düsenbohrung sowie eine in Strömungsrichtung konvergierende kegelförmige Innenanschrägung. Die Brennluftzufuhr besteht aus einem Zuführrohr, welches die Mischkammerwandung tangential durchsetzt, in diese eintaucht und in einer größeren Höhe über dem Düseneinsatz mündet als das Zuführrohr für den flüssigen Brennstoff.
• Diese bekannte, relativ kompliziert aufgebaute Zweistoff-Düse benötigt einen hohen Luftüberdruck zur Zerstäubung des flüssigen Brennstoffs, vermag die hohen Anforderungen, die heutzutage an Zweistoff-Brenner gestellt werden, nicht zu erfüllen und ist deshalb durch eine wesentlich zuverlässigere und leistungsfähigere Venturidüse der eingangs genannten Art ersetzt worden.
• Bei der Entwicklung dieser Venturidüse war folgende Problematik zu überwinden. Mit dem flammseitigen Brennstoff/Brennluft-Austragende mündet ihr Diffusor in die Brennkammer und ist der dort herrschenden hohen Temperatur ausgesetzt. Ausgehend von diesem Austragende breitet sich die Wärme in den stromauf liegenden kühleren Teil der Düse aus. Auf diese Weise bildet sich ein Temperaturgefälle in Richtung Brennstoff/Brennluft-Zufuhrende des Einlaufteils der Venturidüse aus. Typischerweise betragen die Eckwerte des Temperaturgefälles einerseits 300 °C im Bereich des kühleren Endes der Venturidüse und 400 °C im Bereich des wärmeren Endes derselben. Bei diesen Temperaturen auf die Wandung der Venturidüse auftreffender flüssiger Brennstoff wird thermisch gespalten, unterliegt also einem sogenannten Krack-Vorgang, bei welchem die Brennstoffmoleküle in Gase, Dämpfe und feste Kohlenstoffrückstände aufgespalten werden. Diese Rückstände lagern sich an der Wandung der Venturidüse ab und verändern damit deren Geometrie bzw. Durchlassquerschnitt. Die Folge hiervon ist, dass die Zerstäubung des Brennstoffs verschlechtert wird, weil sich beim Zerstäubungsvorgang größere Tropfen bilden. Folge ist ferner, dass die Brennstofftröpfchen abgelenkt werden und nicht zuletzt, dass der axiale Differenzdruck der Venturidüse steigt. Das Ergebnis ist insgesamt ein schlechteres Brennverhalten bei hoher Schadstoffemission, Erzeugung von Ruß, Blaurauch und bei hoher Kohlenwasserstoffkonzentration. Ferner ist ein schlechtes Start-Verhalten festzustellen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Venturidüse zu schaffen, die auch bei höheren Betriebstemperaturen eine hohe Betriebszuverlässigkeit gewährleistet.
• Um die vorstehend angesprochenen Probleme zu überwinden, und die angesprochene hohe Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit der Venturidüse zu erzielen, ist die axial in einen Brennstoff/Brennluft-Austragteil und einen Brennstoff/Brennluft-Zufuhrteil unterteilte Venturidüse mit den beiden gegeneinander wärmeisolierten Venturidüsenteilen erfindungsgemäß so gestaltet, dass der Zufuhrteil bezüglich seiner axialen Erstreckung etwa doppelt so lang ist wie der Austragteil.
• Mit anderen Worten wird die Venturidüse erfindungsgemäß in einen längeren kalten Teil und einen von diesem wärmeisolierten kürzeren heißen Teil getrennt. Der stromauf liegende kalte Teil erreicht durch die aufgrund der Wärmeisolierung reduzierten Wärmeübertragung ausgehend von der Brennkammer typischerweise Temperaturen unterhalb von 180 °C, bei welchen Temperaturen kein Krack-Vorgang stattfindet. Andererseits liegt der flammenseitige heiße Teil der Venturidüse auf Temperaturen oberhalb von 500 °C, bei welchen Temperaturen auftreffender Brennstoff sofort verdampft ohne Krack-Rückstände zu hinterlassen.
• Die Wärmeisolation der beiden Venturidüsenteile kann in unterschiedlicher Weise erzielt werden. Bevorzugt ist die Anordnung der beiden Venturidüsenteile mit einem diese trennenden Luftspalt, der typischerweise zwischen 0,1 und 0,8 mm und bevorzugt 0,3 mm beträgt. Begrenzt ist dieser Luftspalt in axialer Richtung durch die ringförmigen Stirnflächen der beiden Venturidüsenteile und radial durch die Ringdichtung.
• Alternativ hierzu können die beiden Venturidüsenteile nur über die Ringdichtung miteinander verbunden sein, die im Wesentlichen vollflächig an die ringförmigen Stirnflächen der beiden Venturidüsenteile axial angrenzt, so dass kein Spalt zwischen beiden Venturidüsenteilen vorliegt.
• In jedem Fall besteht die Ringdichtung aus Wärme isolierendem Material. Geeignet hierfür ist beispielsweise Keramikwerkstoff.
• Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile betreffen einen größeren Kundennutzen, da eine Belästigung durch Qualm entfällt. Aufgrund des geringen Schadstoffausstoßes, der in einem mit der erfindungsgemäßen Venturidüse bestückten Brenner erzielbar ist, werden eine größere Lebensdauer des Brenners und damit des Heizgeräts und eine geringere Umweltbelastung gewährleistet. Schließlich ist das Startverhalten durch Einsatz der erfindungsgemäßen zweigeteilten Venturidüsen optimal.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand der einzigen Zeichnung beispielhaft näher erläutert; diese zeigt schematisch im Längsschnitt den mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Venturidüse bestückten hinteren Teil einer Brennkammer eines Brenners für ein Fahrzeug-Zusatzheizgerät.
• Der allgemein mit der Bezugsziffer 10 bezeichneten zylindrischen Brennkammer ist eine Brennluftzufuhrkammer 11 vorgeschaltet, in welche Brennluft mit nicht dargestellten Mitteln, typischerweise mittels eines Gebläses zugeführt wird. Die Brennkammer 10 besitzt koaxial zu ihrer Längsmittenachse L verlaufend, die strichpunktiert dargestellt ist, eine Öffnung zum Anschluß des stromabwärtigen Endes einer Venturidüse 12, die vollständig innerhalb der Brennluftzufuhrkammer 11 zu liegen kommt. Um diese Venturidüsenanschlussöffnung 22 herum befinden sich ringförmig angeordnet kleinere Öffnungen 23 für den Durchtritt von Brennluft in die Brennkammer 10.
• Die Venturidüse 12 umfaßt im stromaufwärtigen Bereich einen in die Brennkammer 10 einmündenden kegelförmigen Diffusor 13, der in stromaufwärtiger Richtung spitz zuläuft. Im stromaufwärtigen Bereich umfaßt die Venturidüse 12 einen kegelförmigen Einlaufteil 14, der einen zum Diffusor 13 entgegengesetzten Durchmesserverlauf aufweist, d.h., in Richtung auf den Diffusor 13 konisch spitz zuläuft. An das Außenende des Einlaufteils 14 schließt sich ein Zylinderteil 15 an, der in die Brennluftzufuhrkammer 11 ausmündet. Diffusor und Einlaufteil 13, 14 sind über einen durchmesserkleinen Zylinderteil 16 verbunden, in welchen ein Brennstoffzufuhrröhrchen 17 mündet, das koaxial zur Längsmittenachse der Venturidüse 12 verläuft und außerhalb dieser Düse gewinkelt aus der Brennluftzufuhrkammer 11 herausgeführt ist.
• Bei dieser Anordnung von Brennluftzufuhrkammer 11 und Venturidüse 12 wird flüssiger Brennstoff in den Diffusor 13 eingespritzt und zerstäubt. Die dem Einlaufteil 14 zugeführte Brennluft aus der Brennluftzufuhrkammer 11 wird zusammen mit dem zerstäubten Brennstoff aus der Venturidüse 12 in die Brennkammer 10 eingetragen. Der Nebel aus Brennstoff und Brennluft wird in der Brennkammer 10 gezündet und unter Beimischung zusätzlicher Brennluft aus den Öffnungen 23 verbrannt. Zu diesem Zweck ragt in die Brennkammer 10 eine Zündeinrichtung, die in der Figur schematisch dargestellt und mit der Bezugsziffer 24 bezeichnet ist und mit ihrem Zündende an der Ausmündung des konischen Diffusor 13 der Venturidüse 12 zu liegen kommt.
• Die Venturidüse 12 ist axial in zwei Teile unterteilt, nämlich in einen Austragteil 18 von Brennstoff/Brennluft, der an die Brennkammer 10 angrenzt und einen stromaufwärts von diesem Austragteil angeordneten Zufuhrteil 19 für Brennstoff/Brennluft. Die axiale Unterteilung der Venturidüse 12 ist im Bereich ihres Diffusors 13 so getroffen, dass der Zufuhrteil 19 etwa doppelt so lang ist wie der Austragteil 18.
• Bei der in der Figur gezeigten bevorzugten Ausführungsform sind Austragteil 18 und Zufuhrteil 19 voneinander durch einen Ringspalt 20 getrennt, dessen Breite typischerweise zwischen 0,1 und 0,4 mm beträgt. Bevorzugt ist die Spaltbreite mit 0,2 mm gewählt. Der Ringspalt 20 ist in axialer Richtung durch die aufeinander zu weisenden ringförmigen Stirnflächen von Austragteil 18 und Zufuhrteil 19 und radial durch eine Ringdichtung 21 begrenzt, welche den Ringspalt 20 und damit die konische Bohrung 13 nach außen abdichtet. Der Werkstoff der Ringdichtung 21 ist aus einem Wärme isolierenden Material gewählt, wie beispielsweise aus Keramik. Die Venturidüse 12 besteht aus Metall. Das Material für die beiden Venturidüsenteile kann dasselbe sein. Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass das Material des Austragteils 18 eine geringere Wärmeleitfähigkeit besitzt als das Material des Zufuhrteils 19, um so wenig Wärme wie möglich zum Ringspalt 20 zwischen den beiden Venturidüsenteilen 18 bzw. 19 zu übertragen.
• Durch die erfindungsgemäße wärmeisolierte Trennung der Venturidüse 12 besitzt diese einen kalten und einen heißen Teil. Der stromauf liegende kalte Teil, der Zufuhrteil 19, wird im Betrieb typischerweise mit Temperaturen unterhalb 180 °C aufgrund der Zweiteilung der Venturidüse belastet, so dass in diesem Düsenteil keine Krack-Vorgänge stattfinden. Andererseits ist der flammenseitige heiße Teil der Venturidüse 12, der Austragteil 18 typischerweise mit Temperaturen oberhalb von 500 °C belastet, so dass auf dessen Innenwandung aus dem Brennstoffzufuhrrohr auftreffender flüssiger Brennstoff verdampft, ohne Krack-Rückstände zu hinterlassen, so dass zuverlässig vermieden wird, dass sich die Venturidüse 12 mit Rückständen zusetzt und damit ihre Leistungsfähigkeit zumindest beeinträchtigt wird.

10

Brennkammer

11

Brennluftzufuhrkammer

12

Venturidüse

13

Diffusor

14

Einlaufteil

15

Zylinderteil

16

Zylinderteil

17

Brennstoffzufuhrröhrchen

18

Austragteil

19

Zufuhrteil

20

Ringspalt

21

Ringdichtung

22

Venturidüsenanschlussöffnung

23

Öffnungen (für Brennluft)

24

Zündeinrichtung

Claims (7)

1. Venturidüse zum Zerstäuben von flüssigem Brennstoff zur Verbrennung des Brennstoffs in Anwesenheit von Brennluft in der Brennkammer (10) eines Brenners, insbesondere eines Brenners für eine Fahrzeugzusatz- bzw. -standheizung, die axial in einen Brennstoff/Brennluft-Austragteil (18) und einen Brennstoff/Brennluft-Zufuhrteil (19) unterteilt ist, wobei die beiden Venturidüsenteile (18, 19) mittels einer Ringdichtung (21) voneinander getrennt und gegeneinander wärmeisoliert sind, die im wesentlichen vollflächig an die aufeinander zu weisenden ringförmigen Stirnflächen der beiden Venturidüsenteile (18, 19) axial angrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass der Zufuhrteil (19) der Venturidüse (12) bezüglich seiner axialen Erstreckung in etwa doppelt so lang ist wie ihr Austragteil (18).
2. Venturidüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Austragteil (18) der Venturidüse (12) aus einem Material mit schlechterem Wärmeleitungsvermögen besteht als ihr Zufuhrteil (19).
3. Venturidüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Venturidüsenteile (18, 19) zumindest teilweise über einen Ringspalt (20) voneinander getrennt sind, der axial von den aufeinander zu weisenden ringförmigen Stirnflächen der beiden Venturidüsenteile (18, 19) begrenzt ist.
4. Venturidüse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringspalt (20) radial von der Ringdichtung (21) begrenzt ist.
5. Venturidüse nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringspalt (20) eine Spaltbreite von zwischen 0,1 und 0,8 mm, bevorzugt von 0,3 mm aufweist.
6. Venturidüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringdichtung (21) aus Keramikwerkstoff besteht.
7. Venturidüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennstelle der Venturidüse (12) in deren Diffusorteil (13) gelegt ist.