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Die
Erfindung betrifft einen Gasbrenner für flüssigen Brennstoff, insbesondere
Pflanzenöl.
Der Gasbrenner weist einen Verdampfer zum Verdampfen des flüssigen Brennstoffs
auf. Ein Verdampferraum des Verdampfers ist von einer Begrenzungswand
begrenzt, der einen Gasaustrittskanal zur Erzeugung eines Gasstrahls
aufweist.
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Aus
DE 101 61 154 ist ein gattungsgemäßer Gasbrenner
bekannt. Die Gaskochstelle weist einen mit flüssigem Brennstoff, vorzugsweise
Pflanzenöl, betriebenen
Brenner auf. Der Brenner ist mit einem Verdampfer vorgesehen, der
an ein Zulaufrohr für den
Brennstoff angeschlossen ist. Der Verdampfer ist mit einem Gasaustrittskanal
versehen, die auf eine Pralleinrichtung für das Gas-/Luft-Gemisch gerichtet ist.
Bei dem mit flüssigem
Pflanzenöl
betriebenen Brenner können
während
des Verdampfungsprozesses Spaltungs- und Rekombinationsvorgänge des Pflanzenöls stattfinden.
Dabei entstehen Crack-Produkte, die in dem Verdampfer sowie an des
Gasaustrittskanals Ablagerungen bilden. Diese müssen nach dem Betrieb des Brenners
entfernt werden, um eine Verstopfung des Gasaustrittskanals zu vermeiden.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Gasbrenner für flüssigen Brennstoff
bereitzustellen, der zuverlässig
betrieben werden kann.
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Die
Aufgabe ist durch eine Gaskochstelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
Gemäß dem kennzeichnenden
Teil des Patentanspruchs 1 ist der Verdampfer zumindest doppelwandig
mit einer Innenwand und einer Außenwand ausgebildet. Die beiden
Wände können zur
Erfüllung
unterschiedlicher Funktionen aus verschiedenen Materialien gefertigt
sein. Beispielsweise ist es günstig, wenn
die Innenwand aus einem chemisch inaktiven Material, wie etwa Edelstahl,
besteht. Die Außenwand
des Verdampfers kann bevorzugt aus einem wärmeleitfähigen Material, wie etwa Kupfer,
bestehen.
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Bevorzugt
ist es auch, wenn der Gasaustrittskanal einen sich vom Verdampferraum
verjüngenden Öffnungsrand
aufweist. Dadurch ist ein scharfkantiger Übergang von der Begrenzungswand des
Verdampfers in den Gasaustrittskanal vermieden. So können sich
weniger Ablagerungen im Mündungsbereich
des Gasaustrittskanals festsetzen.
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Vorteilig
kann die Drosselstelle des Gasaustrittskanals in der Innenwand des
Verdampfers ausgebildet sein. Damit können sowohl der Eintrittsöffnungsrand
als auch die Drosselstelle des Gasaustrittskanals, die beide mit
Bezug auf Ablagerungen kritisch sind, fertigungstechnisch günstig nur
in der Innenwand des Verdampfers ausgebildet werden. Bei dieser
besonderen Anordnung der Drosselstelle können auch Gaskriechströme durch
einen Ringspalt vermieden werden, der bei der Herstellung des Verdampfers
zwischen gegenüberliegenden
Grenzflächen
der Innenwand und der Außenwand
entstehen kann.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform kann
der sich verjüngende Öffnungsrand
des Gasaustrittskanals konusartig ausgebildet sein. Vorzugsweise
weist der Öffnungsrand
einen Konuswinkel zwischen 50° und
70° auf.
Dadurch wird ein besonders glatter Übergang zwischen der Verdampfer-Begrenzungswand
und dem Gasaustrittskanal erreicht.
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Der
sich verjüngende Öffnungsrand
des Gasaustrittskanals kann in eine Drosselstelle übergehen.
Die Drosselstelle ist vorteilhaft hohlzylindrisch ausgebildet. Um
ein weitgehend stabiles Drosselverhalten der Drosselstelle zu erreichen,
erstreckt sich die Drosselstelle in Axialrichtung vorteilhaft über eine gewisse
Länge.
Eine derart langgestreckte Drosselstelle führt andererseits vermehrt zu
Ablagerungen im Gasaustrittskanal. Besonders vorteilhaft liegt die Länge der
Drosselstelle bei etwa 0,5 mm. Dadurch sind bei einem hinreichend
stabilen Drosselverhalten die Ablagerungen im Bereich des Gasaustrittskanals verringert.
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Strömungstechnisch
vorteilhaft ist es, wenn der Gasstrahl kegelförmig aus dem Gasaustrittskanal tritt.
Dadurch ist eine gute Durchmischung des austretenden Gasstrahles
mit der Umgebungsluft erreicht. Zur Erzeugung eines kegelförmigen Gasstrahls
ist es von Vorteil, wenn die Austrittsöffnung des Gasaustrittskanals
konusartig aufgeweitet ist. Dabei ist bevorzugt ein Konuswinkel
der Kanalaustrittsöffnung
größer als
ein Konuswinkel des austretenden Gasstrahls, um Strömungsverluste
zu reduzieren.
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Der
Verdampfer kann als ein Verdampferrohr ausgebildet sein, das sich
durch einen Flammenbereich des Brenners erstrecken kann. Dadurch
ist eine zuverlässige
Verdampfung des flüssigen
Brennstoffs gewährleistet.
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Bevorzugt
ist es auch, wenn in der Außenwand
des Verdampfers ein Gasstrahldurchlass ausgebildet ist, dessen Strömungsquerschnitt
größer als der
der Drosselstelle ist. Bei einem Drosselstellendurchmesser von 0,4
mm kann etwa der Gasstrahldurchlass in der Außenwand einen Durchmesser von 2
bis 4 mm aufweisen.
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In
einem Herstellungsverfahren des Gasaustrittskanals wird eine als
der Gasaustrittskanal dienende erste Bohrung sowie eine gegenüberliegende zweite
Bohrung in die Begrenzungswand des Verdampfers gebohrt. Anschließend wird
ein in den Verdampferraum mündender Öffnungsrand
der ersten Bohrung mittels eines Bohrwerkzeugs angefast, das durch
die zweite Bohrung geführt
ist. Danach wird die zweite Bohrung mittels eines Verschlusselements geschlossen.
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Nachfolgend
sind zwei Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der beigefügten
Figuren beschrieben. Es zeigen:
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1 stark
schematisiert einen Pflanzenölkocher
in perspektivischer Ansicht;
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2 in
einer vergrößerten Schnittdarstellung
eine Einzelheit X aus der 1; und
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3 eine
Ansicht entsprechend der 2 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
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In
der 1 ist stark schematisiert ein mit einem mit Pflanzenöl betriebener
Gasbrenner gezeigt. Der Gasbrenner weist einen Behälter 1 auf,
der mit flüssigem
Pflanzenöl
gefüllt
ist. Der Behälter 1 ist
mit einer Luftpumpe 3 vorgesehen, mit der ein Druck im Behälter 1 erhöht werden
kann. Das flüssige
Pflanzenöl
kann bei einem Überdruck
im Behälter 1 über eine
Zulaufleitung 5 zu einer Verdampferrohrschlange 7 geleitet
werden. Die Rohrschlange 7 ist doppelwandig ausgebildet
und weist ein Innenrohr 9 sowie ein Außenrohr 11 auf. Die
Verdampferrohrschlange 7 ist über ihre beiden Enden strömungstechnisch
in Verbindung mit einer Kappe 6, die flüssigkeitsdicht auf ein Ende
der Zulaufleitung 5 geschraubt ist.
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Die
beiden Rohrenden des Innenrohres 9 ragen über die
entsprechenden Rohrenden des Außenrohres 11 hinaus.
Damit ist das Verdampferrohrschlange 7 fertigungstechnisch
vorteilig nur über
die Rohrenden des Innenrohres 9 an der Kappe 6 befestigt.
Die ineinander gesteckten Rohre 9, 11 sind zu zwei
symmetrischen Schleifen 13, 15 geformt, die zueinander
V-förmig
angeordnet sind. In einem Übergangsabschnitt
zwischen den beiden Schleifen 13, 15 ist in die
Rohrschlange 7 ein Gasaustrittskanal 17 gebohrt.
Diese ist auf eine davon beabstandete Prallplatte 19 gerichtet.
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Sowohl
die Verdampferrohrschlange 7 als auch die Prallplatte 19 sind
innerhalb eines hohlzylindrischen Flammenleitbleches 21 gehaltert,
das in der 1 mit gestrichelter Linie dargestellt
ist. Dabei kann ein oberer Rand des Flammenleitbleches 21 als eine
Abstellfläche
für ein
Gargutbehältnis
dienen. In der Zulaufleitung 5 ist ein Druckreduzierventil 23 geschaltet,
mit dem eine Heizleistung des Gasbrenners eingestellt werden kann.
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In
der 2 ist in einer vergrößerten Seitenschnittdarstellung
der Gasaustrittskanal 17 gezeigt. Der Gasaustrittskanal 17 weist
eine hohlzylindrische Drosselstelle 27 auf, die sich in
einer Axialrichtung A des Gasaustrittskanals 17 über eine
Länge d
von ca. 0,4 mm erstreckt. Der Gasaustrittskanal 17 ragt
in einen vom Innenrohr 9 begrenzten Verdampferraum 29.
Sowohl das Innenrohr 9 als auch das Außenrohr 11 weisen
eine Wandstärke
w von etwa 1 mm auf. Der Gasaustrittskanal 17 weist einen Öffnungsrand 31 auf,
der sich ausgehend vom Verdampferraum 29 in einer Gasströmungsrichtung
verjüngt.
Der sich verjüngende Öffnungsrand 31 des
Gasaustrittskanals ist konusartig ausgebildet und weist einen Konuswinkel α von 60° auf. Das
Außenrohr 11 weist demgegenüber ausgangsseitig
des Gasaustrittskanals 17 einen Gasstrahldurchlass 33 auf.
Dieser ist mit einem Durchmesser a von ca. 2 bis 4 mm ausgebildet
und damit um ein Vielfaches größer als
ein Durchmesser der Drosselstelle 27 von etwa 0,4 mm.
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Die
Rohre 9, 11 werden, bevor sie zu der Verdampferrohrschlange 7 gebogen
werden, ineinander gesteckt. Dabei kann zwischen den gegenüberliegenden
Grenzflächen 35, 37 der
beiden Rohre 9, 11 ein geringfügiger Ringspalt 39 entstehen,
wie er in der 2 angedeutet ist. Aus dem Gasaustrittskanal 17 können nachteilige
Gaskriechströme
durch den Ringspalt 39 strömen.
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Für einen
Betrieb muss der Brenner zunächst
mittels einer externen, nicht gezeigten Zündvorrichtung gezündet werden.
Eine externe Zündung ist
notwendig, da ein Zündpunkt
für Pflanzenöl im Bereich
von 300° C
liegt. Die Zündvorrichtung
kann beispielsweise mit Kerosin oder Dieselöl arbeiten, dessen Zündpunkt
lediglich bei ca. 50° C
liegt. Zum Starten eines Brennvorgangs des Brenners wärmt die Zündvorrichtung
die Verdampferrohrschlange 7 für beispielsweise 30 Sekunden
vor. Die so entstehende Wärme
reicht aus, um den Verdampfungsvorgang in der Verdampferrohrschlange 7 zu
starten und einen aus des Gasaustrittskanals 17 austretenden
Gasstrom zu entzünden.
Um dabei den Brennvorgang aufrecht zu erhalten, muss ein Absinken
des Drucks im Behälter 1 durch
ein gelegentliches Betätigen
der Luftpumpe 3 ausgeglichen werden.
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In
einem Mündungsbereich
des Gasaustrittskanals 17 innerhalb des Verdampferraumes
kann der Gasdruck bis auf ca. 3 bar ansteigen, wodurch ein Gasstrahl
G mit hoher Geschwindigkeit aus des Gasaustrittskanals 17 gestoßen wird.
Der aus des Gasaustrittskanals 17 austretender Gasstrahl
G ist in der 2 durch gestrichelte Linien
dargestellt. Der Gasstrahl G wird in Form eines Kegels mit einem
Kegelwinkel zwischen 15° – 20° aus dem
Verdampferraum 29 über
der Gasaustrittskanal 17 in einen Gas-/Luft-Mischbereich 41 geblasen.
Der Gas-/Luft-Mischbereich 41 ist nach oben durch die Prallplatte 19 begrenzt.
Dadurch ist für
eine gute Durchmischung des Gasstrahls G mit der Umgebungsluft U
gesorgt, die bodenseitig durch das Flammenleitblech 21 in
den Mischbereich 41 geführt
wird. Die Prallplatte 19 bewirkt eine Erhöhung der
Verweilzeit des Gas-/Luftgemisches in dem Mischbereich 41 und
hält die
erzeugte Flamme im Bereich der Verdampferschleifen 13, 15.
Die hierbei in den Verdampferschleifen 13, 15 entstehende
Wärme reicht
aus, um den Verdampfungsvorgang in der Verdampferrohrschlange aufrechtzuerhalten
und um genügend verdampftes
Pflanzenöl
zu des Gasaustrittskanals 17 zu speisen.
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Durch
den sich verjüngenden Öffnungsrand 31 des
Gasaustrittskanals 17 wird eine strömungsverlustfreie Umlenkung
der mit Pfeilen in der 2 angedeuteten Gasströmung vom
Verdampferraum 29 in der Gasaustrittskanal 17 erreicht.
Eine solche Umlenkung ist aufgrund der Stoffeigenschaften des Pflanzenöls für einen
zuverlässigen Brennerbetrieb wichtig:
Pflanzenöl
besteht nämlich
aus langkettigen Glyzeriden der Fettsäuren, wodurch dessen Viskosität um das
20- bis 30-fache größer ist
als beispielsweise bei Petroleum. Bei Spaltungs- und Rekombinationsvorgängen des
Pflanzenöls
während
der Verdampfungsphase können
Crack-Produkte entstehen, die sich als Ablagerungen an des Gasaustrittskanals 17 und
in der Verdampferrohrschleife 7 festsetzen. Diese müssen nach
dem Kochvorgang entfernt werden, um Verstopfungen in des Gasaustrittskanals
zu vermeiden. Durch den erfindungsgemäßen glatten Übergang
von der den Verdampferraum 29 begrenzenden Begrenzungswand über den
sich verjüngenden Öffnungsrand 31 in
die Drosselstelle 27 des Gasaustrittskanals 17 können sich
solche Ablagerungen im Bereich des Gasaustrittskanals nur in verringertem
Maße festsetzen.
Damit kann der Brenner bei verringertem Reinigungsbedarf des Verdampferraumes 29 trotzdem
zuverlässig
arbeiten.
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Zur
Reinigung des Verdampferraumes 29 wird zunächst die
Rohrschlange 7 mit ihrer Kappe 6 von der Zulaufleitung 5 geschraubt.
Danach kann durch die Rohrschlange 7 eine Reinigungsbürste geführt werden.
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Wie
in der 2 dargestellt ist, ist der Gasstrahldurchlass 33 im
Außenrohr 11 um
ein Vielfaches größer als
der Gasaustrittskanaldurchmesser. Dadurch ist der zwischen den Grenzflächen 35, 37 der
Rohre 9, 11 gebildete Ringspalt 39 außerhalb
des aus der Drosselstelle 27 tretenden Gasstrahl G angeordnet.
Es ist daher nicht zu befürchten,
dass ein Anteil des Gasstrahls G als ein Kriechstrom in den Ringspalt 39 umgeleitet
und an den freien Enden des Außenrohrs 11 austreten
kann.
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Wie
in der 2 angedeutet ist, befindet sich der größte Teil
der aus dem Gasaustrittskanal 17 gestoßenen Gasmenge innerhalb des
in der 2 gezeigten Gasstrahl-Kegels. Die Anordnung des
Ringspaltes 39 außerhalb
des Gasstrahl-Kegels verhindert zuverlässig, dass eine nennenswerte
Gasmenge in den Ringspalt 39 eindringen kann und als ein
Gaskriechstrom durch den Ringspalt 39 strömt.
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Zur
Herstellung der Verdampferrohrschlange 7 werden zunächst die
beiden langgestreckten Rohre 9, 11 ineinander
geschoben. Daraufhin wird die Verdampferrohrschlange 7 entsprechend
der 1 schraubenlinienförmig mit den zwei Verdampferrohrschleifen 13, 15 gebogen.
Danach wird in einem Übergangsabschnitt zwischen
den beiden Verdampferschleifen 13, 15 der Gasaustrittskanal 17 gebohrt. Hierzu
wird gemäß der 2 mit
einem ersten Bohrwerkzeug 45 von einer unteren Seite ein
erstes Bohrloch 47 in die Verdampferrohrschlange 7 gebohrt
und auf der gegenüberliegenden
Seite der später
ausgebildete Öffnungsrand 31 des
Gasaustrittskanals 17 angesenkt. In einem weiteren Arbeitsschritt
wird mit einem zweiten, kleineren Bohrwerkzeug 49 mit einem
Durchmesser von ca. 0,4 mm zur Ausbildung der Drosselstelle 27 der
angesenkte Bereich 31 durchbohrt. Der Gasstrahldurchlass 33 im
Außenrohr 11 kann
dabei bereits gebohrt werden, bevor die beiden Rohre 9, 11 ineinander
gesteckt werden. In einem weiteren Arbeitsschritt wird eine Verschlussplatte 51 zum
Verschließen
des Bohrlochs 47 außenseitig
auf das Außenrohr 11 gelötet.
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In
der 3 ist gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
eine weitere Ausführung
des Gasaustrittskanals 17 dargestellt. Der Gasaustrittskanal 17 aus
der 3 ist ebenfalls in dem Gasbrenner aus der 1 anwendbar.
Im Unterschied zur 2 geht der sich vom Verdampferraum 29 verjüngende konusartige Öffnungsrand 31 des
Gasaustrittskanals 17 direkt über in einen sich konusartig
erweiternden Austrittsöffnungsrand 51.
Dabei entsteht an dem spitzwinkeligen Übergang zwischen dem Eintrittsöffnungsrand 31 und
dem Austrittsöffnungsrand 51 eine kreislinienförmig verlaufende
Drosselstelle 27. Diese hat im Gegensatz zur 2 keine
nennenswerte Erstreckung in der Axialrichtung A.
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Wie
in der 2 ist auch gemäß der 3 die
Drosselstelle 27 in Gasströmungsrichtung vor dem Ringspalt 39 angeordnet.
Ein Konuswinkel β des Austrittsöffnungsrandes 51 beträgt dabei
ca. 40°.
Der Gaskegel G nimmt dagegen einen Kegelwinkel γ von etwa 20° ein. Der Ringspalt 39 ist
daher ausreichend beabstandet von dem austretenden Gasstrahl G,
so dass dieser an dem Ringspalt 39 vorbei in den Mischbereich 41 strömt.