DE2836534A1

DE2836534A1 - Verfahren zum verbrennen fluessigen brennstoffes in einer anlage mit mindestens einem zerstaeuber sowie brenneranlage zur ausfuehrung des verfahrens

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Publication number: DE2836534A1
Application number: DE19782836534
Authority: DE
Inventors: Siegfried Schilling
Original assignee: OERTLI AG
Current assignee: OERTLI AG
Priority date: 1978-08-21
Filing date: 1978-08-21
Publication date: 1980-02-28
Also published as: GB2028997A; CH642731A5; DK346279A; NL7906326A; IT7912717A0; GB2028997B; BE878320A; FR2434336A1; FI65322B; ES483968A1; DE2836534C2; JPS5541393A; US4295821A; IT1124163B; FI65322C; FR2434336B1; GR66836B; FI792527A; SE7906854L

Description

«. "3 —

Verfahren zum Verbrennen flüssigen Brennstoffes in einer Anlage mit mindestens einem Zerstäuber sowie Brenneranlage zur Ausführung des Verfahrens

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbrennen flüssigen Brennstoffes in einer Anlage mit mindestens einem Zerstäuber sowie eine Brenneranlage zur Ausführung des Verfahrens mit einer Drallzerstäuberdüse, einem dem Düsen- . mund nachgeschalteten Flammenhalter sowie ein Verbrennungsluftzufuhrrohr, in welchem die Düse koaxial angeordnet ist.

Im Zuge der Energiesparung, des Umweltschutzes bezüglich Abgasen und des Lärmschutzes ist die Fachwelt heute bestrebt, derartige Verfahren und Anlagen zu konzipieren, welche eine möglichst vollständige Verbrennung des Brennstoffes bei besten Wirkungsgraden der Verbrennung und der thermischen Seite sowie geringste Lärmemissionen aufweisen.

Wie bekannt, werden Heizölbrenner im Leistungsbereich von 1 bis 1000 kg/h überwiegend nach dem Druckzerstäuberprinzip gebaut.

Hierbei wird das Heizöl unter relativ hohem Druck zerstäubt, wobei der aus der Düse austretende Oelnebel durch ein Tropfenkollektiv verschiedener Grosse und Verteilung charakterisiert ist.

Eine gute Vermischung der Tropfen mit der Verbrennungsluft und damit die Sicherstellung des Sauerstoffangebotes entsprechend der Brennstoffverteilung ist für die nachfolgende Verbrennung und ihre Qualität von entscheidender Bedeutung.

. Nach dem gültigen Stand der Technik wird diese Gemischbildung

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in sog. Mischeinrichtungen eingeleitet und in den Feuerräumen der Wärmeerzeuger (Kessel) fortgesetzt und beendet. Im allgemeinen sind die Mischeinrichtungen so ausgebildet, dass die Gemischbildung unmittelbar hinter der Zerstäuberdüse in der Ebene eines sog. Flammenhalters einsetzt, wobei die Verbrennungsluft in der Regel mit relativ hohem Impuls durch ein Brennerrohr in den Sprühkegel des Brennstoffstromes eingeführt wird.

Partiell verlaufen Gemischbildung und Verbrennung zeitlich hintereinander; über den Gesamtquerschnitt und den Strömungsweg betrachtet, verlaufen jedoch beide Vorgänge in Zwischenphasen gleichzeitig ab. Gemischbildung und Verbrennung beeinflussen sich also gegenseitig und werden in starkem Masse von der Geometrie und den thermodynamisehen Verhältnissen der Feuerräume geprägt.

Wie schon erwähnt, setzt die Gemischbildung mit der Erzeugung eines Oelnebels ein, wobei die Gemischqualität von der Feinheit und einer gleichmässigen Verteilung der Tropfen über den Mischquerschnitt abängt.

Es ist bekannt, dass handelsübliche Düsen gleicher Grossen sehr unterschiedliche Tropfengrössenspektren und Verteilungen über den Strahlquerschnitt aufweisen, was zu ungenügender Verbrennung oder zu Gegenmassnahmen, wie Erhöhung des Luftimpulses und/oder Erhöhung des Luftüberschusses führt. Die negativen Nebenwirkungen sind grössere Wärmeverluste durch höhere Abgasvolumenströme, die Bildung von Randnebelfeldern des Brennstoffes an Flammenwurzel und Flammenbauch, die Unterkühlung der Flammenhalter und damit ihre starke Verschmutzung sowie die Anhebung des Geräuschpegels.

Druckzerstäuberdüsen für Oeldurchsätze <C 2 kg/h weisen wegen ihren zwangsläufig kleinen Bohrungen und Kanälen eine weite

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Streuung der Zerstäubungsqualität auf. Verstärkt wird diese Unsicherheit noch durch die Empfindlichkeit gegen Verschmutzung. In diesem Leistungsbereich lässt sich ungenügende Oelnebelqualität nur noch beschränkt durch Erhöhung des Luftimpulses kompensieren, da der Verkleinerung der Strömungsquerschnitte sowie der Erhöhung des Luftüberschusses technisch-wirtschaftliche Grenzen gesetzt sind. Erfahrungsgemäss lassen sich in üblichen Mischeinrichtungen mit Flammenhaltern durch hohe Luftimpulsströme gute Verbrennungsqualitäten erreichen.

So sind in der Feuerungstechnik zur Verbesserung der Verbrennung sog. Verbrennungshilfen bekannt. Das sind ganz oder teilweise Auskleidungen der Feuerräume aus hitzebeständigen, keramischen Massen und/oder Rohre aus zunderfreien Stählen, die die Flammen über ihre Länge oder Teillänge ganz oder teilweise umschliessen.

Weitere Massnahmen sind verlängerte Brennerrohre in verschiedenen Bauformen mit oder ohne keramische Auskleidungen zur Wärmespeicherung und/oder zur Unterstützung einer Rezirkulation von Verbrennungsgasen.

Einschränkend für die Anwendung der beschriebenen Verfahren ist die Tatsache, dass der Brennerbauer keinen konstruktiven Einfluss auf die Gestaltung der Feuerräume in Wärmeerzeugern hat. Dieses gilt ganz besonders im mittleren, kleinen und kleinsten Leistungsbereich.

Nachteile der beschriebenen Gestaltung von Brennerrohren sind, dass die Durchmesser in der Regel so gewählt werden, dass keine Oeltropfen auf die Wandungen auftreffen sowie die Rohrlängen so, dass die Flammen möglichst über eine lange Strecke geführt werden. Dieses führt zu relativ grossen und langen Brennerrohren und damit zu erheblichen Eintauchtiefen in die Feuerräume.

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Massnahmen zur Erzeugung einer kontrollierten Rezirkulation von Verbrennungsgasen sind relativ aufwendig und machen für den Start des Brenners Hilfseinrichtungen, wie z.B. motorisch gesteuerte Luftklappen erforderlich, da die für die Anregung einer Rezirkulation notwendige hohe Strömungsgeschwindigkeit des Treibstrahles eine sichere Zündung bei Vollast verhindert.

Es ist eine grosse Anzahl derartiger Brenneranlagen bekannt geworden, die nicht nur unterschiedlich konzipiert sind, sondern auch nach unterschiedlichen Verfahren arbeiten. So wurde für die Verbrennung von flüssigen Brennstoffen ein Verfahren veröffentlicht, bei welchem Heiz- oder Dieselöl mit Luft wie folgt verbrannt wird: Mit einem mechanischen Zerstäuber wird in einer ersten Verfahrensstufe der Brennstoff zerstäubt, wonach in einer zweiten Verfahrensstufe ein weiteres gasförmiges Medium tangential zugeführt und in einer dritten Verfahrensstufe mit einer koaxialen, gleichgerichteten Zuführung für die Verbrennungsluft gearbeitet wird.

Bei diesem sowie bei andern Brenneranlagen hat sich gezeigt, dass man diese nicht mit stöchiometrischen Verhältnissen betreiben kann, so dass bei der Verbrennung eines Brennstoff-Luftgemisches bei Anstrebung des stöchiometrischen Luft-Brennstoff Verhältnisses Russ gebildet wird. Diese Russbildung ist äusserst nachteilig, da die Brennkammer und nachgeschaltete Teile verschmutzt werden. Dadurch werden die Wärmeübertragungsverhältnisse ganz empfindlich verschlechtert.

Um die unerwünschte Russbildung zu vermeiden, wurden deshalb in der Regel Brenneranlagen mit Luftüberschuss gefahren, derart, dass wohl der Brennstoff vollständig verbrannte, jedoch die Rauchgase mit einem erheblichen Sauerstoffanteil ausströmten. Auf diese Weise konnten aber keine optimalen

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Verbrennungswirkungsgrade erreicht werden. Im übrigen zeigte die Praxis, dass selbst bei Luftüberschuss keine stöchiometrische Verbrennung erfolgte, so dass trotzdem Russbildungen auftraten.

So wurde denn auch versucht, (DE-OS 2 511 500) ein Verfahren zur Verbrennung von flüssigen Brennstoffen zu entwickeln, welches durch verschiedenste Massnahmen erlauben sollte, unter stöchiometrischen Bedingungen ohne Russbildung zu arbeiten und welches darüberhinaus sogar bei unterstöchiometrischen Bedingungen, d.h. bei zu geringem Luftanteil, keinen Russ bildet. Diese Bedingungen sollten auch unter verschiedensten konstruktiven Voraussetzungen erfüllbar sein. Diese Aufgabe wurde gemäss dieser Vorveröffentlichung dadurch angestrebt, dass eine Stabilisierung des Gemischstrahles durch eine Kontrolle der Strömung und der Temperatur des Strahles erfolgen sollte. Eine derartig gewünschte Kontrolle der Strömung und der Temperatur wurde gemäss dieser Vorveröffentlichung in der Formgebung eines der Zerstäubung- und Mischzone folgenden Einsatzes zu erreichen versucht, wobei als derartige Kontrolle der Strömung sowohl eine Kontraktion der Strömung als auch eine vorgängige Expansion und anschliessende Kontraktion ins Auge gefasst wurde. Es werden dabei auch Ausführungen empfohlen, mit der Zerstäuberdüse nachfolgendem, sich sehr stark erweiterndem Diffusor aus cheramischem Material, aber auch nachgeschaltete Cheramikrohre konstanten Innerquerschnittes, sich vor der Zerstäuberdüse verengende und dann gleichbleibende Luftzuführrohre, doppelkegelförmige Vorsätze mit sich zuerst erweiterndem, dann verengendem Querschnitt oder zuerst verengendem und dann erweiterndem Querschnitt. In dieser Vorveröffentlichung sind ungefähr alle mög.lichen Formen aufgeschrieben und dargestellt, welche überhaupt bei dieser grundsätzlichen Anordnung möglich sind. Für den Verbrennungsfachmann, und insbesondere den Zerstäubungsfachmann, ist damit ungeachtet, ob und wie mit diesen Anordnungen die gestellte Aufgabe gelöst werden kann

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oder nicht, offensichtlich das ganze mögliche Feld für derartige Verbrennungsanlagen morphologisch praktisch offenbart. Wichtig ist indessen, dass diese Vorveröffentlichung festhält, der der Düse folgende, den Mischraum begrenzende Teil müsse aus hitzespeicherndem Material bestehen, um die Flamme zu stabilisieren. Es wird dabei präzisiert, dass es sich um Cheramikteile handelt. Global wird gemäss dieser DE-OS die Ausgestaltung des Brennerrohres so zu wählen sein, dass die Verbrennungsluft in die Mischströmung von Oeltröpfchen und Zusatzmedium eingebracht wird, wobei dieses Brennerrohr aber nicht so sein darf, dass sich Oeltröpfchen an den sich verengenden Wandungen nach dem Brenner absetzen.

Mit den in dieser Vorveröffentlichung beschriebenen Ausführungen von Brenneranlagen kann aufgrund durchgeführter Versuche die gestellte Aufgabe nicht gelöst werden, sofern an der Bedingung festgehalten wird, dass sich keine OeI-tropfen an den sich verengenden Wandungen absetzen dürfen.

Grundsätzlich kann gesagt werden, dass die bekannten Verfahren und Ausführungen von Verbrennungseinrichtungen sich hauptsächlich auf den Leistungsbereich über 2 kg/h beziehen, wobei die instationären Betriebszustände (Startphase) nur ungenügend beherrscht werden. Dieses zeigt sich besonders in der relativ starken Russbildung beim Start der Brenner.

Aufgrund der einschlägigen Kenntnisse bezüglich Zerstäubung von Flüssigkeiten sowie der sich abspielenden Strömungsverhältnisse in derartigen Brenneranlagen und unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Gaszähigkeit bei den erreichten hohen Verbrennungstemperatüren ausserordentlich stark ansteigt und die Dichte nach Gay-Lussac mit steigender Temperatur sinkt und aufgrund der unangenehmen praktischen Erfahrung der Russbildung, insbesondere bei intermittierend betriebenen Brenneranlagen, bezweckt die vorliegende Erfindung die Schaffung eines Verfahrens ^zum

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Verbrennen flüssigen Brennstoffes in kleinen Mengen in einer Anlage mit mindestens einem Zerstäuber in dem Sinn zu erwirken, dass ein möglichst stöchiömetrischer CO„-Betrag erreicht wird, keine Russbildung nach dem Abschalten der Anlage vorliegt, der Brenner geräuscharm läuft, was entsprechend geringe Luftgeschwindigkeit und Gasgeschwindigkeiten in der Anlage bedingt, und dass die Verbrennungsgase praktisch keine Kohlenwasserstoffverbindungen mit sich führen, wobei diese Bedingungen in einem grossen Bereich von der Luftüberschusszahl unabhängig sein sollen, also insbesondere bei 0 -Gehalten in der Abluft bzw. den Verbrennungsgasen zwischen ungefähr 2 und ungefähr 9 Vol.% sichergestellt werden müssen.

Das Verfahren zum Verbrennen flüssigen Brennstoffes welches die vorgezeichnete Aufgabe erfüllt ist dadurch gekennzeichnet, dass man einen Teil des zerstäubten Brennstoffes auf einem thermisch entkoppelten Wärmeleiter auffängt, ihn dort verdampft und mit Verbrennungsluft mischt und verbrennt, das Ganze derart, dass die Verbrennungsanlageteile nach deren Abstellen russfrei sind und der O„-Gehalt der Verbrennungsgase unter 10,1 Vol.% liegt.

Eine Brenneranlage zur Ausführung dieses Verfahrens ist gekennzeichnet durch einen thermisch entkoppelten rohrähnlichen Wärmeleiter , dessen Strömungsquerschnitt im Hauptbereich in Strömungsrichtung von hinten nach vorn zunimmt, wobei dieser Wärmeleiter im Betrieb der Anlage als Brennstoffverdampfer wirkt.

Im Gegensatz zu dem allgemein angestrebten Verhüten des Aufschlagens zerstäubten Brennstoffes auf Gemischführungswände, wie dies die DE-OS 2 511 500 expressis verbis fordert, liegt der vorliegenden Erfindung der Hauptgedanke zugrunde, die nach Ueberzeugung des Erfinders unmögliche Verhütung der Berührung von Wänden durch flüssige Brennstoffteilchen zur Kenntnis, zu nehmen, aber dafür zu sorgen, dass diesen Brenn-

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Stoffteilchen die Möglichkeit einer sofortigen anschliessenden Verdampfung gegeben wird. Dazu bedurfte es der Schaffung eines thermisch entkoppelten Wärmeleiters, welcher als Autothermoverdampfer wirkt, autotherm deswegen, weil die Startphase einer erfindungsgemässen Brenneranlage ohne Fremdenergiezufuhr, d.h. mittels der Verdampfungsenergie, die aus der Flamme selbst entnommen wird j abläuft.

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Die Erfindung wird beispielsweise anschliessend anhand einer Zeichnung erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Brenneranlage mit einer Hohlkegel-Druckzerstäuberdüse, einem vorgeschalteten Flammenhalter und einem venturiähnlichen, thermisch entkoppelten Wärmeleiter zur Brennstoffverdampfung,

Fig. 2 eine Variante der Ausführung gemäss Fig. 1, mit stufenweise abgesetzter Innenfläche des Wärmeleiters,

Fig. 3 einen Wärmeleiter in der Ausführung nach Fig. 1, mit umfänglich reihenweise angeordneten Luftzufuhrlöchern, im Längsschnitt,

Fig. 4 eine Ansicht auf den Wärmeleiter nach Fig. 3 von vorne,

Fig. 5 eine weitere Variante analog Fig. 1, mit sägezahnähnlicher Querschnittsbeschaffenheit der Innenfläche des Wärmeleiters, im Längsschnitt,

Fig. 6 eine Ansicht auf den Wärmeleiter nach Fig. 5 von vorne,

Fig. 7 eine zweite Variante der Ausführung nach Fig. 5, im Längsschnitt,

Fig. 8 eine Ansicht auf den Wärmeleiter nach Fig. 7 von vorne,

Fig. 9 eine Variante zur Ausführung nach Fig. 1, mit am Austritt des Wärmeleiters rippenbefestigter Prallscheibe ,

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Fig. 10 einen Teil der Ansicht auf den Wärmeleiter nach Fig. 9 von vorne,

Fig. 11 eine rein schematische Darstellung der angenommenen Strömungsformen in der Verbrennungsanlage, im Längsschnitt,

Fig. 12 ein Diagramm zur Darstellung der Verbrennung flüssigen Brennstoffes, mit Russausscheidungsangaben bzw. CH-Verbindungen in Funktion der Oy-Menge, in Vol.% in den Abgasen mit und ohne Einbau eines thermisch entkoppelten Wärmeleiters als Verdampfer.

Die Fig. 1 stellt einen Längsschnitt durch eine Verbrennungsanlage 1 dar. Diese weist ein Düsengestänge 3 bekannter Art, mit einer Dralldüse 4 auf, welche einenHohlzerstäuberkegel erzeugt. Dies ist in Form eines Tropfengemisches 6 ersichtlich.

Gleichachsig mit dem Düsengestänge 3 und der Dralldüse 4 ist ein Brennerrohr 8 vorgesehen, durch welches die Verbrennungsluft in ihrer Gesamtheit zuströmt. Diesem nachgeschaltet ist ein Verdampfereinsatz 10 mit einem konvergenten Einlaufteil 12 und anschliessendem Diffusor 13. Die ringförmige Wand des Diffusors 13 ist mit Bohrungen 15 versehen. Der Verdampfereinsatz 10 wird von einem Halterohr 16 umgeben. Der Verdampfereinsatz 10 ist mittels zweier Isolierringe 18 und 19 thermisch entkoppelt, derart, dass im Verdampfereinsatz 10 einmal eingebrachte Wärmenergie nicht durch die Metallteile, wie Brennerrohr 8 und Halterohr 16,abströmen kann. Zwischen dem Verdampfereinsatz 10 und dem Halterohr 16 wird ein Ringraum 21 gebildet. Der Dralldüse 4 unmittelbar nachgeschaltet, befindet sich ein Flammenhalter 22 mit einem Lochboden 23, wie"dies bei Brenneranlagen bekannt ist. Die durch das

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Brennerrohr 8 zuströmende Verbrennungsluft gelangt zum Teil durch den Lochboden 23 zum Tropfengemisch und zum Teil durch einen Luftringkanal 25, welcher aussen durch das vordere Ende des Brennerrohres 8 und das hintere Ende des Verdampfereinsatzes 10 bzw. des Isolationsringes 18 begrenzt ist und innen durch den Flammenhalter 22. Durch dessen vordere imaginäre Abschlussebene strömt die ganze Verbrennungsluft mit dem ganzen Brennstoff durch. Es ist rein schematisch ein Flammenkegel 26 dargestellt sowie die äussersten Brennstoff kegelmantellinien 28 und die innersten 30. Als Fortsetzung des Flammenkegels 26 ist die Flamme 32 stilisiert wiedergegeben.

Im Betrieb der Brenneranlage, wie sie beispielsweise in Fig. 1 dargestellt ist, spielt sich folgendes ab:

Wenn die Brenneranlage 1 in Betrieb genommen wird, so liefert das Gebläse die Verbrennungsluft, welche durch das Brennerrohr 8 strömt. Ein Teil gelangt durch den Lochboden 23 in den Flammenhalter 22, während der Rest der Luft den Flammenhalter 22 umströmt, um sich anschliessend wiederum mit der Luft, welche den Flammenhalter durchströmt, zu vereinen. Die Zündanlage befindet sich ebenfalls im Betrieb (nicht dargestellt) . Nun wird Brennstoff gefördert und in der Dralldüse zerstäubt. Vor dem Austritt des Tropfengemisches wird dieses mit Pressluft vermischt. Entsprechend der Düsenkonstruktion kann, wie im vorliegenden Fall Fig. 1 zeigt, das Tropfengemisch einen Hohlkegel darstellen. Dieses Gemisch wird ausserhalb der Dralldüse gezündet, wobei sich ein Flammenkegel 26 bildet. Bedingt durch die niedrigeren Formwiderstandsbeiwerte der grösseren Tropfen, befinden sich diese insbesondere im äusseren Teil des Kegelmantels und gelangen daher nach Durchstossen des entsprechenden Tropfen-Luft-Flammen-Gemisches auf den durch die Flamme sehr schnell erhitzten Verdampfereinsatz 10, auf welchen sie sich absetzen und verdampfen. Der Verdampfereinsatz 10 ist bezüglich Länge H so

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konzipiert, dass die innersten Tropfen entsprechend der Hohlkegelform 6 noch auf den Verdampfereinsatz 10 auftreffen können. Im allgemeinen ist dies nicht der Fall, da diese feinen Tropfen vorher ausbrennen. Durch den hintersten Kranz von Oeffnungen 15 gelangt Verbrennungsluft auch in den Ringraum 21, von wo sie durch die Kränze der Oeffnungen 15 im Diffusor 13 in diesen hineinströmt und dem im wandnahen Bereich des Verdampfereinsatzes 10 vorhandenen Gemisch den zur Verbrennung nötigen Sauerstoff liefert. Es entsteht dann ungefähr eine Flamme 32 von der angegebenen Form. Bei dieser Brenneranlage ist wesentlich, dass nach dem Abstellen der Anlage keine irgendwelchen Russspuren auf irgendeinem der Teile zu finden sind, insbesondere auch nicht am Verdampfereinsatz 10. Dieser ist so konzipiert, dass der Abstand von der Oeffnung der Düse 4 zum nahesten Berührungsort der äussersten Brennstoffkegel-Mantellinie 28, h, grossenordnungsmassig gleich ist wie die Diffusorlänge H des Verdampfereinsatzes 10. Im vorliegend gezeichneten Falle ist dieses Verhältnis H : h~ 1,25. Die entsprechenden Querschnittsflächen f und F verhalten sich F : f.*v> 2:1. Es kann aber auch H : h r^ 1 werden.

Dadurch, dass der Verdampfereinsatz von den übrigen Teilen der Anlage durch die beiden Isolationsringe 18 und 19 wärmeisoliert oder thermisch entkoppelt ist, verbleibt die durch die Flamme an den Einsatz 10 übertragene Wärme in diesem und kann nicht durch die übrigen bzw. in die übrigen Metallteile abströmen. Daher wird dieser Einsatz 10 sehr schnell erwärmt und behält seine Temperatur praktisch bei. Er erleidet, mit a.W., durch die Verdampfung der aufschlagenden Tropfen des Brennstoffgemisches keine Abkühlung, so dass die Tropfenverdampfung äusserst intensiv erfolgt. Auch materialmässig ist der Verdampfereinsatz 10 so ausgebildet, dass die düsennäheren Gebiete mehr Material aufweisen und mithin eine grössere Wärmekapazität beinhalten als das vordere Ende des Verdampfereinsatzes 10. Eine Entkopplung

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des Verdampfereinsatzes 10 erfolgt aber auch noch durch die Schutzwirkung des Halterohres 16 durch den Ringraum 21 und zu einem gewissen Teil ebenfalls durch das Brennerrohr 8.

Das Material, am besten Silizium-Nitrid, möglicherweise auch Alu-Titanat oder Glas des Verdampfereinsatzes 10 weist eine gewisse Porosität auf, wodurch die Benetzungseigenschaft durch die an der Verdampfereinsatzoberfläche zur Wirkung gelangenden Kapillarkräfte verbessert werden. Hierdurch wird sichergestellt, dass auftreffende Flüssigkeitstropfen an der relativ heissen Oberfläche des Verdampfereinsatzes 10 zerfliessen und nicht in Form des Leidenfrostphänomens als dampfumhüllte Kügelchen abprallen und in den Feuerraum geschleudert werden.

Die in Fig. 2 analog der Fig. 1 dargestellte Brenneranlage 35 ist grundsätzlich gleich aufgebaut wie diejenige nach Fig. 1. Nur der Verdampfereinsatz 37 weist innere Stufen 38 und äussere Stufen 39 auf. Es ist hier ebenfalls ein äusserer Dichtungsflansch 41 bezeichnet.

Durch diese Stufung wird die aktive Oberfläche für die Verdampfung vergrössert und gleichzeitig die Wirbelbildung zwecks Gemischverbesserung verbessert.

Die Fig. 3 und 4 zeigen den Aufbau des Verdampfereinsatzes 10, der aus vier gleichen Teilen zusammengesetzt ist, welcher durch das Halterohr 16 radial und die Rohre 8 und 16 achsial gehalten wird. Es ist auch die ungefähre Verteilung der Bohrungen 15 ersichtlich. Diese Einsatzsektoren sind mit 43 bis 46 bezeichnet.

Die Ausführung einer Brenneranlage gemäss den Fig. 5 und 6 zeigt einen Verdampfereinsatz 50 mit einem konvergenten Einlaufteil 51 und einem Diffusor 52. Dessen gezahnte Innenwand 54 erlaubt eine wesentliche Vergrösserung der aktiven

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Oberfläche bei gleichem Grunddurchmesser des Verdampfereinsatzes.

In den Fig. 7 und 8 ist eine weitere Möglichkeit der Ausführung eines Verdampfereinsatzes 57 dargestellt, welcher entweder mit Rippen 58 von eher zahnartigem Querschnitt oder mit runden Rippen 59, wie sie Fig. 8 zeigt, ausgerüstet sein kann. Auch diese Konstruktion weist relativ zu ihrem Durchmesser eine grosse innere Verdampferoberfläche auf. Im übrigen ist die Anlage gleich aufgebaut und funktioniert grundsätzlich gleich wie diejenige gemäss den Ausführungen nach den Fig. 1, 2 und 5.

Bei der Ausführung nach den Fig. 9 und 10 ist der Verdampfereinsatz 62 über Rippen 63 mit einem Prallplättchen 64 versehen. Dieses Prallplättchen 64 dient der Verkürzung der Flamme. Im übrigen ist auch diese Variante im Betrieb ähnlich wie die vorhergehenden.

Die rein schematische Figur 11 zeigt einen Teil eines Brennerrohres 70, einen Flammenhalter 71 mit einem Flammenkegel 72 sowie einen Flammenkörper 74 mit Flammenbauch 75. Im Bereich des Flammenbauches 75 sind Randwirbel 77 dargestellt. Im normalen Betrieb ergibt sich sichtbar ungefähr dieses Bild in Brenneranlagen gemäss den vorbesprochenen Figuren.

Im Diagramm gemäss Fig. 12 sind Versuchsreihen mit erfindungsgemässen Brenneranlagen, wie sie vorbeschrieben wurden, aufgezeichnet. Dabei wurden Vergleichsmessungen mit und ohne Verdampfereinsatz gefahren. Die beiden Arbeitsbereiche sind mit I ohne Verdampfer und II mit Verdampfer gekennzeichnet. Aus diesen Versuchen geht hervor, dass der überschüssige Sauerstoffgehalt im Bereich von ungefähr 2 bis nicht ganz 9 Vol.%.in der Abluft ein völlig russfreies sowie ein kohlenwasserstoff abgasfreies Arbeiten erlaubt, im Gegensatz zum

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Betrieb ohne Verdampfer, in welchem diese Bedingung nur bei einem Sauerstoffgehalt von 6% erreicht wird, während im normalen Arbeitsbereich eine gewisse, wenn auch geringe, Russmenge entsteht. Ausserhalb dieser Sauerstoffgehalte steigen im unteren Bereich die Russzahlen sehr steil an, während im oberen Bereich die Kohlenwasserstoffanteile in den Rauchgasen zunehmen. Daraus ist der grosse Vorteil und die sehr grosse Wirkung bezüglich Umweltschutz durch Abgase und bezüglich Verbrennungswirkungsgrad ersichtlich, welche mit dem Verdampfer, wie ihn die erläuterten Brenneranlagen vorsehen, erreicht wird.

Der auf die Oberfläche eines Verdampfereinsatzes auftreffende Brennstoffanteil soll mindestens 20 Gew.%, jedoch nicht mehr als 40% des Gesamtdurchsatzes betragen. Mit der max. Begrenzung ist sichergestellt, dass die Verbrennung bei Kaltstart nicht mit zu hohem Luftüberschuss abläuft und damit Kohlen-Wasserstoffe im Abgas nachweisbar werden.

Naturgemäss werden die auf dem Rand des Sprühkegels liegenden grossen Tropfen, wegen ihrer relativ hohen kinetischen Energie den Luft- bzw. Gasstrom durchschlagen und auf die Verdampferwandung auftreffen.

Diese Tropfen sind bei der Verwendung üblicher Mischeinrichtungen für das Zustandekommen der Randnebelfelder des Brennstoffes an der Flammenwurzel bzw. am Flammenbauch verantwortlich (Fig. 11).

Die feinen und feinsten Tropfen des Kollektives vermischen sich unmittelbar hinter dem Flammenhalter mit der Luft und reagieren mit dem Sauerstoff, wobei ihr Abbrand auf dem Wege durch den Verdampfereinsatz erfolgt. Die freiwerdende Wärme wird zum Teil durch Strahlung und Konvektion an die Wandung übertragen, die sich auf über 500°C aufheizt.

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1*

Am Flammenhalter entsteht ein leuchtender Flammenkegel, der sofort nach Brennerstart das erforderliche Licht für die Belichtung einer normalen fotoelektrischen Flammenüberwachung liefert.

Die Stabilität des Flammenkegels wird durch den max. möglichen Luftimpulsstrom sichergestellt. Hierzu wird, im Gegensatz zu bekannten Lösungen, die gesamte Verbrennungsluft zuerst durch die Mischebene A-A geführt.

Die Verdampferoberfläche wird in Haupt-Strömungsrichtung vom Brennstoff unterschiedlich beaufschlagt. So nimmt die Beaufschlagung mit zunehmendem Abstand von der Düse ab und die Wandtemperatur des Einsatzes zu.

Der Verdampfereinsatz ist so ausgebildet, dass genügend Wärme durch Leitung in das Gebiet der Oberfläche mit den grösseren Brennstoff-Massenstromdichten fliesst. Dabei werden die Kontaktstellen des Verdampfereinsatzes mit den Stütz- und Schutzelementen thermisch entkoppelt.

Für das rückstandslose Abdampfen des Brennstoffes ist ausser einer genügend hohen Temperatur eine ausreichende Sauerstoffkonzentration in Wandnähe erforderlich.

Diese wird mit der Ausführung des Verdampfereinsatzes dadurch sichergestellt, dass die Verbrennungsluft nach Austritt aus der Mischebene A-A vom äusseren Rand des Flammenhalters über und/oder durch die innere Wandung des Verdampfereinsatzes geführt wird. Hierbei vermischt sich die vorbeströmende Luft mit dem Brennstoffdampf; vorwiegend ist dies der Dampf der niedersiedenden Fraktionen. Ein Teil des Luftsauerstoffes reagiert mit den höhersiedenden Fraktionen an der Oberfläche des Verdampfereinsatzes.

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In Versuchen zeigte es sich, dass auch die Brennstoffteile abdampfen bzw. mit dem Sauerstoff reagierten, die mehrere mm tief in die feinen Poren des Wandmaterials des Verdampfereinsatzes eingedrungen waren. Diese Beobachtung lässt sich mit der Porendiffusion von 0 in porösen festen Brennstoffen deuten.

Es lässt sich z.B. bei Luftimpulsströmen von 0,2 für

s^z einen Brennstoffdurchsatz von 1 kg/h und grösseren· Strömen in gut geführten Feuerungen im Abgas mit 13 Vol.% CO „ kein Russ nachweisen. Die Erzeugung eines Luftimpulsstromes von:

m.kg

=0,2

erfordert einen freien Strömungsquerschnitt von

= t-.?= Ο,815·1θ"⁴ m²

Dieser Querschnitt ist wesentlich kleiner als der des erforderlichen Mittelloches eines üblichen Flammenhalters.

d . = 16mm —» S . = 2.1O⁴ m² mm mm

Durch die zusätzlich erforderlichen Strömungsquerschnitte für die Um- und Durchströmung der Flammenhalter sowie für die Sicherstellung der Belichtung einer, in Strömungsrichtung gesehen, vor dem Flammenhalter liegenden Fotozelle der Flammenüberwachung, liegen die effektiven Luftimpulsströme im Leistungsbereich<2 kg/h weit unter 0,2 , was zum Teil die unsicheren Verbrennungswerte in diesem Berevigh erklärt.

Aus diesen Betrachtungen ergibt sich, dass bei den anvisierten kleinen Leistungen die Durchströmquerschnitte zu

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klein würden, so dass im Betrieb Unregelmässigkeiten aufträten. Daher müssen diese grosser gestaltet werden, was aber andere Betriebsverhältnisse als bei grössern Leistungen schafft und damit neue Probleme aufwirft»

Durch Optimierung des Verdampfereinsatzes wird nun aber sichergestellt, dass dieser in kürzester Zeit nach Brennerstart eine Temperatur annimmt, die oberhalb der Siedetemperatur des Brennstoffes liegt (für Heizöl EL>300°O.

Der Aufheizvorgang des Verdampfereinsatzes kann wegen seinen relativ geringen Massen in erster Näherung mit einer Differentialgleichung 1. Ordnung beschrieben werden, deren Lösung nachstehende Exponetial-Funktion liefert:

Hierin bedeuten:

Jy zeitabhängige Wandtemperatur

V₁ Gastemperatur am Austritt des Verdampfers

V Wandtemperatur bei Start (t = o)

(2> Temperaturminderung durch Brennstoffverdampfung

τ Zeitkonstante

Es wird dabei auf die Zeitkonstante Einfluss genommen, da die Temperaturen durch die Aufgabe in der Regel festgelegt sind.

Für die Zeitkonstante kann geschrieben werden (s. Eckert, Wärme1ehre}:

_{τ =} Vc-? 2,11-C^V

ct.U.1 ..3 3. -. .9 3'

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wobei im Wert V allfällige Rippen des Verdampfers berücksichtigt werden. <

Hierin bedeuten:

c spez. Wärmekapazität des Werkstoffes

<? Dichte des Werkstoffes

λ Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffes

α Wärmeübergangszahl (Flammenkern Wand)

U effektiver Umfang des Einsatzes (Wärmeleiter)

1 effektive Länge des Einsatzes

Q Verdampferleistung

hil Temperaturdifferenz {/>, - ¹^-J nach t-*°°

$, Wandtemperatur an der Stelle mit der höchsten Brenn-

stoff-Massenstromdichte

S Querschnittsfläche des Einsatzes.

Mit der festgelegten Aufgabengrösse Q wird die Zeitkonstante besonders stark durch die Wahl des effektiven Umfanges U. sowie durch Beeinflussung des Wärmeüberganges α minimiert. Die Wahl des Werkstoffes ist aus Festigkeits-, Korrosions- und Fertigungsgründen eingegrenzt.

Von den drei erwähnten Materialien, Silizium-Nitrid, AIu-Titanat und Glas eignet sich eindeutig das Silizium-Nitrid am basten. Neben seinen thermischen Eigenschaften lässt es sich ausgezeichnet verarbeiten, wie pressen, ziehen und giessen und ist damit einer optimalen Formgebung zugänglich.

So kann zur Minimierung der Aufheizzeit der innere effektive Umfang ^u des Verdampfereinsatzes durch Berippung oder Erofilierung vergrössert werden.

Weitere Massnahmen zur Verkleinerung der Aufheizzeit können darin gesehen werden, dass die Oberfläche des Einsatzes stufenförmig ausgebildet wird, was zur Vergrösserung der

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-yC-

effektiven Länge 1 bei Wahrung einer Grundlänge führt.

Weiterhin bewirken die Abstufungen Ablösungen der Strömung in der Grenzschicht und damit eine Anhebung des Wärmeüberganges α.

Durch einen geringen technischen Aufwand wird dadurch unter Beibehaltung des eingeführten Verbrennungsprinzipes, besonders das der Oelverbrennung, über Oeldruckzerstäubung
die Verbrennungsqualität weitgehendst von der Streuung der Oelnebelqualität sowie von der Geometrie und den thermodynamischen Verhältnissen des Feuerraumes unabhängig gemacht. Ferner wird die Verrussung funktionswichtiger Bauteile, wie Flammenhalter u.dgl., ausgeschlossen. Es wird eine gute Verbrennungsqualität im Leistungsbereich unter 2 kg/h bei Oeldrücken <·7 bar unter Verwendung einer üblichen fotoelektrischen Flammenüberwachung erzielt. Auch werden durch einfache Massnahmen die instationären Betriebszustände beherrscht.

Im Sinne der vorstehenden Ausführungen werden mit einer zusätzlichen Brennstoffaufbereitung durch Verdampfen der grossen, auf dem Rand des Brennstoffkegeis liegenden Tropfen an einer festen, von einem Oxidationsmittel (Luft) über- und/ oder durchströmten heissen Oberfläche das rückstandlose
Abdampfen und Aboxidieren des Brennstoffes sichergestellt-

Durch die Sicherstellung eines stabilen Flammenkerns bzw.
-Kegels, der sofort nach Brennerstart erzeugt und aufrecht erhalten wird, wird die notwendige Wärme zum Aufheizen der Verdampferoberfläche sowie das erforderliche Licht für die Belichtung einer normalen fotoelektrischen Flammen-üeberwachung geliefert.

Durch die Führung der gesamten Verbrennungsluft durch die
Mischebene einer Mischeinrichtung mit Flammenhalter, wird

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lh

dort ein maximaler Luftimpulsstrom erzeugt, wobei erst nach Durchtritt durch die Mischebene der Luftstrom, je nach Ausführung der anschliessenden Verdampfereinrichtung in Einzelströme geteilt wird.

Durch die thermische Abkoppelung eines Verdampfereinsatzes von seinen Trägerelementen, wird das zu starke Abfliessen von Wärme verhindert.

optimale geometrische und thermodynamisch^ Auslegung des Verdampfereinsatzes mit der Forderung:

1. nach einer minimalen, den AufheiζVorgang beschreibenden, Z eitkonstante

_{τ =} V .-c .?

^a . U .1

2. nach einem maximalen axialen Wärmefluss:

Q = m.X.s.tanh(m.1)Δν |wl

in dem Verdampfereinsatz, wird die Verdampfungswärme an der Oberfläche mit der grössten Brennstoff-Massenstromdichte sichergestellt.

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Claims

Patentanwalt ^

Dr. W. Hesse - *-

München 9 Aiaainaß* β Oertli AG Dübendorf

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Patentansprüche

Verfahren zum Verbrennen flüssigen Brennstoffes in einer Anlage mit mindestens einem Zerstäuber, dadurch gekennzeichnet, dass man einen Teil des zerstäubten Brennstoffes auf einem thermisch entkoppelten Wärmeleiter auffängt, ihn dort verdampft und mit Verbrennungsluft mischt und verbrennt, das Ganze derart, dass die Verbrennungsanlageteile nach deren Abstellen russfrei sind und der O„-Gehalt der Verbrennungsgase unter 10,1 Vol.% liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man den gesamten zerstäubten Brennstoff mit der gesamten Verbrennungsluft in einer gemeinsamen Ebene (A - A) zusammenführt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass man nach der gemeinsamen Ebene einen Teil der Luft abzweigt und sie von aussen durch den Wärmeleiter in den Hauptstrom zurückführt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass man die Verbrennungsgase mit einem freien 0 Gehalt von höchstens 10 Vol.%, vorzugsweise zwischen 1,8 9,5 Vol.%, speziell zwischen 2,0 und 8,8 Vol.% abziehen lässt,

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man 20 - 40 Gew.% des gesamten Brennstoffdurchsatzes auf den Wärmeleiter bringt.

7. August 1978/YB

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ORIGINAL INSPECTED

6. Brenneranlage zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Drallzerstäuberdüse, einem dem Düsenmund nachgeschalteten Flammenhalter sowie einem Verbrennungsluftzufuhrrohr, in welchem die Düse koaxial angeordnet ist, gekennzeichnet durch einen thermisch entkoppelten rohrähnlichen Wärmeleiter, dessen Strömungsquerschnitt im Hauptbereich (H) in Strömungsrichtung von hinten nach vorn zunimmt, wobei dieser Wärmeleiter im Betrieb der Anlage als Brennstoffverdampfer wirkt.

7. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleiter eine in Teilen stufenförmige, eine gerippte oder gezahnte Innenfläche aufweist.

8. Anlage nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Prallkörper zur FlammenVerkürzung.

9. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand Düsenmund-Aufschlagort der Mantellinie des Flüssigkeitszerstäuberkegels ^₁ ist als der Abstand Aufschlagort-Wärmeleiteraustrittsebene (h -^H) .

10. Anlage nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch h : H/ν* 0,8 -r 1,0.

11. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleiter aus Silicium-Nitrid besteht.

12. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleiter zumindest teilweise eine kapillarwirkende Innenschicht aufweist.

13. Anlage nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine extrem kleine Zeitkonstante, z.B. -^ 200 see, vorzugsweise bis gegen 20 see.

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