DE2912102C2

DE2912102C2 - Brenner für flüssigen Brennstoff

Info

Publication number: DE2912102C2
Application number: DE19792912102
Authority: DE
Inventors: Johannes Wilhelmus Graat; Hans Theodoor Verhagen Nijmegen Remie
Original assignee: Smit Ovens Nijmegen Bv Nijmegen Nl; Smit Ovens Nijmegen Nijmegen BV
Current assignee: Smit Ovens Bv Nijmegen Nl
Priority date: 1979-03-27
Filing date: 1979-03-27
Publication date: 1986-02-20
Also published as: DE2912102A1

Description

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angfiordneter Körper würde die Ausbildung des Zy- von Anfang bis Ende ist Die eine Stirnseite wird von der

klons verhindern oder zumindest stark stören und so Stirnwand begrenzt, in der sich auch der oder die Ein-

keine gute Vermischung von Luft und Brennstoff erge- trittsöffnungen für den Brennstoffstrahl befinden. Es hat

ben. sich als vorteilhaft erwiesen, die Glühspirale oder den

Es stellt sich daher für einen Brenner der eingangs 5 Glühdraht in Form eines Bogensegmentes mit einem

genannten Art die Aufgabe, die Zündung ohne Störung Öffnungswinkel zwischen 30 und 330° in kurzem Ab-

der Erzeugung des Brennstoff-Luft-Gemisches zuver- stand von der Öffnung der MZK snzubringen. Dabei

lässig einziehen, wobei von Anfang an das Brennstoff- wird die Öffnung der MZK teilweise eingerahmt von

Luft-Verhä Itnis praktisch stöchiometrisch sein solL ohne dem Glühkörper.

daß komplizierte Zusatzeinrichtungen erforderlich sind. io Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den

Mißlungene Startversuche bei vorhandenem Brennstoff Glühkörper oder die Zündspirale in einem Abstand zwi-

sollen praktisch ausgeschlossen sein, da hierdurch eine sehen 5 und 30 mm von der Stirnseite der Brennkammer

erhebliche Verschmutzungsgefahr hervorgerufen wird. entfernt anzuordnen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst daß im Bereich Bei waagerecht liegender MZK ist es vorteilhaft den

der Misch- und Zerstäubungskammer ein beheizbarer is Glühkörper bzw. die Glühspirale unterhalb der Öffnung

Glühkörper im Strom des unverbrannten Brennstoff- der MZK anzubringen, so daß evtl. abtropfende oder

Luft-Gemisches liegt nach unten fallende größere öltröpfchen direkt auf die

Überraschenderweise hat es sich gezeigt daß be- Spirale fallen und dort zusätzlich zu dem Zerstäubungs-

kannte Elektrodenzündkerzen, auch solche mit Lyra- effekt auch noch verdampfen können.

Elektroden, offensichtlich wegen zu kurzer Zündzeiten, 20 Der Glühkörper wird allgemein so angebracht daß er

wegen geringer Energieübertragung oder wegen eines von dem turbulent aus der MZK austretenden Gemisch-

zu kleinen örtlichen Zündbereiches ein brennstoffarmes strahl möglichst intensiv durchsetzt wird, ohne voll im

Gemisch nicht oder nur sehr unzuverlässig zünden kön- Kern oder in der Achse dieses Strahls zu liegen. Vorteil-

nen. haft ist es, ihn benachbart zu der Öffnungskante der

Wird dagegen ein Glühkörper eingesetzt der vor- 25 MZK anzubringen, da bekannt ist daß sich an der Kante

zugsweise als Drahtwendel oder Zündspirale ausgeführt Abrißwirbel bilden. Wird die Kante abgerundet, damit

ist so kann das Gemisch an einem solchen Körper vor- aufgrund des Coanda-Effektes der Weg der Strömung

beistreichen, wobei die Verbrennungsreaktion sofort aus der Achsenrichtung herausgetragen wird, so ist die-

einsetzt, wenn Brennstoff der Luft zugemischt wird. ser Strömungsausbildung ebenfalls leicht die Anbrin-

Fehlzündungen werden praktisch überhaupt nicht be- 30 gung des Glühkörpers anzupassen. Bei einer solchen

obachtet Offensichtlich sind Glühkörper als Zünder be- Kantenabrundung bildet sich ein Flammenkegel mit ei-

sonders gut geeignet, da sie auf einer relativ kleinen nem öffnungswinkel zwischen 90 und 180° aus. Es wird

Fläche eine große Menge an Wärme an das Brennstoff- vorgeschlagen, daß sich der Glühkörper in diesem Falle

Luft-Gemisch örtlich übertragen können, so daß die an die Stirnwand anschmiegt bzw. in einer Nut einge-

Verbrennung zuverlässig eingeleitet wird. 35 paßt liegt.

Der Einschaltvorgang des Brenners vollzieht sich in Üblicherweise liegt der Glühkörper bzw. die Zündspi-

mehreren Schritten: rale in dem zwischen MZK und Flammenfront liegenden, relativ kühlen Bereich der im Betrieb befindlichen

a) Die Luftzufuhr wird eingeschaltet und die Brenn- Brenneranordnung. Hierdurch wird einmal gewährleikammer vorgespült. Anschließend wird der Glüh- 40 stet, daß vor Beginn der Verbrennung das aus der MZK köiper erwärmt, wobei die Luftzufuhr eingeschal- tretende Gemisch gut mit dem an der Öffnung liegentet bleibt. Die Brennstoffzufuhr ist noch unterbro- den Glühkörper in Kontakt kommt. Nach Einleiten des chen. Zündvorgangs und Abschalten des Heizstroms liegt der

b) Nach Ablauf einer Aufheizzeit bei der die Abküh- Glühkörper dann praktisch außerhalb der Flammenlungsrate des Glühkörpers durch die Luft berück- 45 front und wird nur mäßig erwärmt so daß er eine lange sichtigt ist, wird ein Brennstoffventil geöffnet und Lebensdauer hat

der Brennstoff der Luft — im endgültigen Verhält- Der Glühkörper besteht vorzugsweise aus Keramik

nis — zugemischt Es kommt unmittelbar darauf oder aus einer verzunderungsarmen Legierung, so daß

zur Zündung, wenn die Oberflächentemperatur des er nicht oder kaum verzundern kann. Die Form des

Glühkörpers zu diesem Zeitpunkt reichlich über 50 Glühkörpers kann sehr verschieden sein. Er soll schnell

der Zündtemperatur liegt, d. h. etwa die Tempera- zu erwärmen sein und eine gut wärmeabgebende Ober-

tur von 800⁰C erreicht hat. Die Einleitung des fläche besitzen. Es können keramische, kegelförmige

Zündvorgangs ist ein sehr komplexer Vorgang. Of- Glühkörper mit innenliegender Heizspirale, elektrisch

fensichtlich muß örtlich eine Energieübertragung beheizbare Bänder oder Wendel oder auch Plättchen

kontinuierlich über längere Zeit auf das Brennstoff- 55 verwendet werden. Eigenartigerweise reicht schon eine

Luft-Gemisch einwirken, damit es zur Einleitung relativ kleine Fläche aus, wenn sie während des Zünd-

der Brennreaktion kommt öltröpfchen, die auf die Vorganges kontinuierlich auf eine Temperatur von ca.

Oberfläche des Glühkörpers treffen, verdampfen 800⁰C gehalten werden kann. Die Beheizung kann

dort und ergeben im Bereich der heißen Oberfläche selbstverständlich auch durch Induktion, HF-Erhitzung

ein besonders zündwilliges Gemisch. 60 oder verwandte Verfahren geschehen.

c) Sobald die Zündung erfolgt ist, wird über einen Au'führungsbeispiele der Erfindung sind in den Figu-Zündüberwacher, beispielsweise einen Ionisations- ren dargestellt. Die Figuren zeigen:

fühler, Jer Brennzustand angezeigt und der Zünd- Fig. 1 eine Brenneranordnung gemäß Erfindung;

strom ausgeschaltet. Der Glühkörper kühlt ab. Fig. 2 ein Detail der Brenneranordnung gemäß

65 Fig. 1;

Bei der Brennerkonstruktion der Stammanmeldung Fig.3 eine Schnittansicht gemäß Linie III ... III der

wird vorzugsweise die Misch- und Zerstäubungskam- F i g. 2.

mer (MZK) so konstruiert, daß sie querschnittsgleich In der Fig. 1 ist eine Ausführungsform einer Brenner-

anordnung dargestellt. Der Brennstoff, üblicherweise Heizöl EL mit einer Viskosität von etwa 5 cSt bei 20⁰C wird von einem Vorratsbehälter 31 über eine Leitung 32 dem eigentlichen Brenner zugeführt. Zwischen Vorratsbehälter und Brenner ist ein Schwimmerregler 33 eingebaut, der für einen stets gleichen Druck zwischen Brenner-Brennstoffeintritt und Niveau des Schwimmerreglers 33 sorgt. Damit ist für die Proportionalität zwischen Unterdruck und Menge an Brennstoff in der Zeiteinheit gesorgt. Die Leitung 32 endet in einer Bohrung 34, welche mit einer verschließbaren weiteren Bohrung 30 in Verbindung steht. Die Bohrung 30 kann mit Hilfe einer steuerbaren Ventilnadel 60 geöffnet und verschlossen werden. Die weiteren Einzelheiten des Verschiußmechanismus sind in der Stammanmeldung in allen Einzelheiten dargestellt und brauchen hier nicht näher erörtert zu werden.

Der flüssige Brennstoff tritt aus der Eintrittsöffnung der Bohrung 30 in eine Misch- und Zerstäubungskammer 43 ein, die von einem zylindrischen Mantel umgeben ist, in aen in Achsenrichtung hintereinanderliegend zwei Kränze von Lufteinlaßbohrungen 44, 44' enden. Vorzugsweise ist die Mischkammer so ausgelegt, daß sie querschnittsgleich von der Düse bis zur Mündung ist.

gefahren werden kann. Durch Verengung des Bohrungsdurchmessers und Verkleinerung der üblichen Abmessungen ist jedoch ein Brenner wirtschaftlich zu betreiben, der nur mit etwa 1 kg öl pro Stunde arbeitet. Aufgrund der Turbulenzen und Zentrifugalkräfte, die innerhalb des Zyklons wirken, wird der Strahl innerhalb und außerhalb der MZK 43 voll erfaßt, in feine Tröpchen zerteilt und anschließend im Bereich innerhalb und außerhalb des Brennermantels verbrannt. Dabei wird eine rußfreie, im wesentlichen mit blauer Flamme vor sich gehende Verbrennung beobachtet.

Zur Zündung und Auslösung der Verbrennung ist ein Glühkörper 70 vorgesehen, der aus einem etwa 1 mm dicken Draht aus einer warmfesten, verzunderungsarmen Chrom-Nickel-Legierung besteht Der Glühdraht des Glühkörpers 70 ist so angeordnet, daß er von dem Strahl des unverbrannt ausströmenden Gemisches beim Ausströmen aus der Kammer 43 durchsetzt wird und diesen bei einer Eigentemperatur von etwa 700—900°C entzündet. Dem Glühkörper 70 wird über elektrische Zuleitungen 71 die Energie für den Glühvorgang zugeführt. Vorzugsweise wird der Glühdraht in Form einer Wendel oder Schraube gewickelt; es sind jedoch auch andere Konfigurationen denkbar, beispielsweise eine

gemessen von einer Projektion des Zentrums der Bohrungen 44,44' auf die Achse der Kammer 43.

Wesentlich ist, daß die Bohrungen 44, 44' so liegen, daß die Luft wenigstens in einem der Kränze bei Eintritt in die Mischkammer in einem Winkel von 10—60° in Abweichung von der Normalen-Richtung geführt ist Die Luft wird demnach tangential an der Peripherie eines innerhalb der Mischkammer 43 gedachten Kreises

Diese Bohrungen sind von der Austrittsöffnung der 25 Zick-Zack-Biegung oder ein flaches Glühband. Es hat Bohrung 30 vorzugsweise etwa 5 und 8 mm entfernt sich überraschenderweise gezeigt daß die Verwendung

des Glühdrahtes ermöglicht, von Anfang an mit einem sehr mageren, praktisch stöchiometrischen Brennstoff-Luft-Gemisch zu fahren. Es ist daher nicht erforderlich, zunächst über eine bewegliche Klappe den Luftanteil geringer zu machen und anschließend nach erfolgter Zündung wieder zu erhöhen.

Nach Beendigung des Zündvorganges wird der Glühkörper 70 wieder abgeschaltet Sie ist so angeordnet,

geblasen. Die Luft gelangt an die Bohrungen 44, 44' 35 daß sie in dem Bereich zwischen öffnungsebene 73 und über einen ringförmigen Kanalraum 36, der um die Ach- Flammenfront liegt also in einem verhältnismäßig kühse der Misch- und Zerstäubungskammer 43 herum an- len Bereich, wodurch ihre Lebensdauer beträchtlich ergeordnet ist und über eine Luftleitung 37 über einen höht wird. Der Abstand von der Kante der MZK 43 Ventilator 40 mit Luft beschickt wird. Eine Stirnwand 51 beträgt etwa zwischen 5 und 40 mm. Der Abstand von bildet den Abschluß eines üblichen Heizkessels, der mit 40 der Öffnungsebene 73 bzw. Stirnwand 51 beträgt etwa den üblichen Austauscherrohren (nicht dargestellt) und zwischen 5 und 30 mm.

Sekenwänden 52 ausgestattet ist. Aufgrund der guten Die F i g. 2 zeigt eine gegenüber der F i g. 1 etwas

Zerstäubung, Vermischung und Vergasung und an- geänderte Brenneranordnung von oben gesehen. Zur schließender Verbrennung unter nahezu stöchiometri- Überwachung des Zündvorgangs ist ein lonisationsfühschen Bedingungen kann darauf verzichtet werden, im 45 ler 74 vorgesehen, mit dem kontinuierlich überwacht

Brenner und im Heizkessel eine Ausmauerung anzubringen.

Weiterhin wird vorzugsweise vorgesehen, daß an der Innenseite um die Mündung der MZK 43 herum ein Brennermante! 63 angeordnet ist der gegenüber dem Durchmesser der MZK 43 einen wesentlich größeren Durchmesser hat und deren öffnung konzentrisch umgibt Der Brennermantel 63 kann beispielsweise zylindrisch geformt oder kegelstumpfartig sich öffnend oder verjüngend gebildet sein. Andere Formen sind ebenfalls möglich.

Die starke Wirbelbewegung (Zyklon), die innerhalb wird, ob eine Verbrennung innerhalb des Brennermantels stattfindet oder nicht

F i g. 3 zeigt einen Blick in den geschnittenen Brennermantel 63 hinein. Der Glühkörper 70 ist dabei bei waagerecht liegender Achse dsr Misch- and Zerstäubungskammer 43 so angeordnet daß sie unterhalb der Öffnung der Kammer 43 angebracht ist und in Form eines Bogensegmentes nur einen relativ kurzen Abstand von der Öffnung der Kammer 43 hat An dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, daß der Glühkörper 70 oder die Zündspirale auch eine andere Lage einnehmen können, da es durchaus nicht erforderlich ist den Glühkörper unterhalb der MZK 43 anzuordnen. Der Glühkörper 70 erfüllt die Forderung, daß die aus der MZK 43 austre-

der MZK 43 durch das Einblasen der Verbrennungsund Zerstäubungsluft hervorgerufen wird, setzt sich

demnach in Richtung Brennermantel 63 fort und sorgt 60 tenden Wirbel einen möglichst großen Raum, der von für die Festlegung einer stabilen, konzentrierten Flam- dem Glühkörper 70 eingenommen wird, durchsetzen me. und damit die Zündung sicher und zuverlässig initiieren. Der Brennstoffstrahl tritt aus der Auslaßöffnung der Die Kante 75 der MZK 43 ist nach außen abgerundet Bohrung 30 nicht in Tröpfchenform, d. h. zersprüht her- damit aufgrund des Coanda-Effektes der Weg der Ströaus, sondern anfangs in einem kompakten Strahl mit 65 mung teilweise aus der Achsenrichtung herausgezogen z. B. 1 mm Durchmesser. Der Ölverbrauch liegt bei ei- wird. Hierdurch kann ein sehr stark auseinandergezogener solchen Anordnung etwa bei 1 —4 kg öl pro Stunde, ner Flammenkegel erzeugt werden, dessen öffnungswobei unter Umständen bis auf 25% der Vollast herab- winkel zwischen 90 und 180° liegt Bei dieser Gestaltung

sollte der Glühkörper 70, insbesondere eine ZDndwendel, sich an die Stirnwand SS anschmiegen bzw. in eine Nut eingepaßt sein.

Hierzu 2 Bhtt Zeidinunfen

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Claims

Patentansprüche:

1. Brenner für flüssigen Brennstoff, mit einer zylindrischen Wirbelkammer, die nach einer Seite durch eine Rückwand abgeschlossen ist und nach der anderen Seite hin in eine Verbrennungskammer mündet, mit tangential im Mantel der Wirbelkammer angeordneten öffnungen zur Zuführung von Verbrennungsluft und mit einer im wesentlichen zentrisch in der Rückwand der Wirbelkammer angeordneten Eintrittsöffnung für den Brennstoff, wobei sich durch die einströmende Verbrennungsluft innerhalb der als Misch- und Zerstäubungskammer ausgebildeten Wirbelkammer ein den Brennstoff zerstäubender Zyklon ausbildet, und wobei in der Verbrennungskammer das Brennstoff-Luft-Gemisch verbrennt, nach DE-Patent 2828 319, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Misch- und Zerstäubungskammer (43) ein beheizbarer Glühkörper (70) im Strom des unverbrannten Brennstoff-Luft-Gemisches liegt.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Glühkörper (70) aus einer Keramikmasse oder aus einer verzunderungsarnien Legierung besteht.

3. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Glühkörper (70) aus einem elektrisch beheizbaren Glühdraht besteht.

4. Brenner nach Anspruchs dadurch gekennzeichnet, daß der Glühdraht zu einer Zündspirale gewendelt ist.

5. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Glühkörper (70) die Form eines Bandes hat.

6. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Glühkörper (70) die Form eines Zylinders oder Kegels hat.

7. Brenner nach Anspruch 1 oder 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Glühkörper (70) oder die Zündspirale in Form eines Bogensegmentes mit einem öffnungswinkel zwischen 30 und 330° in kurzem Abstand von der Öffnung der Misch- und Zerstäubungskammer (43) angebracht ist.

8. Brenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Glühkörper (70) oder die Zündspirale in einem Abstand zwischen 5 und 30 mm von der Stirnseite (51) der Brennkammer entfernt angeordnet ist.

9. Brenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei waagerecht liegender Misch- und Zerstäubungskammer (43) der Glühkörper (70) bzw. die Zündspirale unterhalb der öffnung der Misch- und Zerstäubungskammer angebracht ist.

10. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Glühkörper (70) in dem zwischen Misch- und Zerstäubungskammer (43) und Flammenfront liegenden, relativ kühlen Bereich angeordnet ist.

11. Brenner nach Anspruch 1 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kante (75) der Misch- und Zerstäubungskammer abgerundet ist und sich demzufolge ein Flammenkegel mit einem Öffnungswinkel zwischen 90 ... 180° ergibt, und daß der Glühkörper (70) sich an die Stirnwand anschmiegt bzw. in einer Nut eingepaßt liegt.

Die Erfindung betrifft einen Brenner für flüssigen Brennstoff, mit einer zylindrischen Wirbelkammer, die nach einer Seite durch eine Rückwand abgeschlossen ist und nach der anderen Seite hin in eine Verbrennungskammer mündet, mit tangential im Mantel der Wirbelkammer angeordneten öffnungen zur Zuführung von Verbrennungsluft und mit einer im wesentlichen zentrisch in der Rückwand der Wirbelkammer angeordneten Eintrittsöffnung für den Brennstoff, wobei sich durch die einströmende Verbrennungsluft innerhalb der als Misch- und Zerstäubungskammer ausgebildeten Wirbelkammer ein den Brennstoff zerstäubender Zyklon ausbildet, und wobei in der Verbrennungskammer das Brennstoff-Luft-Gemisch verbrennt, nach Patent (DE-PS 28 28 319).

In der Stammanmeldung ist ein Brenner der eingangs genannten Art beschrieben. Bezüglich weiterer Einzelheiten wird auf die Unterlagen der Stammanmeldung verwiesen, in der Aufbau und Funktion des Brenners gemäß Stammanmeldung ausführlich erläutert sind.

Die genannte Brenneranordnung eignet sich aufgrund ihrer Daten und Eigenschaften vornehmlich dazu, für Haushaltsbrenner eingesetzt zu werden, die nur einen geringen Heizölverbrauch haben. Beispielsweise werden für Einfamilienhäuser sogenannte Kleinstbrenner gefordert, die einen Ölverbrauch in der Größenordnung 1—3 kg öl pro Stunde aufweisen. Bei entsprechender Verkleinerung der Düse und Anpassung der

übrigen Maße ist ein Brenner nach dem Prinzip der Stammanmeldung zu bauen, der funktioniert

Es zeigt sich jedoch, daß das Gemisch aus zerstäubtem öl und Verbrennungsluft im Bereich des stöchiometrischen Verhältnis relativ schwer zu zünden ist Erst wenn das Gemisch angereichert ist mit einem erhöhten Anteil an öl, ist eine Zündung des Gemisches durch eine Zündkerze, bei der sich zwischen zwei Elektroden ein Funken ausbildet, möglich. Die Schwierigkeit, sogenannte Blaubrenner zu zünden, die im Betrieb mit einem stöchiometrischen Verhältnis von Brennstoff und Luft arbeiten, werden bei bekannten Brennern dadurch gelöst, daß durch eine Klappensteuerung mit Hilfe eines Stellmotors zunächst die Luftzufuhr gedrosselt wird, so daß ein »fetteres« Brennstoff-Luft-Gemisch an der Zündvorrichtung vorbeistreichen kann (DE-OS 27 00 671). Die Brenneranlage wird jedoch verteuert, der Betrieb komplizierter und insbesondere das Wideranzünden nach einem mißlungenen Startversuch schwieriger, wenn ein Brenner mit einer derartigen An-Ordnung für die Einstellung der Startluft versehen ist. Ein weiterer Nachteil ist, daß bei einem mißlungenen Startversuch dann, wenn dieser nicht auf einem Fehlen von Brennstoff beruht, auch eine große Menge von Ruß und gecrackten Produkten freigesetzt wird, die die Brennkammer stark verschmutzen können.

In der GB-PS 13 94 779 ist ein Brenner für flüssigen Brennstoff beschrieben, der eine Zündvorrichtung mit einer auf einem Tragkörper aufgewickelten Heizwendel aufweist. Diese ist in einer Kammer angeordnet, der Brennstoff zugeführt wird, der sich aufgrund seiner Oberflächenspannung auf die Innenwandung der Kammer verteilt. Durch Beheizen der Heizwendel wird Brennstoff verdampft, mit zugeführter Verbrennungsluft vermischt und noch in der Kammer gezündet.

Wegen der völlig andersartigen Erzeugung des Brennstoff-Luft-Gemisches kann diese Lösung für einen Brenner der eingangs genannten Art nicht verwendet werden. Ein in der Misch- und Zerstäubuneskammer