DE19729224A1

DE19729224A1 - Mixer for liquid fuel burner suitable for modulating operation with ultrasonic atomiser

Info

Publication number: DE19729224A1
Application number: DE1997129224
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr Ing Koehne; Klaus Lucka; Peter Horstmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-07-09
Filing date: 1997-07-09
Publication date: 1997-11-27

Abstract

The mixer has an ultrasonic atomiser (6) at the end of a fuel lance (5). Combustion air/oxidiser is passed via an air guide pipe (4) to the air nozzle (2) via an optional vortex generator (3). On the end of the atomiser is a cap (7), which prevents the combustion air/oxidiser disrupting the liquid film on the atomiser surface and/or atomisation. A pipe (8) is fitted coaxially in front of the air nozzle, acting as precombustion and/or mixing chamber. Preferably part of the combustion air/oxidiser flows within the cap and exits through an annular gap between cap and atomiser surface.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung einer Mischeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device of a mixing device according to the preamble of claim 1.

Zur Verbrennung von flüssigen Brennstoffen muß der Brennstoff mit der Verbrennungs luft/dem Oxidator möglichst homogen gemischt werden. Der Brennstoff muß dabei auch verdampft werden. Um die Verdampfung zu begünstigen, wird der flüssige Brenn stoff zerstäubt, um eine möglichst große spezifische Oberfläche des Brennstoffs zu schaf fen. Bisher werden in Brennern für flüssige Brennstoffe überwiegend Öldruckzerstäuber oder Injektionszerstäuber (Zweistoffdüsen, Luftzerstäuber) eingesetzt. Das mit diesen Zerstäubern erzeugte Brennstoffspray besteht aus kleinen sich schnell bewegenden Trop fen. Durch die starke Eigenbewegung der Tropfen können sich diese gut mit einem Ver brennungsluftstrom/Oxidatorstrom durchmischen und in die Flammenzone eindringen.To burn liquid fuels, the fuel must be burned air / the oxidizer are mixed as homogeneously as possible. The fuel must be there can also be vaporized. To promote evaporation, the liquid fuel atomized to create the largest possible specific surface area of the fuel fen. So far, mainly oil pressure atomizers have been used in burners for liquid fuels or injection atomizers (two-substance nozzles, air atomizers). That with these Atomized fuel spray consists of small, fast-moving drops fen. Due to the strong self-movement of the drops, these can easily be combined with a ver Mix the combustion air flow / oxidizer flow and penetrate into the flame zone.

Bei der Zerstäubung von flüssigem Brennstoff mittels eines Ultraschallschwingers entsteht ein sehr feines Spray, dessen Tropfen eine nur sehr geringe kinetische Energie besitzen. Das Spray ist daher durch Störungen aus der Umgebung leicht zu beeinflussen. Da dieses Brennstoffspray nur eine sehr geringe kinetische Energie aufweist, muß die Mischungsenergie fast vollständig durch die Verbrennungsluft/den Oxidator in Form von kinetischer Energie (hohe Geschwindigkeit) zugeführt werden.When atomizing liquid fuel using an ultrasonic vibrator creates a very fine spray, the drops of which have very little kinetic energy have. The spray is therefore easily influenced by disturbances from the environment. Since this fuel spray has very little kinetic energy, the Mixing energy almost entirely through the combustion air / oxidizer in the form of kinetic energy (high speed) are supplied.

Außerdem muß für die Stabilisierung der Flamme und für einen hinreichenden Aus brand das Gemisch aus Verbrennungsluft/Oxidator und Brennstoff eine ausreichend hohe Geschwindigkeit aufweisen, die lokal der Flammenfortpflanzungsgeschwindigkeit entsprechen muß. Diese Geschwindigkeit wird durch die Zuführung der Verbrennungs luft/des Oxidators über eine Stauscheibe oder Düse eingestellt.In addition, for the stabilization of the flame and for a sufficient end burn the mixture of combustion air / oxidizer and fuel a sufficient have high speed that is local to the flame propagation speed must correspond. This speed is achieved by feeding the combustion air / the oxidizer adjusted via a baffle plate or nozzle.

Nachteil ist, daß bisher die zur Mischung und Flammenstabilisierung erforderliche ho he Geschwindigkeit der Verbrennungsluft/des Oxidators zum einen dazu führt, daß der Flüssigkeitsfilm auf der Zerstäuberfläche abreißen kann und damit die Zerstäubung unterbrochen wird und zum anderen die Tropfen bei der Beschleunigung durch die Verbrennungsluft/den Oxidator agglomerieren, was zu Ausbrandproblemen und Ruß bildung führt. Außerdem entfällt bei dem mit einem Ultraschallzerstäuber erzeugten Brennstoffspray die Eigenbewegung der Tropfen in die Flamme, so daß Mischungspro bleme auftreten können.The disadvantage is that the ho required for mixing and flame stabilization he speed of the combustion air / the oxidizer leads on the one hand to the fact that the liquid film on the atomizing surface can tear off and thus the atomization is interrupted and on the other hand the drops are accelerated by the Combustion air / oxidizer agglomerate, causing burnout problems and soot education leads. In addition, there is no need to use an ultrasonic atomizer Fuel spray the own movement of the drops in the flame, so that mixing pro problems can occur.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die das Ab reißen des Flüssigkeitsfilms auf der Zerstäuberfläche verhindert und die für eine hinrei chende Durchmischung von Brennstoffspray und Verbrennungsluft/Oxidator sorgt.The invention has for its object to provide a device that the Ab Prevents tearing of the liquid film on the atomizing surface and that for one appropriate mixing of fuel spray and combustion air / oxidizer.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Mischeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.The object is achieved by a mixing device with the features of claim 1 solved.

Die erfindungsgemäße Mischeinrichtung ermöglicht eine stabile emissionsarme Verbren nung flüssiger Brennstoffe, die mit einem Ultraschallschwinger zerstäubt werden. Die Kappe auf dem Ultraschallzerstäuber verhindert Störungen des Flüssigkeitsfilmes auf der Zerstäuberfläche, die durch die Verbrennungsluft/den Oxidator hervorgerufen wer den können, wenn diese am Ultraschallzerstäuber vorbeiströmen. Ohne Kappe kann diese Strömung an der Kante des Ultraschallschwingers abreißen, was den Flüssigkeitsfilm auf der Zerstäuberfläche beeinflussen kann. Durch die Kappe reißt die Strömung nicht mehr an der Fläche des Ultraschallzerstäubers ab, sondern an einer Kante/Fläche der Kappe. Desweiteren vergleichmäßigt die Kappe die Umströmung des Ultraschall zerstäubers und mindert Turbulenzen in der Verbrennungsluft/Oxidatorströmung, die sich negativ auf die Zerstäubung auswirken können. Weiterhin kann ein Spülstrom, der durch einen Ringspalt zwischen Kappe und Zerstäuberfläche austritt, die Störungen, die auf den Flüssigkeitsfilm und die Zerstäubung wirken, verringern. Durch Öffnungen in der Kappe kann dieser Spülstrom vom Hauptstrom der Verbrennungsluft/des Oxi dators entnommen werden und auf zusätzliche Aggregate zur Förderung dieses Stroms verzichtet werden.The mixing device according to the invention enables stable, low-emission combustion liquid fuels that are atomized with an ultrasonic vibrator. The Cap on the ultrasonic atomizer prevents disturbances of the liquid film the atomizing surface caused by the combustion air / oxidizer that can if they flow past the ultrasonic atomizer. Can without a cap tear off this flow at the edge of the ultrasonic transducer, causing the liquid film on the atomizing surface. The current does not break through the cap more on the surface of the ultrasonic atomizer, but on one edge / surface the cap. Furthermore, the cap smoothes the flow around the ultrasound atomizer and reduces turbulence in the combustion air / oxidizer flow can have a negative impact on atomization. Furthermore, a purge stream that exits through an annular gap between the cap and the atomizing surface, reduce the effect on the liquid film and atomization. Through openings in the cap, this purge stream can be separated from the main stream of combustion air / oxi dators are taken and additional units to promote this electricity to be dispensed with.

Weiterer Bestandteil der Erfindung ist das vor der Luftdüse/Stauscheibe sitzen de Rohr. Dieses dient als Vorbrenn- und/oder Mischkammer. Die Vermischung des durch die Luftdüse durchtretende Verbrennungsluft-/Oxidatorstroms und des Brennstoffsprays wird durch dieses Rohr begünstigt und damit eine homogenere Durch mischung bewirkt, die sich in einer schadstoffärmeren Verbrennung des Gemisches äußert. Aufgrund der Begrenzung durch das Rohr kann sich der aus der Luftdüse austretende Verbrennungsluft-/Oxidatorstrom nicht unbegrenzt aufweiten und die Strömungsgeschwindigkeit im Rohr kann nicht so stark abnehmen wie ohne Begren zung durch das Rohr. Dies begünstigt die Durchmischung mit dem Brennstoffspray, das auf der Brennerachse koaxial von der Verbrennungsluft/dem Oxidator umschlos sen zugeführt wird.Another component of the invention is sitting in front of the air nozzle / baffle plate de pipe. This serves as a pre-combustion and / or mixing chamber. The mixing the combustion air / oxidizer flow passing through the air nozzle and the Fuel sprays are favored by this tube and thus a more homogeneous through mixture causes, which results in a lower pollutant combustion of the mixture expresses. Due to the limitation of the pipe, it can come out of the air nozzle Do not expand the emerging combustion air / oxidizer flow indefinitely Flow velocity in the pipe cannot decrease as much as without limitation through the pipe. This promotes mixing with the fuel spray, which is coaxially enclosed on the burner axis by the combustion air / oxidizer sen is supplied.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Fig. 1 dargestellten Ausführungs beispiels erläutert.In the following the invention will be explained with reference to an embodiment shown in FIG. 1.

Fig. 1 Mischeinrichtung mit Ultraschallzerstäuber Kappe und Rohr. Fig. 1 mixing device with ultrasonic atomizer cap and tube.

Die Verbrennungsluft/der Oxidator wird durch das Luftleitrohr (4) geführt und im Drallerzeuger (3) verdrallt. Anschließend wird die Verbrennungsluft durch eine koni sche Querschnittsverengung der Luftdüse (2) beschleunigt. Über eine Brennstofflanze (5) wird flüssiger Brennstoff zum Ultraschallzerstäuber (6) geführt und von diesem zerstäubt. Auf dem Ultraschallzerstäuber (6) sitzt eine Kappe (7), die bewirkt, das die Strömung nicht an der Zerstäuberfläche des Ultraschallzerstäubers abreißt, son dern an einer Kante der Kappe. Außerdem gelangt ein Teil der Verbrennungsluft durch Öffnungen in das Innere der Kappe und tritt durch den Ringspalt zwischen Zerstäuberfläche und Kappe aus. Dieser Luftstrahl stabilisiert das Brennstoffspray und schützt es vor Störungen durch Turbulenzen an der Abrißkante der Kappe (7) und der Luftströmung durch die Luftdüse (2). Das Brennstoffspray gelangt mit der Verbrennungsluft in das Innere des als Vorbrenn- und Mischkammer dienenden Roh res (8). Dieses Rohr verhindert eine direkte Strahlausbreitung der Verbrennungsluft über die Mantelfläche des Rohres hinaus. Außerdem treten im Rohr Rückströmungen und Rezirkulationsgebiete auf. Beides begünstigt die Mischung von Brennstoffspray und Verbrennungsluft und beschleunigt die Vorverdampfung des Brennstoffes. Nach Austritt aus dem Rohr (8) gelangt Verbrennungsluft, Brennstoff und bereits reagier tes Brennstoff-/Verbrennungsluftgemisch in das Flammrohr (1) und brennt dort wei ter aus. Durch Öffnungen (9) im Flammrohr rezirkulieren Abgase in das Innere des Flammrohres. Dies bewirkt eine Inertisierung der Gase im Flammrohr und dadurch eine Absenkung der Stickoxidemission.The combustion air / oxidizer is led through the air duct ( 4 ) and swirled in the swirl generator ( 3 ). The combustion air is then accelerated by conically reducing the cross section of the air nozzle ( 2 ). Liquid fuel is fed to the ultrasonic atomizer ( 6 ) via a fuel lance ( 5 ) and atomized by the latter. On the ultrasonic atomizer ( 6 ) sits a cap ( 7 ), which ensures that the flow does not tear off at the atomizing surface of the ultrasonic atomizer, but on one edge of the cap. In addition, part of the combustion air passes through openings into the interior of the cap and exits through the annular gap between the atomizing surface and the cap. This air jet stabilizes the fuel spray and protects it from disturbances caused by turbulence at the tear-off edge of the cap ( 7 ) and the air flow through the air nozzle ( 2 ). The fuel spray reaches the interior of the raw res ( 8 ) serving as a pre-combustion and mixing chamber with the combustion air. This tube prevents the combustion air from spreading directly beyond the surface of the tube. Backflows and recirculation areas also occur in the pipe. Both favor the mixture of fuel spray and combustion air and accelerate the pre-evaporation of the fuel. After exiting the tube ( 8 ), the combustion air, fuel and already reacted fuel / combustion air mixture enter the flame tube ( 1 ) and burn out further there. Exhaust gases recirculate through openings ( 9 ) in the flame tube into the interior of the flame tube. This causes the gases in the flame tube to be rendered inert, thereby reducing nitrogen oxide emissions.

Claims

1. Mixing device of a burner for liquid fuels suitable for modulating operation with ultrasonic atomizer ( 6 ), which sits at the end of a fuel lance ( 5 ), an air guide tube ( 4 ) through which the combustion air / the oxidizer via an optional swirl generator ( 3 ) to the air nozzle / baffle plate ( 2 ), an annular gap being formed between the air nozzle outlet / baffle plate opening and ultrasonic vibrator ( 6 ), an optional flame tube ( 1 ) serving to stabilize the flame, in which there are optional openings for recirculation of smoke gases , characterized in that a cap ( 7 ) sits on the ultrasonic oscillator, which prevents the combustion air / the oxidizer from interfering with the liquid film on the atomizing surface and / or the atomization, and a tube ( 8 ) is arranged coaxially in front of the air nozzle, that serves as a pre-combustion and / or mixing chamber.

2. Device according to claim 1, characterized in that part of the combustion air / oxidizer flows within the cap ( 7 ) and exits through an annular gap between the cap and the atomizing surface.

3. Apparatus according to claim 1, characterized in that the cap ( 7 ) has openings to the air duct, so that combustion air / oxidizer passes through the openings into the interior of the cap and exits through an annular gap between the cap and the atomizing surface.

4. The device according to claim 1, characterized in that the tube ( 8 ) of the pre-combustion / mixing chamber is dimensioned such that the flame tube ( 1 ) can be dispensed with.

5. The device according to claim 1, characterized in that in the tube ( 8 ) of the pre-combustion / mixing chamber are openings through which gases can enter the tube from the outside.

6. Apparatus according to claim 1 and 5, characterized in that the openings in the tube ( 8 ) of the pre-combustion / mixing chamber can be enlarged and / or reduced in operation.

7. The device according to claim 1, characterized in that the diameter of the tube ( 8 ) of the pre-combustion / mixing chamber is preferably less than 2/3 of the diameter of the optional flame tube ( 1 ).

8. The device according to claim 1, characterized in that the tube converges or diverges at one or both ends.

9. The device according to claim 1, characterized in that the burning air / the oxidizer is swirled so that behind the air nozzle / baffle plate A supercritical swirl flow arises, which is characterized in that Areas occur in which gases on the burner axis in the direction of the air nozzle flow back.

10. The device according to claim 1, characterized in that by adjusting the annular gap between the ultrasonic atomizer / cap and the air nozzle / jam the power modulation range of the burner is preferably larger can be set as 3: 1.