DE4213518A1 - Liquid-fuel nozzle with coaxial fuel and air pipes - has annular non-throttling fuel outlet and annular air outlet with throttling effect - Google Patents
Liquid-fuel nozzle with coaxial fuel and air pipes - has annular non-throttling fuel outlet and annular air outlet with throttling effectInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Druckzerstäuberdüse für flüssige Brennstoffe nach dem Oberbegriff des Pa tentanspruchs 1.The invention relates to a pressure atomizing nozzle for liquid fuels according to the generic term of Pa claim 1.
Eine derartige Druckzerstäuberdüse ist beispiels weise Gegenstand der DE-A1 27 44 421, weist dort jedoch die Besonderheit auf, daß der Druckzer stäuberdüse ein Prallkörper vorgeordnet ist. Der aus der Düse austretende Brennstoff trifft dabei auf den Prallkörper, wird von diesem zerstäubt, so daß mit der Zerstäubungsluft und dem zerstäubten Brennstoff ein sogenannter Flammkegel entsteht, dessen Form festgelegt ist, jedoch nicht jedem An wendungsfall gerecht ist.Such a pressure atomizing nozzle is an example as the subject of DE-A1 27 44 421, points there however, the peculiarity that the Druckzer a baffle is arranged upstream of the dust nozzle. The Fuel emerging from the nozzle hits on the impact body, is atomized by it, so that with the atomizing air and the atomized Fuel creates a so-called flame cone, whose form is fixed, but not to everyone application is fair.
Als Voraussetzung für schadstoffarme und verlust freie Verbrennung von flüssigem Brennstoff ist ne ben der Einstellung des Brennstoff-Luft-Gemisches auf leicht überstoichiometrisches Mischungsverhält nis insbesondere auch eine möglichst gute Aufberei tung des Gemisches zu beachten. Der Idealzustand wäre ein homogenes Brenngemisch mit leichtem Luft überschuß, bei welchem der Brennstoff vor der Ver brennung bereits voll verdampft ist. Je mehr von diesem Zustand abgewichen wird, um so mehr muß mit einer Verschlechterung der Verbrennung im Hinblick auf die Schadstoffemission und/oder des Wirkungs grades gerechnet werden.As a prerequisite for low pollution and loss free combustion of liquid fuel is ne ben the setting of the fuel-air mixture to a slightly overstoichiometric mixing ratio In particular, the best possible preparation the mixture. The ideal state would be a homogeneous burning mixture with light air excess, at which the fuel before Ver combustion is already fully evaporated. The more of deviated from this state, the more must with deterioration in combustion in view on pollutant emissions and / or impact degrees.
Hiervon ausgehend stellt sich daher die Erfindungs aufgabe, eine gattungsgemäße Druckzerstäuberdüse derart zu gestalten, daß eine Feinzerstäubung des Brennstoffes und eine intensive Vermischung der Zerstäubungsluft mit dem zerstäubten Brennstoff er folgt. Proceeding from this, the invention therefore arises task, a generic pressure atomizing nozzle to design such that a fine atomization of the Fuel and an intensive mixing of the Atomizing air with the atomized fuel follows.
Diese Aufgabe ist mit den im Kennzeichen des An spruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst worden. Vor teilhafte Weiterbildungen des Gegenstandes nach An spruch 1 sind mit den Unteransprüchen angegeben.This task is the same as in the To claim 1 specified features have been resolved. Before partial further developments of the subject according to An Say 1 are specified with the subclaims.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß zum Zeitpunkt der Verbrennung bereits ein weitgehend homogenes Brennstoff-Luft-Gemisch erreicht werden soll, wobei zu beachten ist, daß die Zerstäubungs güte auch dann beibehalten wird, wenn die Brenn stoffmenge in einem Verhältnis von 1:5 bis 1:10 variiert wird, wobei die Kleinstmenge nur einige Zehntel kg Brennstoff pro Stunde beträgt. Weiterhin sind die für die Brennstoffzerstäubung erforderli chen Drücke von Zerstäuberluft und Brennstoff und damit der Energieaufwand möglichst gering zu hal ten. Hierfür ist insbesondere auch von Vorteil, nur den für eine gute Brennstoffzerstäubung notwendigen konstanten Teilstrom der Verbrennungsluft von ca. 1 kg/h als Druckluft der Zerstäuberdüse zuzuführen. Die der variablen Brennstoffmenge zur Aufrechter haltung eines stöchiometrischen Gesamtgemisches variabel zuzumessende weitere Brennluftmenge wird im Bypass zur Zerstäuberdüse der Brennkammer (zeichnerisch nicht dargestellt) zugeführt und mit Brennstoff-Luft-Gemisch aus der Zerstäuberdüse ver mischt.The invention is based on the knowledge that for The time of combustion is largely a homogeneous fuel-air mixture can be achieved should be noted that the atomization quality is maintained even when the focal amount of substance in a ratio of 1: 5 to 1:10 is varied, with the smallest quantity only a few Is tenths of a kg of fuel per hour. Farther are the necessary for fuel atomization pressure of atomizing air and fuel and so that the energy consumption is as low as possible It is particularly advantageous for this, only the one necessary for good fuel atomization constant partial flow of the combustion air of approx. Feed 1 kg / h as compressed air to the atomizer nozzle. The variable amount of fuel to maintain keeping an overall stoichiometric mixture variable amount of combustion air to be metered in the bypass to the atomizing nozzle of the combustion chamber (not shown in the drawing) and supplied with Fuel-air mixture from the atomizer nozzle ver mixes.
In umfangreichen Versuchen konnte der Nachweis ge führt werden, daß die o.g. Anforderungen am besten durch das Prinzip einer druckluftgestützten Scher strömung erfüllt werden, durch welche der über einen Spalt mit geringer Strömungsenergie austre tende Brennstoff in sehr feinen Tröpfchen von < 30 µm von der mit hoher Geschwindigkeit quer vorbei streichenden Zerstäuberluft abgetragen und mit der Zerstäubungsluft vermischt wird. Die hierfür erfor derlichen Versorgungsdrücke (Überdruck bezogen auf Druck an der Austrittsstelle der Düse) betragen luftseitig nur ca. 0.1-0.3 bar und brennstoffseitig < 0.1 bar.In extensive tests, the proof could leads that the above Requirements best by the principle of a compressed air shear flow are fulfilled, through which the over a gap with low flow energy fuel in very fine droplets of <30 µm from across at high speed ablating atomizing air and with the Atomizing air is mixed. The necessary for this supply pressures (overpressure related to Pressure at the outlet point of the nozzle) only 0.1-0.3 bar on the air side and fuel side <0.1 bar.
Im Gegensatz hierzu benötigen konventionelle Druck zerstäuberdüsen (ohne Druckluft) Brennstoffdrücke von 8-12 bar. Dieses Zerstäubungsprinzip ist nur für einen Brennstoffmengen-Variationsbereich von 1:1.3 geeignet. Die erreichbare Tröpfchengröße liegt < 30 µm. Ferner können bei einer gegebenen Mindestgröße der Düsenbohrung nur kleinste Brenn stoffmengen von ca. 2 kg/h erreicht werden, die den tatsächlichen Wärmebedarf von Einfamilien-Heizungs anlagen (Kleinfeuerungsanlagen) um den Faktor 3-4 übersteigt. Die Anpassung der Heizleistung muß des halb durch einen Intervallbetrieb erfolgen. Dieser hat jedoch einen schlechteren Gesamtwirkungsgrad, und das häufige An- und Abstellen des Brenners er höht die Schadstoffemissionen des Abgases.In contrast, need conventional printing atomizer nozzles (without compressed air) fuel pressures from 8-12 bar. This principle of atomization is only for a fuel quantity variation range of 1: 1.3 suitable. The achievable droplet size is <30 µm. Furthermore, for a given Minimum size of the nozzle bore only the smallest burning quantities of approx. 2 kg / h can be achieved, which actual heat requirement of single-family heating plants (small combustion plants) by a factor of 3-4 exceeds. The adjustment of the heating power must half done by an interval operation. This but has a poorer overall efficiency, and the frequent turning on and off of the burner increases the pollutant emissions of the exhaust gas.
Die heute bekannten druckluftgestützten Zerstäu bungsdüsen benötigen als Versorgungsdruck luftsei tig 0.8-1.0 bar und brennstoffseitig ca. 5 bar. Die erreichbare Mindestbrennstoffmenge beträgt ca. 1 kg/h. Die Mengenvariation ist bisher nur in 2 Stu fen realisiert worden.The air-assisted atomization known today practice nozzles require air as supply pressure tig 0.8-1.0 bar and fuel side approx. 5 bar. The achievable minimum amount of fuel is approx. 1 kg / h. The quantity variation is so far only in 2 hours fen has been realized.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nach folgend unter Angabe erreichbarer Vorteile be schrieben.Embodiments of the present invention are shown in the drawing and are based on below, stating achievable benefits wrote.
Die Zeichnung zeigt:The drawing shows:
Fig. 1-3 Grundformen einer Druckzerstäuberdüse im Längsschnitt; Fig. 1-3 basic shapes of a pressure atomizing nozzle in longitudinal section;
AFig. 4-5 Variationen im Austrittsbereich der Druckzerstäuberdüse nach Fig. 1-3;A Fig. 4-5 variations in the outlet area of the pressure atomizing nozzle according to Fig. 1-3;
Fig. 7-9 Ausführungsvarianten der Drosselung im Luft-Ringspalt; Fig. 7-9 variants of the throttling in the air annular gap;
Fig. 10-12 Ausführungen der Druckzerstäuberdüse mit Abschaltventilfunktion. Fig. 10-12 Designs of the pressure atomizer nozzle with shut-off valve function.
Fig. 1-3 zeigen die Grundform der Zerstäuberdüse 1 im Längsschnitt. Über einen Anschluß 2 wird Brennstoff und über einen Anschluß 3 Druckluft zu geführt. Die Strömungsquerschnitte von mit dem An schluß 2 verbundenen brennstoff-führender Ab schnitte 4 sind so dimensioniert, daß sich auch bei Maximaldurchsatz kein nennenswerter Druckverlust einstellt. Dies gilt auch für einen konzentrisch angeordneten Ringspalt 5 von wenigen Zehntel mm Breite, der eine Düsenmündung 6 bildet. Fig. 1-3 show the basic shape of the atomizer 1 in longitudinal section. Fuel is supplied via a connection 2 and compressed air is supplied via a connection 3 . The flow cross-sections of connected to the circuit at 2-fuel leading from sections 4 are dimensioned such that even at maximum throughput setting, no appreciable pressure loss. This also applies to a concentrically arranged annular gap 5 of a few tenths of a millimeter wide, which forms a nozzle mouth 6 .
Die Druckluft gelangt weitgehend frei von Strö mungsverlusten von dem Anschluß 3 über einen kon zentrisch angeordneten Ringkanal 7, der sich zur Düsenmündung 6 hin im Querschnitt und im Durchmes ser zu einem wenige Zehntel mm breiten Düsenspalt 8 am Austritt verengt. Der Austrittsquerschnitt des Düsenspaltes 8 ist so dimensioniert, daß sich an dieser Stelle der Überdruck der Zerstäubungsluft weitgehend in kinetische Energie wandelt und die höchste Strömungsgeschwindigkeit im Bereich des Ringspaltes 5 (Brennstoffaustritt) erreicht wird. Da Brennstoff und Luft in einem stumpfen Winkel aufeinandertreffen, wird der mit geringer Strö mungsenergie austretende Brennstoff von der mit ho her Strömungsenergie vorbei streichenden Luft auf grund der Scherbeanspruchung in kleinen Partikeln abgetragen und damit feinzerstäubt. Durch den kon zentrisch, im stumpfen Winkel zur Mittelachse der Zerstäubungsdüse angeordneten Austrittsspalt der Luft trifft das Brennstoff-Luft-Gemisch unmittelbar vor der Düsenspitze (theoretisch in einem Punkt) aufeinander und führt in dieser Zone zu hoher Tur bulenz und damit zu einer intensiven Durchmischung der Brennstofftröpfchen mit der Zerstäubungsluft, wobei möglicherweise eine weitere Aufspaltung der Tröpfchen erfolgt. Die sich vor der Düsenmündung ausbildende Nebelkeule hat die Form eines vollen Kegels mit ca. 40-60 Grad Öffnungswinkel.The compressed air is largely free of flow losses from the connection 3 via a conically arranged annular channel 7 which narrows towards the nozzle mouth 6 in cross section and in diameter to a few tenths of a mm wide nozzle gap 8 at the outlet. The outlet cross section of the nozzle gap 8 is dimensioned such that the overpressure of the atomizing air largely converts into kinetic energy at this point and the highest flow velocity in the area of the annular gap 5 (fuel outlet) is reached. Since fuel and air meet at an obtuse angle, the fuel escaping with low flow energy is removed by the air passing by with high flow energy due to the shear stress in small particles and thus atomized. Due to the con centric, at an obtuse angle to the central axis of the atomizing nozzle, the air outlet gap meets the fuel-air mixture directly in front of the nozzle tip (theoretically at one point) and leads to high tur bulence in this zone and thus to an intensive mixing of the Fuel droplets with the atomizing air, possibly further splitting the droplets. The mist that forms in front of the nozzle mouth has the shape of a full cone with an opening angle of approx. 40-60 degrees.
Durch besondere Maßnahmen der Konturen im Mündungs bereich (wie in Fig. 4-6 dargestellt) lassen sich hinsichtlich der Zerstäubungsgüte und Strahlbildung und Gemischaufbereitung noch Vorteile erzielen.Special measures of the contours in the mouth area (as shown in Fig. 4-6) can still achieve advantages with regard to the atomization quality and jet formation and mixture preparation.
Fig. 4 zeigt, daß durch ein Vorverlegen eines zen tralen Kegelelementes 9 eine Abreißkante 10 noch stärker in die Austrittsströmung der Zerstäuberluft verlegt werden kann. Damit wird an der Abreißkante 10 noch mehr Energie konzentriert und der über die Abreißkante 10 abgescherte Brennstoff in noch klei nere Tröpfchen zerstäubt. Andererseits wird damit die Energiebündelung im Zentrum der Mündung redu ziert, was zu einer veränderten Ausbildung des Strahlkegels führt, was für besondere Einsatzbedin gungen vorteilhaft sein kann. Fig. 4 shows that by advancing a central conical element 9, a tear-off edge 10 can be moved even more strongly into the outlet flow of the atomizing air. This concentrates even more energy at the tear-off edge 10 and atomizes the fuel sheared off over the tear-off edge 10 into even smaller droplets. On the other hand, the bundling of energy in the center of the mouth is reduced, which leads to a changed configuration of the beam cone, which can be advantageous for special conditions of use.
Fig. 5 zeigt eine in Strömungsrichtung der Zerstäu bungsluft zurückverlegte Stoßkante 11, die am Brennstoffaustritt (Ringspalt 5) keine Veränderung im Vergleich zur Grundausführung nach Fig. 3 er gibt, aber gegenüber der Ausführung in Fig. 4 noch mehr Möglichkeiten bietet, die Zerstäubungsgüte und den Strahlkegel zu variieren. Fig. 5 shows a flow in the flow direction of the atomizing air pushed back edge 11 , which at the fuel outlet (annular gap 5 ) there is no change compared to the basic version according to FIG. 3, but compared to the embodiment in FIG. 4 offers even more possibilities, the atomization quality and to vary the beam cone.
Fig. 6 zeigt beispielhaft eine Abwandlung der Aus führung von Fig. 5, bei der das Brennstoff-Luft-Ge misch über eine Hohlkehle 12 in die axiale Richtung umgeleitet wird, um auf diese Weise, sofern ge wünscht, einen hohlen Strahlkegel zu erzeugen. Da bei ist offensichtlich, daß durch Variation der konstruktiven Ausbildung der Hohlkehle unterschied liche Strahlungswinkel erreicht werden können. Fig. 6 shows an example of a modification of the imple mentation of Fig. 5, in which the fuel-air mixture is diverted via a fillet 12 in the axial direction, in this way, if desired, to produce a hollow jet cone. Since it is obvious that by varying the design of the fillet, different radiation angles can be achieved.
Der sich je nach Ausführungsbeispiel an der Düsen mündung einstellende Druck wirkt auch rückwärts in den brennstoff-führenden Abschnitten der Zer stäuberdüse. Dadurch ist jedoch keine Auswirkung auf die Zumessung und deren Genauigkeit der Brenn stoffmenge im Brennstoffregler (zeichnerisch nicht dargestellt) gegeben, da dieser unempfindlich ge genüber Druckänderungen in der Brennstoffleitung zur Zerstäuberdüse ist.Depending on the embodiment, the nozzle mouth-adjusting pressure also acts in reverse the fuel-carrying sections of the Zer dust nozzle. However, this has no effect on the metering and its accuracy of the firing amount of substance in the fuel regulator (not in the drawing shown) given that this is insensitive ge compared to pressure changes in the fuel line to the atomizer nozzle.
Um im Bereich des Luftspaltes Exemplarstreuungen zu vermeiden, wird dieser, wie in Fig. 1 und 2 ge zeigt, durch einen auf Anschlag eingepreßten Di stanzring 13 mit sternförmig angeordneten Luft durchlässen 14 gebildet.In order to avoid scattering of specimens in the area of the air gap, this is, as shown in FIGS. 1 and 2, shows ge through a press-fit stop ring 13 with star-shaped air passages 14 formed.
Fig. 7 zeigt eine Ausführung des Distanzringes 13 in der auf geschnittenen Draufsicht, wobei zur Ver anschaulichung die Anlageflächen mit Kreuzschraffur dargestellt wurden. Sie dienen zur Fixierung des inneren Düsenkörpers 15, sowohl in radialer wie auch axialer Richtung. Die Luftdurchlässe 14 können auf der Mündungsseite als Luftführungsstege 16 aus gebildet werden. In der Grundausführung reichen die Luftführungsstege nicht in den Mündungsbereich des Luftspaltes 8, so daß sich die Luftströmung in die sem Bereich frei ausbilden kann. Fig. 7 shows an embodiment of the spacer ring 13 in the sectional plan view, with the contact surfaces have been shown with cross hatching for illustration purposes. They serve to fix the inner nozzle body 15 , both in the radial and in the axial direction. The air passages 14 can be formed on the mouth side as air guiding webs 16 . In the basic version, the air guiding webs do not extend into the mouth area of the air gap 8 , so that the air flow can form freely in this area.
Fig. 8 zeigt Luftführungsstege 17, die radial bis in den Mündungsbereich des Luftspaltes 8 verlängert sind, so daß eine radiale Zwangsführung der Zer stäuberluft bis in den Mündungsbereich hinein er folgt. Fig. 8 shows air guide webs 17 , which are extended radially into the mouth region of the air gap 8 , so that a radial positive guidance of the atomizer air Zer into the mouth region he follows.
Fig. 9 zeigt Luftführungsstege 18, durch die die Zerstäuberluft mit einer tangentialen Komponente in den Mündungsbereich des Luftspaltes geführt wird. Damit wird erreicht, daß sich der Strahlkegel nicht in dem oben bereits angesprochenen theoretischen Punkt auf der Mittelachse vor der Zerstäuberdüse trifft, sondern den Strahl gut auffächern kann. Die in den Fig. 4-6 dargestellten Ausführungen können in Kombination zur Ausführung in Fig. 9 sinnvolle Ergänzungen sein. FIG. 9 shows air guiding webs 18 through which the atomizing air is guided with a tangential component into the mouth area of the air gap. This ensures that the jet cone does not meet at the theoretical point already mentioned above on the central axis in front of the atomizer nozzle, but rather can fan out the jet well. The embodiments shown in FIGS. 4-6 can be useful additions in combination with the embodiment in FIG. 9.
Zur Vermeidung eines unerwünschten Brennstoffaus tritts während der Brenner-Stillstandszeiten aus der Zerstäuberdüse kann diese sinnvollerweise, wie Fig. 10 zeigt, die Druckzerstäuberdüse als konstruktive Einheit mit einem Abschaltventil aus geführt werden. Dabei dient das zentrale Kegelele ment 9 gleichzeitig als Schließkörper, welcher in Ruhestellung durch die Kraft einer Druckfeder 19 auf einen Ventilsitz 20 gedrückt wird und den freien Querschnitt verschließt. Bei Betrieb wird eine elektrische Spule 21 bestromt, wodurch durch die elektromagnetische Kraft einen Hubanker 22 ge gen die Kraft der Druckfeder 19 den Schließkörper geöffnet hält.To avoid unwanted fuel leakage during the burner downtimes from the atomizer nozzle, this can usefully, as shown in FIG. 10, the pressure atomizer nozzle be designed as a structural unit with a shut-off valve. The central Kegelele element 9 also serves as a closing body, which is pressed in the rest position by the force of a compression spring 19 on a valve seat 20 and closes the free cross section. In operation, an electrical coil 21 is energized, whereby a lifting armature 22 ge conditions the force of the compression spring 19 keeps the closing body open by the electromagnetic force.
Die Fig. 11 und 12 zeigen 2 weitere Beispiele von Ausbildungsmöglichkeiten der Zerstäuberdüsen, die wiederum zu einer konstruktiven Einheit mit einem Abschaltventil vereint wurden, bei welchen der Strahlkegel in der Austrittsströmung axial (Fig. 11) und radial/axial nach außen (Fig. 12) gerichtet (Hohlkegel) ist. Die Ausführung nach Fig. 12 läßt erwarten, daß vorgegebene Strahlbildwinkel nach diesem Prinzip relativ leicht dargestellt werden können. FIGS. 11 and 12 show two other examples of training possibilities of atomizing nozzles, which in turn were combined into a constructive unit with a shut-off valve, in which the spray cone in the discharge flow axially (Fig. 11) and radial / axial (outward Fig. 12 ) is directed (hollow cone). The embodiment according to FIG. 12 can be expected that predetermined beam image angles can be represented relatively easily according to this principle.
Claims (12)
daß der Brennstoff über einen Ringspalt (5) austritt, der gegenüber dem Quer schnitt der Brennstoffzuführung (2, 4) keine Dros selung bewirkt,
daß die Zerstäuberluft über einen Ringspalt (14) austritt, der gegenüber dem Querschnitt der Zer stäuberluftzuführung (3, 7) eine Drosselung be wirkt, und
daß die Austrittsrichtungen der beiden Ringspalte (5, 14) rechtwinklig oder unter einem stumpfen Win kel aufeinander treffen.1. Pressure atomizer nozzle for liquid fuels, consisting essentially of two coaxially arranged tubes, of which the interior of the fuel supply and the exterior of the atomizer air supply is used, characterized in that
that the fuel exits through an annular gap ( 5 ) which, compared to the cross section of the fuel supply ( 2 , 4 ), does not cause throttling,
that the atomizing air exits through an annular gap ( 14 ), which acts against the cross section of the atomizing air supply ( 3 , 7 ), a restriction, and
that the exit directions of the two annular gaps ( 5 , 14 ) meet at right angles or under a blunt angle.
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