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Patent Searching and Data


Title:
METHOD AND DEVICE FOR IMPROVING THE BURNING OF LIQUID FUEL IN HEATING INSTALLATIONS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1993/012385
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention proposes that the fuel be enriched with a small quantity of air in such a way that a very large number of extremely fine air bubbles are formed and the fuel is given an ability to atomize more readily. The air is fed, preferably by means of a jet pump (4), at an underpressure to the aspiration side of a pump (5). The invention gives fuel savings of up to 20 % and more, as well as significantly lower pollutant level in the exhaust emissions owing to the more complete mixing of the fuel/air mixture and hence more complete combustion in the combustion chamber (11) of the boiler unit (12).

Inventors:
NYFFENEGGER HANS (CH)
ZWYGART WILLI (CH)
Application Number:
PCT/CH1992/000011
Publication Date:
June 24, 1993
Filing Date:
January 17, 1992
Export Citation:
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Assignee:
EPRO AG (CH)
International Classes:
F23K5/10; (IPC1-7): F23K5/10
Foreign References:
US2017867A1935-10-22
FR2249954A11975-05-30
US4835962A1989-06-06
US2445104A1948-07-13
DE3132994A11982-05-19
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Claims:
Patentansprüche
1. Verfahren zur Verbesserung der Verbrennung von flüssigem Brennstoff in einem Brennraum einer Heizanlage, wobei der Brennstoff mittels Pumpe einem Tank entnommen, unter Druck gesetzt und über eine Düse mit gleichzeitiger Zufuhr der Verbrennungsluft in den Brennraum eingespritzt d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, ass der Brennstoff in flüssigem Zustand mit einem gasförmigen Medium durch vorzugsweises Bilden von feinsten Luftbläschen angereichert wird, zur Bildung eines zerstäubungswilligen Brennstofes.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, ass für die Gas Anreicherung der Brennstoff in Unterdrück versetzt wird und vorzugsweise ansaugseitig der Brennst off pumpe erfolgt.
3. Verfahren nach Patentanspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, cass der Gasanteil zu dem Brennstoff 1 % 30 %, vorzugsweise 3 % 20 Volumenprozent beträgt, gemessen in drucklosem Zustand.
4. Verfahren nach Patentanspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Beimischung über ein Saugstrahl resp. Venturi Prinzip erfolgt.
5. Verfahren nach Patentanspruch 1 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Zufuhr der Luft über eine Blende, resp. eine Drossel erfolgt.
6. Verfahren nach Patentanspruch 1 5, d a d u r c h. g e k e n n z e i c h n e t, dass die Luft vorerwärmt oder gekühlt wird.
7. Vorrichtung zur Verbesserung der Verbrennung von flüssigemBrennstoff in einem Brennraum einer Heizanlage, welche ein Brennstofftank, eine Pumpe sowie eine Einspritzeinrichtung mit Verbrennungs luftzufuhr aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass im Bereich der flüssigBrennstoffzufuhr eine Ein¬ richtung zur kontrollierten LuftbläschenAnreicherung des Brennstoffes angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Patentanspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Einrichtung zur LuftbläschenAnreicherung ansaugseitig der Pumpe angeordnet und eine Saugstrahlpu pe aufweist.
9. Vorrichtung nach Patentanspruch 7 oder 8, d a d u r c h. g e k e n n z e i c h n e t, dass die Einrichtung zur LuftBeimischung eine Blende zur Drosselung der Luftzufuhr und vorzugsweise einen vorangesetzten Luftfilter aufweist.
10. Vorrichtung nach Patentanspruch 7 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass luftansaugseitig ein Rückschlagventil und/oder ein gesteuertes Lufteinlassventil angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach Patentanspruch 6 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Brennstoffpumpe zusammen mit der Einrichtung zur LuftbläschenBeimischung als BrennstoffMischpumpe aus¬ gebildet ist.
12. Vorrichtung nach Patentanspruch 7 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Saugstrahlpumpe mit Blende, Rückschlagventil und Luftfilter als gesonderte Baueinheit ausgebildet ist.
Description:
Verfahren und Vorrichung zur Verbesserung der Ver¬ brennung von flüssigem Brennstoff in Heizanlagen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Verbrennung von flüssigem Brennstoff in einem Brennrau , von Heizanlagen, wobei der Brennstoff mittels Pumpe einem Tank entnommen, unter Druck gesetzt und über eine Düse mit gleichzeitiger Zufuhr der Verbrennungsluft in den Brennraum eingespritzt wird.

Durch intensive Erforschung aller Zusammenhänge der Verbrennung von flüssigen Brennstoffen werden durch gezielte technische Ausgestaltungen von Brennraum und Vernebelung des Brennstoffes laufend Verbesserungen, in Bezug auf den Energieverbrauch und eine möglichst vollständig saubere, Verbrennung in neuen Heizanlagen erzielt.

Ein bekanntes Erschwernis für die Verbesserung der im Einsatz befindlichen Heizanlagen, liegt in der komplexen "Natur" die sich aus dem Zusammenspiel der mechanisch¬ elektrischen Komponenten und des physikalisch-chemischen Ablaufes der Engergieumsetzung begründet. Vielfach wirkt sich nämlich eine Massnahme für ein oder zwei Parameter positiv, dagegen für andere negativ aus. Es betrifft dies zum Beispiel die folgenden: Verbrauchseinsparungen, energetischen Wirkungsgrad, Leistungsfähigkeit, respektiv Erhöhung der Anlagegrösse (Gewicht) der Anlage, Schadstoffreduktion in Bezug auf C0 2 , CO, N0 X , Russpartikel, Kohlenwasserstoffe usw.

Es kommt hinzu, dass bei Neuprodukten auch andere, für die Verbrennung nicht direkt relevante Parameter, wie zum Beispiel Raumform und Regelung verbessert werden, so dass sich die Meinung stark verbreitete, diese Kategorie Heizkessel, Brenner usw. könne nur durch das Entwerfen je vollständig neuer Gesamtmodelle fortlaufend dem Stand der Technik angepasst werden.

Der Erfindung wurde nun die Aufgabe gestellt, die Verbrennungvon flüssigemBrennstoff insbesondere Heizoel zu verbessern, eine vollständigere und wirkungsvollere Verbrennungmit weniger schädlichen Abgasen zu erreichen, insbesondere mit der Möglichkeit, die Verbesserung kostengünstig auch an bestehende Heizanlagen anzuwenden.

Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeich¬ net, dass der Brennstoff in flüssigem Zustand mit einem gasförmigen Medium durch vorzugsweises Bilden von feinsten Luftbläschen angereichert wird, zur Bildung eines zerstäubungswilligen Brennstoffes.

Zur völligen Überraschung aller Beteiligten konnte mit Laboruntersuchungen eindeutig bestätigt werden, dass die Verbrennung von flüssigem Brennstoff auf Erdölbasis in überraschend hohem Masse verbessert werden kann, insbesondere durch:

- Einsparung von Heizöl

- Leistungs-Erhöhung

- Senkung der Schadstoffe in den Abgasen

Keiner dieser drei Grund-Vorteile muss mit irgendwelchen Nachteilen anderer Art erkauft werden.

Die folgenden Messwerte wurden an einer bestehenden Oelheizung ermittelt, also durch Nachrüstung, respektiv zusätzliche Anwendung der neuen Erfindung:

Verbrauchseinsparung: 10 - 15 %

Senkung der Kohlenwasserstoffe (HC): 50 % und mehr Leistungserhöhung: wesentlich

Schadstoffreduktion (Abgasentgiftung) Stickoxyde No, N02, Nox, Russpartikel: wesentliche

Besserung

Die Messresultate zeigen sehr schön gleichsam das Idealbild einer Erfindung mit wirklichem Fortschritt. Einer beachtlichen Verbrauchseinsparung (10 - 20 %) und Leistungserhöhung (Leistung in Bezug auf Brennraumvolumen) stehen insbesondere eine nicht erwartete Reduktion aller gemessenen Schadstoffe gegenüber. Das verblüffenste Resultat liegt jedoch in der Einfachheit der Lösung. Provisorische Vorausberechnungen haben ergeben, dass schon nach 1 - 2 Monaten Betriebszeit sich eine Nachrüstung amortisieren kann.

Anhand eines Test-Versuches, die Brennflamme -in ein Brennraum eines Heizkessels mittels einer Oelbrennerdüse sichtbar zu machen, konnte bewiesen werden, dass der mit Bläschen-Luft angereicherte Brennstoff ein wesentlich gleichmässigeres Flammenbild und insbesondere eine Flamme von teils mehr als doppeltem Flammenvolumen aufweist, was eindeutig auf eine ideale Zerstäubung respektiv Vergasung des Brennstoffes hinweist.

Es ist davon auszugehen, dass für die unerwartete Anzahl positiver Effekte eine ganze Anzahl verschiedener physikalischer Gesetze mitwirken.

Es ist das Phänomen bekannt, dass bei flüssigem Brennstoff schon bei einem Unterdruck von unter 0,27 bar, respektiv unter 0,73 ata sich gasförmige und flüssige Komponenten trennen.

Ganz besonders bevorzugt erfolgt die Anreicherung durch Beimischung von Umgebungsluft in der Saugleitung der Brennstoffpumpe. BeimDurchfHessen durch die Brennstoff- Saugleitung wird dem Brennstoff Luft beigemischt. Das auf diese Weise hergestellte Brennstoff-Bläschen-Luft- Ge isch bleibt bis zu 7 Minuten nach dem Luftanreicher¬ ungsvorgang erhalten, danach erst können wie bei Mineralwasser feinste aufsteigende Luftbläschen festgestellt werden.

Bekanntlich wird für jede Verbrennung Sauerstoff und somit Luft benötigt. Dabei ist es ein ganz wesentlicher Unterschied, ob das Verhältnis Brennstoff / Sauerstoff genau stimmt oder nicht. In der praktischen Wirklichkeit kann es nur mehr oder weniger genau stimmen. Aber nicht nur das soeben erwähnte Verhältnis ist wichtig. Auch wenn es genau stimmen würde, sich aber im sehr kurzen Augenblick der Verbrennung, in dem Fla mraum eines Heizkessels der Brennstoff in einem Teil des Brennraumes und die Luft in einem anderen Teil aufhaltenwürde, würde auch ein ideales Volumenverhältnis nichts nützen. Die Verbrennung erfolgt dann trotzdemunvollständig. Das aber heisst, dass von dem kostbaren Brennstoff nur ein reduzierter Teil der Energie ausgenützt wird. Was man gemeinhin als schädliche Abgase bezeichnet, ist im wesentlichen unvollständig oder mangelhaft verbrannter Brennstoff.

Das optimale Brennstoff / Luft - Mischungsverhältnis ist nur dann wirkungsvoll, wenn es gelingt, das Gemisch im rechten Zeitpunkt gleichmässig über den ganzen Brennraum zu verteilen.

Ein weiterer ganz besonders vorteilhafter Ausgestaltungsgedanke liegt darin, dass die Beimischung über ein Saugstrahl- respektiv Venturi-Prinzip erfolgt.

Erreicht wird diese Luftanreicherung interessanterweise mit einfachsten Mitteln und ohne Aufwendung von zusätzlicher (Hilfs-) Energie. Das altbekannte bernoullische Gesetz, wonach in einer strömenden Flüssigkeit der Druck dort am niedrigsten ist, wo die Strömungsgeschwindigkeit am höchsten ist, macht dies möglich. Praktisch bedeutet das, dass der flüssige Brennstoff durch einen kleinen Querschnitt angesaugt werden muss, sodass dort der zum Aufnehmen von Luft der erforderliche Unterdruck entsteht, wc der Brennstoff in ein trennwilliges Verhalten gebracht wird. Es war in allen bisherigen Untersuchungen noch nicht möglich, alle physikalischen Sachverhalte die dem überraschenden Erfolg zu Grunde liegen abzuklären. Es ist aber zu vermuten, dass bei der ersten Kontaktnähme von Brennstoff und Luft wegen der geringen Querschnitte bei den verwendeten Prototype, von Anfang an die Luft als Grenzschicht mitgenommen wird und sich sofort in dem Brennstoff verteilt. Die anschliessende Pumpe hat neben der Druckbildung insbesondere eine zusätzliche Mischfunktion und hilft allfällige grössere Luftbläschen in dem Brennstoff zu zerstäuben und diese zu Kleinsluftbläschen zu reduzieren.

Nach den bisherigen Vorstellungen wurde versucht, den Brennstoff für die Überführung von der flüssigen Form in die Gasform über eine Mikronisierung resp. Atomisierung der Flüssigkeit die beste Voraussetzung für die Verbrennung zu schaffen. Die Erfindung schlägt nun vor, vorgängig zusätzliche Luft in mi ronisierter resp. atomisierter Form in den flüssigen Brennstoff einzubringen, um die Überführung des flüssigen Brennstoffes in der Gasform vorzubereiten. Das so erzeugte Brennstoff-Spray-Luftgemisch bekommt bei der Austrittsstelle der Düse ein völlig neuartiges Verhalten, indem die zum Beispiel mit 10 bar komprimierte Luft sich um ein Vielfaches plötzlich ausdehnt und für die Brennstoffteilchen eine noch nie dagewesene Zerstäubungs¬ und Beschleunigungswirkung (Puff-Wirkung) haben.

• Eine grosse Zahl von physikalischen Gesetzmässigkeiten bewirken die über- raschend guten Verbrennungswerte:

- durch die Luftanreicherung mit feinsten Luftbläschen verliert der Brennstoff die inneren Bindekräfte

- es tritt eine Expansionswirkung der feinsten Luft¬ bläschen auf, die die Vernebelungs- respektiv Sray- Wirkung beim Zuεammenprall mit der Verbrennungsluft steigert

- Verbesserung des Verbrennuncsgemisch.es

- Verbesserung der Gemischverteilung in dem Brennraum

Man erreicht sehr stabile Verbrennungsverhältnisse, wenn die Zufuhr der Spray-Luft über eine Blende, respektiv eine Drossel erfolgt.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Verbesserung der Verbrennung vcn flüssigem Brennstoff in einem Brennraum einer Heizanlage, welche ein Brennstofftank, eine Druckpumpe sowie eine Einspritz¬ einrichtung mit Verbrennungsluftzufuhr aufweist und ist dadurch gekennzeichnet, ass im Bereich der Brennstoffzufuhr eine Einrichtung zu kontrollierten Luftbläschen-Anreicherung des Brennstoffes angeordnet ist.

Bei einer vorzugsweisen Ausgestaltung weist die Ein¬ richtung zur Luftbläschen-Anreicherung saugseitig der Druckpumpe eine Saugstrahlpumpe auf.

Zur kontrollierten Anreicherung des Brennstoffes mit Luftsauerstoff weist die Einrichtung zur Luftbeimischung eine Blende zur Drosselung der Luftzufuhr und vorzugsweise einen vorangesetzten Luftfilter auf.

Es soll zur Vermeidung von unerwünschtem Brennstoffaustritt luftansaugseitig ein Rückschlagventil angeordnet werden.

Vorteilhafterweise wird für eine spätere Ausrüstung bestehender Verbrennungsanlage die Saugstrahlpumpe als gesonderte Baueinheit ausgebildet. Hingegen wird für die Herstellung neuer Anlagen die Brennstoffpumpe zusammen mit der Einrichtung zur Luftbläschen-Anreicherung als Brennstoff-Mischpumpe ausgebildet.

In der Folge wird nun die Erfindung an Hand einiger Ausführungsbeispielen mit weiteren Einzelheiten erläutert:

Es zeigen:

die Figur 1 ein Einbaubeispiel für eine Heizanlage; die Figur 2 eine Ansicht der Luftanreicherungs-Vor- richtung; die Figur 2a zeigt die Figur 2 mit steuerbarem

Luftansaugventil; die Figur 3 einen Querschnitt durch eine Einrichtung zur kontrollierten Luft-Bläschen-Anreich¬ erung; die Figur 3a zeigt die Figur 3 mit regelbarem Brenn- stoffdurchlassquerschnitt; die Figur 4 die venturi-artige Luftansaugung durch den Brennstoffström in noch grösserem

Massstab;

In der Folge wir dnun auf die Figur 1 Bezug genommen. Der flüssige Brennstoff 1 wird einem Brennstofftank 2 über eine Saugleitung 3 entnommen, und passiert eine Einrichtung zur Luftbläschenanreicherung 4 und wird von einer elektrischen Treibstoffpumpe 5 angesaugt.

Die Treibstoffpumpe weist einen Saugstutzen 6 sowie einen Druckstutzen 7 auf, von welchem der Treibstoff über eine Druckleitung 8 einer Einspritzdüse 9 zuführt, von welcher es in Form eines Srays 10 in einen Brennraum 11, eines Heizkessels 12 geführt wird.

In der Figur 2 und 3 ist die Einrichtung zur Luftbläschenanreicherung 4 in vergrössertem Massstab dargestellt, welche ein Gehäuse 20 einen Einlassstutzen 21 sowie einen Auslass 22 für flüssigen Brennstoff aufweist. Die Oelbrennerdüse 9 ist an einem Oelbrenner 13 angeschraub .

Ein Luftfilter 23 ist am oberen Ende des Gehäuses 20 fest eingeschraubt von welchem die Luft über eine Bohrung 24 sowie eine Blende 25 mit Feinstbohrung im Bereich von Zehntel-Millimetern durchströmt. Ein Rückschlagventil 26 wird über eine Stellschraube 27 in Position gehalten, und verhindert, dass bei allfälligen leichtem Überdruck in der Ansaugleitung 3 Brennstoff über den Luftfilter 23 austritt.

Die Figur 3 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Venturi-Rohres. Im Bereich des Einlassstutzens 21 ist eine relativ grosse Querschnittsfläche „Ql entsprechend etwa der Querschnittsfläche Q3 bei dem Auslass 22. Hingegen ist die Brennstoffdurchtrittsfläche Q2 im engsten Querschnitt sehr viel kleiner als die Flächen Ql und Q2. Dadurch entsteht eine sehr hohe Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffes in der engsten Stelle, entsprechend ist der statische Druck bei Q2 tief, so dass Bläschenluft über die Bohrung 28 angesaugt wird. Zur Beherrschung der Strömungsverhältnisse wird aber durch die Feinbohrung in der Blende 25 künstlich ein Unterdruck in der Bohrung 28 aufrechterhalten.

Auf diese Weise kann der absolute Druck auch luftseitig bei dem ZusammenfHessen von Luft und dem Brennstoff unter Kontrolle gehalten und die Bildung feinster Luftbläschen sichergestellt werden. Es hat sich ferner als zweckmässig erwiesen, den engsten Querschnitt Q2 über eine Länge BL die das Vielfache ist von dem betreffenden Durchmesser, konstant auszubilden, dies als Beruhigungsstrecke.

Es ist durchaus möglich, die Einrichtung zur Luftbläschen-Anreicherung anders zu konzipieren. Entscheidend ist die Erzeugung von feinsten Luftbläschen, sozusagen in unzählbar grosser Menge. Nach dem gegenwärtigen Kenntnisstand konnte dieses Ziel mit einfachsten Mitteln durch Erzeugung des erforderlichen Unterdruckes sichergestellt werden, da so ohne zusätzliche Fremdenergie mit dem Unterdruck der Saugpumpe die Anreicherung erfolgt.

In vielen Fällen kann es vorteilhaft sein, den Luftansaug über ein steuerbares Ventil frei zu geben oder zu schliessen je nach Betriebszustand.

Ganz besonders bevorzugt wird das Luftventil beim Starten des Oelbrenners, während einer Verzögerungszeit von 10 - 50 Sekunden, geschlossen, ebenos sollen vor dem Abstellen der Brennerflamme etwa 30 - 60 Sekunden keine Bläschenluft mehr zugegeben werden, dies zur Vermeidung von Luftblasen vor der Düse.

Wie in Figur 3a schematisch dargestellt ist, kann ferner durch Verziehen eines Plastikschlauches 30 über Einstellrollen 31 der Querschntitt Q2 verstellbar ausgebildet und der Brennstoffdurchsatz geregelt werden.

Die Figur 4 zeigt die bekanntere Ausgestaltung des Venturi -Rohres, wobei die Querschnittsflächen Ql, Q2 und Q3 stetig ineinander überghen.

Für eine Verbesserung der Luftanreicherung des Brennstoffes wird auch hier der Brennstoff über eine Saugstrahlpumpe geführt welche durch örtliche Erhöhung der Geschwindigkeit des Brennstoffes einen entsprechen¬ de Herabsetzung des statischen Druckes in dem Brennstoff erzeugt. Erwünscht ist ein Unterdruck an der Kontaktstelle wenigstens etwa 3000 mm WS unter dem normalen Umgebungsdruck (0,7 ata).