DE2749859A1

DE2749859A1 - Brenner mit zerstaeubung der fluessigbrennstoffe mittels ultraschall

Info

Publication number: DE2749859A1
Application number: DE19772749859
Authority: DE
Inventors: Harvey L Berger; Charles R Brandow
Original assignee: Sono Tek Corp
Current assignee: Sono Tek Corp
Priority date: 1976-11-08
Filing date: 1977-11-08
Publication date: 1979-05-10
Also published as: JPS5359929A; PT67246B; SE434348B; PT67246A; DK150229B; FI773325A; CH627097A5; GB1595716A; ES463976A1; DK150229C; FR2386226A1; NO773808L; SE7712563L; BE860540A; JPS5816082B2; NL186796C; ATA797277A; ZA776376B; NL186796B; CA1071997A

Description

Dipl. -Phys. M. Becker ⁷⁰⁰°^Slu'^^{art 70}

^{r y} Auf dem Haigst 29

Patenlanwältin —5— Telefon mm eoozoe

27^9859

Λ 2 449 Stuttgart, den 7. xMovember 1977

ν - al

SONO-TEK CORPORATION Poughkcepsie, S.Y. 12601 (V-St-A.)

Brenner mit Zerstäubung der Flüssigbrennstoffe mittels Ultraschall.

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem Brenner mit Zerstäubung der Flüssigbrennstoffe mittels Ultraschall. Derartige Brenner sind beispielsweise aus der US-Patentschrift 3 861 852 bekanntgeworden.

Bei der Anwendung von Ultraschallübertragungssystemen (ultrasonic transducer assemblies) z.B. in ölbrennern wird ein theoretisches Modell für Ultraschallstrahler im Entwicklungsstadium verwendet. Das theoretische Modell sieht die Abstrahlung nur in einer einzigen Richtung vor.

Beim tatsächlichen Betrieb derartiger Ultraschallübertragungssysteme zeigen sich jedoch Abweichungen vom theoretischen Modell. Diese Abweichungen sind u.a. auf folgende Faktoren zurückzuführen: die begrenzten Abmessungen der Teile des Schwingers (horn) erzeugen noch andere Wellen als Longitudinalwelleu, z.B. Wellen in senkrechter Richtung hierzuj die Befestigungs-Dichtungsmittel und die physikalischen Anpassungsmittel zwischen den in Verbindung stehenden Teilen usw. Die Berück-

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sichtigung dieser Abweichungen beim theoretischen Modell führt zu internen Verlusten in dem Übertragungssystem und verringert somit den Q-Wert, den mechanischen Gütefaktor.

Um bei derartigen vorbekannten Übertragungssystemen einen maximalen Q-Wert zu erhalten, mussten folgende Bedingungen erfüllt werden: das gesamte System ist als theoretische Konstruktion zu behandeln; es ist eine Schwingungsfrequenz zu wählen, bei welcher das gesamte System in Ressonanz ist. Es ist ein UItraschallschwinger (horn) zu verwenden, dessen Grosse entsprechend dem theoretischen Modell so bemessen ist, dass die Ressonanzbedingungen erfüllt sind. Es müssen Materialien und Eisenteile, wie Ölversorgungsleitungen, Befestigungsteile, Dichtungen usw. von solcher Art verwendet und so angeordnet werden, dass die Verluste in Bezug auf das theoretische Modell gering gehalten werden müssen. Die vorbekannten Massnahmen haben es aber nicht ermöglicht, den maximalen Q-Faktor bei derartigen Anordnungen zu erreichen, weil sich zum einen durch unzureichende Konstruktionen Abweichungen vom theoretischen Modell ergaben und zum anderen ungenügende Ankopplungen zwischen der mittleren Elektrode und den piezoelektrischen Kristallen des Antriebselements zwischen den Antriebselementen und den benachbarten Schwingern auftraten, die auf ungenaue Bearbeitung der Kristalle oder auf Verunreinigungen zwischen den miteinander in Verbindung stehenden Flächen zurückzuführen sind.

Ein weiteres Problem mit Übertragungssystemen in Geräten zur Verbrennung von Öl ist die nicht gleichmässige Zuführung von ül zu der Zerstäuberfläche und die dadurch bedingte ungleichmassige Verteilung des Öls von hier aus. Es wurde festgestellt, dass bei bisher bekannten Übertragungssystemen öltmit einer niederen Oberflächenspannung, wie z.B. Kohlenwasserstoffölen,

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bereits mit der Zerstäubung innerhalb des ölzuführungskanals beginnen, welcher zu der Zerstäuberfläche führt. Diese vorzeitige Zerstäubung verursacht Blasen innerhalb der Ölleitung. Diese Blasen dringen möglicherweise bis zu der Zerstäuberfläche vor, aber bei ihrer Ankunft auf der Zerstäuberfläche erfolgt eine zeitweise Unterbrechung des ölzuflusses zu dieser Fläche und dadurch eine nichtgleichmässige Verteilung des Öls über die Fläche. Die Blasen verbleiben eine kurze Zeit lang auf der Zerstäuberfläche, sodass die Oberfläche unterhalb der Blase während dieses Zeitintervalls nicht mit Öl benetzt ist.

Ein drittes Problem von Übertragungssystemen in ölbrennern besteht darin, dass das öl, wenngleich es gleichmässig zugeführt wurde, auf der Zerstäuberfläche nicht verteilt oder von hier nicht gleichmässig zerstäubt wird. Es konnte herausgefunden werden, dass ein Grund für die nichtgleichmässige Verteilung darin besteht, dass die Zerstäuberfläche bei den vorbekannten Konstruktionen sich durchbiegt.

Ein viertes Problem der vorbekannten Vorrichtungen dieser Art besteht in der geringen Wirtschaftlichkeit. Kurz gesagt wird bei einem Ultraschall-Ölzerstäuber ein Ölfilm bei niederer Temperatur auf der Zerstäuberfläche erzeugt und bei Frequenzen von oberhalb 20 kHz in einer Richtung senkrecht zur Zerstäuberfläche in Vibration versetzt. Die schnelle Bewegung der ebenen Fläche erzeugt in dem Flüssigkeitsfilm kapillare Wellen. Wenn die Amplitude der Wellenspitzen grosser wird, als es für die Stabilität des Systems erforderlich ist, bricht die Flüssigkeit bei der Amplitudenspitze in Form von Flüssigkeitstropfen zusammen.

Je kleiner die Tröpfchengrösse ist, umso grosser ist bei einem gegebenen ölvolumen die Berührungsfläche zwischen öl

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UTiJ Luft. Die Vergrösserung dieser Berührungsflächen ermöglicht eine bessere Ausnutzung der primären Luftverbrennung; denn die Verbrennung bei geringem Luftüberschuss erhöht die Vvirtschaftlichkeit.

Bei einer vorgegebenen Strömungsgeschwindigkeit des Öls gilt, dass eine umso grössere Oberfläche der Zerstäuberfläche in den Zerstäubungsprozess einbezogen wird, je dünner der ölfili ist. Hierdurch wird die Zerstäuberkapazität vergrössert. i:s wurde herausgefunden, dass die vorbekannten Übertragungssystem in dieser Hinsicht begrenzt sind, da das der Zerstauberfläche zugeführte öl nicht die gesamte Oberfläche bedeckt, bevor die Zerstäubung einsetzt. Zusätzlich bewirkt die bei glatten metallischen Flächen auftretende Oberflächenspannung, dass die Zerstäuberfläche nicht vollständig benetzt ist.

l:s ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen brenner mit Zerstäubung der Flüssigbrennstoffe zu schaffen, der eine wirtschaftliche, zuverlässige Verbrennung des Öls Ti it einem übertragungssystem ermöglicht, welches einen hohen mechanischen Q-ivert aufweist. Gleichzeitig sollen die bei derartigen Anlagen aufgezeigten Nachteile vermieden werden, näulich vorzeitiges Zerstäuben des Öls in der zu der Zerstauberflache führenden öl zuführungsleitung. Gleichzeitig soll für eine gleichmässige Zerstäubung des Öls auf der gesamten Zerstäuberfläche und eine gleichmässige Verteilung des Ols über dieser Fläche erreicht werden.

üiese Aufgabe wird gelöst durch die in den anliegenden Patentansprüchen umrissenen Merkmale.

!'»'eitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit der anliegenden

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Zeichnung, in welcher Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung dargestellt sind. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Ultraschallübertrager (transducer assemblies) nach der vorliegenden Erfindung, bei welchem ein erstes Teil geschnitten ist,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die in Fig. 1

dargestellte gleiche Anordnung, bei welchem ein zweites Teil im Schnitt wiedergegeben ist,

Fig. 3 einen Querschnitt durch den gesamten Ultraschallübertrager,

Fig. 4 einen Querschnitt durch ein anderes

Ausführungsbeispiel eines Zerstäuberglieds in vergrösserter Darstellung, das mit einer Zerstäuberfläche beschichtet ist,

Fig. 5 eine vergrösserte Darstellung einer Stirnansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Zerstäuberfläche mit Ülzuführungskanälen,

Fig. 5A einen Schnitt längs der Linie 5A-5A der Fig. 5,

Fig. 6 einen Teilschnitt in vergrösserter Darstellung eines anderen Ausführungsbeispiels des Zerstäuberglieds mit einer Heizvorrichtung hierfür.

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Fig. 7 einen Schnitt in vergrössertem Maßstab eines anderen Ausführungsbeispiels mit einer Zerstäuberfläche, die zur Vergrosserung der Oberfläche geätzt ist,

Fig. 8 einen Schnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel einer vergrösserten Darstellung eines Zerstäuberglieds mit konkaver Zerstäuberfläche ,

Fig. 9 eine ähnliche Darstellung des Zerstäuberglieds wie in Fig. 8 mit einer konvexen Zerstäuberfläche,

Fig. 10 eine teilweise im Schnitt und teilweise schematisch wiedergegebene Darstellung einer ülbrenneranlage nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 1OA einen Schnitt des Stirnendes eines ölbrenners mit den Zündelektroden, die im Flammenkegel während der Zündphase angeordnet sind,

Fig. 1OB einen Schnitt ähnlich Fig. 1OA, bei welchem die Zündelektroden ausserhalb des Flammenkegels während der normalen Betriebsweise wiedergegeben sind,

Fig. 11 einen Ölbrenner nach der Erfindung, teilweise geschnitten, mit einer Vorrichtung zum Verändern der Durchflussmenge der Luft,

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Fig. 12 einen Schnitt längs Linie 12-12 in Fig. 11,

Fig. 13 ein Blockdiagramm mit der Darstellung eines Steuersystems für die Luftzuführung ,

Fig. 14 ein Blockdiagramm eines drei-Stufenßetriebs einer ölbrenneranlage mit einem Ultraschallübertrager nach der Erfindung, und

Fig. 15 ein Blockdiagramm, welches ein zusätzliches, durch Solarzellen betriebens Heizsystem enthält.

In der Zeichnung gemUss Fig. 1 bis Fig. 3 ist ein Übertrager dargestellt, der neben einer Reihe von Vorteilen ermöglicht, dass ein Maximalwert des Q-Faktors erreicht wird. Er enthält einen ersten Übertragerteil mit einem Antriebselement und zwei identischenSchallabstrahlem (horn, sections) , sodass eine Formgebung von symmetrischer Geometrie in Bezug auf die Längsachse gegeben ist. Dieser erste Übertragungsteil wird als Düppel-Schallgeber (double-dummy ultrasonic horn) bezeichnet. Beim Betrieb wird die Ressonanzfrequenz des ersten Teils gemessen und ein zweites Teil (Fig.2) hinzugefügt, welches eine Verstärkerstufe und eine Zerstäuberfläche enthält und dessen theoretische Ressonanzfrequenz sich an die empirisch gemessene Frequenz des ersten Teils anpasst und dabei einen vollständigen Übertrager bildet (Fig.3), der für einen maximalen Q-Wert ausgelegt ist und eine wirtschaftliche Verbrennung des Öls ermöglicht.

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Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, enthält die erfindungsgemässe Übertragervorrichtung einen vorderen Ultraschallabstrahler
12Λ und einen hinteren'Ultraschallabstrahler 13 sowie ein
Antriebselement 14 mit einem Paar piezoelektrischer Platten 15, 16 mit einer zwischen diesen Platten angeordneten nicht dargestellten Elektrode, die durch elektrische Energie hoher Frequenz, eingespeist durch die Leitung 18, erregt wird. Das Antriebselement 14 ist zwischen den Flanschteilen 19 und 20 der Schallabstrahler 12A und 13 angeordnet und mit diesen
befestigt mit Hilfe von Befestigungselementen, die einen
Moniagering 21 (zum Anbringen der Vorrichtung an andere Geräte) sowie mehrere Befestigungsbolzen 22 enthalten, die
durcii entsprechende Bohrungen im Anschlussteil 18, den
Flanschteilcn 19 und 20 in Gewindebohrungen des Montagerings 21 eingeschraubt sind, üie Befestigungsbolzen 22 sind vom
Ansculussteil 18 mit Hilfe von Isolatoren 23 elektrisch
isoliert.

Der erste Teil 11 enthält ferner eine Ölleitung 24 zum Einfihrvjn des 01s in einen Kanal innerhalb der Übertragervorrichtung sowie Abdichtungen 26 und 27, die zwischen den

Flanschteilen 19 und 20 eingepresst sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die Schallabstrahlerteilc 12Λ und 13 und die Flanschteile 19 und 20 aus akustisch gut leitendem Material, wie Aluminium, Titan oder Magnesium oder Verbindungen dieser Stoffe, wie Ti-6A1-4V Titanium-Aluiiiiniuin-Legierung, 6O61-T6 Aluminiumlegierung, 7025 hochfeste Aluminiumlegierung, AZ 61 Magnesiumlegierung u.a. Die Platten 15, 16 sind aus Blei-Zirkonium-Titanat, wie es beispielsweise von der Firma Vernitron Corporation oder aus
Lithiuinmiobat, wie es von der Firma Valtec Corporation hergestellt wird. Die Elektrode bestellt aus Kupfer, die Anschlussklemme 18, der Montagering 21 und die Verbindungsbolzen 22 aus

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Stahl, die Isolatoren 23 aus Nylon, Teflon oder anderen Kunststoffen ait guten elektrischen Isolationseigenschaften und die Dichtungen 26 und 27 aus Silikongummi.

Der erste Teil 11 ist derart ausgelegt, dass er symmetrische Halbvellen-Geometrie besitzt. Die Befestigungen sind jeweils in Ebenen vorgenommen, die keine Schwingungsknoten aufweisen. Die Eigenschaften dieses ersten Teils 11 sind festgelegt und seine Eigenfrequenz zur Erzielung des maximalen Q-Werts quantitativ gemessen. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt die Frequenz 85 kHz.

Wie sich aus Fig. 2 ergibt, ist ein anderes Halbwellen-Teil 29 zu dem ersten Teil 11 hinzugefügt. Das Teil 29 enthält cincii Abschnitt 12B grösseren Durchmessers sowie einen Abschnitt 30 kleineren Durchmessers, wodurch eine Verstärkerstufe 31 gebildet wird, sowie eine Spitze 32 mit Zerstäuberfläche 33, einen zentralen Kanal 34 für die Förderung des Öls zu der Zerstäuberfläche 33 und eine innen montierte Entkopplun-;shülse 35. Diese Entkopplungshülse besteht aus Teflon, welches keine akustische Ankopplung an den ölkanal ermöglicht. Das Teil 29 ist theoretisch errechnet. Seine Eigenfrequenz zur Erzielung des maximalen Q-Werts ist errechnet und so ausgewählt, dass es sich derjenigen des ersten Teils 11 angleicht.

Um die Gestaltung zu vervollständigen, sind die beiden Teile 11 und 29 einstückig ausgebildet, um eine Übertragungsvorrichtung mit einem maximalen Q-Wert zu schaffen, um eine wirtschaftliche Verbrennung des Öls zu ermöglichen. Die bisher bekannten Obertragervorrichtungen mit Ultraschallzerstäubung des Öls waren bisher mit einer Flanschspitze 32 mit einer Zerstäuberfläche 33 ausgestattet. Durch die Spitze mit der Zerstäuberfläche 33 wird die Zerstäubung infolge der ver-

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grössertcn Zerstäuberfläche verbessert. Durch einen solchen iius'it zl ichen Flansch wurde der Wirkungsgrad des Zerstäubers herabgesetzt.! In der Fig. 2 ist die Länge des stirnseitigen Teils 12B des Schwingers mit A bezeichnet, die Länge des einen geringen Durchmesser aufweisenden Teils 30 mit B und die bicke der Flanschspitze des Teils 32 mit C gekennzeichnet. Bei solchen vorbekannten Übertragungsvorrichtungen, die keinen Flanscn verwenden, beträgt der Quotient A/B = 1, weil diese beiden feile Viertelwellenlängen-Teile sind. Es sind auch Einrichtungen bekannt, bei denen das Flanschteil die Grosse

1 hat. Es wurde gefunden, dass bei einer derartigen

Geometrie, bei der der Quotient gleich 1 ist, selbst bei Verwendung eines Flansches, unwirtschaftlich ist und den Energietransbort beeinträchtigt, während eine Verbesserung eintritt, v.e.'in der Quotient A "s, 1 ist. Ist

B + C ^

!J- der Querschnitt des Flanschteils 32, I)₇ der Querschnitt des Teils 30 und

--Tr (ohne Flansch) = 77 = 1 und

i, + U U

V Flansch) = 1.12,

so gleicht sich der Wirkungsgrad der Einrichtung mit Flansch demjenigen der Einrichtung ohne Flansch an. Diese Berechnung ist anwendbar auf Einrichtungen aus Aluminium, Titan, Magnesium und die vorstehend erwähnten Legierungen und geht von der Annahme aus, dass für beide Materialien etwa die gleiche Schallgeschwindigkeit gilt. Für andere Materialien mit verschiedenen Schallgeschwindigkeiten wird sich das Verhältnis ^Λ unterscheiden, aber stets grosser als 1 sein.

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Die Betriebssicherheit der Anordnung für längere Zeit wird erheblich gesteigert, wenn die Platten 15, 16 abgedichtet werden, da dann eine Verschmutzung durch öl nicht möglich ist. Der Raum zwischen den Flanschteilen 19, 20 wird mit einer Silikon-Gummimischung ausgefüllt ähnlich den Dichtungen 26, 27. Durch Kriechströme des Öls zu den Stirnflächen der Platten 15 und 16 wurde deren Wirksamkeit beeinträchtigt und dadurch der Zerstäubungsvorgang verlängert. Ausserdem wird hierdurch die mechanische Kopplung zwischen den Schwingern beeinträchtigt. Die Dichtungen 26 und 27 lösen das Problem und die Zerstäubung wird durch diese zusätzliche Masse nicht beeinträchtigt, wie sich durch eingehende Messungen der Impedanz, der Betriebsfrequenz und Verschiebungen des Flanschteils bestätigte. Die durch die Abdichtung der Platten 15 bedingte höhere innere Wärme verringert nicht die Lebensdauer des Zerstäubers, da diese innere Wärme noch unter der maximalen Betriebstemperatur für piezoelektrische Kristalle liegt. Die Dichtungen 26, 27 bestehen aus kompressiblem Material und haben einen Innenumfang, der demjenigen des äusseren Umfangs der Platten 15, 16 entspricht, anfangs aber etwas grosser ist, sodass der Innenumfang der Dichtungen 26, 27 in leichten Kontakt mit dem Aussenumfang der Platten 15, 16 kommt.

Ein v.eiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine vorzeitige Zerstäubung des Öls in der ölzuführungsleitung zu der Zerstäuberfläche vermieden wird. Diese vorzeitige Zerstäubung erzeugt Luftblasen innerhalb des ölkanals, welches zu Blasen innerhalb der ölzuleitung führt. Diese Blasen gelangen zu der Zerstäuberfläche und bewirken dort eine kurzzeitige Unterbrechung des ölzuflusses auf einen Teil der Fläche, sodass keine gleichmässige Verteilung des Öls auf dieser Fläche stattfinden kann. Diese Blasen können sich für eine kurze Zeit auf der Zerstäuberfläche halten, sodass die

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Ülfläche unterhalb der Blasen während dieser Zeit nicht mit Öl benetzt wird. Durch diese nicht gleichmässige Verteilung des üls auf der Zerstäuberfläche wird eine instabile Verbrennung bewirkt.

Dieser Nachteil wird behoben, wenn man eine Entkopplungshülse 35 innerhalb der {^zuführungsleitung 34 vorsieht, welche bis etwa 1/32" (25,4 mm) bis zu der Zerstäuberfläche 33 geführt ist. Die Hülse ist aus Kunststoff gemacht und im Preßsitz in die Leitung 34 eingesetzt, welche bis zu dem Teilstück 12B grösseren Querschnitts führt. Der Unterschied in den akustischen Übertragungseigenschaften zwischen dem Material der Hülse 35 und dem Schallabstrahler 29 ist derart, dass die Vibrationsbewegung des Teils 29 nicht auf das öl innerhalb der von der Hülse 35 eingeschlossenen (^zuführungsleitung 34 übertragen wird.

Hin weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der gleichmässigen Zerstäubung des Öls von der Zerstäuberfläche des Ultraschall-Ölzerstäubers. Es wurde gefunden, dass die aichtgleichmässige Verteilung oder Zerstäubung teilweise darauf zurückzuführen ist, dass die Zerstäuberspitze sich während der Vibration durchbiegt und dass die nichtgleichmässige Verteilung verringert wird, wenn die Stirnfläche des Flansches oder die Zerstäuberfläche 33 sich wie eine feste, schallharte Ebene bewegen. Die Zerstäuberfläche bewegt sich wie eine fest Ebene durch Vergrösserung der Dicke der Spitze 32, sodass die Spitze 32 und die Ebene 33 während der Vibration starr bleiben. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt die Dicke der Spitze 32 0,050".

Durch die erfindungsgemässe Vorrichtung wird eine grössere Zerstäuberkapazität erreicht. Wie vorstehend ausgeführt wurde,

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waren die bisher bekannten Obertragungsvorrichtungen dadurch in ihrem Wirkungsgrad begrenzt, dass der ölfluss zu der Zerstäuberflüche nicht die gesamte Fläche benetzte, bevor die Zerstäubung einsetzt. Zusätzlich wird durch die bei glatten metallischen Flächen auftretende Oberflächenspannung die Neigung begünstigt, die Oberfläche nicht gleichmässig zu benetzen. Diese Nachteile werden bei der vorliegenden Erfindung vermieden, indem die Oberflächenspannung an der ölzerstäuberflache verringert wird und dabei das öl schneller über die Zerstäuberfläche fliessen kann. Ferner wird erreicht, dass das Öl sich auf dieser Fläche gleichmässiger verteilt. Die Oberflächenspannung an der ölzerstäuberflache wird geraäss dc:n in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch verringert, dass die Zerstäuberfläche mit einem Material beschichtet ist, welches die Oberflächenspannung herabsetzt. In der Fig. 4 ist die Spitze 32 dargestellt mit einer Zerstäuberfläche 33, auf welcher eine dünne Beschichtung 41 vorgesehen ist. Dieser Belag kann beispielsweise aus Teflon, Polyvenylchlorid, Polyester und PolyKarbonaten bestehen.

Gemüss dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein besserer ölfluss zum äusseren Rand durch Kanäle 42 in dor Zerstäuberfläche 33 verbessert. Durch diese Kanäle in der Zerstauberfläche, die sich bis zum Umfangsrand der Zerstäuberfläche 33 erstrecken, wird der ölfluss über die gesamte Zerstauberfläche wirksam verbessert. Hierdurch kann sich bei einer vorgegebenen ölmenge ein dünner Film über die gesamte Zerstauberfläche bilden, an Stelle eines dickeren Films, welcher sich um die zentrale ölzuflussleitung bildet.

Gemäss dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiels kann eine Heizung 43 vorgesehen sein, um die Zerstäuberfläche während des Betriebs aufzuwärmen und zwar auf Temperaturen in der

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Grössenordnung bis zu 150 F. Die Wärme verringert die Viskosität des Öls und begünstigt die Benetzung der Fläche.

'.Vie in Fig. 7 dargestellt ist, kann die Zerstäuberfläche, wie πit 44 wiedergegeben, geätzt sein, z.B. im Sandstrahlverfahren, wodurch die Oberfläche stark vergrössert und die Dicke des Ölfilms verringert wird.

Die geometrische Gestalt der Zerstäuberfläche beeinflusst Jas Spriihbild und die Dichte der sich bei der Zerstäubung bildenden Partikel. Eine planare Stirnfläche 33, wie sie in den l-'ig. 2 bis 7 dargestellt ist, erzeugt ein bestimmtes Sprühbild mit einer bestimmten Dichte. Falls diese Fläche konkav gestaltet wird, wie es bei 33' in Fig. 8 dargestellt ist, ist das Sprühbild breiter und es sind pro Querschnitt der [-lache weniger Partikel vorhanden als mit einer planaren Fläche. Eine konvexe Fläche 33' gemäss Fig. 9 verengt das Zerstäuberbild und die Dichte der Partikel ist grosser als bei einer planaren Fläche.

Bei einem ölbrenner ist die kurze Lebensdauer der Zündelektroden ein immer wiederkehrendes Problem. Diese Elektroden bewirken den Zündfunken bei der Zündung des Öl-Luftgemisches innerhalb des Flammenrohres. Beim Zündungsvorgang erstrecken sicii die Elektroden in den Flammenkegel, der sich bei der Zündung bildet. Dadurch, dass die Elektroden der hohen Hitze während des Brennvorgangs ständig ausgesetzt sind, werden sie schnell abgenutzt und müssen häufig ersetzt werden.

Diese Nachteile werden beim ölbrenner gemäss der Erfindung vermieden, indem die Zündelektroden während des normalen ßrennvorgangs sich ausserhalb des Flammenkegels befinden, während sie während der Zündphase den Zündvorgang begünstigen.

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Hierdurch wird der Winkel des Sprühkegels erheblich vergrössert, indem die Zündelektroden innerhalb des Raums gebracht werden, der durch das Öl-Luftgemisch und den sich bildenden Flammenkegel ausgefüllt wird. Sobald der Zündungsvorgang abgeschlossen ist, wird der Winkel des Sprühkegels auf seine normale Grosse zurückgeführt und die Spannung an die Zündelektroden verringert, sodass die Zündelektroden sich ausserhalb des normalen Flammenkegels befinden.

Der in Fig. 10 insgesamt mit 50 bezeichnete Brenner enthält ein Gebläserohr 51, eine Übertragungsvorrichtung 52 sowie eine Zündvorrichtung, welche Zündelektroden 53 enthält, ein Gebläse 54 zur Zuführung von Luft für die Verbrennung und zum Kühlen der Übertragervorrichtung 52, Luftableitelemente 55, eine Flammentrichter 56, eine Stromversorgungsvorrichtung 57, einen Flammensensor 58 und eine Pumpe 59 zum Fördern von Ol aus einem öltank 60 zu der Übertragungsvorrichtung 52. Die Zündelektroden 53 sind zwischen dem Gebläserohr 51 und dem Flammentrichter 56 angeordnet und von Keramik- oder Porzellanisolatoren gehalten, die von einem hochtemperaturbeständigen Asbestmaterial umgeben sind und in der Nähe der Zerstäuberflache, aber in einem genügenden Abstand hiervon (etwa 1/2 Zoll) angeordnet, um ein überspringen des Zündfunkens auf die Zerstäuberanordnung zu verhindern. Während der Zündphase erhalten die Eingangsleitungen der Obertragungsvorrichtung 52 von dem Stromversorgungsteil 57 eine grössere Spannung und einen höheren Strom als beim normalen Betriebsvorgang. Dies kann automatisch durch eine entsprechende Programmierung der elektrischen Versorgung geschehen. Während der Zündphase befinden sich die ZUndelektroden 53 innerhalb des sich im Flammentrichter bildenden Flammenkegels (Fig. 10A). Sobald sich der Brennvorgang stabilisiert hat, sendet der Flammensensor 58 ein Signal an die elektronische Stromversorgungseinrichtung 57,

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wodurch der Flammenkegel verkleinert wird, sodass dann die Zandjlektroden 53 ausserhalb des normalen Flammenkegels sich befinden (vgl. Fig. 10B). Hierdurch wird eine längere Lebensdauer der Zündelektroden erreicht, da sich diese dann während des normalen Betriebs in einem kühleren Temperaturbereich befinden. Ausserdem werden die Zündelektroden nicht durch die kontinuierliche Hitze verschmutzt oder oxidiert.

Ein Vorteil des Ultraschall-Ölzerstäubers besteht darin, dass man die üurchflussmenge des Öls über einen weiten Bereich variieren kann. Um dies zu erreichen, ist es vorteilhaft, die Zuführung der Verbrennungsluft durch das Rohr 51 zu verändern. Dies kann entweder durch elektrische Steuerung der Geschwindigkeit des Gebläsemotors erreicht werden oder aber in einfacher U'eis;j dadurch, dass die Austrittsöffnung der Luftdüse bei konstanter Geschwindigkeit sich ändert. Durch diese letztgenannte Massnahme kanu der statische Druck der Luft innerhalb des hrcnners aufrechterhalten werden, um die für eine gute Verbrennung erforderliche Turbulenz zu entwickeln. Gemäss den Fig. 11 und 12 wird dies erreicht durch eine Iris-Blende 61, welche sich innerhalb des Verbrennungsrohres 51 befindet und die elektrisch gesteuert wird, wie dies in Fig. 13 dargestellt ist.

Entsprechend der Durchflussmenge des Öls wird die erforderliche Luftmenge automatisch durch öffnen oder Schliessen der Blende 61 eingestellt, bis dass optimale Brennbedingungen erreicht sind. Diese optimalen Brennbedingungen werden durch Überwachung des CO₂-Gehalts in dem Gasstrom bei 62 (Fig. 13) abgefault und über einen Steuerkreis 63 die Iris-Blende 61 so eingestellt, bis dass ein vorgegebener CO^-Gehalt, beispielsweise 12,5 bis 11% CO₂,erreicht ist. Es ist bisher bekannt, dass die ölbrenner in zwei verschiedenen Stufen, nämlich

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"aus" UJId¹¹SIi", betrieben werden bei einer festen Burchflussaenge des Öls- Ein derartiger Zweistufenbetrieb hat zahlreiche Nachteile- Zum einem ist dieser Jkrtridb unwirtschaftlich, da ein höherer Ölverbrauch als nötig vorSaaaiden ist, und zum anderen wird die Yersclrrautziaiag er&älht. Beim Zweistufenbetrieb wird bein übergang von eimer Betriebsweise zu der anderen die Verbrennung begleitet ait der Erzeugung von grossen Mengen unverbrannter Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid.

Diese beschriebenen Nachteile können verhindert werden durch einen Dreistufenbetrieb geaäss der Erfindung. Diese in Fig. dargestellte Betriebsweise enthält drei verschiedene Verbrennungsstufen, nämlich "hoch", "niedrig" und "aus". Typische Beispiele sind:

hohe Verbrennung - 0,60 Gallonen/h, niedrige Verbrennung - 0,20 Gallonen/h, aus (keine Verbrennung)- 0,00 Gallonen/h.

Die hohe Verbrennungsrate wird eingeleitet durch den Thermostat 71, wenn ungenügende Wärme abgetastet wird. Dies wird auch bei konventionellen Heizanlagen mit üblichen Thermostaten vorgenommen. Wenn der Ileizbedarf ausreichend ist, wie er vom Thermostat gemessen wird, wird das Heizsystem auf einen niederen Verbronnungsbereich abgeschaltet mittels einer Steuereinrichtung 32 zu der Steuereinrichtung 73 der Feuerung. Hierbei werden Wärmeaustauscher bei einer erhöhten Temperatur gehalten und Zugvcrluste, wie sie bei konventionellen Heizsystemen bei gänzlicher Abschaltung der Heizung vorkommen, verringert.

Die Betriebsweisen von einer starken zu einer niederen Verbrennung sind etwa wie folgt: 10 Minuten hohe Verbrennung, dann 20 Minuten niedere Verbrennung, dann 10 Minuten wieder hoher usw. Diese Zeit ändert sich mit dem Wärmebedarf. Diese

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Betriebsweise gestattet eine wirtschaftlichere Anwendung der Verbrennung, da das System schon warm ist, wenn der höhere Verbrennungszyklus beginnt. Ausserdera braucht die Feuerung nicht so stark eingestellt zu werden, wie dies bei konventionellen Anlagen der Fall ist, da dieses System auf den Heizbedarf schneller anspricht, weil es während der niederen Periode v/armgehalten wird.

Dia "Aus"-Stellung des Dreistufensystems wird nur dann eingestellt, wenn kein Heizbedarf vorhanden ist, z.B. an Tagen, wenn die Aussentemperatur gleich oder höher ist als die Innentümperatur. Diese Bedingung wird durch einen externen Temperaturfühler 74 abgetastet, der die Heizung oberhalb des vorgegebenen Grenzwerts einschaltet, was auch vom Benutzer manuell vorgenommen werden kann.

Die beschriebene Übertragungsvorrichtung kann auch bei olbrennern Verwendung finden, die mit einer kontinuierlichen Modulation versehen sind.

Iii Fig. 15 ist schematisch dargestellt, dass die Brennstärke ein.s Systems sich zwischen einem vorgegebenen oberen und unteren Grenzwert kontinuierlich ändern kann, und zwar in Abhängigkeit von einem von ausscn kommenden Steuersignal, welches der elektronischen Schaltung des Brenners aufgegeben wird. Dies kann z.B. durch eine Zusatzheizung mittels Solarzellen erfolgen. Wenn die Temperatur eines Heisswasserbehälters 81 oberhalb eines unteren Temperaturwerts T gehalten werden muss, wird bei einem Mangel von Solarenergie, welche über die Pumpe 82 von den Solarzellen 83 zugeführt wird, dieser sofort durch einen zusätzlichen Heizstrom vom ölbrenner 84 ausgeglichen. Dieser Defizit, welcher veränderlich ist, wird bei 85 abgetastet und bewirkt, dass der ölbrenner 84 sofort mit der Verbrennung einsetzt und die innerhalb der vorgegebenen

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Grenzen gewünschte Wärme liefert, sodass die Summe der solaren Wärme und der Brennerwärme sich auf einem vorgegebenen Wert

Während die Erfindung im Zusammenhang mit einem ölbrenner für die Heizung von Räumen beschrieben wurde, kann sie auch mit gleichem Vorteil in Brennern für Wohnwagen usw. verwendet werden, da durch die veränderlichen Strömungseigenschaften wirtschaftliche Vorteile erreicht werden. Die Erfindung kann auch eingesetzt werden für den Zufluss von öl in die Verbrennung von Düsentriebwerken. Ferner ist die Erfindung anwendbar zur Zerstäubung von anderen Flüssigkeiten, z.B. Wasser.

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L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche

1.' lir^iner ait Zerstäubung der Flüssigbrennstoffe mittels Ultraschal 1,

gekennzeichnet durch

einer. Ultraschallgeber mit einem eine empirisch gemessene lic:sc:ianzfrequenz aufweisenden ersten Teil (11) mit mindestens «jiae.ii Ultraschal labstrahier (13) und einem Antriebselcment (14) sowie einerii zweiten Teil (2'J), welches ein Resonanzglied aufweist, dessen theoretische Resonanzfrequenz sich der empirisch gemessenen Resonanzfrequenz des ersten Teils anpasst, und mit einer Zerstäuberfläche (33) versehen ist, in deren Bereich eine Ölzuflusslcitung (34) mündet, sowie durch eine steuerbare Luftzuführungslcitung zur Vermischung des üls mit Luft und eine Zündvorrichtung zum Zünden der Verbrennung des ϋΙ-Luftgeraisches.

Ultraschallgeber, insbesondere zur Verwendung bei einem Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste, einen vorderseitig angeordneten Ultraschallabstrahler (12A) aufweisende Teil mit einer Ölzuflussleitung und einem rückseitig angeordneten zweiten Ultraschallabstrahler (13) verseilen ist, dass das Antriebselement (14) ein Paar piezoelektrischer Platten (15, 16) und eine zwischen diesen befindliche, mit elektrischer Energie hoher Frequenz versorgte L-lektrode und eine mit dieser verbundene Anschlussleitung (18) aufweist und dass das zweite Teil einen abgestuften, mit dem

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vor.i j n_-!i Ul traschallabstrahler verbundenen stirnseitigen Γiar··.-ic'::toil (32) mit einer Zerstäuberfläche (33) aufweist, '..■jiici die 01 luf 1 uss 1 eitung des zweiten Teils mit der ü Izui'l uss leitung des ersten Teils verbunden ist.

5. UIt rascha 11 ;;cber nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Teil (29) Teilstücke verschiedenen Durchmessers auf i.-j ist, nänlich ein Tcilstück (Λ) grösseren Durchmessers und ein sich in Richtung der Zerstäuberfläche (33) erstreckendes '.'oil stück kleineren Durchmessers (B), wobei die abgestufte FKic.ie (51) zwischen den Teilstücken zur Verstärkung der V i!) rat iuusbewegung der Zerstäuberfläche dient, und dass das ^tirnseitige Flanschteil (32) eine starre Fläche der iJiclv_- (Cj besitzt und die genannten Abmessungen die Formel A st betten. ^B+C

4. Ul tr^schal lgcber nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, da:;s die piezoelektrischen Platten (15, 16) mit Abdichtungen (26, 27) aus Kunst stoffmaterial umhüllt sind.

5. UIt raschall geber nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeici.net, dass der Antriebsteil (14) und die piezoelektrischen Platten (15, 16) mit der zwischen ihnen befindlichen Elektrode schichtenweise mit je an beiden Seiten vorgesehenen Flanschteilcu (19, 20) zueinander angeordnet und durch Befestigungsmittel (21, 22) miteinander verbunden sind.

6. Uitraschallgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der ülzuflussleitung (34) eine Entkopplungshülse (55) vorgesehen ist, die sich bis in den Bereich der Zerstäuberfläche erstreckt.

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7. UItraschallgeber nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (C) des Zerstäuberglieds (32) so bemessen ist, dass an der Spitze ein verlagerter Schwingungsbauch auftritt.

8. UItraschallgeber nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanschspitze (32) mit der Zerstäuberfläche (33) eine starre, biegungsfeste Fläche während der Vibration bildet.

9. Ultraschallgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Zerstäuberfläche eine die Oberflächenspannung herabsetzende Beschichtung (41) vorgesehen ist.

10. Ultraschallgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstäuberfläche konkav (33') oder konvex (33") ausgebildet ist.

11. Ultraschallgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erwärmung der Zerstäuberfläche eine Heizung (43) vorgesehen ist.

12. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftstrom vor der Zuführung zum öl durch ein Ablenkglied in rotierende Bewegung versetzbar ist.

13. kremier nach Anspruch 1 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der Luftzuführungsleitung eine variable öffnungen aufweisende Blende (51) angeordnet ist.

14. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündvorrichtung in der Nähe der Zerstäuberfläche angeordnete Elektroden (53) enthält und eine Steuervorrichtung zum Steuern der Grosse des Verbrcnnungskegels vorgesehen ist, durch die nach dem Zündvorgang der Brennkegel so verkleinert

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wird, dass die Steuerelektroden nach dem Zündvorgang sich ausserhalb des ßrennkegels befinden.

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