DE2524887A1

DE2524887A1 - Verbrennungsvorrichtung

Info

Publication number: DE2524887A1
Application number: DE19752524887
Authority: DE
Inventors: Toshiharu Kumazawa
Original assignee: Mitsubishi Precision Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Precision Co Ltd
Priority date: 1974-06-04
Filing date: 1975-06-04
Publication date: 1975-12-18
Also published as: US4084934A; FR2279475B1; DE2524887C2; GB1508051A; FR2279475A1

Description

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Mitsubishi Precision Co., Ltd., Kamakura / Japan

Verbrennungsvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungsvorrichtung.

In einer solchen Vorrichtung wird fein verteilter flüssiger Brennstoff verbrannt, wobei vorher ein Gemisch aus flüssigem Brennstoff und einer anderen Flüssigkeit wie Wasser hergestellt und zerstäubt wurde.

Zur Verbesserung der Verbrennungscharakteristika von Verbrennungsvorrichtungen zur Verringerung der Umweltverschmutzung durch Abgase der Verbrennungsvorrichtung wurden schon zahlreiche Maßnahmen vorgeschlagen und v/erden gegenwärtig benutzt, wie die Erleichterung des Mischens des flüssigen Brennstoffes mit Luft, die zweistufige Verbrennung, die Rezirkulation der Gase,

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das Mischen von flüssigem Brennstoff und Wasser mit oder ohne eine andere Flüssigkeit neben Wasser, gleichzeitig mit der Zerstäubung oder feinen Verteilung des Genisches usw.. Es ist eine feststehende Meinung, daß es im allgemeinen schwierig ist, ein wirksame Verbrennungsvorrichtung durch kollektive Verwendung der charakteristischen Merkmale dieser Maßnahmen zu erreichen, weil bei der sich ergebenden Vorrichtung verschiedene Probleme hinsichtlich der Konstruktion, der Kosten usw. auftreten.

Die Zerstäubung oder feine Verteilung von Flüssigkeiten wie flüssigen Brennstoffen wurde bisher unter Verwendung von Zentrifugaleinspritzventilen, Aufpralleinspritzventilen, Lufteinspritzventilen, rotierenden Scheiben, elektromechanischen Überschallgeneratoren usw. durchgeführt. Die Verwendung einer dieser Vorrichtungen hat es im allgemeinen schwierig gemacht, in einem kurzen Zeitintervall fein verteilte Partikel zu erzeugen und eine große Menge eines Gemisches mindestens zweier Arten von Flüssigkeiten in Form einer Emulsion zu erhalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue und verbesserte Verbrennungsvorrichtung mit wirksam verbesserten Verbrennungscharakteristika zu schaffen, bei welcher die Mengen schädlicher Bestandteile im Abgas verringert sind und die einen herabgesetzten Brennstoffverbrauch aufweist, indem das Gemisch eines Brennstoffes mit der Luft verbessert wird, die sich ergebende Flamme verkürzt und verdünnt wird, die Menge der von der Flamme abgestrahlten Wärme gesteigert und das Zeitintervall verkürzt wird, das zur vollständigen Verbrennung des Brennstoff-Luft-Gemisches erforderlich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Einrichtung zum Sprühen von flüssigem Brennstoff und Flüssigkeit

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in einen Strom eines unter hohem Druck stehenden gasförmigen Strömungsmittels vorgesehen 1st, um ein gemischtes, fein verteiltes Strömungsmittel mit dem unter hohem Druck stehenden gasförmigen Strömungsmittel und fein verteilten Partikeln des flüssigen Brennstoffs zu bilden, daß eine Düse vorgesehen 1st, um das gemischte, fein verteilte Strömungsmittel mit hoher Geschwindigkeit in eine Brennkammer zu sprühen und daß ein Prallverteiler stromab der DUse angeordnet ist, so daß das fein verteilte, aus der DUse ausgesprühte Strömungsmittel damit zusammenprallt, wodurch das fein verteilte Strömungsmittel feiner unterteilt und in der Brennkammer verteilt wird.

Ferner wird durch die Erfindung eine neue und verbesserte Vorrichtung sowohl zum feinen Zerteilen einer Flüssigkeit in Form gleichmäßig fein verteilter Partikel als auch zum Umwandeln von mindestens zwei Arten von Flüssigkeit zu einem Gemisch aus fein verteilten Partikeln in Form einer Emulsion geschaffen, wobei die Vorrichtung einen einfachen Aufbau aufweist.

Die Einrichtung zum Einstellen der Dispersion kann vorzugsweise um die DUse angeordnet sein, ivn einen Winkel zu beistimmen, über den der Prallverteiler das feiner verteilte Strömungsmittel in die Brennkammer spritzt.

Um den Dispersionswinkel, über welchen der Prallverteiler das feiner verteilte Strömungsmittel in die Brennkammer spritzt, automatisch zu steuern, können vorteilhaft Lager stromauf der DUse angeordnet sein, um den Prallverteller in einer Richtung der Strömung des fein verteilten Strömungsmittels stromauf der DUse beweglich zu lagern.

Die Vorrichtung zum feinen Verteilen einer Flüssigkeit umfaßt eine DUse zum Durchtritt eines unter hohem Druck stehenden

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gasförmigen Strömungsmittels, einen Impulswellengenerator mit einem Hohlraumresonator zur Erzeugung einer Impulswelle durch die Verwendung des Hochdruckströmungsmittels, das aus der DUse austritt, und eine Leitung und einen Eintritt um eine fein zu verteilende Flüssigkeit in die DUse einzubringen.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der Impulswellengenerator die Form eines hohlen Zylinders mit einer ringförmigen konkaven Endfläche am abströmseitigen Ende haben, welcher dem Hohlraumresonator genenüberliegt, um einem Strom fein verteilter Partikel, der durch die Düse ausgespritzten Flüssigkeit zu richten, während eine andere DUse stromauf der ersten DUse und in Verbindung mit dieser angeordnet ist und die Leitung und die Einlaßöffnung aufweist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Teil eines Längsschnittes einer Verbrennungsvorrichtung gemäß einem Ausführungs-'oeispiel der Erfindung, wbei die zuger^n^t^n Zuführsysteme für Strömungsmittel schematisch als Blockdiagramm dargestellt sind,

Fig. 2 ein Blockdiagramm, das zur Erläuterung der Zufuhr eines flüssigen Brennstoffes und einer damit zu mischenden Flüssigkeit zum in Fig. 1 gezeigten Mischrohr nützlich ist,

Pig· 3» 4 und 5 Längsschnitte verschiedener Abwandlungen des

Mischrohres und des Prallverteilers, die in Fig. 1 gezeigt sind,

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Pig. 6 einen Längsschnitt einer Vorrichtung zum Zerstäuben einer Flüssigkeit zu fein verteilten Partikeln gemäß der Erfindung, und

Pig. 7 eine der Fig. 6 ähnliche Darstellung, welche

eine Abwandlung der in Fig. 6 gezeigten Anordnung veranschaulicht.

In Fig. 1 ist ein Teil einer Verbrennungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die dargestellte Anordnung umfaßt eine Zuführleitung 10 für Strömungsmittel, die von einer nicht dargestellten Quelle eines unter hohem Druck stehenden gasförmigen Strömungsmittels kommt, mit einem Absperrventil 12 und einem Druckregelventil 14, einem Rohr 16 mit Kreisquerschnitt, das mit einem Ende mit der Zuführleitung 10 verbunden ist, und mit einer Brennkammer 18, von der nur ein Teil dargestellt ist und einer Einlaßöffnung 20, Das Rohr 16 mit Kreisquerschnitt erstreckt sich mit seinem anderen Ende durch die Einlaßöffnung 20 in die Brennkammer 18, so daß die Längsachse des Rohres 16 im wesentlichen mit der der Bre.nnkdünmer l^Q ausgerichtet· Is⁺:

Das Kreisquerschnitt aufweisende Rohr 16 wird aus einem Rohrabschnitt 22 für Hochdruckströmungsmittel, einem Düsenabschnitt 24 mit einer Düse 24' und einem Mischrohrabschnitt 26 gebildet. Der Rohrabschnitt 22 für Hochdruckströmungsmittel ist direkt an die Zuführleitung 10 für Strömungsmittel angeschlossen und mehrere, in diesem Fall zwei Zuführleitungen 28 und 30 für Strömungsmittel münden im Düsenabschnitt 24 in die Düse 24'. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel dient die Zuführleitung 28 dazu, einen flüssigen Brennstoff zur Düse 24¹ im Düsenabschnitt 24 zu leiten, während die Zuführleitung 30 dazu dient, eine Flüssigkeit in die Düse 24' zu leiten, welche mit dem Brennstoff gemischt werden soll.

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Der Mischrohrabschnitt 26 endet an einer Zerstäubungsdüse 32 und ein Prallverteiler 34 in Form eines umgekehrten Kegelstumpfes ist vor der Zerstäubungsdüse 32 bzw. stromab derselben angeordnet, in dem seine Fläche mit dem größeren Durchmesser der Düse gegenüber und im wesentlichen normal zur Längsachse des Rohres 16 angeordnet ist. Hierfür ist eine Tragstange 36 an einem Paar mit Abstand angeordneter Zapfen 38 aufgehängt, die radial von der Umfangswand des Mischrohrabschnittes 26 nach innen ragen, so daß die Tragstange auf der Längsachse des Mischrohrabschnitts 26 liegt und ein Ende derselben über die Düse 32 hinausragt. Der Prallverteiler 34 ist starr an diesem Ende befestigt, so daß er normal zur Achse der Tragstange 36 angeordnet ist. Eine Einstelleinrichtung 40 für die Strömung, welche die Form eines Hohlzylinders aufweist, ist am Endabschnitt des Mischrohrabschnitts 2.6 mit der Zerstäubungsdüse 32 angeordnet und ragt über die Endfläche des Mischrohrabschnitts 26 hinaus, bis seine scharfe Umfangskante 40' gerade kurz vor der größeren Durchmesser aufweisenden Fläche des Prallverteilers 34 liegt. Die scharfe umfangskante 40^! ist radial außerhalb der scharfen Umfangskante 34' der den größeren Durchmesser aufweisend an Fläche des Pr all verteuere 34 angeovCrct, bo daß ein ringförmiger Spalt zwischen beiden Umfangskanten gebildet wird. Die axiale Lage der Einstelleinrichtung 40 für die Strömung ist vorzugsweise in bezug auf den Mischrohrabschnitt 26 steuerbar. Die Einstelleinrichtung 40 und der Prallverteiler 34 sind innerhalb des Einlasses der Brennkammer 18 angeordnet.

Die Arbeitsweise der in Fig. 1 gezeigten Anordnung wird nun in Verbindung mit einem Gemisch aus einem flüssigen Brennstoff und Wasser beschrieben. Es versteht sich, daß ein flüssiger Brennstoff allein, ein Gemisch aus flüssigem Brennstoff und einer anderen Flüssigkeit als Wasser oder ein Gemisch aus flüssigem Brennstoff, Wasser und einer anderen Flüssigkeit

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als Wasser zweckmäßig sein und wirksam in der Brennkammer 18 verbrannt werden kann. Wenn das Absperrventil 12 geöffnet ist, strömt ein unter hohem Druck stehendes gasförmiges Strömungsmittel von der Zuführleitung 10 durch das Absperrventil 12 und das Druckregelventil 14, wo zweckmäßig sein Druck gesteuert wird. Dann fließt das gasförmige Strömungsmittel in den Hochdruckrohrabschnitt 22. Das hohen Druck aufweisende, gasförmige Strömungsmittel, das innerhalb des Hochdruckrohrabschnittes 22 mit Gl bezeichnet ist, wird mit hoher Geschwindigkeit durch die Düse 24¹ im DUsenabschnitt 24 in den Misehrohrabschnitt 26 gesprüht. Zu diesem Zeitpunkt werden ein flüssiger Brennstoff und Wasser durch die entsprechenden Zuführleitungen 28 bzw. 30 in die Düse 24 gespritzt damit sie fein verteilt und miteinander und mit dem unter hohem Druck stehenden gasförmigen Strömungsmittel gemischt werden. Das sich ergebende gasförmige Gemisch welches fein verteilte Partikel des Brennstoffes und des Wassers enthält, wird von dem Düsenabschnitt 24 durch den Mischrohrabschnitt 26 geleitet während der Brennstoff das Wasser und das gasförmige Strömungsmittel noch wirksamer miteinander gemischt werden. Schließlich wird das Gemisch durch die Zerstäubungsdüse 32 in die Brennkammer l8 gesprüht.

Das Gemisch aus Brennstoff und Wasser in Form fein verteilter Partikel und unter hohem Druck stehendem gasförmigen Strömungsmittel, welches in die Brennkammer 18 gesprüht wird, trifft auf den Prallverteiler 34, damit es verteilt wird. Unter diesen Umständen tritt ständig die Erscheinung auf, daß das dispergierte Gemisch erneut mit dem nachfolgenden, ähnlichen Gemisch zusammenprallt, was dazu führt, daß es angenähert in Form eines Konus mit einem Verteilwinkel oi verteilt wird. Mehr im einzelnen trifft das Gemisch auf die größeren Durchmesser aufweisende Fläche des Prallverteilers 34 und bildet einen Strom Al, wie er mit gestrichelten Linien in Fig. 1 dargestellt ist. Während sich der Strom Al des Gemisches weiter in die Brennkammer 18

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bewegt, trifft er erneut mit dem ähnlichen folgenden Strom zusammen und ein Teil des Stromes Al trifft erneut gegen die scharfe Umfangskante 34' des Prallverteilers 34 und bildet einen zweiten Strom A2, wie er ebenfalls in Fig. 1 mit gestrichelten Linien dargestellt ist. Der Strom A2 des Gemisches enthält feiner verteilte Partikel von Brennstoff und Wasser. Den Strom A2 setzt ein dritter Strom A3 fort. Dies führt dazu, daß das Gemisch des gasförmigen Strömungsmittels und der fein verteilten Partikel des Brennstoffes und des Wassers eine Zeit lang angenähert in Form eines Konus mit einem Dispersionswinkel c« dispergiert wird, bis es innerhalb der Brennkammer 18 wirksam verbrannt ist.

Es wurde gefunden, daß das Zusammenprallen der Ströme mit flüssigem Brennstoff und Wasser bemerkenswert, insbesondere im Schnittpunkt der Ströme Al und A2 verursacht wird, dieser Schnittpunkt ist durch einen Kreis einschließlich eines Punktes P gegeben (Fig. 1) und liegt in einer Ebene normal zur Längsachse des Mischrohrabschnitts 26 und des Prall Verteilers 34. Dieses Zusammenstoßen steigert die Wirkung der feinen Verteilung und die Mischwirkung*

Außerdem verursacht der Zusammenprall des Gemisches mit der anströmseitigen Fläche des Prallverteilers 34 einen Druckabfall an der rückseitigen oder abströmseitigen Fläche desselben, was dazu führt, daß ein Teil des Stromes A2 radial nach innen zur Längsachse der Brennkammer 18 und dann zur Rückseite des Prallverteilers 34 gesogen wird, um einen vierten Strom A4 zu bilden, der ebenfalls mit gestrichtelten Linien in Fig. 1 dargestellt ist. Der so gebildete Strom A4 des Gemisches wirkt zum Erwärmen und Verdampfen oder Vergasen der fein verteilten Brennstoff-und Wasserpartikel, die in dem folgenden Gemisch eingeschlossen sind. Dies wird durch die Rezirkulation

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gasförmiger Verbrennungsprodukte bewirkt. So kann die Verbrennung, beginnend mit der rück- oder abströmseitigen Fläche des Prallverteilers 34,stabil durchgeführt werden.

Außerdem dienen die beiden Zapfen 38 dazu, eine turbulente Strömung im Gemischstrom aus gasförmigem Strömungsmittel und fein verteilten Partikeln des Brennstoffes und des Wassers zu erzeugen, welcher durch den Mischrohrabschnitt 26 fließt. Dies führt ebenfalls zu einer wirksameren Mischung und einer feineren Verteilung.

Der Dispersionswinkel oc hängt von der Geschwindigkeit ab, mit welcher das Gemisch des unter hohem Druck stehenden, gasförmigen Brennstoffes und des Wassers durch die Zerstäubungsdüse 32 ausgesprUht wird, von der Entfernung zwischen dem Ende der Zerstäubungsdüse 32 und der Aufprallfläche des Prallverteilers 34, und der Fläche dieser Aufprallfläche ab. Ferner kann die scharfe Umfangskante 40' der Einstelleinrichtung 40 für die Strömung in ihrer Lage längs der Längsachse des Mischrohrabschnitts 26 zusammenwirken, um sowohl den Dispersionswinkel oc als auch das Ausmaß einzustellen, in welchem der konische dispergierte Strom dünn ausgebildet wird, Venn die Einstelleinrichtung; 40 z.B. näher an den Prallverteiler 34 herangeschoben wird, wird der Dispersionswinkel tX kleiner mit dem Ergebnis, daß die im Strom A des Geraisches eingeschlossenen Partikel durch Aufprall des Stroms Al gegen die scharfe umfangskante 40' der Einstelleinrichtung 40 feiner verteilt werden, während der Strom gleichzeitig insgesamt dünner ausgebildet wird. Aus diesem Grunde ist die Einstelleinrichtung 40 in ihrer Lage entlang der Längsachse des Mischrohrabschnitts 26 vorzugsweise einstellbar.

Die Dispersionsform hängt auch von der Form des Prallverteilers 34 und einem Winkel des letzteren relativ zur Längsachse des Mischrohrabschnitts 26 und daher von der Tragstange 36 ab. In Fig. 1 ist der Prallverteiler 34 so dargestellt, daß seine

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Aufprallfläche im wesentlichen normal zur Tragstange 36 liegt, damit ein Dispersionsmuster geschaffen wird, das einem Konus angenähert und in bezug auf die Längsachse des Mischrohrabschnitts 26 symmetrisch ist. Gegebenenfalls kann der Prallverteiler 34 in bezug auf die Längsachse des Mischrohrabschnitts 26 gekippt werden.

Während der flüssige Brennstoff und Wasser den ZufUhrleitungen 28 und 30 unter Verwendung einzelner, nicht dargestellter Versorgungspumpen zugeführt werden können, wird die Zufuhr zu den Zuführleitungen zu 28 und 30 zweckmäßig durch Verwendung einer Differenz zwischen einem Strömungsmitteldruck in der Hochdruck aufweisenden Zuführleitung 10 und einem verringerten Druck durchgeführt, der in der Düse 24' im DUsenabschnitt 24 entwickelt wird.

Im letzteren Fall ist ein Brennstofftank 42 (Fig. 2) über ein Durchflußregelventil 46 und ein Absperrventil 50, wie es in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, an die Zuführleitung 28 für Brennstoff angeschlossen. JÜinlich ist ein Wassertank 44 (Fig. 2) über ein Durchflußregelventil 48 und. ein Absperrventil 5? an die Zuführleitung 30 für Wasser angeschlossen. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, werden sowohl der Brennstoff-als auch der Wassertank 42 bzw. 44 über einen Dreiwegehähn und eine Druckleitung mit dem Druck des Strömungsmittels innerhalb der Zuführleitung 10, welcher durch das Druckregelventil 14 gesteuert wird, beaufschlagt. So werden Brennstoff und Wasser jeweils vom eigenen Tank 42 bzw. 44 über die Ventile 46 und 50 oder 48 und 52 und die Zuführleitungen 28 und 30 entsprechend einer Differenz zwischen dem auf den eigenen Tank 42 und 44 aufgebrachten Strömungsmitteldruck und einem verringerten Druck der in der Düse 24' im DUsenabschnitt 24 auftritt zum DUsenabschnitt zugeführt, während die Durchflußmenge des Brennstoffes und der Flüssigkeit

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durch die einzelnen Durchflußregelventile 46 bzw. 48 gesteuert werden.

Der Dreiwegehahn 54 ist auch an ein Entlüftungsrohr 58 angeschlossen. Wenn die bestimmte Verbrennung beendet ist oder wenn es erforderlich ist sie auszusetzen, wird das Absperrventil 12 geschlossen während der Dreiwegehahn 54 so gedreht wird, daß die Druckleitung 56 mit dem Entlüftungsrohr 58 in Verbindung steht. So wird die Zufuhr des unter hohem Druck stehenden gasförmigen Strömungsmittels zum DUsenabschnitt 24 unterbrochen und der Strömungsmitteldruck innerhalb jedes Tanks 42 bzw. 44 kann über die Druckleitung 56 den Dreiwegehahn 54 und das EntlUftungsrohr 58 zur Atmosphäre hin abgebaut werden, wodurch die Zufuhr von Brennstoff und Wasser zum Düsenabschnitt 24 unterbrochen wird.Daher wird kein Gemisch des unter hohem Druck stehenden gasförmigen Strömungsmittels und der fein verteilten Partikel des Brennstoffes und des Wassers zur Brennkammer 18 zugeführt.

Um den Brennstoffstrom und den Wasserstrom durch die einzelnen Zuführleitungen 28 und 30 zu steuern, enthält ein Steuersystem einen Temperaturfühler 60, der zweckmäßig um die Brennkammer angeordnet ist, um eine Temperatur eines durch die Brennkammer 18 zu erwärmenden Objektes, z.B. einer Wassermenge, zu erfassen, sowie einen Zustandsfühler 62, der zweckmäßig innerhalb der Brennkammer l8 angeordnet ist, um den Zustand der Verbrennung innerhalb der Brennkammer l8 zu erfassen. Beide Fühler 60 und 62 sind schematisch als Punkte dargestellt und mit einem Monitor 64 verbunden. Der Monitor spricht entweder auf eines oder beide erfaßten Signale an, die von den Fühlern 60 und 62 abgegeben werden, um ein Steuersignal zu erzeugen. Entsprechend dem Steuersignal vom Monitor 64 steuert ein Druckregler Rl die Offen-Stellung des Druckregelventils 14 und Durchflußregler R2

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und R3 steuern die Durchflußregelventile 44 und 46. Ferner betätigt der Monitor 64 einen Luftmengenregler R4, um die Steuereinrichtung 66 für die Luftzufuhr zu regeln, die dicht in der Nähe der Einlaßöffnung 20 der Brennkammer 18 angeordnet ist, wo sie den Mischrohrabschnitt 26 umgibt, um die Menge der Luft G2 zu regeln, die direkt in die Brennkammer 18 fließt. Gegebenenfalls können die verschiedenen Steuerventile und die Steuereinrichtung für die Luftzufuhr von Hand gemäß einem Steuersignal vom Monitor 64 betätigt werden. Auf diese Weise werden die der Brennkammer 18 zugeführten Mengen an Brennstoff, Wasser und Luft mit ihren optimalen Durchflußmengen aufrechterhalten werden.

Eine Änderung des Flüssigkeitsniveaus innerhalb der Tanks 42 und 44 kann eine Änderung des Druckes verursachen,unter welchem die Flüssigkeit zur zugeordneten Zuführleitung 28 oder 30 zugeführt wird. Dieses führt zu einer Änderung der Durchflußraenge innerhalb dieser Zuführleitung. Wenn es gewünscht ist, diese Änderung der Durchflußmenge zu kompensieren, kann jeder Behälter mit einem Druckfühler versehen werden, um einen Druck am Boden desselben abzutasten und ein vom Fühler abgegebenes Signal wird jeweils dem Durchflußregler Ά2 bzw. R3 für Regelzwecke zugeführt, obwohl solche Fühler und ihre Anschlüsse an die Durchflußregler R2 und R3 in Fig. 1 nicht dargestellt sind.

Während der Prallverteiler 34 mit kreisförmigem Querschnitt beschrieben wurde, versteht es sich, daß er nicht durch oder auf einen solchen Querschnitt beschränkt sein soll und daß er jeden gewünschten Querschnitt wie einen polygonalen oder unsymmetrischen Querschnitt haben kann. Auch kann die Aufprallfläche des Prallverteilers 34 konvex, konkav oder konisch anstatt flach sein, je nachdem wie es für den besonderen Anwendungsfall am besten ist.

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In den Fig. 3, 4 und 5 sind verschiedene Abwandlungen des Prallverteilers 34 dargestellt. In Fig. 3 hat der Prallverteiler 34 die Form eines hohlen Zylinders, der an einem Ende offen und am anderen Ende mit einer Halbkugel verschlossen ist. Im übrigen ist die Anordnung mit der in Fig. 1 gezeigten identisch. Die Anordnung kann als Hohlraum-Resonanz-Schallenergie-Generator betätigt werden, indem genau sowohl der Innendurchmesser d des Hohlzylinders die Länge I₁ des Hohlzylinders als auch eine Entfenrnung 1- zwischen dem Ende der Zerstäubungsdüse 32 und dem offenen Ende des hohlen Zylinders abhängig von der Geschwindigkeit des aus der Zerstäubungsdüse 32 gesprühten Gemisches gewählt werden. Wenn dies der Fall ist, wird eine hohe Schallenergie mit einer Resonanzfrequenz erzeugt, wie sie durch den Hohlraum des Aufprallverteilers 34 bestimmt ist und kann zum feineren Verteilen des Gemisches aus Hochdruckgas, Brennstoff und Wasser und zum vollständigeren Mischen der Bestandteile miteinander verwendet werden, während gleichzeitig die ■Verbrennungsgeschwindigkeit aufgrund einer in der sich ergebenden Flamme erzeugten Turbulenz anwächst.

Die in Fig. 4 gezeigte Anordnung unterscheidet sich VCi₁. fizi in Fig. 1 gezeigten nur dadurch, daß die Tragstange 36 durch ein kleines Rohr 36¹ ersetzt ist, das sich durch das gesamte Rohr 16 erstreckt und an einem Ende über ein Durchflußregelventil an eine Quelle unter hohem Druck stehenden Strömungsmittels angeschlossen ist, obwohl die Quelle und das Durchflußregelventil nicht dargestellt sind. Das kleine Rohr 36' öffnet sich am anderen Ende an der abströmseitigen Fläche des Prallverteilers 34. Im übrigen ist die Anordnung mit der in Fig. 1 gezeigten identisch. Die in Fig. 4 gezeigte Anordnung wird vorteilhaft verwendet," um Luft oder ein anderes geeignetes Strömungsmittel B direkt an eine gewünschte Stelle innerhalb der Brennkammer zu leiten, wo es mit einer darin erzeugten

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Flamme gemischt werden soll.

Gegebenenfalls kann der Prallverteiler in bezug auf die Zerstäubungsdüse 32 und axial zum Mischrohrabschnitt 26 beweglich sein, wie in Pig. 5 gezeigt ist. Dort ist zu sehen, daß sich die Tragstange etwas in Richtung des DUsenabschnitts 24 erstreckt und am überstehenden Ende mit einer Scheibe 68 versehen ist, um Druck aufzunehmen, der von dem Gemisch aus unter hohem Druck stehenden Gas Brennstoff und Wasser erzeugt wird, welches durch den Düsenabschnitt 24 gesprüht wird. Außerdem ist eine Druckfeder 70 zwischen der Druck aufnehmenden Scheibe 68 und dem dem Düsenabschnitt 24 näher liegenden Zapfen 38 und um die Verlängerung der Tragstange 36 angeordnet. Bei der Anordnung der Fig. 5 ist die Tragstange 36 und dadurch der Prallverteiler 34 entlang der Längsachse des Mischrohrabschnitts 26 entsprechend dem Druck des unter hohem Druck stehenden gasförmigen Strömungsmittels und unter Steuerung der Druckfeder 70 beweglich, wodurch die Entfernung zwischen dem Ende der Zerstäubungsdüse 32 und dem Aufprallverteiler 34 automatisch geändert wird. Dieses ermöglicht die automatische Steuerung des Disper^ionswinkels. Insbesondere die Druck aufnehmende Scheibe 68 bildet eine automatische Dispersionswinkelsteuerung mit der Druckfeder 70. Im übrigen ist die Anordnung mit der in Fig. 1 gezeigten identisch.

Die vorliegende Erfindung hat viele Vorteile. Z.B. kann bei dieser Verbrennungsvorrichtung der Dispersionswinkel einer Flamme gesteigert und die Flamme dünn ausgebildet werden. Insbesondere fein verteilte Wasserpartikel expandieren und breiten sich explosionsartig im Verbrennungsbereich ausi,uni die noch feinere Verteilung der fein verteilten Brennstoffpartikel zu fördern. Dieses führt zu einer schnellen Steigerung der Flammentemperatur und einer Verringerung des Zeitintervalls das zur vollständigen Verbrennung erforderlich ist, zu Verbesserungen

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in der Zusammensetzung des Abgases und zur Einsparung von Brennstoff. Indem ein Übergangsabschnitt zwischen dem Einlaß und dem Hauptteil der Brennkammer 18 als Kegelstumpf mit einem Scheitelwinkel gleich dem optimalen Dispersionswinkel ausgebildet wird, der zur Verbesserung des Verbrennungswirkungsgrades, der Zusammensetzung der Abgase usw. ausgewählt wurde, wie es in Fig. gezeigt ist, kann außerdem die von einer solchen Brennkammer erzeugte Wärmeenergie wirksam ausgenutzt werden.

Während die Erfindung in Verbindung mit einem Gemisch aus unter hohem Druck stehenden Gas einem flüssigen Brennstoff und Wasser beschrieben wurde, versteht es sich, daß ein Brenngas, ein flüssiger Brennstoff und mehr als eine Art Flüssigkeit wirksam miteinander gemischt und zur Verbrennung fein verteilt werden können. Wenn das letztere der Fall ist, können sich die erforderlichen Zuführleitungen, wie die Zuführleitungen 28 und 30 in der Düse 24' im Düsenabschnitt 24 vorzugsweise unter gleichen Winkelabständen öffnen. Darüber hinaus können mehrere Sätze von Mischrohrabschnitten 26 und die zugeordneten Komponenten wirksam parallel an eine einzige Brennkammer gekoppelt werden, um mehr Brennstoff verbrennen zu können.

In Fig. 6 ist eine Einrichtung zum feinen Verteilen von Flüssigkeiten gemäß der Erfindung dargestellt. Die dargestellte Anordnung umfaßt einen Hochdruckrohrabschnitt 122, welchem unter hohem Druck stehendes gasförmiges Strömungsmittel G an einem Ende von außen zugeführt wird, einen Düsenabschnitt 124 mit einem Endabschnitt 124a, welcher mit Schraubengewinde in das andere Ende des Hochdruckrohrabschnitts 122.geschraubt ist, und mit einer darin angeordneten Düse 124b und einen kombinierten Aufprall- und Resonanz-Schallgenerator I70, der mit dem Düsenabschnitt 124 verbunden ist. Eine Zuführleitung 128 für Flüssigkeit ist mit einem Flüssigkeitstank 142 über ein Durchflußregelventil 146 verbunden und hat eine Auslaß-

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öffnung 128a, die sich in der Düse 124b öffnet. Ähnlich ist eine andere Zuführleitung I30 für Flüssigkeit über ein Durchflußregelventil 148 mit einem getrennten Flüssigkeitstank verbunden und hat eine Auslaßöffnung 13Oa, die sich in der Düse 124b diametral gegenüber der Auslaßöffnung 128a öffnet.

Der Flüssigkeitstank 142 enthält eine Menge einer Flüssigkeit einer Art und der FlUssigkeitstank 144 enthält ähnlich eine Menge einer Flüssigkeit 174 einer anderen Art. Beide Arten von Flüssigkeiten 172 und 174 können miteinander gemischt und fein verteilt werden, wie im folgenden beschrieben wird. Die Flüssigkeitsbehälter 142 und 144 sind mit dem Hochdruckrohrabschnitt 122 zum Zuführen unter Druck stehenden Strömungsmittels über entsprechende Druckleitungen 176 und I78 verbunden, so daß beide Flüssigkeiten 172 und 174,die in Flüssigkeitstanks 142 und 144 angeordnet sind, dem Strömungsmittelsdruck innerhalb des Hochdruckrohrabschnitts 122 für noch zu erläuternde Zwecke ausgesetzt werden.

Der kombinierte Aufprall- und Resonanz-Schallgenerator 170 umfaßt einen hohlen Zylinder 126, dessen eines Ende mit Schraubengewinde in das andere Ende des DUsenabschnitts 124 geschraubt ist, und eine Zerstäubungsdüse 132, die starr in das andere Ende des hohlen Zylinders 126 gepaßt und daran mit einem Stift befestigt ist. Eine Tragstange I36 ist durch ein Paar mit Abstand angeordneter Zapfen I38 gelagert, welche an der inneren Umfangswand des hohlen Zylinders 126 befestigt sind, so daß die Tragstange I36 innerhalb des hohlen Zylinders 126 und der Zerstäubungsdüse 132 auf der Längsachse derselben liegt. Außerdem ragt die Tragstange I36 über die Zerstäubungsdüse 132 hinaus und enthält einen Primärhohlraumresonator 134, der starr am herausragenden Ende durch einen Stift befestigt ist. Der Primärhohlraumresonator 134 hat die Form ehes hohlen Zylinders, der

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an einem Ende oder dem Ende angrenzend an die Zerstäubungsdüse 132 offen und am anderen Ende mit einer Halbkugel verschlossen ist. Das offene Ende des Primärhohlraumresonators 134 wird durch eine scharfe Kante begrenzt.

Der Aufprall- und Resonanz~Schallgenerator I70 umfaßt ferner einen Impulswellengenerator 140, der ringförmig ausgebildet und durch einen Stift daran befestigt ist. Die Oberfläche l40a des Impulswellengenerators l40 angrenzend an den Primärhohlraumresonantor 134 oder die abströmseitige Fläche des Impulswellengenerators ist in Richtung der Zerstäubungsdüse 132 konkav und hat eine zentrale öffnung innerhalb der der keglige Endabschnitt der Zerstäubungsdüse 132 angeordnet ist, um einen Sekundärhohlraumresonator l40b mit der inneren Wandfläche der zentralen Öffnung zu bilden« Die konkave Fläche l40a hat eine zum Erzeugen einer Impulswelle geeignete Krümmung. Der Primärhohlraumresonator 134 ist teilweise in einem Raum angeordnet, der durch die konkave Fläche l40a des Impulswellengenerators l40 begrenzt wird.

Im Betrieb fließt das dem Hochdruckrohrabschnitt 122 von außen zuge^Jhrte, unter hohem Druck r?teh*»ndo gasfcrrrr.i f<·> Strömungsmittel G durch den Düsenabschnitt 124 und den hohlen Zylinder I26 bis es durch die Zerstäubungsdüse 132 versprüht wird. Das von der Zerstäubungsdüse 132 versprühte Gas versetzt den Primärhphlraumresonator 134 mit seiner Resonanzfrequenz in Schwingungen,

um eine Impulswelle durch den Impulswellengenerator l40 zu erzeugen. Die konkave Fläche l40a des Impulswellengenerators ist so ausgebildet, um der so erzeugten Impulswelle eine vorbestimmte Bündelung zu geben. Z.B. kann die Fläche l40a die Form eines Paraboloides mit einem Brennpunkt auf der Verlängerung der Längsachse derselben haben, wobei der Primärhohlraumresonator 134 im Brennpunkt angeordnet ist. In diesem Fall wird ein Feld von Schallwellen erzeugt, welche eine hohe Energie haben

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und auf der Längsachse des Impulswellengenerators l40 gebüttelt sind.

Auf der anderen Seite wird die Flüssigkeit aus jedem Flüssigkeitstank 142 und l44 aufgrund des Druckunterschiedes zwischen dem hohen Druck innerhalb des Hochdruckrohrabschnitts 122, welcher auf jeden Flüssigkeitsbehälter 142 und 144 aufgebracht wird und einem verringerten Druck, der in der Düse 124b erzeugt wird, angesaugt und durch die entsprechenden Leitungen Steuerventile und Auslaßöffnungen in die Düse 124b eingebracht. Innerhalb der Düse 124b werden beide Arten von Flüssigkeit 172 und 174 fein verteilt und miteinander und mit dem unter hohem Druck stehenden gasförmigen Strömungsmittel G gemischt, das durch die Düse 124b tritt. Das sich ergebende Gemisch fließt durch den hohlen Zylinder 126, während die Vermischung vollständiger bewirkt wird, bis es durch die Zerstäubungsdüse 132 in das Feld der Schallwelle gesprüht wird. Innerhalb des Feldes der Schallwelle wird das ausgesprühte Gemisch feiner zu einer Emulsion verteilt, wobei die Schallenergie mit großer Höhe darin vorhanden ist. Unter diesen Umständen können entweder das eine oder beide Durohflußregelventiüe 146 und l48 betätigt werden, um das Mischungsverhältnis der fein verteilten Flüssigkeiten zueinander zu ändern, wenn immer es gewünscht ist.

Fig. 7 zeigt eine Abwandlung der in Fig. 6 gezeigten Anordnung. Bei dieser Anordnung wird ein unter hohem Druck stehendes gasförmiges Strömungsmittel Gl von einer nicht dargestellten Hochdruckquelle direkt zu einem offenen Ende des hohlen Zylinders 126 zugeführt, wobei der Hochdruckrohrabschnitt 122, der Düsenabschnitt 124 und die zugehörigen Komponenten weggelassen sind. Ein ringförmiger Flüssigkeitstank 142', der an einem Ende offen und am anderen Ende geschlossen ist, ist auf

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das andere offene Ende des hohlen Zylinders 126 gepaßt und daran mit einem Stift befestigt. Mehr im einzelnen hat der ringförmige Flüssigkeitstank l42^f eine zentrale gestufte öffnung mit einem mit größerem Durchmesser versehenen Abschnitt der starr auf dem hohlen Zylinder 126 befestigt ist, und einen einen kleineren Durchmesser aufweisenden Abschnitt, welcher eine Zerstäubungsdüse 132^! bildet, die glatt mit dem Inneren des hohlen Zylinders 125 verbunden ist. Um das Innere des Flüssigkeitsbehälters l42* mit der Zerstäubungsdüse 132* zu verbinden, sind mehrere radiale Durchlässe 128'a vorgesehen, von denen nur zwei dargestellt sind, welche sich durch die Innenwand des Flüssigkeitstanks 142' angrenzend an die innere Wandfläche des geschlossenen Endes desselben erstrecken. Die äußere Wandfläche des geschlossenen Behälterendes ist außerdem mit einer offenen konkaven Fläche l40a versehen, wie es oben in Verbindung mit Fig. 6 beschrieben wurde.

Eine ringförmige Deckplatte l80 ist abnehmbar an dem ringförmigen offenen Ende des ringförmigen Flüssigkeitstanks l42^! z.B. durch Schrauben befestigt, um das offene Ende flüssigkeitsdicht zu verschließen. Die Deckplatte» l80 hat eine Zuf ührle-^ung 128 für Flüssigkeit, die sich durch sie hindurch erstreckt und abgedichtet ist und ein Durchflußregelventil 146 aufweist. Die Zuführleitung 128 dient dazu, eine fein zu verteilende Flüssigkeit zum Flüssigkeitstank 142¹ zuzuführen. Die Flüssigkeit innerhalb des Flüssigkeitstanks wird durch die Durchlässe 128'a aufgrund des mit hoher Geschwindigkeit durch die Zerstäubungsdüse 132' fließenden gasförmigen Strömungsmittels Gl in die Zerstäubungsdüse 132' eingebracht.

Im übrigen ist diese Anordnung im wesentlichen mit der in Fig. 6 gezeigten identisch.

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Aus der obigen Beschreibung ist zu erkennen, daß durch die Erfindung, wie sie in den Fig. 6 oder 7 gezeigt ist, eine Einrichtung zum feinen Verteilen einer oder zweier Arten von Flüssigkeit zur Bildung gleichmäßig fein verteilter Partikel geschaffen wurde, welche einen einfachen Aufbau aufweist.

Die in den Fig. 6 oder 7 gezeigte Anordnung wird zweckmäßig zur Steigerung des Verbrennungswirkungsgrades, zur Befeuchtung, zum Sprühen, zum Kühlen, zum Sprühtrocknen, zum Trennen eines Lösungsmittels von einer Lösung wie beim Umwandeln von Salzwasser in Trinkwasser usw. verwendet. Hierbei ist die Steigerung des Verbrennungswirkungsgrades außerordentlich vorteilhaft, weil die perfekte Verbrennung gefördert wird, Brennstoff gespart und die Probleme der Umweltverschmutzung verringert oder eliminiert werden. Dies trägt zu der Tatsache bei, daß ein flüssiger Brennstoff z.B. ein öl und Wasser fein verteilt und miteinander die Wirkung der Düse und der Schallenergie gemischt werden, wie oben in Verbindung mit Fig. 6 beschrieben wurde, wodurch die freie Oberfläche der Brennstoffpartikel aufgrund der thermischen Expansion der fein verteilten Wasserpartikel, die unter ihnen verteilt sind, gesteigert wird, um das Innere dos Flammenvolumens zu stören, wobei die Schallenergie eine große Höhe aufweist, um die chemische Verbrennung in Gegenwart der fein verteilten Wasserpartikel usw. zu fördern.

Die Erfindung wurde in Verbindung mit verschiedenen, bevorzugten Ausführungsbeispielen dargestellt und beschrieben. Aber es versteht sich, daß zahlreiche Änderungen und Abwandlungen ohne Abweichung vom Gedanken und Anwendungsbereich der Erfindung durchgeführt werden können. Z.B. kann die Anordnung der Fig. 6 anstelle des Rohres 16 mit kreisförmigem Querschnitt und des Prallverteilers 34, wie sie in Fig. 1 dargestellt sind, verwendet werden. Die Anordnungen wie sie in den Fig. 1 bis 6 gezeigt sind, können abgewandelt werden, um nur eine Art

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Flüssigkeit fein zu verteilen, indem eines der Systeme zum Zuführen von Flüssigkeit weggelassen wird oder das im Zuführsystem angeordnete Durchflußregelventil geschlossen gehalten wird. Auf der anderen Seite können solche Anordnungen verwendet werden, um mehr als zwei Arten von Flüssigkeiten fein zu verteilen und miteinander zu mischen. Im letzteren Fall kann die Anzahl der Zuführleitungen 28 und 30 (Fig. l) und daher der Auslaßöffnungen 128a und 130a (Fig. 6) entsprechend gesteigert werden und getrennte Flüssigkeitstanks wie die Flüssigkeitstanks 142 oder 144 mit den zusätzlichen Zuführleitungen über entsprechende Durchflußregelventile verbunden werden. Bei der in Fig. 7 gezeigten Anordnung kann der ringförmige Flüssigkeitstank l42^T durch axiale Unterteilungen in die erforderliche Anzahl von Kammern geteilt werden, wobei jede der Kammern mit einer eingenen Zuführleitung wie der Leitung 128' mit ihrem eigenen Durchflußregelventil 146 und einem getrennten Durchlaß oder Durchlässen 128'a versehen ist.

Gemäß der Erfindung steht eine Düse zum Mischen von unter hohem Druck stehendem Gas,flüssigem Brennstoff und Wasser und zum feinen Verteilen der letzteren beiden Stoffe mit einer anderen Düse in Stromverbindung, welche einem Prallverteiler gegenüberliegt. Das durch letztere Düse gesprühte Gemisch trifft auf den Prallverteiler, so daß es in einer Brennkammer verteilt wird. Eine Einstelleinrichtung für den Strom, welche um die zweite Düse angeordnet ist, umgibt den Prallverteiler um einen Winkel festzulegen, unter dem die fein verteilten Brennstoff- und Flüssigkeitspartikel in der Brennkammer verteilt werden. Auch kann eine offene paraboloide Fläche, welche die Düse umgibt, einem Hohlraumresonator gegenüberliegen, um mit dem unter hohem Druck stehenden Gas, das durch die Düse ausgesprüht wird, eine Impulswelle zu erzeugen, so daß die Flüssigkeitspartikel aus der Düse in Form einer Emulsion verteilt werden.

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Claims

Patentansprüche

1.) Verbrennungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (24*) zum Sprühen von flüssigem Brennstoff und Flüssigkeit in einen Strom eines unter hohem Druck stehenden gasförmigen Strömungsmittels vorgesehen ist, um ein gemischtes, fein verteiltes Strömungsmittel mit dem unter hohem Druck stehenden gasförmigen Strömungsmittel und fein verteilten Partikeln des flüssigen Brennstoffs zu bilden, daß eine Düse (32) vorgesehen ist, um das gemischte, fein verteilte Strömungsmittel mit hoher Geschwindigkeit in eine Brennkammer zu sprühen und daß ein Prallverteiler (34) stromab der Düse angeordnet ist, so daß das fein verteilte, aus der Düse ausgesprühte Strömungsmittel damit zusammenprallt, wodurch das fein verteilte Strömungsmittel feiner unterteilt und in der Brennkammer verteilt wird.

2. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß Steuereinrichtungen (Ri; 12, 14; 46) zum steuern des Druckes und der Durchflußmenge des hohen Druck aufweisenden Strömungsmittels und der Durchflußmenge des flüssigen Brennstoffs vorgesehen ist, um ein Verhältnis der fein verteilten Partikel der Flüssigkeit mit dem unter hohem Druck stehenden gasförmigen Strömungsmittel in dem gemischten fein verteilten Strömungsmittel einzustellen.

3. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß eine Einrichtung (40) zum Einstellen der Verteilung um die Düse (32) angeordnet ist, um einen Winkel zu bestimmen, unter dem der Prallverteiler (34) das feiner verteilte Strömungsmittel in die Brennkammer sprüht.

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4. Verbrennungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strömungsmitteleinrichtung (36') zum Zuführen eines Strömungsmittels zur Brennkammer auf der stromab gelegenen Seite des PrallVerteilers (34) vorgesehen ist, wobei die Durchflußmenge des Strömungsmittels regelbar ist.

5„ Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet , daß stromauf der Düse (32) Einrichtungen (38) angeordnet sind, um den Prallverteiler (3^) in Flußrichtung des fein verteilten Strömungsmittels stromauf der Düse zu lagern.

6. Vorrichtung zum feinen Verteilen einer Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß eine Düse (32) zum Durchtritt eines hohen Druck aufweisenden gasförmigen Strömungsmittels vorgesehen ist, daß ein Impulswellengenerator mit einem Hohlraumresonator zur Erzeugung einer Impulsschallwelle durch Verwendung des hohen Druck aufweisenden gasförmigen Strömungsmittels, das aus der Düse austritt, vorgesehen ist und daß eine Le^-* tung und eine öffnung zum Einbringen einer fein zu verteilenden Flüssigkeit in die Düse vorgesehen sind.

7. . Vorrichtung zum feinen Verteilen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Impulswellengenerator die Form eines hohlen Zylinders mit einer ringförmigen konkaven Endfläche aufweist, die an der stromab gelegenen Seite gegenüber dem Hohlraumresonator angeordnet ist, um einem Strom fein verteilter Partikel, die von der Düse (32) ausgesprüht werden, eine Richtung zu geben, und daß eine andere Düse stromauf und in Stromverbindung mit der ersterwähnten Düse angeordnet ist und daß die Zuführleitung und die öffnung darin münden.

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8. Vorrichtung zum feinen Verteilen nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet , daß ein ringförmiger PlUssigke its tank mit einer zentralen Öffnung an einem Ende vorgesehen ist, die eine Düse bildet und daß sich ein Durchlaß durch die Innenwand des ringförmigen Flüssigkeitstanks erstreckt, der das Innere des ringförmigen Plüssigkeitstanks mit der Düse verbindet.

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