DE2605134A1

DE2605134A1 - Verfahren zur zufuehrung eines gasfoermigen brennstoffes zu einem brenner

Info

Publication number: DE2605134A1
Application number: DE19762605134
Authority: DE
Inventors: Henri Baumgartner; Andre Jacquemet
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-02-12
Filing date: 1976-02-06
Publication date: 1976-08-26
Also published as: FR2300964A1; CA1068594A; NL164383B; US4089629A; AT378251B; ES445093A1; FR2300964B1; SE7601365L; JPS6055721B2; NL7601265A; JPS51106242A; NO760434L; DE2605134C2; IT1055179B; NO144978C; DK53376A; SE423443B; NO144978B; ATA82976A; NL164383C

Description

MÜNCHEN: dipl.-ing. hans-h. wev Berlin, den 6. Februar 1976

Pietro Fascione
25 897

Verfahren zur Zuführung eines gasförmigen Brennstoffes

zu einem Brenner

Das Problea der Herstellung von Stickstoffoxiden (NO ), das bei allen Arten von Verbrennungen auftritt, sowie die Rußbildung bei der Verwendung von flüssigen Brennstoffen stellen zwei Gründe für die, durch die Brenrikaiosarn gegebene, konstante Beschäftigung dar. Unter anderem sind diese Schwierigkeiten von einer ständigen Unregelmäßigkeit der Flanke begleitet. Die bei der Verwendung von flüssigen Brennstoffen auftretende Rufibildung erscheint auf den ersten Blick widersprüchlich zur Verminderung der KO Produktion, da ja gerade diese Verbrennung einen Mangel an durch Luft zugeführten Sauerstoff aufweist.

Um das Problem des KO zu lösen, gibt es eine sehr große Zahl von Arbeiten über die Rückführung von Verbrennungsgasen. Diese Rückführung hat den Seek, den Überschuß an für die Verbrennung notwendiger Luft zu verringern, wobai der Kasser.durehsatz erhöht wird. Dies ermöglicht eine bessere Ausnutzung de3 Sauerstoffes ohne die Produktion an KO,, das einen wesentlichen atffiosphärischen Verschmutzungsfaktor darstellt, zu erhöhen, und führt normalerweise zu einer Verbrennung rcit "blauer Flame".

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Eine der vorgeschlagenen Lösungen besteht darin, daß eine Luft-Einspritzzone oberhalb der Brennstoff-Einspritzzone liegt. Die Luft-Einspritzzone ist einerseits mit der Brennstoff-Einspritzzone verbunden, und andererseits mit der Brennkammer. Die in die Luft-Einspritzzone injizierte Luft erzeugt einen Unterdruck, der Verbremiungsgase von der Kammer in Richtung dieser Zone ansaugt, und sie mit der Luft wieder in die Brennstoff-Einspritzzone injiziert. Diese Lösung weist den Nachteil auf, daß eine verhältnismäßig beträchtliche Ansprechzeit notwendig ist, um eine zufriedenstellende Verbrennung zu erhalten. Aufgrund des häufigen Stillstandes und der verschiedenen Anlaufvorgänge - besonders bei einem Kessel - ist diese Verzögerung nicht tolerierbar.

Es wurden noch andere Lösungen vorgeschlagen, um die Verbrennung zu verbessern. Eine davon bezieht sich auf die Turbulenzstromungen der Luft, die den Brennei'n zugeführt werden, und die üblicherweise unter dem englischen Kamen "Swirl" bekannt sind. Diesem Thema ist ein Kapitel in dem Werk "Combustion aerodynamics" von J.M.Beer und N.A. Chigier, herausgegeben von Applied Science Publishers Ltd., London (1972), gewidmet. Dieses Werk zeigt besonders, daß die TurbulenzstrcEungen der Luft um den Kegel des eingespritzten Brennstoffes sowohl die Stabilität der Flamme als auch ihre Leuchtkraft vergrößern, die Form der Flamme in hohem"Maße verändern, die sich so beim Austritt der Einspritzdüse für den Brennstoff sehr rasch ausbreitet, und ein besseres Mischungsverhältnis und erhöhte Turbulenz bewirken. Jedoch führt diese Verbesserung hinsichtlich der Flamme nicht zu einer rußfreien Verbrennung und ist von einem erhöhten Lärm begleitet, der durch die Turbulenz und die zu beträchtliche Verbrennungsgeschwindigkeit hervorgerufen wird. Die erlaubte Lärmgrenze kann übrigens hier leicht überschritten werden.

Endlich sei noch ein Versuch bei. einem Gasbrenner erwähnt, wodurch die Menge an KO herabgesetzt werden soilre. Gemäß diesem Versuch sind vier Leitungen tangential in eine rohrförrcige Kammer geführt, und zwar konzentrisch zu einer Gaszuführleitung. Luft und Verbrennungsgase werden unter Druck einer Kammer zugeführt, werden dann durch diese vier Leitungen injiziert, um um die Düse herum einen "Swirl" zu tiLden. Jedoch haben diese Versuche das Sta-

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diurn eines Experimentes nicht überschritten, una scheinen hinsichtlich der Stabilität problematisch zu sein. Außerdem gestattet der beschriebene laboratoriurcsmäßige Prototyp schwerlich eine industrielle Anwendung.

Auf den ersten Blick scheinen die aufgezählten Arbeiten zu beweisen, daß es möglich sein müßte, eine Verbrennung mit schwachem IiO -Gehalt zu ermöglichen, die einerseits durch die Rückführung von Verbrennungegas und andererseits durch Turbulenzströmungen der Luft den Bedingungen einer stöchiometrischen Verbrennung nahe kommt. Jedoch ist bei Anwendungen der Techniken der Rückführung und der Turbulenzströmungen die tneoretisch erreichbare Reinheit und Stabilität der Verbrennung praktisch nicht realisierbar.

Die Ursachen für diesen relativen Mißerfolg sind verschiedener Art. Im Falle der internen Rückführung liegt das Hauptproblem bei der bei der Durchführung einer zufriedenstellenden Verbrennung auftretenden Verzögerung. Die Bildung einer Strömung der Verbrennungsgase in die Pachtung des in der. Luft-Einspritzzone gebildeten Unterdruckes oberhalb der Brennctoff-Einspritzzone benötigt tatsächlich eine- gewisse Zeit, um in Schwung zu kommen, weil die in der Brennkammer befindlichen Verbrennungsgase einerseits durch den Abzug und andererseits durch die Luft-Einspritzzone angesaugt werden. Eine andere Ursache dieses teilweisen Mißerfolges zeigt sich in einer mehr oder minder großen Unregelmäßigkeit der Flamme, die sich in einer Art oszillierenden Verbrennung äußert. Endlich kann der durch eine Verbrennung mit gelber Flamme oder durch turbulenzartige Strömungen hervorgerufene Lärm die normalerweise tolerierbare Grenze überschreiten.

Die Unregelmäßigkeit der Flamme liegt zu einem großen Teil in einem schlechten Mischungsverhältnis des Brennstoffes mit Luft und an einer schlechten Verteilung des verfügbaren Sauerstoffes. Um eine zufriedenstellende Verbrennung, insbesondere mit blavier Flamme, zu erhalten, muß der Brennstoff, wenn er flüssig ist, in . entsprechend kleine Tröpfchen zerteilt werden. In gleicher Weise ist es notwendig, daß der verfügbare Sauerstoff mit dem durch Luft und Verbrennungsgas gebildeten Gasvolumen richtig gemischt ist.

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Tatsächlich inuß man, damit der Luftüberschuß auf einem Minimum gehalten i?ird und sich die Verbrennung solcherart stöohiometrischen Böängur-gen nähert, so vorgehen, daß jedes Sauerstoff-Molekül leicht die Möglichkeit hat, einem Brennstoff-Molekül zu begegnen. Daher ist es auch nicht ausreichend, eine bestimmte Menge an Verbrennungsgas rückzuführen_a sondern es ist überdies erforderlich, daß der Sauerstoff homogen im gesamten Gasvolumen verteilt ist. Um diese Verteilung zu erhalten, verwendet man zweckmäßigerweise ein Gas, dessen Sauerstoff-Partialdruck geringer ist als der der Luft, so daß der überwiegende Teil des verfügbaren Sauerstoffes entfernt wird; dies führt zu einer Verringerung der KO .-Produktion. Die bekannten Arten der Rückführung garantieren aber keine ausreichend gute Verteilung des Sauerstoffes. Daher kann, weil das Gasvolunen in der Reaktionszone in Funktion zurzeit' keinen konstanten Sauerstoff-Partialdruck aufweist, die Verbrennung nicht regelmäßig sein.

Auch wenn man die Turbulenzströmungen mit der Rückführung kombiniert, kann die Stabilität der Flamme nicht gewährleistet werden, ohne Zweifel aus dem gleichen Grund, d.h. aufgrund einer unvollständigen Verteilung des verfügbaren Sauerstoffes im Gasvolumen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Fachteile zumindest teilweise aufzuheben und eine Verbrennung mit blauer Flamme, die gleichmäßig ist, eine geringe IiO -Rate aufweist und ziemlich lärmfrei ist, sicherzustellen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Brennstoffzuführung bei einem. Brenner für flüssigen Brennstoff gelost, bei dem die Öffnung zur Brennstoffverteilung in eine Brennkammer einmündet. Die Erfindung ist durch die Kombination folgender Merkmale gekennzeichnet:

- man schafft eine Unterdruckzone oberhalb des Brenners,

- man verbindet diese Zone einerseits mit einer Versorgungseinheit für das gasförmige Verbrennungsmittel und anderseits mit einer Abzugsleitung für die Verbrennungsgase,

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- man regelt den Massendurchsatz des Verbrennungsgases mit Bezug auf den Massendurchsatz des notwendigen gasförmigen Brennstoffes,

- man mischt die Verbrennungsgase mit dem gasförmigen Brennstoff, .urijÄie Konzentration des Sauerstoffes der Brennstoffmischung zu senken,

-/man leitet die Mischung durch die Verteileröffnung in die Brennkammer, wobei eine turbulenzartige Strömung gebildet wird, bei der die Beziehung zwischen dem Fluß des kinetischen Momentes der Mischung auf der einen Seite und das Produkt des Bereiches der Verteilungsöffnung mit dem Mengenfluß der Axialbewegung der Mischung auf der anderen Seite» einen Wert aufweist, der wenigstens ausreicht, damit die Turbulenzströmung eine Rückführung der Mischung im Inneren der Kammer in Form eines toroidförmigen Hüllkörpers hervorruft.

Die Erfindung betrifft auch noch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die dadurch gekennzeichnet·ist, daß sie einen Mischbehälter mit zwei, mit Einrichtungen zur Regelung des Dur chtrittsq_uer schnitt es ausgestatteten Eintritten und einen*Austritt aufweist_s wobei die Eintritte jeweils mit der Atmosphäre und mit einer Abzugsleitung für die Verbrennungsgase in Verbindung stehen, und der Austritt mit dem Einlaß eines Ventilators in Verbindung steht, dessen Auslaß mit koaxial zu. einer Brennstoff-Einspritzdüse gelagerten Einrichtungen verbunden ist, um die Gasmischung in eine wirbelartige Bewegung zu versetzen.

Der Eauptvorteil dieses Verfahrens und der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens liegt in der Bildung einer doppelten Rückführung, und zwar eine externe durch Ansaugen einer bestimmten Verbrennungsmenge und Vermischung mit dem gasförmigen Brennstoff, und eine andere, interne, in Form eines toroidförmigen Hüllkörpers der Brennstoffmischung, die durch die turbulenzartige Strömung dieser Mischung induziert wird.

Andere Vorteile scheinen in der Beschreibung und in den beiliegenden Zeichnungen auf, die schematisch und nur beispielsweise g&i Ausfuhrungsarten und eine Abwandlung der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung zeigen.

r·

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Fig. 1 ist ein Schnitt entlang der Längsachse der Brennkammer, Fig.2 ist ein Aufriß mit einer öffnung in Richtung der Pfeile II-II der Fig.1, Fig.3 ist eine Detailansicht im Schnitt und in größerem Maßstab nach der Linie III-III der Fig. 2, Fig. U ist eine Schnittansicht ähnlich wie Fig.1, die eine zweite Ausführungsart zeigt, Fig.5 ist eine Teilansicht eines Details des Ventilators, Fig. 6 ist ein Diagramm, das die Art der Regelung des Ventilators erläutert, und Fig.7 ist eine Schnittansicht durch die Längsachse der VerDrennungskammer in einer Variante der ersten Ausführungsform.

Die Zuführeinrichtung eines Brenners für flüssigen Brennstoff in einer Mischung von Luft und Verbrennungsgas, wie sie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, ist mit einer Einspritzdüse 1 für Treibstoff versehen, die mittig in einer Zuführleitung 2 für eine Mischung aus Luft und Verbrennungsgas liegt. Diese Leitung 2 stellt den Ausgang eines Spiralgehaus es 3 dar, das am Deckel h einer Brennkananer 5 befestigt ist. und in der Brennkammer in Form eines Topfes 6 endet, dessen Rolle in der Folge noch erklärt werden wird. Am Ausgang des Spiralgehäusses 3 liegt eine feste Beschaufelung 7 in Form eines Kceisringes, die geneigt angeordnet ist, um der in die Brennkammer 5 eingeführten Gasmischung eine schraubenförmige Bewegung zu erteilen.

Der Eingang dieses Spiralgehäuses 3 steht mit dein Ausgang eines zweiten Spiralgehäuses 8 in Verbindung, in welchem ein durch einen Motor 10, mittels zweier schraubenförmiger Zahnräder 11 und 12, die ,preils formschlüssig mit den Wellen des Rades 9 und des Motors 10 sind, angetriebenes Rad eines Ventilators 9 angeordnet ist.

Der in diesem Beispiel mit der Brennkammer 5 verbundene Kessel wird hier nicht im Detail beschrieben, da er über den Rahmen der Erfindung hinausgeht. Um die Erfindung zu verstehen, genügt es,zu vissea, daß in diesem Beispiel der Kessel zvei Sammelbehälter für Verbrennungsgase aufweist, von denen der eine Behälter 13 mit dein ersten Eintritt 15 (Fig. 2 und 3) eines Gasmischbehälters 16 (Fig.3) verbunden ist, dessen zweiter Einlaß 17 mit der Atmosphäre in Verbindung steht, während

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der Austritt 18 an den Eingang des zweiten Spiralgehäuses 8 des Ventilators angeschlossen ist, welcher Eingang durch einen axial versehieblichen Einstellring für die Ausströmungsmenge gesteuert ist.

Der erste Eintritt 15 des Behälters ist mit einer ringförmigen, zwischen der äußeren rohrförmigen Umhüllung des Behälters 16 und einer in der Verlängerung des Austrittes 18 liegenden Trennwand 20 gebildeten Zone 19 in Verbindung. Ein Reglerring 21 trägt eine perforierte Hülse 22, die sich in Richtung des Ausganges 18 erweitert und aich an der inneren Trennwand 20 abstützt. Dieser Reglerring 21 ist mit einem in Inneren der rohrförmigen Umhüllung des Hohlraumes 16 verschieblich angeordneten zylindrischen Ring 23 formschlüssig verbunden. Der Ring 23 trägt einen Zapfen 2k, der aus dieBem Hohlraum 16 quer durch eine schraubenförmige Nut 25 vorkragt. Die winkelige Verschiebung des Ringes 23 mittels des Zapfens 2k ermöglicht es, die axiale Lage des Ringes 23 zu verändern, und den Durchtrittsquerschnitt ziwschen diesem Ring und den benachbarten Ende der inneren Trennwand 20 zu regeln. Die rohrförndge · perforierte Wand 22 dient zur Aufteilung der Ströme von Verbrennungsgas, die vom Sammler 13 kommen, was in .weiterer Folge erklärt wird.

Der zweite mit der Atmosphäre in Verbindung stehende Eintritt 17 des Hohlraumes 16 ist gleichfalls mit einer Regieinrichtung für den Durchtrittsquerschnitt ausgestattet, die durch einen an einem Schaft 27 befestigten Kegel 26 gebildet ist. Das eine mit einem Gewinde versehene Ende des Schaftes ist mit einer Mutter 28 verschraubt, die formschlüssig mit einem durchbrochenen Deckel 29 verbunden istj das andere Ende ist in einer durchbrochenen Scheibe 30 geführt. Dieser Kegel 26 stellt mit dem Reglerring 21 einen ringförmigen Durchlaß dar.

Es^ei erwähnt, daß die Einspritzdüse 1 für den Treibstoff durch eine Pumpe 31 gespeist wird, und daß in der Nähe der Düse 1 eine Zündelektrode 32 angeordnet ist.

Während des Betriebes des Kessels werden die Verbrennungsgase in den

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Sammlern (von denen nur der Sammler 13 gezeigt ist) aufgefangen, die in der Nähe des Austrittes der Konvekfcionskanäle des Kessels gelegen sind, und nicht dargestellt sind. Entlang dieser Kanäle werden die Ga-' se abgekühlt und geben Wärme an das Wasser des Kessels ab. Außer dem durch den Zug des Abzuges, an den die Sammler angeschlossen sind, hervorgerufenen Unterdruck, wirkt ein zweiter wesentlich stärkerer Unterdruck im Gasmischungsbehälter 16 durch den Ventilator 8, 9. Da der Behälter 16 über seinen Eintritt 15 mit dem Rauchsammler 13 verbunden ist, werden die Verbrennungsgase gleichzeitig mit der Luft, die durch den Eintritt 17 eingebracht wird, in diesen Behälter 16 gesogen. Das Gesamtvolumen des Gases'(Luft plus Verbrennungsgas), das in den Behälter 16 gesaugt wird, sowie auch das Verhältnis von Luft und Verbrennungsgas werden durch eine vorher fix eingestellte Leistung des Ventilators 8 und 9 bestimmt, und zwar durch Regieinrichtungen, die durch den Reglerring 24 und den Kegel 26 gebildet sind. Letzterer gestattet die Regelung des Gesamtvolumens des eingesaugten Gases, wohingegen der Ring · 21 die Regelung des Verhältnisses von Luft und Verbrennungsgas, die dem Behälter 16 zugeführt werden, ermöglicht.

Wie bereits erwähnt, wird der durch den ersten Einlaß' 15 in den Behälter 16 eintretende Verbrennungsgasstrom während seines Durchtrittes durch die Wand der perforierten Hülse 22 in eine Vielzahl von Strömen aufgeteilt. Diese Vielzahl von Strömen dringt in den Luftstrom ein, der ebenfalls durch den vom Ventilator 8, 9 hervorgerufenen Unterdruck gebildet wird. Die Bildung der Vielzahl von Strömen vergrößert die Berührungsfläche Luft-Verbrennungsgas wesentlich und begünstigt die Durchwirbelung und Turbulenz dieser Vielzahl von Strömen. Man vermeidet so die Vereinigung von zwei kompakten Gasmassen, die sich nur sehr gering- · fügig vermischen, so daß das entstehende Gasvolumen einen Gehalt an. heterogenem Sauerstoff aufweist, der ein Instabilitätsfaktor der Verbrennung ist. Im Gegensatz hiezu unterstützt das Eindringen einer Vielzahl von Verbrennungsgasströmen in den Luifetrom die Verteilung des Säuerstoffes im gesamten Gasvolumen, so daß der Partialdruck des Sauerstoffes der Gasmischung im wesentlichen gleichmäßig ist. Diese gleichmäßige Ver-

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teilung des Sauerstoffes garantiert eine maximale Verwendung des verfügbaren Sauerstoffes und gestattet es, die Luftmenge zur Annäherung an den stöchiometrischen Wert zu reduzieren. Man hat festgestellt, daß bei gleichen Mengen an Luft und rezirkulierten Gasen die Stabilität der Verbrennung sich mit der-Homogenität der Gasmischung beträchtlich verbessert.

Diese im Behälter gebildete Mischung wird vom Ventilator 8, 9 angesaugt, der sie komprimiert und in das Spiralgehäuse 3 leitet, von wo sie nach Passieren der fixen Beschaufelung, die ihr eine schraubenförmige Bewegung um die Achse des Brenners erteilt, in die Zuführleitung 2 eintritt. Diese Turbulenzströmung ("Swirl") kommt zum Topf, wo der Brennsirff durch die Düse 1 versprüht wird.

Um Pulsationen beim.Frischluftdurchsatz zu vermeiden, was einen pulsar^igen Betrieb im Kessel zur Folge hätte, ist der im Behälter 16 durch den Ventilator 8, 9 erzeugte Druck unterhalb 10 mm Wassersäule. Die Zahl der "Swirl" G, , die durch die Beziehung zwischen dem dem Gas züge- ·

führten Fluß des kinetischen Momentes G, und dem Produkt aus dem Vertei-

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leröffnungsbereich des Brenners.r_ (Fig. 1) mit dem Mengenfluß der axialen

Bewegung G gegeben ist, wird vorzugsweise zwischen 0,2 und 1,2 gewählt.

Die untere Grenze soll wenigstens ausreichen, um eine Rückführung der Mischung in das Innere der Turbulenzströmung in Form eines töroidförmigen Hüllkörpers (vortex) zu gestatten, wohingegen die obere Grenze durch die Größe des Flammenrückschlages unter der Wirkung des töroidförmigen Hüllkörpers festgelegt ist, der die Düse 1 nicht erreichen darf.

Gemäß dem vorher erwähnten Buch "Combustion aerodynamics" ist der Fluß des kinetischen Momentes G, gegeben durch die Formel

U ist die Axialgeschwindigkeit, W die Tangentialgeschwindigkeit an einem

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"bestimmten Punkt r, r.., r„ sind die inneren und äußeren Bereiche des ring förmigen Raumes, der die Verteileröffnung für die Mischung bildet, wobei r. der Bereich der Düse und r_ jener des Ha^Jes des Brenners ist, Q. ist die Dichte.

Der Fluß der Menge bei der Axialbewegung ist gegeben durch die Formel:

Γ ₂ T

^Gx ^{= 2}^ J 9 tTrdr + 2TT/ Prdr

^r1 ^r1

P ist der statische Druck in einem bestimmten Punkt r.

Von den anderen Faktoren, die die Qualität der Verbrennung beeinflussen, kann man noch den Topf 6" erwähnen, der zur Fixierung der Flamme im Raum beiträgt und durch seine divergente Form das toroidformige Volumen des im Inneren der Turbulenzströinung gebildeten Hüllkorpers erhöht, indem, er dieses vergrößert, so daß die zerstäubten Brennstoff partikel ein; viel größere Mischungssone für das Verbrennungsgas uiicL die Luft durchsetzen» wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Vereinigung der Moleküle des Sauerstoffes und Brennstoffes vergrößert wird. Der Topf dient auch noch als Strahlungsschild zwischen der Basis der Flamme und der kalten Wand des Kessels, wodurch an dieser Stelle der Flamme eine genügend hohe Temperatur erhalten wird, um. die Vergasung des Brennstoffes und seine gute Verbrennung zu unterstützen. Es sei aber darauf hingewiesen, daß bei Verwendung des dargestellten Deckels des Kessels h das Vorhandensein eines Topfes, insbesondere im Einblick auf den Ansatz der TTlafiime und der Vergrößerung des Volumens des toroidförmigen Eüllkörpers, nicht unbedingt notwendig ist.

Es sei noch auf zwei Besonderheiten des Ventilators-8,. 9 hingewiesen. Wie in Fig. 5 dargestellt, wird die Form der Beschaufelung 9a des Rades 9 des Ventilators so gewählt, daß eine Beschleunigung des Fluidums in dem Maße wie sich dieses radial gegen das Spiralgehäuse 8 bewegt, erzeugt wird, und zwar so_? daß bei Zündung des Kessels die Rußteilchen, die zu —

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sammen ait dem Verbrennungsgas rückgeführt werden können, von der · Oberfläche der Schaufeln 9a entfernt werden, und sich dort nicht ansammeln.

Die an sich bekannte andere Besonderheit ergibt sich aus dem Regelsystem des Durchsatzes durch Eindringen des Ringes 1U in das Rad 9 und nicht durch Drosselung. Das Eindringen dieses Ringes hat eine Änderung der Ventilatoreigenschaften zur Folge,d.h. der Kurve der Druckänderung ^p in Funktion zum Durchsatz q.. Die Stabilität des Ventilators, und folglich die der Flamme, ist eine Funktion der Neigung der Tangente an dieser Kurve. Je stärker diese Neigung ist, desto besser ist die Stabilität. Durch Änderung des Durchsatzes mittels des Ringes Ik ist ein anderes Ventilatorrad gegeben, dessen Eigenschaften ρ zu q im "wesentlichen parallel (Fig.6) sind, so daß für ein gleiches ρ die Neigung der Tangente im wesentlichen konstant ist. Dies ist selbstverständlich sehr wichtig für die Stabilität der Verbrennung und schafft eine für den üassendurchsatz des dem Brenner zugeführten Brennstoffes eigene Regelungsart.

Die anhand der beschriebenen Vorrichtung durchgeführten Versuche haben eine Verbrennung mit stabiler blauer Flamme, und zwar ohne Verzögerung gezeigt, wobei ein sehr geringer Überschuß an Luft im Hinblick auf die stöchiometrischen Bedingungen verwendet wurde und zwar nur in der Größenordnung von 5 bis 10$, wodurch sich einerseits eine praktisch rußfreie Verbrennung und andererseits eine sehr geringe Erzeugung von NO ergab. Schließlich gestattet die Rückführung der Verbrennungsgase eine Lärmverminderung bei der Verbrennung. Diese Rückführung liegt, bezogen auf das Luftvolumen, zwischen 50 und 10% Verbrennungsgas, für ein Maseeverhältnis von Luft ündiirennstoff nahe den stöchiometrischen Bedingungen.

Zum Vergleich bewirkte die Rückführung nur von Verbrennungsgasen, die 50$ des Massendurchsatzes an Luft aufweisen, einen Luftüberschuß von ca. 30$. Bei einem "Swirl¹¹ ohne Rückführung erhielt man einen Luftüberschuß von ungefähr $0%.

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Die zweite, in Fig.lt gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform prinzipiell dadurch, daß der Ventilator und ffiurbulenzerzeuger !Begleichen Gehäuse 3^ angebracht sind, das einerseits eine feste Beschaufelung 35> <3i.e beim Ausgang des Gehäuses angeordnet und am Düsenträger 36 befestigt ist, und andererseits ein mit der festen Beschaufelung 35 koaxiales und an einer Hülse 38 befestigtes Ventilatorraqf'37 umschließt, das mit einem (nicht gezeigten) Antriebsmotor über einen Transmissionriemen 1*1 verbunden ist. Dieses Gehäuse 3** wird in axialer Richtung durch den durch den Ventilator 37 erzeugten Unterdruck mit der Gasmischung^espeist, und zwar durch die Verbindung zwischen diesem Gehäuse 3** und der Mischvorrichtung 1*2, die sich etwas von der vorher beschriebenen Vorrichtung unterscheidet.

Diese Vorrichtung umfaßt eine mit dem Verbrennungsgassammler 13 verbun-

eine

dene, erste Eintrittsöffnung ^+3 und/mit der Atmosphäre verbundene zweite Eintdttsöffnung hk. Der Durchtrittsquerschnitt der Öffnung 1*3 wird durch eine axial verschieblich angeordnete Scheibe 1*5 gesteuert, die zu die-, sen Zweck auf einem durch ein Rohr 1*7 geführten Schaft k6 angebracht ist. Eine Reglerschraube 1*8 dient zur Bestimmung der axialen Lage des Schaftes k6 im Rohr 1*7. Dieses Rohr ist formschlüssig mit einer an einem seiner Enden angebrachten Muffe 1*9, wohingegen es an seinem anderen Ende verschieblich in einer Hülse 50 gelagert ist. Diese Hülse wieder ist fest mit dem Gehäuse verbunden, das die Vorrichtung k2 umschließt. Die Muffe 1*9 besteht aus zwei Teilen, und zwar aus einem Teil mit großem Durchmesser, in welchem die erste Öffnung 1+3 liegt, wobei dieser Teil verschieblich in einem die zweite öffnung 1*1* aufweisende«, rohrförmigen Element angebracht ist, und aus einem zweiten Teil mit kleinerem Durchmesser, an welchem einperforierter, von einer schraubenförmigen Rippe 53 umgebener Zylinder 52 befestigt ist.

Die durch die von dem durch den Ventilator 37 eräugten Unterdruck angesaugte Luft, die durch die Öffnungen 1*1* in die Mischvorrichtung eintritt, wird einer durch die Rippen 53 bedingten schraubenförmigen Bewegung un-

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terworfen. Gleichzeitig werden die durch die Öffnung k3 eintretenden Verbrennungsgase durch die Perforationen des Zylinders 52 aufgeteilt und diese Vielzahl von Strömen dringt in die schraubenförmige Luftströmung ein und bildet eine homogene Mischung. Diese Mischung wird dann durch den Ventilator 37 komprimiert und die fixierten Schaufeln 35 geben ihr eine turbulenzartige Strömung unter den gleichen Bedingungen wie beim ersten Ausführungsbeispiel.

Der in dem Beispiel nach Fig. 7 gezeigt Kopf des Brenners 61 weist ein Spiralgehäuse 62 auf, das mittig einen Düsenträger 63 aufweist, in dessen axialer Öffnung eine Düse 6^ zur Zerstäubung des von einer (nicht gezeigten) unter Druck stehenden Brennstoffzuführeinrichtung gespeisten, fließfähigen Brennstoffes liegt. Dieses Spiralgehäuse ist mit dem Auslaß eines Ventilators 65 verbunden, der die Zuführeinrichtung für den unter Druck stehenden gasförmigen Brennstoff ist. Das Spiralgehäuse 62 weist einen Turbulenzerzeuger auf, und trägt zu diesem Zweck eine fixe Beschaufelung 66, deren Schaufelblätter je nach der Intensität oder Anzahl der gewünschten Turbulenzen (Swirl) eingestellt sind. Diese Beschaufelung 66 steuert den Zutritt zur zentralen Verteileröffnung des Gehäuses 62, und ist konzentrisch mit der Düse 6k.

Diese Verteileröffnung bringt das. Spiralgehäuse 62 mit einem Flammentopf 67 in Verbindung, der beim Eingang der Brennkammer liegt und dessen Begrenzungen in der Zeichnung nicht dargestellt sind.

Die Beschaufelung 66 ist einstückig mit einer am Düsenträger 63 befestigten Scheibe 68, deren Rand eine Randleiste 68a aufweist, die sich auf der Fläche der Scheibe 68 erstreckt, die der die Beschaufelung tragenden gegenüberliegt. Diese Randleiste 68a liegt am Mantel des Gehäuses 62 an, wobei ein ringförmiger Raum 69 gebildet wird, der mit dem übrigen Gehäuse 62 durch die die Randleiste 68a durchsetzenden Öffnungen 68b in Verbindung steht.

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Der Düsenträger 63 hat radiale Durchtritte 63a, über die ein Ringraum 70 einerseits und eine Hülse 71 andererseits verbunden sind. Der Ringraum 70 ist in dem Düsenträger 63 eingearbeitet und umgibt die Düse 6^. Die Hülse 71 verlängert den Düsenträger 63 in Richtung der Brennkammer. Die Hülse 71 endet in einem kegelstumpfförmigen, ringförmigen Deflektor 71a, wobei der Scheitel des Kegels sich im Flammentopf 67 befindet. Die Anordnung dieses Deflektors ist jedoch nicht unbedingt notwendig; Versuch haben gezeigt, daß auch mit einer einfachen zylindrischen Hülse gute Resultate erzielt werden können.

Auf der Außenfläche äse Hülse nahe des dem Deflektor 71a benachbarten Endes sind Radiaiflügel 71b vorgesehen. Diese Flügel 71b erstrecken sich nur über einen Teil des Öffnungsbereiches des Gehäuses 62.

Da der Ventilator 65 dem Spiralgehäuse 62 Luft,- eine Mischung von Luft und Verbrennungsgas oder überhaupt einen anderen gasförmigen Brennstoff zuführt, strömt der größte Teil dieses Brennstoffes über die feste Be- , schaufeiung 66, die die Turbulenzströmung um äie Düse 6h hervorruft. Der mittlere Teil dieser Brennstoffströmung trifft auf die Flügel 71b, wodurch"

werden die Turbulenzen dieses mittleren Teiles zerstört/ d.h. an jener Stelle, wo die Strömungsgeschwindigkeit am größten ist5 Durch Zerstören des mittleren Teiles dieser Strömung vermindert man infolgedessen deren Geschwindigkeit bis zu den Grenzen der Entflammbarkeit der Mischung aus Verbrennungsgas und Brenngas. Durch diese Maßnahme kann sich der mittlere Teil der Strömung trotz der Intensität der Turbulenzen entflammen, so daß die Flamme am Brenner "angeordnet" ist.

Ein Teil der Strömung des unter Druck stehenden,gasförmigen Brennstoffes wird im Spiralgehäuse 62 abgeleitet, und zwar über einen Weg, der durch die Öffnungen 68b, die radialen Durchtritte 63a und den Ringraum 70 gebildet wird, wobei der Feg am ringförmigen Deflektor "JIe. endet. Der durch den Weg abgezweigte Teil des unter Druck stehenden, gasförmigen Brennstoffes hat die Aufgabe, eine Belüftung des Endes der Düse 6k zu bewirken, um zu verhindern, daß die nichtverbrannten Brennstoffteilchen oder andere vom toroidförmigen Hüllkörper mitgerissenen Teilchen auf der Oberfläche der Düse 6h abgelagert werden und diese verstopfen.

Patentansprüche: — 11t —

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Claims

Patentansprüche :

.J Verfahren zur Zuführung eines gasförmigen Brennstoffes zu einem

ner, dessen Öffnung zur Brennstoffverteilung in eine Brennkammer einmündet, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

- man schafft eine Unterdruckzone oberhalb des Brenners,

- man verbindet diese Zone einerseits mit einer Versorgungseinheit für den gasförmigen Brennstoff und andererseits mit einer Abzugsleitung für die Verbrennungsgase,

- man regelt den Massendurchsatz des Verbrennungsgases mit Bezug auf den Massendurchsatz des notwendigen gasförmigen Brennstoffes,

- man mischt die Verbrennungsgase mit dem gasförmigen Brennstoff, um die Konzentration des Sauerstoffes der Brennstoffmischung zu senken und

- man leitet diese Mischung durch die Verteileröffnung in die Brennkammer, wobei eine turbulenzartige Strömung gebildet wird, bei der die · Beziehung zwischen dem Fluß des kinetischen Momentes der Mischung auf der einen Seite und dem Produkt des Bereiches der Verteilungsöffnung mit dem'Mengenfluß der Axialbewegung der Mischung auf der anderen Seite einen Wert aufweist, der wenigstens ausreicht, damit die Turbulenzstromung eine Rückführung der Mischung im Inneren der Kammer in Form eines toroidförmigen Hüllkörpers hervorruft.

2.Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Mischen der beiden Gase, Luft und Verbrennungsgas, die Strömung eines dieser Gase in eine Vielzahl von Strömen aufgeteilt wird und daß man diese Vielzahl von Strömen in den Strom des anderen Gases einbringt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Teil der Mischung vor äer Verteilungscffnung des Brenners abzweigt und daß man diesen Teil der Mischung in die Nähe der Ejektionsöffnung der Düse führt, um zu verhindern, daß diese Öffnung durch Produkte verstopft wird, die vom toroidförmigen Hüllkörper in dieÄnnere Rückführung eingebracht werden.

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k. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß sie einen MischungsbehäSer mit zwei Eintritten, die jeweils mit Einrichtungen zur Regelung des Durchtrittsquerschnittes ausgestattet sind, und mit einem Austritt aufweist, wobei die Eintritte jeweils mit der Atmosphäre und mit einer Abzugsleitung für die Verbrennungsgase in Verbindung stehen, und der Austritt mit dem Eintritt eines Ventilators verbunden ist, dessen Austritt mit koaxial zu einer Brennstoff-Einspritzdüse gelagerten Einrichtungen verbunden, um die Gasmischung in eine wirbelartige Bewegung zu versetzen.

5. Vorrichtung nach Anspruch h, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gehäuse mit zwei axialen Öffnungen koaxial air Brennstoff-Einspritzdüse vorgesehen ist, wobei die der Düse gegenüberliegende Öffnung dieses Gehäuses mit einem Mischungsbehälter verbunden ist, wobei die Anströmseite des· Gehäuses das Rad des Ventilators umschließt und die Abströmseite des Gehäuses eine feste Beschaufelung umschließt, um der Mischung eine Turbulenzbewegung zu erteilen.

6. Vorrichtung nach Anspruch k oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine ringförmige Kammer, die wenigstens an jenem Teil^der dem Austrittsende der Düse benachbart ist^ die Düse umgibt, eine ringförmige Öffnung 'zur Verbindung der Kammer mit jenem Ende und Anordnungen vorgesehen sind, um in der Kammer einen Teil des vom Ventilator zugeführten Brennstoffvolumens abzuleiten.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche h bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein Deflektor wenigstens über einen Teil der ringförmigen Öffnung erstreckt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche h bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer zwischen der Düse und einer Hülse gebildet ist, deren Außenfläche radiale Flügel trägt, die im wesentlichen in gleichen Winkelabständen vorgesehen und sich über einen Teil des Öffnungsbereiches für die Verteilung erstrecken.

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