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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung heisser
Verbrennungsgase
EMI1.1
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Das Zusatzmedium kann in die Misch- bzw. Brenn-Kammer unmittelbar tangential sowie vorteilhafterweise mit niedriger Temperatur, etwa mit Raumtemperatur, eingeleitet werden.
Nach der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens - die aus einer Misch- bzw. Brenn-Kammer mit Zu- und Ableitungen für die eingebrachten Gase besteht derart ausgestaltet, dass die Misch- bzw. Brenn-Kammer im wesentlichen in sich geschlossen und mit einem für alle Verbrennungsteilnehmer gemeinsamen, trompetenförmigen Einlassstutzen versehen ist, der stufenlos in die an dieser Stelle eine konkave Schale bildende Kammer übergeht, und dass sich die Kammer gegen den Auslass zu verengt.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Misch- bzw. Brenn-Kammer als Hohlkugel od. dgl. ausgebildet und gegebenenfalls mit mehreren - vorzugsweise düsenförmigen - Auslässen versehen.
Bei einer bevorzugten Ausbildung der erfindungsgemässen Vorrichtung besteht die Misch- bzw. BrennKammer aus zwei gegeneinander gerichteten, einen etwa kugelförmigen Hohlraum einschliessenden Schalen, deren eine den Einlassstutzen für das Verbrennungsgemisch und deren andere den Auslass trägt, wobei zwischen beiden Schalen ein Ringspalt vorhanden ist, durch den ein Zusatzmedium mittels Überoder Unterdruck in den mit dem Auslass versehenen Teil der Kammer eingeleitet werden kann die den Auslass tragende Schale ist dabei zweckmässig etwas weiter als die andere mit dem Einlassstutzen versehene und übergreift diese vorzugsweise ; bei dieser Ausführungsform kann ein besonders grosser Überschuss an Luft od. dgl. beigemischt werden.
Weitere Merkmale sowie der konstruktive Aufbau der erfindungsgemässenvorrichtung werden an Hand der in der Zeichnung dargestellten beiden Ausführungsbeispiele beschrieben ; es zeigen Fig. 1 eine Misch- bzw. Brenn-Kammer, in der alle eingeleiteten Medien an der Verbrennung teilnehmen und Fig. 2 eine andere Variante, bei welcher in die Misch- bzw. Brenn-Kammer ein zusätzliches, an der Verbrennung nicht beteiligtes Medium eingeleitet wird.
In Fig. 1 ist die kugelförmige Brenn-Kammer l-die vorzugsweise aus thermisch gut leitendem Werkstoff, z. B. aus hitzebeständigem Stahl, besteht-mit einem trompetenförmigen Einlass 10, der in die Innenwand 12 der Kugel stufenlos übergeht, sowie mit einem Auslass 11 versehen, vor welchem jedoch eine Stufe ausgebildet ist, um der Strömung nach aussen einen gewissen Widerstand entgegenzusetzen ; denn gerade an dieser Stelle soll die Strömung in die entgegengesetzte Richtung umgelenkt werden, um die gewünschte gute, auch einen hohen Luftüberschuss verarbeitende, Mischung erzielen zu können.
Mit 2 ist eine Wirbelkammer bezeichnet, in welcher die bei 20 eingeleitete Primärluft bzw. der zum Spalten bzw. Spülen erforderliche Dampf in rotierende Bewegung versetzt wird ; bei 21 wird das zu verbrennende bzw. zu spaltende Gas in die Kammer eingeleitet. Die beiden letztgenannten Gase sind vorzugsweise identisch, müssen dies aber nicht sein. Das hier und im folgenden beschriebene Spalten und Spülen findet statt, wenn das vorliegende Verfahren Bestandteil einer cyclischen Spaltgasherstellung ist und die Brennkammer auch zur Mischung der Teilnehmer an der Spaltreaktion verwendet wird.
Den in Fig. 1 eingezeichneten Pfeilen 32 ist zu entnehmen, wie sich die Mischung in der Kammer 1 abspielt. Die Gase treten in rotierender Bewegung bei 10 über die Einlasstrompete in die Kammer ein und bewegen sich spiralenförmig in der Achse des Einlasses in das Innere der Kammer hinein. Infolge der Rotationsbewegung werden die Gase nach aussen geschleudert und legen sich infolgedessen eng an die Kammer-Innenwand an, so dass sie im Kern einen mit Pfeilen dargestellten Sog erzeugen, wodurch zwei benachbarte Rotationswirbel entstehen, deren Achsen quer zur Einlassrichtung liegen. Die vor dem Auslass liegende Stufe unterstützt diese Rotationsbewegung.
Diese Medienführung bewirkt eine ausserordentlich gleichmässige und intensive Mischung aller in die Kammer eingeführter Medien, u. zw. auch dann, wenn mit einem extrem hohen Luftüberschuss gefahren wird.
In der zweiten Verfahrensstufe wird bei 21 das zu spaltende Medium eingegeben, wogegen über die Zuleitung 20 Dampf und gegebenenfalls noch zusätzlich Luft eingeleitet werden. Es braucht also lediglich ein einfacher Schaltmechanismus vorgesehen zu sein, welcher die einzelnen Zuführungen entsprechend öffnet und schliesst, nämlich einmal Gas und Luft, dann ein Spülmittel, beispielsweise Dampf, dann Gas, Luft und Dampf zum Spalten, und schliesslich wieder ein Spülmedium.
Die Brennkammer nach Fig. 2 besteht aus einer halbkugelförmigen Schale 3, in deren Fuss ein Einlassstutzen 30 axial einmündet. Dieser Schale liegt eine zweite Schale 40 gegenüber, die bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein Bestandteil eines in sich geschlossenen Gehäuses 4 ist, jedoch nicht zu sein braucht ; sie weist den Auslass 11 auf, welcher dem Einlassstutzen 30 etwa gegenüberliegt.
Diese beiden Schalen als Brennkammer reichen dann aus, um das Verfahren nach der Erfindung bestreiten zu können, wenn zwischen ihnen-etwa wie bei 410 angedeutet-ein Ringspalt frei ist, durch
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welchen ein Zusatzmedium als ringmantelförmige Grenzschicht eingeleitet werden kann, was auf unterschiedliche Weise möglich ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Gehäuse 4 so ausgebildet, dass der Radius der Schale 40 etwas grösser ist als derjenige der Schale 3, u. zw. etwa um den Betrag der durchschnittli- chen Schichtdicke der durch das Zusatzmedium gebildeten Grenzschicht 34 ; ferner ist es vorteilhaft, wenn die Schale 40 die Schale 3 übergreift, so dass zwischen beiden ein ringförmiger Hohlraum 41 entsteht, durch welchen das Zusatzmedium geleitet werden kann.
Obzwar die Ergänzung der Schale 40 gegebenen- falls unter Zwischenfügung eines kurzen zylindrischen Zwischenstückes durch eine weitere, ebenfalls etwa halbkugelförmige Schale 42 als geschlossenes Gehäuse 4 besonders vorteilhaft ist, werden gleichwohl recht gute Ergebnisse mit einem Gehäuse erzielt, das nur um einen gewissen Betrag die Schale 3 übergreift, also nicht geschlossen ist, oder das geschlossen ist und im Bereich 42 etwa zylindrisch oder elliptisch aus- gebildet ist.
Die Zuleitung des Verbrennungsgemisches erfolgt über die Stutzen 22 (Gas) und 20 (Verbrennungsluft).
Mit 2 ist eine Drall- oderWirbeleinrichtung bezeichnet, welche mindestens dem einen Verbrennungsteilnehmer (Luft) eine starke rotierende Bewegung mitteilt, wodurch einerseits eine gute Vermischung zwi- schen den Verbrennungsteilnehmern, anderseits aber eine zur Durchführung der Erfindung erforderliche schraubenlinige Bewegung des Verbrennungsgemisches erzielt wird, so dass sich dieses Gemisch infolge der auftretenden Zentrifugalkraft an den Mantel des Einlassstutzens 30 anlegt und als Mantel in die Verbrennungs-oder Leitschale 3 gelangt.
Bei einem strömungstechnisch einwandfreien Übergang 31 zwischen Einlassstutzen 30 und Schale 3 treten keine Ablöseerscheinungen auf, der Gemischmantel breitet sich also in der Schale 3 aus, legt sich dabei aber überall an die Schalenwand an und strömt in Richtung der Schale 40, wobei zu beachten ist, dass eine solche Strömung durch eine entsprechend hohe Geschwindigkeit in der Wirbel- oder Dralleinrichtung 2 erzielt werden kann.
Da hiebei am Ringspalt 410 - gleich, wie er ausgebildet ist-ein Unterdruck entsteht, könnte allein hiedurch Zusatzmedium angesaugt werden, welches sich dann der Strömung des Gemisches anpassen und die Grenzschicht an der Schale 40 bilden würde, doch werden bessere Ergebnisse erzielt, wenn dieses Zusatzmedium unter Druck zugegeben wird. Dies könnte mittels einer unterhalb des Ringspaltes 410 liegenden Ringleitung mit vielen nach diesem Spalt gerichteten Düsen erfolgen, wodurch bereits eine ring förmige Grenzschicht entstünde.
Erheblich vorteilhafter aber ist es, dieses Zusatzmedium tangential über den eingezeichneten Stutzen 5 in den Ringraum 41 einzuleiten, weil dadurch eine ähnliche Strömung erzeugt wird wie in der Schale 3, allerdings mit einem Unterschied, auf den im folgenden eingegangen wird ; es ist noch darauf hinzuweisen, dass diese Einleitung des Zusatzmediums zwar vorzugsweise gleichsinnig, aber auch entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung des Verbrennungsgemisches erfolgen kann.
Durch die Volumenvergrösserung in der Schale 3-das Verbrennungsgemisch legt sich ja an die Schalenwand an-entsteht im Inneren des etwa kugelförmigen Hohlraumes ein Vakuum und ein nach dem Einlassstutzen 30 gerichteter Sog, in dem ein Teil des Verbrennungsgemisches wieder zum Schalenfuss zu- rückgerissen wird, eine Erscheinung, die bekannt ist und durch die Pfeile 32, 33 in der Fig. 2 angedeutet wurde. Je grösser die kinetische Energie der Verbrennungsgase ist, desto grösser ist die im Kern des Hohlraumes entstehende Sogwirkung. Hiedurch wird eine besonders intensive Mischung der Verbrennungsteilnehmer erzielt.
Wie die Pfeile 35 erkennen lassen, verlässt ein Teil der Abgase zusammen mit dem Zusatzmedium (Pfeile 34) die Brenn-Kammer, ohne dass dieses Zusatzmedium an der Verbrennung teilnehmen kann ; auf der andern Seite findet aber eine Vermischung dieser Medien noch innerhalb der Kammer 4 statt. Das aus der Kammer austretende Gemisch wird also weitestgehend homogen in seiner Zusammensetzung und Temperatur sein.
Die Verbrennung spielt sich in dem durch die Pfeile 32 und 33 umgrenzten Raum ab ; mit 6 ist eine Zündvorrichtung bezeichnet, die den Verbrennungsvorgang auch intermittierend einleitet.
Das bei 5 in den Hohlraum 41 oder an anderer Stelle eingeführte Zusatzmedium soll eine möglichst niedrige Temperatur aufweisen, um einerseits die oft hohe Temperatur der Abgase zu mindern, anderseits die Schale 3 und die Wand des Gehäuses 4 zu kühlen, die aus Metall gefertigt sein können. Das bei 5 eingeleitete Zusatzmedium kann Luft oder auch ein anderes Gas sein.
Zur Veranschaulichung des nach dem erfindungsgemässen Verfahren zur Erzeugung von Verbrennungsgasen erzielten Effektes diene folgendes Beispiel.
Beispiel : Es wurde mit einer Apparatur gemäss Fig. 2 gearbeitet, deren innere halbkugelförmige Schale 3 einen Innendurchmesser von 750 mm und die dieser gegenüberliegende äussere halbkugelförmige
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Schale 40 einen solchen von 835 mm hatte ; pro Stunde wurden folgende Gase eingeleitet : 2900 m3 Luft von 3000C und 25 Nm Butan ; als Zusatzmedium 1100 m3 Luft von 200C.
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5 m32, 5 CO ; 3, 1 H2O ; 79 N ; 15, 402'
Das erhaltene Endgas war trotz des angewendeten vierfachen Luftüberschusses bezüglich Temperatur und Zusammensetzung völlig homogen und die Flamme wurde nicht ausgelöscht.
Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich in erster Linie zur Durchführung von Spaltprozessen, ist jedoch auch für andere Zwecke verwendbar, wie z. B. zum Wärmen oder Brennen von Gut od. dgl. ; das Verbrennungsgas kann allenfalls gleichzeitig zur Umwälzung benutzt werden ; durch Zusatz eines neutra- len Gases kann auch ein Schutzgas erzeugt werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung heisser Verbrennungsgase durch Verbrennen eines Gemisches aus einem geeigneten Brennstoff-z. B. Flüssiggas-und Luft, insbesondere zur Aufheizung des Wärmeträgers in der
Reaktionskammer einer cyclischen Spalt- und Umformungsanlage zur Herstellung von stadtgasähnlichem
Gas aus Flüssiggas, einem Vergasungsmedium - wie Wasserdampf - und gegebenenfalls Luft, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Brennstoff mit einem Luftüberschuss, welcher ein Vielfaches - vorzugsweise das
Drei- bis Siebenfache - der theoretisch zur völligen Verbrennung erforderlichen Menge beträgt, in eine dem Ort der beabsichtigten Wirkung der Verbrennungsgase vorgeschaltete gesonderte, im wesentlichen in sich geschlossene,
sich am Einlass gleichmässig erweiternde und am Auslass verengende Misch-bzw. Brenn-
Kammer derart eingebracht und verbrannt wird, dass Brennstoff und Luft an der gleichen Stelle, und min- destens eines dieser beiden Medien - vorzugsweise die Luft - rotierend eingeleitet werden, wodurch sie sich an der Wand der Kammer anlegen, diese spiralförmig durchwandern und hiebei im Kern (in der Achse des Einlasses) einen zum Einlass gerichteten Sog erzeugen, durch den die Medien umgelenkt und in radiale
Rotation versetzt werden, und dass die entstandenen Verbrennungsgase ohne weitere nennenswerte Zugabe von Luft ausserhalb der Brenn-Kammer der Verbrauchstelle zugeleitet werden.