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Brenner zur Erzeugung einer durch eine Stosswelle stabilisierten Flamme
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Dauerbetriebeine Konstruktion mit zentral angeordnetem Injektor, wobei von der Austrittsöffnung der zentral an- geordneten Düse, u. zw. senkrecht zu derselben, eine Zerstäubungsdüse für die Zuführung brennbarer Flüs- sigkeit vorgesehen ist. Nach einer Ausführungsform dieses Brenners erfolgt die Zufuhr des brennbaren Gases durch eine ringförmig ausgebildete Kammer, in der sich zentral angeordnet, zwei Rohre befinden, durch welche brennbare Flüssigkeit und Luft eingeführt wird.
Bei den bekannten Industriebrennern mit Venturidüsen wird die Venturidüse dazu benützt, das Zer- stäubungsmittel (im allgemeinen den Brennstoff) bis in die Nähe des die Düse umgebenden Druckes zu ent- spannen, um auf diese Weise eine bestmögliche Ausnützung der durch den Gasströmungsdruck erhaltenen
Energie zu gewährleisten. Bei diesen Brennern trachtet man die Bildung von Stosswellen zu vermeiden, welche beachtliche Geschwindigkeits- und Energieverluste hervorrufen würden. Daher ist der divergieren- de Teil der Düse derart bemessen, dass der Druck immer und an allen Punkten mindestens gleich ist dem
Aussendruck.
Diese Brenner sind ungeeignet, Flammen mit grosser Intensität zu erzeugen, denn eine Flamme kann sich nicht in einem Teil bilden, durch welchen das Gas mit grosser Geschwindigkeit hindurchströmt. Die
Flammenbildung erfolgt somit schon weit vor dem Brenner, da die Gase bereits durch mitgeführte Luft verdünnt sind.
DieErfindung bezweckt kurze Flammen mit hoher Wärmeintensität zu erzeugen. Dazu ist es notwen- dig, dass die Flamme so nahe als möglich am Brenner entsteht, oder sogar im Innern des divergierenden
Teiles der Düse unter der Bedingung, dass sie nicht zuviel Wärme an die Wände abgibt. Es ist ausserdem notwendig, dass die Verbrennung so rasch als möglich beendet wird.
Die Erfindung bezweckt ferner, die Verwendung von flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen oder
Sauerstoffträgern zu ermöglichen, insbesondere wenn diese mit Staub verschiedener Art beladen sind, wobei sie gleichzeitig den Nachteilen zahlreicher Brennerkonstruktionen abhilft, d. h. in dem Körper des
Brenners einer Abriebwirkung ausgesetzte Teile vermeidet, wodurch die Gefahr einer Verbrennung inner- halb der Düse und einer vorzeitigen Mischung der Strömungsmittel verhindert und gleichzeitig der schnelle
Ausbau der Düse möglich wird.
Dies wird gemäss der Erfindung bei einem Brenner der eingangs genannten Art dadurch erreicht, dass der Düse ein koaxiales, geradliniges Rohr zur Zufuhr eines gegebenenfalls feste suspendierte Teilchen enthaltenden gasförmigen Strömungsmittels vorgeschaltet ist, die Düse an ihrer engsten Stelle oder an ihrem divergierenden Teil periphere Öffnungen für den Eintritt eines zweiten flüssigen oder gasförmigen Strömungsmittels aufweist und der divergierende Teil der Düse zur Entspannung der Gase unter dem Aussendruck wesentlich länger, vorzugsweise dreimal so lange als der kleinste Düsendurchmesser ist, eine völlig glatte Oberfläche sowie gegen sein Ende eine Diskontinuietät zur Fixierung der Stosswelle besitzt.
Der erfindungsgemässe Brenner kann ferner noch eines oder mehrere der folgenden Kennzeichen aufweisen : a) Die engste Stelle der Düse wird durch einen zylindrischen Teil gebildet. b) Der halbe Divergenzwinkel des divergierenden Teils der Düse beträgt höchstens 40. c) Der Querschnitt der engsten Stelle der Düse weist eine solche Fläche auf, dass in ihm in an sich bekannter Weise die Schallgeschwindigkeit bei der geringsten Strömungsmenge des Brenners erreicht wird, während der Ausgangsquerschnitt des divergierenden Teiles eine solche Fläche aufweist, dass die Gase bei Fehleneiner Verbrennung und eines Verdichtungsstoss es aus ihm ständig mit einem unter dem Atmosphärendruck liegenden Druck austreten würden.
Das zweite an der Verbrennung teilnehmende Strömungsmittel wird in die Düse mit Hilfe von an der engsten Stelle der Düse mündenden Öffnungen eingespritzt, u. zw. zweckmässig mit Hilfe von in den divergierenden Teil dieser Düse mündenden Öffnungen.
Der divergierende Teil selbst hat eine sehr sorgfältig bearbeitete Oberfläche, welche insbesondere keine Rauhigkeiten aufweist.
Der erfindungsgemässe Brenner wird mit einem Sauerstoffträger und einem Brennstoff gespeist, von denen der eine zwangsweise gasförmig ist und durch-das mittlere geradlinige, die Düse verlängernde Rohr eintritt, ohne auf seinem Weg irgendein Hindernis anzutreffen. Wenn dieses Strömungsmittel suspendierte Staubteilchen oder feste Teilchen enthält, welche eine mehr oder weniger grosse Schleifwirkung haben, wird hiedurch die Abnutzungsgefahr weitgehend verringert. Das durch das mittlere Rohr eintretende gasförmige Strömungsmittel kann der Sauerstoffträger oder der Brennstoff sein. Das zweite an der Verbrennung teilnehmende in die Düse eingespritzte Strömungsmittel kann nach Belieben flüssig oder gasförmig sein.
Da die Einspritzung des zweiten Strömungsmittels entweder an der engsten Stelle der Düse oder in dem
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divergierenden Teil derselben erfolgt, also in einer Zone mit grosser Geschwindigkeit, wird die Gefahr der
Verbrennung im Innern der Düse oberhalb der Stosswelle sowie die Folgen einer solchen Verbrennung in bezug auf die Lebensdauer der Düse vermieden. Hinter der Stosswelle bildet sich die Verbrennung in der so geschaffenen Unterschallgeschwindigkeitszone aus, die Wände der Düse werden jedoch durch die Ablösung der Grenzschicht geschützt. In der Überschallgeschwindigkeitszone, sind auch die Druckschwankungen vor dem Brenner wenig fühlbar, so dass die Gefahr einer vorzeitigen Mischung der beiden Strömungsmittel ge- ring ist.
Ferner bilden das mittlereRohr zur Zufuhr eines der Strömungsmittel und die Düse eine einheitli- che Anordnung, welche schnell ausgewechselt werden kann.
Wenn die Einspritzung des zweiten an der Verbrennung teilnehmenden Strömungsmittels in den diver- gierenden Teil der Düse erfolgt, müssen die Einspritzöffnungen eine solche Lage haben, dass sie stets vor der Stellung der der normalen Strömungsmenge des Brenners entsprechenden Stosswelle liegen. Diese
Stellung kann durch bekannte Formeln der Thermodynamik, in denen die Leistung des Brenners berück- sichtigt wird, berechnet werden.
Das durch die Umfangsöffnungen einzuführende Strömungsmittel wird zweckmässig unter starkem
Druck eingespritzt, so dass die Abmessungen dieser Öffnungen und somit auch die Störungen verringert werden, welche sie an der Überschallströmung erzeugen, in welche sie münden.
Die industriellen Modelle derartiger Brenner haben eine Verbrennungsleistung von 200000000 k. cal. h-1m-s.
Derartige Leistungen können mit den gegenwärtig im Handel bekannten"Hochleistungsbrennern"er- zielt werden. Bei diesen Brennern, welche eine am Ende des Brenners angeordnete Brennkammer benutzen, in welcher fast die gesamte Verbrennung vor sich geht, wird jedoch die Flammentemperatur durch die Widerstandsfestigkeit der die Brennkammer bildenden feuerfesten Materialien auf eine unter 20000C liegende Temperatur begrenzt, was die Verwendung von Sauerstoff und reichen Brennstoffen ausschliesst.
Der erfindungsgemässe Brenner weist keine Brennkammer auf, wodurch er sich einem gewöhnlichen Einspritzbrenner nähert, mit welchem jedoch die in dem erfindungsgemässen Brenner erhaltenen starken Wärmekonzentrationen in keiner Weise erreicht werden können. Das Fehlen einer Brennkammer bildet praktisch einen beträchtlichen Vorteil, da die Temperaturbegrenzung fortfällt und ausserdem die Notwendigkeit einer Instandhaltung dieser Kammer entfällt.
Bei dem erfindungsgemässen Brenner erfolgt die Verbrennung so schnell, dass in einer Entfernung von 10 cm von dem Vorderteil des Brenners, d. h. von drei Durchmessern der Austrittsöffnung des Strahles, die Konzentration des Kohlenoxyds 5Wo der entnommenen Trockengase erreicht. In einer Entfernung von 20 cm von dem Brenner beweist das Verhältnis zwischen den Kohlenoxyd- und Kohlensäurekonzentrationen sowie das Verhältnis zwischen den Wasserstoff-und Wasserdampfkonzentra- tionen, dass die erreichte Temperatur etwa 24000C beträgt, d. h. erheblich höher liegt als die in den bekannten mit einer Brennkammer versehenen Brennern erreichte.
Infolge der Einspritzung am Umtang durch mehrere Öffnungen wird der Brennstoff in die Düse gemäss einer Zylinderfläche in der Nähe der Wand eingespritzt, wodurch der Brennstoff eine grössere scheinbare Oberfläche bei seinem Durchtritt durch die Stosswelle erhält, als bei einer einzigen zentral gelege- nenEinspritzöffnung. Hiedurch erfolgt die Mischung mit dem Verbrennungsmittel schneller. Ein beträchtlicher Teil der Verbrennung kann nämlich unmittelbar am Ausgang der Düse oder selbst innerhalb derselben erfolgen, wenn die Stosswelle weit genug nach hinten verlegt wurde, wobei die Ablösung der Grenzschicht der Flamme hinter der Stosswelle die Wärmeübertragung auf die Wand verringert und so diese schützt.
Durch die Ausbildung der Stosswelle werden die erfindungsgemässen Vorteile erzielt, da diese eine starke Erhöhung der Entropie des Gases und eine bedeutende Verminderung der Geschwindigkeit her- vorruft. Die Stosswelle trennt somit eine Zone von Überschallgeschwindigkeit von einer Zone Unterschallgeschwindigkeit und bildet so einen unüberwindlichen Wall für die Flammenfront. Die von ihr bewirkte Erhöhung der molekularen Unordnung ermöglicht das Entstehen der Verbrennung in einem Teil, in dem die Geschwindigkeit, obgleich sie unter jener des Schalles liegt, höher ist als die der normalen Flammen. Die genannte molekulare Unordnung bewirkt weiters eine innige Mischung des Brennstoffes und des Verbrennungsmittels, wodurch eine sehr hohe Verbrennungsgeschwindigkeit erzielt wird, was zu einer sehr kurzen Flamme führt.
Aus den vorstehenden Ausführungen geht hervor, dass der Stosswelle eine grundlegende Rolle bei der Verbrennung und der Stabilisierung der Flamme zukommt. Die Flamme haftet dadurch unmittelbar hinter der Front der Stosswelle.
Normalerweise wird die Lage der Stosswelle im Brenner mittels der Einstellung für die Tätigkeit des
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Brenners bestimmt. Diese Lage ist somit von der Brennertätigkeit abwandelbar. Die Bedeutung der Dis- kontinuität der Oberfläche des divergierenden Teiles liegt darin, die Stosswelle vorzeitig auszulösen, die sich bei Fehlen der Diskontinuität weiter stromauswärts entwickeln würde.
Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung an Hand eines im Axialschnitt i dargestellten Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemässen Brenners erläutert.
Der Brenner besteht aus einem mittleren Rohr 1 und einer dieses fortsetzenden konvergierenden und divergierenden Düse 2, welche innerhalb eines zur Kühlung und zum Schutz der Düse vorgesehenen Was- sermantels 3 angeordnet sind. Der Zwischenraum zwischen dem mittleren Rohr und dem Wassermantel wird ausgenutzt, um das in die Düse eingespritzte Strömungsmittel bis zu dieser zu leiten. Hiefür ist innerhalb des Wassermantels 3 ein Rohr 4 vorgesehen, welches das zweite Strömungsmittel bis zu den Ein- spritzöffnungen 5 über eine in dem Körper der Düse 2 angebrachte kreisförmige Zufuhrnut 6 führt. Am
Ausgang der Düse bildet die Öffnung desWassermantels eine Oberflächendiskontinuität 7 zur Fixierung der
Stosswelle, damit die Flamme genau in der Achse des Brenners bl eibt.
Wie aus der Figur hervorgeht, bildet das mittlere Rohr 1 mit der Düse 2 eine starre Anordnung, welche einfach in den Wassermantel 3 eingesteckt ist und nach Entfernung der Haltemutter 8 leicht ausgewechselt werden kann.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Brenner zur Erzeugung einer durch eine Stosswelle stabilisierten Flamme mit starker Wärmekon- zentration, der eine Düse mit einem konvergierenden und einem divergierenden Teil aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Düse (2) ein koaxiales, geradliniges Rohr (1) zur Zufuhr eines gegebenenfalls feste suspendierte Teilchen enthaltenden gasförmigen Strömungsmittels vorgeschaltet ist, die Düse an ihrer engsten Stelle oder an ihrem divergierenden Teil periphere Öffnungen (5) für den Eintritt eines zwei- ten flüssigen oder gasförmigen Strömungsmittels aufweist und der divergierende Teil der Düse (2) zur
Entspannung der Gase unter dem Aussendruck wesentlich länger, vorzugsweise dreimal so lange als der kleinste Düsendurchmesser ist, eine völlig glatte Oberfläche sowie gegen sein Ende eine Diskontinuität (7)
zur Fixierung der Stosswelle besitzt.