Feuerung für Gas- und Flüssigkeitserhitzer. Die, Erfindung bezieht sich auf eine Feuerung für Gas- und Flüssigkeitserhitzer, bei welcher Verbrennungsgase nach Bestrei chen der Wärmeaustauschflächen in den Brennraum zurückgeführt werden.
Die Er findung ist gekennzeichnet durch eine die rückzuführenden Verbrennungsgase in den Brennraum einführende Strahlfördervorrich- tung. Solche Feuerungen sind besonders zur Anwendung bei Gaserhitzern für Gastur- binenanlagen geeignet, bei denen die Ver brennung unter Überdruck erfolgt.
Die Erfindung ist an Hand der in ver einfachter Darstellung gehaltenen Zeichnun- gen, welche verschiedene Ausführungsbei spiele zeigen, nachstehend näher erläutert. Fig. 1 zeigt einen Gaserhitzer mit einer Feuerung nach der Erfindung, der z.
B. zur Erhiltzung der Gase einer Gasturbinenanlage verwendet werden kann. Fig. 2 stellt die Anwendung eines solchen Gaserhitzers. in einer Crasturbinenanlage dar.
Fig. 3 und 4 veranschaulichen einen ersten und Fig. 5 einen zweiten Dampferzeuger mit einer nach der Erfindung ausgerüsteten Feuerung. Fig. 6 zeigt einen Gaserhitzer, bei welchem die Strahlfördervorrichtung zugleich als Brenner ausgebildet ist.
Durch Fig. 7 end lich ist eine zweite Form einer als Brenner ausgebildeten Strahlfördervorrichtung zur Darstellung gebracht. Gleiche Teile sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Dem Gaserhitzer nach Fig. 1 wird durch die Leitung 1 Brennstoff und durch die Lei- tung 2 Verbrennungsluft zugeführt. Das zu erhitzende Gas, z. B.
Luft, strömt durch die Leitung 8 in den Wärmeaustauschraum 4 und verlässt diesen durch die Leitung 5.
Der durch den - Brenner 6 zerstäubte Brennstoff verbrennt im Brennraum 7. Die Verbrennungsgase strömen durch die Wärme austauschrohre 8 und erhitzen dabei das den Wärmeaustauschraum 4 durchströmende Gas. Die abgekühlen Verbrennungsgase strömen aus dem Sammelraum 9 in die Leitung 10 weiter.
Zur Verminderung der Temperatur im Brennraum 7 werden abgekühlte Verbren- nungsguse aus der Leitung 10 :dürcli die Rückführleitung 11, die Förderleitung 12 und den Mantelraum 18 wieder in den Brenn- rauen eingeführt.
Zwischen den Leitungen 11 und 12 ist eine Strahlfördervorrichtung 14 angeordnet, welche die abgekühlten Ver brennungsgase aus der Leitung 10 nach zieht und mit etwas erhöhtem Druck wieder in den Brennraum 7 einführt. Durch die Luftleitung 2 wird für die Feuerung be- stimmte Verbrennungsluft als Treibmittel der Strahlfördervorrichtung zugeführt.
In der Treibdüse 15 entsteht eine dem Druck gtfälle entspr.echende Beschleunigung des Treibmittels. Der mit hoher Geschwindigkeit strömende Treibstrahl gelangt dann in die Mischdüse 16.
In der Mischdüse wird durch den Treibstrahl ständig Verbrennungsgas durch turbulente Beweb-ungsübeiir ö,-ung mitgerissen, so dass in der Eintrittspartie der Mischdüse eine leichte Druckabsenkung ent steht, die ein ständiges Nachströmen von Verbrennungsgas durch die Leitung 11 be- wirkt. Der weitere Mischvorgang und insbe,
- sondere die Verzögerung der Strömung, die der engsten Stelle der Mischdüse nachfolgt, sind mit einer Druckstieigerung verbunden, so dass schliesslich in der Leitung 12 ein höherer Druck herrscht als in der Leitung 11.
Zur Einstellung des Querschnittes der Treibdüse 15 kann die Düsennadel 17 in axialer Richtung innerhalb der Treibdüse 15 verschoben werden.
Mittels eines Gestänges 18 ist die Düsennadel mit dem Kolben 19 des Servomotors 20 verbunden. Am Kolben 19 halten sich die Spannung der Feder 21 und der Steuerdruck im Raum 22 Gleichge wicht.
Wird durch die Leitung 23 dem Raum 22 ein höherer Steuerdruck übermittelt, so wird der Querschnitt der Treibdüse 15 vermindert und umgekehrt bei Übermittlung eines geringern Steuerdruckes vergrössert. Der Impuls zur Einstellung des Steuer- druckes kann von Hand oder durch eine selbständige, nicht gezeichnete Regelvorrich tung ausgelöst werden.
Eine Verminderung des Treibdiissenquer- schnittes verursacht eine Stauung des Treib- luftdruckes in der Leitung 2 und damit eine erhöhte Geschwindigkeit des Treibstrahls. Durch die höhere Strahlgeschwindigkeit wird eine grössere Rauchgasmenge gefördert. Bei Vergrösserung des Düsenquerschnittes wird die
Strahlgeschwindigkeit vermindert. Aus der Rückführleitung 11 wird folglich eine geringere Menge Verbrennungsgase nachgezogen und in den Brennraum 7 ge führt. Die Verbrennungsgase, die nicht durch die Rüekführleitung 11 wieder in den Brenn- raum 7 zurückgeführt wird, strömt durch die Leitung 24 an eine nicht gezeichnete VErbrauchssitellss weiter.
Je nach der Höhe des Druckes in der Luftleitung 2 und dem Gegendruck in der Gasleitung 24 spielt sieh die Verbrennung im Brennraum 7 unter einem mehr oder weniger hohen Überdruck über der Atmo sphäre ab. Führt die Leitung 24 anstatt zu Verbrauchsstellen unmittelbar ins Freie, wird die Verbrennung ungefähr unter Atmo sphärendruck vor sich gehen.
Schliesst die Leitung an einen Unterdruckraum an, so herrscht auch im Brennraum ein tiefer als Atmosphärendruck liegender Druck.
Fig. 2 zeigt eine zum Schiffsantrieb be- stimmte Gasturbinenanlage. Die vom Agial- verdiohter 25 als Arbeitsmittel für die An lage verdichtete Luft gelangt durch die Leitung 26 in den Wärmeaustrauscher 27, wird an dessen Wärmeaustauschrohren 28 vorgewärmt und strömt dann durch die Leitung 29 weiter.
Ein Teil der Luft ge langt durch die Leitung ä in den Wärme- austauschraum 4 des Gaserhitzers 30 und wird bei der Umströmung der Wärmeaus- tausehrohre 8 weiter erhitzt.
Die nunmehr auf den höchsten Arbeits druck verdichtete und auf die höchsten Ar- beitstempemai#ur erhitzte Luft gelangt durch die Leitung 5 in die Turbine 31, wird dort entspannt und strömt dann durch die Leitung 32 in den Wärmeaustauscher 27.
Beim Umströmen der Wärmeaustausehrohre 28 gibt sie einen Teil ihrer Restwärme an die verdichtete, durch die Rohre strömende Luft ab. Ein weiterer Teil der Restwärme wird im Kühler 33 abgeführt, worauf die Luft dem Verdichter 25 wieder zuströmt und hier den Kreislauf von neuem beginnt.
Ein zweiter Teil der an der Stelle 34 aufgeteilten Luft wird dem Kreislauf ent nommen und durch die Leitung 2 als Treib mittel der Silrahlfördervorrichtung 14 und gleichzeitig als Verbrennungsluft im Brenn- raum 7 weitergeführt. Die Verbrennungsgase strömen durch die Wärmeaustauschrohre 8 des Gaserhitzers 30 und gelangen durch die Leitungen 10 und 24 in die Turbine 35,
aus der sie nach Entspannung durch die Leitung 36 an weitere, nicht gezeichnete Verbrauchs stellen, z. B. in Wärmeaustauscher, oder ins Freie .abgeführt werden.
Als Ersatz für die dem Kreislauf an der Stelle 34 entnommene Luft wird mittels des Axialverdichters, 37 Luft aus der Atmo sphäre durch die Leitung 38 angesaugt, ver- diehtet und durch die Leitung 39 dem Kreis lauf zugeführt.
Die vom Luftstrom des Kreislaufes be- aufschlagte Turbine 31 treibt die Verdichter 25 und 37. Die durch die entnommene Teil menge beaufschlagüe Turbine 35 erzeugt die nach aussen abgegebene Nutzleistung. Diese Nutzleistungsturbine treibt über das Zahnradgetriebe 40, 41 den Schiffspro- peller 42.
An die Abgasleitung 10 des Gaserhitzers ist die Rückführleitung 11 angeschlossen, durch welche mit Hilfe der Strahlfördervor- richtung 14 eine Teilmenge der Verbren nungsgase, aus, der Leitung 10 entnommen wird.
Die entnommene Gasmenge wird zur Verminderung der Brennraumtemperatur zu sammen mit der als Treibmittel für die Strahlfördervorrichtung dienenden Verbren- nungsluft durch die Leitung 12 und den Mantel 13 in den Brennraum 7 eingeführt.
Die Verbrennungsluftmenge, welche nicht als Treibmittel für die Strahlförclervorrich- tung zur Anwendung kommen kann, wird durch die Leitung 43 unmittelbax dem Brenner 6 zugeführt.
Die Verwendung einer Strahlfördervor- richtung zur Einführung der Verbrennungs- gase in den Brennraum des Lufterhitzers einer Gasturbinenanlage bringt gegenüber der bekannten Anwendung eines mechani schen Umwälzgebläses den Vorteil grösserer Wirtschaftlichkeit mit sich.
Wohl ist der Wirkungsgrad eines mechanischen Gebläses an sich höher als derjenige einer Strablför- dervorrichtung; zum Antrieb eines mecha nischen Gebläses ist aber eine Antriebs- maschine notwendig,
mit der zusammen das Gebläse nur noch einen Wirkungsgrad von ungefähr 50% ergibt. Hinzu kommt, dass bei einem mechanischen Umwälzgebläse S.topfbüchsverluste entstehen, die sich nicht allein auf das Umwälzgebläse selber,
sondern in weit höherem Mass noch auf die Nutz- leistungsturbine auswirken. Die durch die Stopfbüchse eines mechanischen Umwälz- gebläses verloren gegangene Gasmenge geht auch der Nutzleistungsturbine verloren.
Be- trägt die durch die Stopfbüchse verlorene Verbrennungsgasmenge einen Prozent der geförderten Gasmenge, so kommt das unter gleichzeitiger Berücksichüigung der Nutz- leistungseinbusse einen Verlust am Wir- kungsgrad des Gebläses von ungefähr 30 /o gleich.
Der tatsächliche Wirkungsgrad eines mechanischen Umwälzgebläses innerhalb der gezeigten Gasturbinenanlage beträgt also nur ungefähr 20%. Demgegenüber weist die Strahlfördervorrichtung - weil dort keine Gasverluste entstehen - einen Wir kungsgrad von 40 /o auf, also ungefähr das Doppelte des tatsächlichen Wirkungsgrades der mechanischen Fördervorrichtung. Ein weieerer Vorteil der Strahlfördervorrichtung,
der besonders bei Dampfkesselfeuerungen wichtig ist, besteht in den viel geringeren mechanischen Abnützungen im Vergleich zu den Abnützungen bei einer mechanischen Fördervorrichtung. Die Verbrennungsgase besitzen Flugasehe und korrodierende Be standteile,
welche einen mechanischen Ver dichter in viel grösserem Mass abnützen als eine nur feste Teile aufweisende Strahlför- dervorricUtung. Ausserdem sind -die der Ab nützung ausgesetzten Teile der Strahlförder- vorrichtung viel einfacher ausgebildet und können deshalb leicht aus hochwertigem,
verschleissfestem und hitzebeständigem Bau stoff hergestellt und nötigenfalls leichter ausgewechselt werden..
Die Strahlfördervorrichtung 14 der Gas turbinenanlage nach Fig. 2 kann in gleicher Weise geregelt werden wie diejenige des Gas- erhitzers nach Fig. 1, wenn die ganze oder mindestens eine im voraus bestimmte Ver- brennungsluftmenge durch die Treibdüse ge führt wird.
Die Umführungsleitung 43 kann dann weggelassen werden, oder sie erhält ihrerseits auch ein. den Durchfluss regelndes Organ.
Mittels dieses Regelorganes wird die umgeführte Verbrennuugsluftmenge und damit die durch die Treibdüse geführte Luft menge im Zusammenhang mit der Regelung der Treibdüse 15 eingestellt. Dem Zwanglauf-Röhrendampferzeuger nach Fig. 3 und 4 wird durch die Speise pumpe 44 Wasser zugeführt.
Der auf die endgültige Überhitzungstemperatur gebrachte Dampf strömt durch die Leitung 45 an nicht gezeichnete Verbrauchsstellen. Zunächst ge- langt das: Speisewasser in. den Vorwärmer 46, dann durch die Leitung 47 in den als Abschirmsystem der Brennraumwand aus gebildeten Verdampfer 48.
Der Dampf ge langt endlich durch die Leittang 49 in den Überhitzer 50 und schliesslich in überhitztem Zustand in die Dampfleitung 45.
Die Feuerung besitzt einen für flüssigen oder staubförmigen Brennstoff eingerichte ten Brenner 51, dessen Flamme zunächst hauptsächlich durch Strahlung den Ver dampfer 48 beheizt, während der Überhitzer 50 mindestens. zum Teil und der Vorwärmer 46 vollständig durch Berührung mit den Verbrennungsgasen beheizt wird.
Beim Übergang aus. der Brennkammer in den Rauchgaszug ist eine Rückführleitung 11 augeschlössen, durch welche Verbrenuungs,- gase der Brennkammer im obern Teil ent nommen und unten. durch die Strahlförder- vorrichtung 14 wieder in den Brennraum ein- geführt wird.
141h Hilfe eines. Gebläses 52, das durch den Motor 53 angetrieben ist, wird aus der Atmosphäre Luft angesaugt und durch die Leitungen 2 den Treibdüsen -15 der Strahl- fördervorrichtungen 14 zugeführt.
Die Mischdüsen 16 der- Strahlfördervorrichtun- gen kommen gleichzeitig als Einblasdüsen des Brennraumes 7 zur Wirkung, welche die rückgeführten Verbrennungsgase tangen- tial gegen einen Wirbelungskreis 54 strömen lassen.
Hierdurch wird im Brennraum eine Wirbelung erzeugt, durch welche der Flamme, die in einem ersten Bereich 55 eine-mehr oder weniger kegelförmige Aus breitung ausweist, in einem zweiten Bereich 56 eine schraubenförmig gewundene Ausbil- dung erteilt wird.
Strähnenbildungund die hierauf zurückzuführende ungleichmässige Verteilung des Luftüberschusses in der Brennkammer werden durch die kräftige, mittels der Verbrennungsgasrückführung er zeugte Wirbelung verhindert. Die, rückge führten Verbrennungsgase, die eine Tempe ratur bis 600 'C und darüber besitzen, kön nen das mechanische Gebläse 52 nicht be schädigen,
weil es nur von der Treibluft der Strahlfördervorrichtungen durchströmt ist. Die Strählfördervorrichtungen ihrerseits können leicht aus einem der Korrosion bei den hohen Temperaturen und der Erosion bei den hohen Geschwindigkeiten genügend Widerstand leistenden Baustoff hergestellt werden, da sie gar keine beweglichen Teile aufweisen.
Der in Fig. 5 gezeigte Dampfkessel be sitzt eine Kettenrostfeuerung 60. Die Flamme entwickelt sich im Brennraum 61, in welchem das von der Trommel 62 aus- gehende Steigrohrsystem hauptsächlich durch Strahlung beheizt wird. Die Überhitzerbün- del 63 sind durch die Verbrennungsgase be heizt. Anschliessend folgen im fallenden Zug der Vorverdampfer 64, der Vorwärmer 65 und der Lufterhitzer 66.
Die abgekühlten Verbrennungsgase strömen durch den Zug 67 in den Fuchs.
Um eine Strähnenbildung im Brennraum zu verhüten, werden durch die Düsen 68, 69 und 70 rückgeführte Verbrennungsgase gitterartig über den Rost geblasen. Die rückgeführten Verbrennungsgase treten damit. allseitig in den Brennraum ein, so dass über die ganze Rostfläche die Flamme ver- gleichmässig-t wird. Die rückzuführenden Verbrennungsgase können unmittelbar über der Feuerung durch die Öffnung 71 oder zwischen den beiden Zügen durch die öff- nung 72 mittels der Leitungen 75 entnom men werden.
Die Mengen der von den beiden Entnahmestellen herrührenden Gase wer den mit Hilfe .der Klappen 73 und. 74. so eingestellt, da.ss die Temperatur der in den Brennraum einzuführenden Gase den ge wünschten Betriebsverhältnissen entspricht'.
Aus dem Leitungssystem 75 gelangen die Verbrennungsgase zur Strahlfördervorrich- tun- 14 und durch die Leitungen 76 zu den Düsen 68-70. Der Treibdüse 15 wer den mit Hilfe des. Radialgebläses 52 aus der Leitung 77 Frischluft und aus der Leitung 78 abgekühlte Verbrennungsgase als Treib mittel zugeführt. Die Mengen der vom Ge bläse .52 angesaugten Luft und Verbren nungsgase werden durch die Regelklappen 79 und 80 den Betriebsverhältnissen ent sprechend so eingestellt,
dass der C0i!-Gehalt möglichst hoch wird. Wenn die einzubla senden Gase annähernd die Brennkammer- temperatur besitzen, wird die Verbrennung in besonders günstigem Sinn beeinflusst, weil dann die Verbrennungstemperatur nicht ge senkt wird.
Der in Fig. 6 gezeigte Gaserhitzer wird durch Brenngas, z. B. durch Gichtgas, Erd gas oder ein anderes brennbares Gas be heizt, welches durch die Leitung 1 zugeführt wird.
Die zur Rückführung der Verbren nungsgase dienende Strahlfördervorrichtung 14 ist gleichzeitig als Brenner ausgebildet. Als Treibmittel dient das unter erhöhtem Druck durch die ringförmige Treibdüse 15 eingeführte Brenngas.
Durch den in der Mischdüse 16 eniistehenden Unterdruck wird aus der Rückführleitung 11 abgekühl tes Verbrennungsgas nachgezogen, welches die Temperatur im Brennraum 7 vermindert. Die Verbrennungsluft strömt durch die Ringdüse 57 in den Brennraum.
Die mit dem Brenner vereinigte Strahl- fördervorrichtung kann. auch wie in Fig. 7 so ausgebildet sein., dass die durch die Düse 57 zugeführte Brennluft in der Mitte des durch die Treibdüse 15 eingeführten, ring förmigen Brenngasstrahls in den Brenner eintritt. In die Mischdüse 16 strömt dann ein Treibstrahl aus Brenngasen,
der im Innern seines Querschnittes schon die Ver- brennungsluft enthält. Dieser Treibstrahl zieht aus der Leitung 11 Verbrennungsgase in die Mischdüse 16 nach, welche zur Ver minderung der Temperatur im anschliessen den Brennraum und zur Durchwirbelung und Mischung der Brenngase und der Verbren nungsluft dienen.
Zur Steigerung der Misch- Wirkung sind am Ende der Mischdüse noch Leitvorrichtungen 59 angeordnet, durch welche insbesondere dem in den Brennraum eingeführten ringförmigen Strahl der Ver- brennungsgase ein die Mischung begünstigen der Drall erteilt wird.
Besitzt der Druck der durch die Leitung 2 zugeführten Verbrennungsluft ungefähr die gleiche Höhe wie der Druck des durch die Leitung 1 zugeführten Brenngases, so wirkt auch die Luft als Treibmittel zur Förderung des rückgeführten Verbrennungs gases. Durch die Treibdüse 15 kann aber auch umgekehrt die zur Verbrennung not wendige Luft, z. B.. aus der freien Atmo sphäre, angesaugt werden, wenn die Brenn- gase einen genügend hohen Druck auf weisen.
Feuerungen nach der Erfindung lassen sich z. B. auch für Winderhitzeranlagen und für Verbrennungsöfen verwenden, wenn in deren Brennraum die Temperatur vermin- dert oder eine Wirbelung erzeugt werden muss. In der Regel ist die Temperatur des Treibmittels niedriger als diejenige der in die Feuerung einzuführenden Verbrennungsgase.