Verfahren zur Erzielung einer Verbrennung mit hoher lfitzeentwicklung Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzielung einer Ver brennung mit. hoher Hitzeentwicklung.
Es ist. bekannt, dass die Verbrennung be schleunigt, wenn nicht. tatsächlich fort gepflanzt wird, sobald man durch eine brenn bare Mischung aktive Ionen, Radikale oder Teilchen hindurehbewegt oder eindiffundie- ren lässt, welche aus dem Brennstoff bei be- äinnender Verbrennung stammen. Diese Be- sehleunigung der Verbrennung wird der Ge- genstromzündung zugeschrieben, die sich schneller fortpflanzt als die Flamme, soweit sieh dies aus dem Wä,rmefluss, oder der Wärmeübertragung berechnen lässt.
Von sol chen Ionen, Radikalen oder aktiven Teilchen weiss man, dass sie chemische Zwischen produkte oder unvollständige Moleküle dar stellen, die elektrische Ladungen tragen und kataly-tiseh oder als aktive Kerne auf ein hocherhitztes, brennbares Gemisch einwirken können, uni die Verbrennung zu beschleuni gen.
Die Lebensdauer dieser Zwischenpro dukte oder unvollständigen Moleküle und daher die Dauer ihrer katalytischen Wirk samkeit oder ihrer Wirksamkeit als aktive Zentren der Verbrennungsreaktion, währt über eine verhältnismässig günstige Zeit periode, nämlich 1-? Sekunden. Es ist aber noch niemals gelungen, diese Erscheinungen technisch zu beherrschen.
Erfindungsgemäss werden nun solche Ionen, Radikale oder aktive Teilchen einer beginnenden Verbrenhung dem Brennstoff vor seiner Einführung in die Verbrennungs zone zugeführt. Die Lebensdauer und die ka talytische oder kernbildende Wirksamkeit solcher Teilchen währt lange genug, dass, sie den Brennstoff in aktiver Form vom Punkt des Zusatzes bis zum Zündungspunkt beglei ten können. Bei der Zündung ruft nun die Einwirkung der Ionen, Radikale und aktive Teilchen auf den Brennstoff eine ausseror dentlich hohe Verbrennungsgeschwindigkeit hervor, die sieh in der Freisetzung äusserst grosser Wärmemengen äussert.
Bei der Aus führung der Erfindung wird zweckmässig ein Teil .der Produkte der beginnenden. Ver brennung des Brennstoffes selbst abgezweigt und gesondert zurückgeführt, vorzugsweise zu der Mischungsstelle des noch nicht ent zündeten Brennstoffes mit Luft., wo diese Produkte in das Brennstoff-Luftgemisch ein treten und nach der Zündstelle mitgeführt werden.
Wiewohl die Erfindung in verschiedenen Apparaten ausgeführt werden kann, soll als Beispiel eine-Form einer derartigen Vorrich tung an Hand der beiliegenden Zeichnung beschrieben werden, die einen Längsschnitt durch einen für die Zwecke der Erfindung ausgestatteten Brenner darstellt.
In der Zeichnung ist ein Brenner gezeigt, der eine Leitung 10 aufweist, in welche Luf t eingeführt wird. Die Leitung ist vorzugsweise zylindrisch, und die Luft wird durch eine: Luftleitung 11 zu einer Luftdüse 12 am lin ken Ende der Leitung 10 geführt. Die Luft leitung 11 ist mit .einer Luftquelle, beispiels weise mit. einem (nicht gezeichneten) Gebläse verbunden. Die Luft, welche durch die Lei tung 11 zugeführt wird, kann gegebenenfalls i orgewärmt, sein, um die Temperatur im Brenner zu steigern und die Geschwindigkeit. der Verbrennung zu erhöhen. Ferner sind Mittel vorgesehen, um in die Leitung 10 Brennstoff einzuführen.
Diese Mittel sind im vorliegenden Fall als Düse 13 innerhalb der Leitung 10 am rechten Ende eines Brenn stoffzuführungsrohres 11 dargestellt, welches axial durch die Luftdüse 12 hindurchgeht. Dieses Rohr 11 steht durch eine Leitung 15 mit einem Brennstoffvorrat (nicht gezeich net) ausserhalb der Leitung 10 in Verbin dung. Eine Brennstoffrüekleitung 16 von be kannter Form ist mit. der Brennstoffdüse 13 in gleichfalls bekannter Weise verbunden, bildet aber keinen Teil der vorliegenden Er findung.
Der bei der gezeichneten Anordnung zu verwendende Brennstoff ist ein fliessfähiger Brennstoff, der entweder gasförmig, flüssig oder in Form von festen Teilchen zugeführt werden kann, die in einem Gas oder einer Flüssigkeit suspendiert sind. In vielen Fällen hat sieh Öl als sehr gut geeigneter Brennstoff ,erwiesen.
Die Leitung 10 ist der Länge nach in eine Mischzone 17 und in eine Verbrennungszone 18 unmittelbar im Anschluss an die Misch- zone unterteilt. Am Ende der Verbrennungs zone schliesst sich eine geeignete Zone 19 der- Leitung an, welche die heissen VerbreDnungs- produkte zudem Verwendungsort, beispiels weise einem (nicht gezeichneten) Ofen führt. Die Luft wird also der Leitung 10 durch das Rohr 11 zugeführt, von wo sie durch die Mischzone 17 fliesst.
Bei dem gezeichneten. Brenner ist, ein schraubenförmiger Einsatz 20 in die Luftdüse 12 unmittelbar vor dein Lu .ftauslass in die Mischzone 17 eingesetzt. Er hat. die Wirkung, der Luft eine Rotationsbewegung zu erteilen, wenn sie in die Mischzone eintritt, und da durch den Brennstoff im Brenner zii vertei len. Der Brennstoff wird in die llisehzone unmittelbar im Anschluss an die Luftzufüh rung eingebracht.
Infolgedessen wird der Brennstoff in der Luftsäule, welche die Mischzone durchströmt, gut verteilt. leben der Brennstoffzufuhr ist eine Zündvorrich tung 21 in der Nähe der Brennstoffdüse 13 innerhalb der lliselizone angeordnet, welche dazu dient, den Brennstoff zu Beginn des Betriebs zu entzünden, oder auch zii andern Zeiten, wie es gewünscht wird. Nach der Ent zündung des Brennstoff-Luftgeniisehes geht die Verbrennung in der Kammer in einer Weise vor sieh, die nachstehend beschrieben wird.
Die Verbrennungszone 18 wird durch eine plötzliche Erweiterung des innern Durch inessers der Leitung 10 unmittelbar im An schluss an die Mischzone gebildet. und hat zweckmässig zylindriselie Form. Eine kreis ringförmige Schulter '?2 wird dadurch am Beginn der Verbreniiiuigszone 18 geschaffen. Sobald das Brennstoff-Luftgemisch entzündet ist., bildet sieh hinter der kreisringförmigen Schulter 22 ein geschützter Raum, welcher als erhitzte Basis für die Flamme des Bren ners dient.
Das in die Verbrennungszone mit hoher Geschwindigkeit eintretende Brenn stoff-Luftgemiseh bewirkt die Störung des brennenden Gemisches nahe der kreisring förmigen. Schulter 22 nur in einem ganz ge ringen Ausmass. Beispielsweise wird eine ver hältnismässig ruhige Zone mit geringer Ge schwindigkeit hinter der kreisringförmigen Schulter aufrechterhalten, wo die Flamme in verhältnismässig ruhigen Bedingungen brennt, unbeschadet des Wirbels, welcher in dem übrigen Teil der Verbrennungszone herrscht.
Ausserdem sichert die Schulter '?? die Ver brennung des noch nicht. entzündeten Brenn stoff-Luftgemisches und das Fortschreiten von einer Zone hoher Temperatur im Innern nach der Zone des unv erbrannten Gases. Diese Art. von Flammenbasis vermindert daher die Möglichkeit einer Abkühlung der (rase durch die kalten Wandungen, bevor die Verbrennung beendet ist. Der theoretische Fortschritt. der Verbrennung innerhalb der Verbrennungskammer wird durch die gestri chelten Linien A und B gekennzeichnet.
Aus den vorstehenden Erläuterungen ist. ersichtlich, dass die Verbrennung in einer Zone an der kreisringförmigen Schulter 22 innerhalb der Verbrennungszone 18 aufrecht erhalten wird. Die beginnende Verbrennung tritt, also in erstere Zone ,ein.
Um sicherzustellen, dass der durch die Düse 13 in die Mischzone eingeführte Brenn stoff rasch und vollständig verbrennt, ist es von Bedeutung, dass der Brennstoff sich so fort. gut mit der Luft mischt. Infolgedessen ist es zweckmässig, zusätzlich zu der feinen Verteilung des Brennstoffes in der Misehzone 17 durch die Düse 13 und die Wirbelbewe gung. welche der Luft durch den Schrauben einsatz 20 bei ihrem Eintritt in die Misch zone erteilt wird, eine Erhitzung des fein zerteilten Brennstoffes vorzusehen, um eine w4 lieheVerdampfun-bei-vorzLirufen, wenn 7 'it7 er mit.
dem Luftstrom gemischt wird. Ferner wird gemäss der Erfindung vorgesehen, zu dem feinverteilten Brennstoff, bevor er den Zündungspunkt erreicht, Ionen, Radikale oder aktive Teilchen zuzusetzen, welche aus beginnender Verbrennung von Brennstoff herrühren, um eine raschere und vollstän- digere Verbrennung innerhalb der Verbren nungskammer 18 zu erzielen.
Zu diesem Zweck ist eine Rückführung 23 angeordnet, welche von einem Ring von Öff nungen 24 in der kreisringförmigen Schulter 22 aus der Verbrennungszone nach rückwärts zu einem ringförmigen Einlass 25 führt., der die Luftdüse 12 umgibt. Auf diese Weise strömen die hoeherhitzten Gase aus der Ver brennungszone und die Ionen, Radikale und aktiven Teilchen, welche die Gase mit sieh führen, mit dem Brennstoff-Luftgeinisch durch die Mischkammer nach der Brennkam nier, heizen und vergasen den Brennstoff bei seiner Mischung mit .dem Luftstrom und be schleunigen dadurch die Verbrennung des Ge misches.
Wie die Zeichnung zeigt, ist die Rück führung 23, welche die Gase aus der Ver brennungszone nach der Mischzone 17 leitet, ringförmig und erstreckt sich als Mantel um die ganze Länge der Mischzone herum. Es ist. klar, dass an die Stelle der ringförmigen Ein! lassöffnung 25 auch eine Reihe von getrenn ten Einlasslöchern treten kann. Es ist ebenso verständlich, da.ss die Verbrennungsgase in die Rückführung 23 nicht durch einen Ring von Öffnungen 24 eintreten müssen.
Es wird jedoch bevorzugt, die Verbrennungsgase, wel che rückströmen, aus einer Zone zu ent nehmen, die nahe dem Ende der Mischungs zone 17 liegt, wo zwischen der Schulter 22 und der Wandung der Verbrennungszone ein kreisringförmiger Winkelraum gebildet wird, in dem die Flamme verhältnismässig ruhig brennt und die Verhältnisse konstant sind.
Auf jeden Fall wird von dieser Stelle ein Teil der Verbrennungsprodukte nach der Misehzone zurückgeführt, um eine innigere Mischung von Brennstoff und Luft. zu ge währleisten, Ionen, Radikale oder aktive Par tikel, die in dem Raum an der ringförmigen Schulter 22 in der Verbrennungszone 18 ge bildet worden sind, hinzuzufügen und zu.
veranlassen, da.ss diese Teilchen von dem Brennstoff-Luftgemisch bis zum Zündungs punkt mitgeführt werden, damit sie dort ihre katalytische und kernbildende Wirksamkeit entfalten und in der Verbrennungszone eine ausserordentlich hohe Verbrennungsgeschwin digkeit hervorrufen können.
Der Brennstoff wird also in der Luft säule.verteilt, die sich mit hoher Geschwindig keit durch die Mischzone bewegt, das Brenn stoff-Luftgemisch wird in einer gegenüber dieser Zone erweiterten Kammer anschlie ssend an. die Mischzone verbrannt und ein Teil der Verbrennungsprodukte wird unmittelbar aus der Verbrennungszone nach dem Anfang der Mischzone zurückgeführt, um. eine voll- ständigere Mischung von Brennstoff und Luft zu erzeugen und die Verbrennungs geschwindigkeit in der Brennkammer zu stei gern.
Ohne Bindung an eine bestimmte theore-- tische Deutung der Vorgänge bei der Bildung und der Wirkung der aktiven Teilchen, wel che von der Verbrennungszone nach der Mischzone zurückgeführt werden, liegt. der Beweis vor, dass gewisse Erscheinungen tat sächlich eintreten. Offenbar wird zu Beginn der Verbrennung die molekulare Struktur des Brennstoffes aufgespalten, und es tritt eine Dissoziation der Abbauprodukte der Brennstoffmaleküie ein.
Unter der Einwir- kung der hohen Hitzeentwicklung bei der Verbrennung werden H, 1121 OH, C und CO abgespalten, und es entstehen unvollkommene Moleküle. Diese Ionen, Radikale und aktiven Teilchen neigen in ihrem hocherhitzten Zu stand nicht nur ,dazu, sich rasch mit dem 02 der Verbrennungsluft zu vereinigen, sondern sie tragen auch elektrische Ladungen mit. sich, wie durch Einführung einer Sonde in die Vorrichtung nachgewiesen werden konnte. Sie bilden aktive Reaktionszentren im Brenn stoff und veranlassen dadurch eine hohe Ge schwindigkeit der Hitzeentwicklung.
Ausser dem ist die Geschwindigkeit der Hitzeentwick lung bei Zufügung dieser Verbrennungs- produkte zii dem Brennstoff-Luftgemisch und ihrer Mitwanderung mit diesem Gemisch bis zum Zündpunkt weit höher, als sie theore tisch aus der verbesserten Verteilung des Brennstoffes in der Verbrennungsluft und der Vorwärmung des . Gemisches abgeleitet werden könnte.
Ganz abgesehen jeder Theorie, ist es Tat sache, dass die Verbrennung unter den be schriebenen Bedingungen eine höhere Ge schwindigkeit der Hitzeentwicklung in Vor richtungen von kleiner Kapazität gestattet, als es bisher möglich war.
Die Erfindung ist nicht auf irgendeinen Brennstofftyp beschränkt. Es können Öle verschiedener Grade, Gas, Kohlenpulver oder andere Formen von Brennstoffen benutzt wer den.
Die hier beschriebene Ausführungsform der Erfindung ist bloss als Beispiel gedacht, um zu zeigen, wie die Erfindung angewendet werden kann. Andere, Ausführungsformen und andere Anwendungen der Erfindung bieten sich dem Fachmann auf dem Gebiet der Verbrennungstechnik von selbst an.
Method for Achieving High-Strand Combustion The present invention relates to a method for achieving high-strand combustion. high heat development.
It is. known that the combustion accelerates if not. is actually propagated as soon as active ions, radicals or particles are moved in through a combustible mixture or allowed to diffuse in, which come from the fuel during incipient combustion. This acceleration of the combustion is ascribed to the countercurrent ignition, which propagates faster than the flame, as far as this can be calculated from the heat flow or the heat transfer.
We know of such ions, radicals or active particles that they represent chemical intermediates or incomplete molecules that carry electrical charges and can act catalytically or as active nuclei on a highly heated, combustible mixture to accelerate combustion .
The lifespan of these intermediate products or incomplete molecules and therefore the duration of their catalytic activity or their activity as active centers of the combustion reaction lasts over a relatively favorable period of time, namely 1-? Seconds. However, it has never been possible to control these phenomena technically.
According to the invention, such ions, radicals or active particles of incipient combustion are now fed to the fuel before it is introduced into the combustion zone. The life and the catalytic or nucleating effectiveness of such particles lasts long enough that they can accompany the fuel in active form from the point of addition to the point of ignition. During ignition, the action of the ions, radicals and active particles on the fuel causes an extraordinarily high combustion rate, which is expressed in the release of extremely large amounts of heat.
In carrying out the invention, a part of the products of the beginning. The combustion of the fuel itself is branched off and returned separately, preferably to the point of mixing of the fuel that has not yet been ignited with air, where these products enter the fuel-air mixture and are carried along after the point of ignition.
Although the invention can be carried out in various apparatus, a form of such a Vorrich device will be described as an example with reference to the accompanying drawing, which shows a longitudinal section through a burner equipped for the purposes of the invention.
In the drawing, a burner is shown which has a line 10 into which air is introduced. The conduit is preferably cylindrical and the air is passed through an air conduit 11 to an air nozzle 12 at the end of the conduit 10 lin ken. The air line 11 is with .ein air source, for example with. connected to a fan (not shown). The air which is supplied through the line 11 can optionally be orheated in order to increase the temperature in the burner and the speed. to increase combustion. Means are also provided to introduce fuel into the line 10.
In the present case, these means are shown as a nozzle 13 within the line 10 at the right end of a fuel supply pipe 11 which passes axially through the air nozzle 12. This pipe 11 is through a line 15 with a fuel supply (not signed net) outside the line 10 in connec tion. A fuel pipe 16 of known form is with. the fuel nozzle 13 is also connected in a known manner, but does not form part of the present invention.
The fuel to be used in the arrangement shown is a flowable fuel which can be supplied either in gaseous, liquid or in the form of solid particles which are suspended in a gas or a liquid. In many cases, oil has proven to be a very suitable fuel.
The line 10 is divided lengthwise into a mixing zone 17 and a combustion zone 18 immediately following the mixing zone. At the end of the combustion zone, a suitable zone 19 connects to the line, which leads the hot combustion products to the place of use, for example a furnace (not shown). The air is thus fed to the line 10 through the pipe 11, from where it flows through the mixing zone 17.
With the one drawn. Burner, a helical insert 20 is inserted into the air nozzle 12 immediately in front of the air outlet in the mixing zone 17. He has. the effect of giving the air a rotational movement when it enters the mixing zone, and because zii len through the fuel in the burner. The fuel is introduced into the heating zone immediately after the air supply.
As a result, the fuel is well distributed in the air column which flows through the mixing zone. During the fuel supply, an ignition device 21 is arranged in the vicinity of the fuel nozzle 13 within the island zone, which is used to ignite the fuel at the start of operation, or at other times, as desired. Upon ignition of the fuel-air generator, combustion in the chamber proceeds in a manner which will be described below.
The combustion zone 18 is formed by a sudden expansion of the inner diameter of the line 10 immediately following the mixing zone. and is suitably cylindrical in shape. A circular shoulder 2 is thereby created at the beginning of the burn zone 18. As soon as the fuel-air mixture is ignited., Forms behind the circular shoulder 22 a protected space, which serves as a heated base for the flame of the burner.
The fuel-Luftgemiseh entering the combustion zone at high speed causes the disruption of the burning mixture near the circular ring-shaped. Shoulder 22 only to a very small extent. For example, a relatively quiet zone of low speed is maintained behind the annular shoulder where the flame burns in relatively quiet conditions, without prejudice to the vortex that prevails in the remainder of the combustion zone.
In addition, the shoulder secures' ?? the burning of the not yet. ignited fuel-air mixture and the progression from a zone of high temperature in the interior to the zone of the unburnt gas. This type of flame base therefore reduces the possibility of the race through the cold walls cooling down before combustion is complete. Theoretical progress of combustion within the combustion chamber is indicated by the dashed lines A and B.
From the above is. It can be seen that the combustion is maintained in a zone at the annular shoulder 22 within the combustion zone 18. The incipient combustion occurs, i.e. in the first zone.
In order to ensure that the fuel introduced into the mixing zone through the nozzle 13 burns quickly and completely, it is important that the fuel continue immediately. mixes well with the air. As a result, it is useful, in addition to the fine distribution of the fuel in the mixing zone 17 through the nozzle 13 and the Wirbelbewe supply. which is given to the air through the screw insert 20 on its entry into the mixing zone, to provide a heating of the finely divided fuel in order to precede a vaporization when it is present.
is mixed with the air flow. Furthermore, it is provided according to the invention to add ions, radicals or active particles, which result from the incipient combustion of fuel, to the finely divided fuel before it reaches the ignition point in order to achieve faster and more complete combustion within the combustion chamber 18.
For this purpose a return line 23 is arranged which leads from a ring of openings 24 in the annular shoulder 22 backwards out of the combustion zone to an annular inlet 25 which surrounds the air nozzle 12. In this way, the highly heated gases flow out of the combustion zone and the ions, radicals and active particles which the gases carry with them, with the fuel-air mixture through the mixing chamber after the combustion chamber, heat and gasify the fuel as it is mixed. the air flow and thereby accelerate the combustion of the mixture.
As the drawing shows, the return line 23, which directs the gases from the combustion zone to the mixing zone 17, is annular and extends as a jacket around the entire length of the mixing zone. It is. clear that in the place of the annular one! inlet opening 25 can also enter a series of separately th inlet holes. It will also be understood that the combustion gases need not enter recirculation 23 through a ring of openings 24.
However, it is preferred to take the combustion gases, wel che back, from a zone which is near the end of the mixing zone 17, where an annular angular space is formed between the shoulder 22 and the wall of the combustion zone in which the flame is relatively Burns calmly and the conditions are constant.
In any case, from this point some of the combustion products are returned to the mixing zone in order to achieve a more intimate mixture of fuel and air. to ensure that ions, radicals, or active particles that have been formed in the space at the annular shoulder 22 in the combustion zone 18 are added and added.
cause da.ss these particles to be carried along by the fuel-air mixture up to the ignition point, so that they can develop their catalytic and nucleating effectiveness there and cause an extremely high combustion rate in the combustion zone.
The fuel is distributed in the air column, which moves through the mixing zone at high speed, and the fuel-air mixture is then added to a chamber that is wider than this zone. the mixing zone is burned and part of the combustion products is returned to immediately from the combustion zone after the beginning of the mixing zone. To create a more complete mixture of fuel and air and to increase the combustion speed in the combustion chamber.
Without being bound by a specific theoretical interpretation of the processes involved in the formation and effect of the active particles, which are returned from the combustion zone to the mixing zone. the proof that certain phenomena actually occur. Obviously, at the beginning of the combustion, the molecular structure of the fuel is split up, and a dissociation of the breakdown products of the fuel oil occurs.
Under the influence of the high heat generated during combustion, H, 1121 OH, C and CO are split off, and imperfect molecules are formed. In their highly heated state, these ions, radicals and active particles not only tend to combine quickly with the O2 in the combustion air, but they also carry electrical charges with them. as demonstrated by inserting a probe into the device. They form active reaction centers in the fuel and thus cause the heat to develop at a high rate.
In addition, the speed of heat development when these combustion products are added to the fuel-air mixture and their migration with this mixture up to the ignition point is far higher than theoretically from the improved distribution of the fuel in the combustion air and the preheating of the. Mixture could be derived.
Quite apart from any theory, it is a matter of fact that combustion under the conditions described allows a higher rate of heat development in devices of small capacity than was previously possible.
The invention is not limited to any type of fuel. Oils of various grades, gas, powdered coal or other forms of fuel can be used.
The embodiment of the invention described here is intended only as an example to show how the invention can be applied. Other, embodiments and other uses of the invention will suggest themselves to those skilled in the art of combustion.