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Die
Erfindung betrifft einen Brenner mit einem Einlauf, der Einlässe für Brennstoff
und Luft aufweist und einer sich an den Einlauf anschließenden Mischstrecke.
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In
EP 0 463 218 B1 ist
ein Brenner beschrieben, der einen Einlauf mit koaxialen Einlässen für Brennstoff
und Luft aufweist. An den Brennereinlauf schließt sich eine Mischstrecke an,
in der Brennstoff und Luft sich mischen bevor das Gemisch in eine Brennkammer
eintritt. Treibstoff und Luft haben einen solchen Strömungsimpuls,
dass eine Verbrennung erst in der Brennkammer stattfindet.
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In
DE 43 29 237 A1 ist
eine Anordnung zur Vergleichmäßigung der
Staubbeladung eines Gasstromes in einem Kanal beschrieben. Hierbei
wird ein Kohlenstaub-Trägergas-Gemischstrom
einem Brenner zugeführt.
In einem Fall ist eine rechteckige Anströmleitung vorgesehen, die Seitenprallelemente sowie
Lenk- und Leitelemente zur Führung
des Staubstromes und zur Ableitung in die Mitte der Anströmleitung
aufweist. Die Anströmleitung
mündet
in einen Konus, der mit seinem rückwärtigen Ende
die Anströmleitung
umgibt und dort Lufteinlässe
aufweist. Das Staub-Luft-Gemisch durchläuft einen Luftring und wird
in einer Brennkammer verbrannt.
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DE 23 52 204 A1 beschreibt
eine zylindrische Brennkammer, die von einer Gaseintritts-Ringkammer
und von einem Wärmetauscher
umgeben ist. Die aus der Brennkammer austretenden Verbrennungsgase
werden durch den Wärmetauscher
geleitet. In einer Ausführungsform
kann ein rechteckiger Brenner- und Flammrohrteil mit einem zylindrischen Hauptbrennraum
oder ein zylindrischer Brenner- und Flammrohrteil mit einem rechteckigen
Hauptbrennraum zu einer Gesamtanlage kombiniert werden.
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EP 1 112 972 A1 beschreibt
eine Brennvorrichtung mit einem rechteckigen oder runden Brennerblock,
der von einem Düsenring
umgeben ist, aus welchem ein Inertgas austritt. Das Inertgas erzeugt einen
ringförmigen
Schutzgasmantel von rechteckigem Querschnitt um die Flamme herum.
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Eine
Verbrennungsvorrichtung für
pulverisierte Kohle ist in
EP
0 672 863 A2 beschrieben. Hierin ist eine Drosselstelle
im Wege des Brennstoff-Luft-Gemisches vorgesehen, um die Strömung zu
konzentrieren.
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Bei
der Verbrennung ist es im Sinne einer Reduzierung des NOx-Ausstoßes
wichtig, eine gute Durchmischung des Brennstoffs mit der Luft und
eine möglichst
niedrige maximale Verbrennungstemperatur zu erreichen. Der Grad
der Mischung im Austritt der Brennerdüse hat einen ganz wesentlichen
Einfluss auf die nachfolgenden Verbrennungsvorgänge in der Brennkammer. Dies
gilt insbesondere im Hinblick auf die Stickoxidbildung (NOx), die ihrerseits maßgeblich durch die lokale Verbrennungstemperatur
(Zeldovich oder thermisches NO) bestimmt ist. Das Ziel einer bestmöglichen
Reduktion der Stickoxidemission lässt sich folglich dadurch erreichen,
indem man durch geeignete Kontrolle der Mischungs- und Verbrennungsprozesse
die Verbrennungstemperatur so gering wie möglich hält (Tmax < 1750 – 1800 K).
Dies lässt
sich entweder durch starken Wärmeentzug
im Brennraum mittels Wärmetauscher
oder durch Zumischung von inerten, an den chemischen Reaktionen
nur als Drittkörper
beteiligter Gase (Luft, N2, Ar, ... usw.)
erreichen. Im Falle von Gasturbinenbrennkammern wird die Verbrennungstemperatur durch
einen Überschuss
an Verbrennungsluft durch den Brenner reguliert. Die maßgebliche
Kennzahl ist hierbei die Luftzahl λ, gebildet aus dem molaren Verhältnis von
Luft zu Brennstoff bezogen auf die stoichioimetrische Zusammensetzung
(λ = 1).
Für doppelten
Luftüberschuss
beispielsweise gilt dann λ =
2. Im Brenner selbst werden Brennstoff und Luft zusammengeführt und
es entstehen zunächst
auch bei hohem Luftüberschuss
stoichiometrische Bereiche. Das Mischungsverhalten eines Brenners
lässt sich nun
dadurch charakterisieren, in welchem Maße auftretende λ-Inhomogenitäten im Brenner
vor Eintritt in die Brennkammer abgebaut werden. Im besten Fall erreicht
man ein homogenes Profil mit dem λ-Wert der
zugeordneten globalen Mischung. Die entsprechende adiabate Verbrennungstemperatur
der globalen Mischung kann somit als die untere Grenze der optimaler
Weise zu erreichenden maximalen Verbrennungstemperatur angesehen
werden, vorausgesetzt, es findet kein zusätzlicher Wärmeentzug statt. Der Grad der
Annäherung
an diesen Idealzustand charakterisiert die Mischungsgüte eines
jeden Brenners.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brenner mit verbessertem
Mischungsverhalten zur Verringerung der Stickoxidbildung zu schaffen.
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Der
erfindungsgemäße Brenner,
der diese Aufgabe löst,
ist durch den Patentanspruch 1 definiert.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen des Brenners sind gegenstand der Unteransprüche. Erfindungsgemäß weist
der Brenner einen Einlauf mit im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt
auf, wobei zwei parallele Wände
eine lichte Weite begrenzen: Die Mischstrecke bildet einen runden
Kanal, dessen Weite größer ist
als die lichte Weite zwischen den parallelen Wänden, so dass dadurch in Strömungsrichtung
sich erweiternde Übergangsstufen
gebildet werden.
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Durch
die Erfindung wird erreicht, dass an den Übergangsstufen Querströmungen initiiert
werden, durch die der Mischungsvorgang durch Erhöhung des turbulent diffusen
Transportes sowie der Induktion eines konvektiven Sekundärtransportes
stark verbessert wird. Dies wird dadurch erzielt, dass die Verbrennungsluft
aus einem Rechteckkanal in einen Kanal mit rundem Querschnitt überführt wird.
Rechteckkanal und Rundkanal sind „inline", d. h. auf derselben Brennerachse angeordnet
und bilden auf ihrer Übergangsfläche zwei
zueinander parallele Stufen (Übergangsstufen)
aus. Es entsteht ein konvektiv-diffusiver Transport des Brennstoff-Luft-Gemisches
und eine starke und gleichmäßige Ausbreitung
des Brennstoffs auch in radialer Richtung. Die maximale Brennstoffkonzentration
am Ausgang der Mischstrecke ist somit gering und die Verteilung
des Brennstoffs über
den Querschnitt des Mischkanals wird verbessert. Die Folge ist eine
Reduktion der thermischen Stickoxidbildung. Die Übergangsstufen zwischen eckigem
und rundem Querschnitt bewirken die Induktion von vier Sekundärwirbeln,
die jeweils um eine parallel zu der Brennerachse, jedoch radial
versetzt, verlaufende Wirbelachse rotieren. Die Rotationen benachbarter
Sekundärwirbel
haben entgegengesetzten Drehsinn.
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Vorzugsweise
ist die Abmessung des Einlaufs rechteckig zu der lichten Weite größer als
die Weite des Kanals. Dies bedeutet, dass der Einlauf den runden
Kanal seitlich überragt.
Das Querschnittsverhältnis
des mit dem runden Kanal deckungsgleichen Anteils der Fläche des
Einlaufs sollte etwa 2/3 der Fläche
des runden Kanals betragen. Die Querschnitte der Fläche des
Einlaufs und der Fläche des
runden Kanals sollten etwa gleich groß sein. Das Verhältnis der
Längen
der zueinander rechtwinklig verlaufenden Seiten des Einlaufs beträgt vorzugsweise
2,5 bis 3,5.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung enthält
der Einlauf eine Brennstofflanze, die im Abstand vor der Mischstrecke
endet.
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Im
Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher
erläutert.
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Es
zeigt:
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1 einen
Längsschnitt
durch einen Brenner nach der Erfindung,
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2 einen
Schnitt entlang der Linie II-II von 1,
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3 einen
Schnitt entlang der Linie III-III von 1,
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4 eine
perspektivische Darstellung der vier sich in der Mischkammer ausbildenden
und in dieser fortschreitenden Sekundärwirbel,
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5 eine
Darstellung der Strömungsvektoren
in einer Querebene des runden Kanals und,
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6 eine
Stirnansicht in die Brennkammer eines Ringbrennersystems mit zahlreichen
Brennern.
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Der
Brenner nach den 1–5 weist
einen Einlauf 10 auf, der aus einem Rohr von im Wesentlichen
rechteckigem Querschnitt besteht. Der Einlauf 10 hat zwei
Paare jeweils paralleler Wände. Entlang
der Längsachse
des Einlaufs 10, welche die Brennerachse 11 bildet,
ist eine Brennstofflanze 12 angeordnet. Diese besteht aus
einem Rohr von rundem Querschnitt. Die Brennstofflanze 12 wird
mit Brennstoff 13 versorgt, während der die Brennstofflanze 12 umgebende
Raum des Einlaufs 10 mit Luft 14 versorgt wird.
Als Brennstoff wird beispielsweise Methan (CH4)
benutzt. Sowohl der Brennstoff als auch die Luft werden mit hohen
Drücken
zugeführt. Die
Brennstofflanze 12 endet in einem Abstand vor dem Auslassende 15 des
Einlaufs 10.
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An
den Einlauf 10 schließt
sich eine Mischstrecke 20 an. Diese besteht aus einem Rohr 21 von rundem
Querschnitt, das den Kanal bildet. Das zylindrische Rohr 21 ist
koaxial zur Brennerachse 11 angeordnet und abdichtend mit
dem Auslassende des Einlaufs 10 verbunden. Das Auslassende 22 der Mischstrecke 20 ist
offen. Die Mischstrecke mündet hier
in eine Brennkammer 23, in der sich eine Flamme 24 ausbildet.
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Der
Innendurchmesser D des Rohres 21 ist größer als die lichte Weite W
des Einlaufs 10, welche durch den gegenseitigen Abstand
zweier paralleler Wände
des Einlaufs definiert wird. Daher ist an jeder der vier parallelen
Wände des
Einlaufs 10 am Auslassende 15 eine Übergangsstufe 25 ausgebildet,
bei der im Strömungsweg
des Gasgemisches die betreffende Seitenwand zurückweicht. Die Wände des
Einlaufs 10 überragen
nach entgegengesetzten Seiten hin die Kontur des Kanals 17.
Die Flächen
des Einlaufs 10 und des Kanals 17 verhalten sich
etwa wie 1:1. Wie aus den 3 und 5 ergibt,
beträgt
das Querschnittsverhältnis
des mit dem runden Kanal 17 deckungsgleichen Anteils der
Fläche
des Einlaufs 10 etwa 2/3 der Fläche des runden Kanals 17.
Die Abmessung Wr des Einlaufs 10 rechtwinklig
der lichten Weite W ist größer als
die Weite D des Kanals 17. Durch diese Kanalgestaltung
ergibt sich hinter dem Auslassende 15 des Einlaufs 10 ein
radialer Impuls auf die Gemischströmung. Infolge der vier Übergangsstufen 25 ergeben
sich um den Umfang verteilt im Mischrohr insgesamt vier Wirbel,
die nachfolgend noch erläutert
werden.
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Bei
einem praktisch ausgeführten
Ausführungsbeispiel
beträgt
die Gesamtlänge
L1 des Einlaufs 10 14 mm und die Länge der Brennstofflanze 12 beträgt 11 mm,
so dass die Brennstofflanze im Abstand von 3 mm vor dem Auslassende 15 endet.
Die Länge
der Mischstrecke 20 beträgt bei diesem Beispiel 30–40 mm.
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In
den 4 und 5 sind die Strömungsverhältnisse
in der Mischstrecke 20 dargestellt. Bei einer gasturbinenrelevanten
Anwendung sei eine Luftzahl der globalen Mischung von λ = 2,16 vorgegeben.
Die Lufttemperatur beträgt
720 K, womit sich die adiabate Flammentemperatur zu ca. 1.750 K
ergibt. Bei idealer, d. h. vollständiger Durchmischung, ergibt
sich daraus eine NOx-Emission von ca. 2
ppm. Der Stromlinienverlauf in 5 zeigt,
dass die Strömung
aus dem Rechteckeinlauf bevorzugt in den Bereich der größten Stufenhöhe strömt. Im weiteren Verlauf
der Strömung
in der Mischstrecke wird dies aus Kontinuitätsgründen durch die Bildung von
vier achsensymmetrischen Sekundärwirbeln
W1–W4 ausgeglichen.
Der Brennstoff wird über
die auf der Brennerachse angeordnete Brennstofflanze 12 axial in
Höhe der Übergangsstufen
direkt in die Symmetrieachse dieser vier Sekundärwirbel eingedüst. Der beschriebene
konvektiv/diffusive Transport bewirkt eine relative starke und gleichmäßige Ausbreitung des
Brennstoffes in radialer Richtung. 4 zeigt weiterhin,
dass die anfänglich
100%-ige CH4-Konzentration am Brennstoffeinlass
bis auf einen maximalen Wert von 8% (λ = 1.2) auf der Brennerachse
im Brenneraustrittsquerschnitt verdünnt wird. Demgegenüber zeigt
ein kommerziell verfügbarer
Vergleichsbrenner eine relativ hohe CH4-Konzentration von
ca. 13% (λ =
0.7). Der höhere
minimale λ-Wert
im Bereich der maximalen Brennstoffkonzentration führt schließlich zu
lokal erheblich niedrigeren Maximaltemperaturen in der Brennkammer.
Damit wird durch den Einsatz des vorgestellten neuen Brennerkonzepts
das Potential zur Reduktion der thermischen Stickoxidbildung deutlich
gesteigert.
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Die
Sekundärwirbel
W1–W4
befinden sich jeweils in einem Quadranten des Querschnitts der Mischstrecke 20.
Die Drehrichtungen zweier benachbarter Sekundärwirbel sind entgegengesetzt.
Durch die Sekundärwirbel
wird der Brennstoff nach außen getragen
und die Brennstoffverteilung wird vergleichmäßigt. Die Übergangsstufen 25 bewirken
eine Geschwindigkeitskomponente in Querrichtung.
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6 zeigt
ein Ringbrennersystem, wie es beispielsweise in stationären Gasturbinen
zur Anwendung kommt. Zahlreiche Brenner B der oben beschriebenen
Art sind ringförmig
angeordnet, so dass sie in eine gemeinsame Brennkammer 23 einmünden. Die
Einläufe 10 der
einzelnen Brenner B sind gegeneinander abgegrenzt. Sie sind gekrümmt, um insgesamt
die Ringstruktur zu ergeben.
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Der
erfindungsgemäße Brenner
eignet sich insbesondere für
Gasturbinen sowohl zur Energiegewinnung als auch in Flugzeugen.
Er kann aber auch für
Heizungszwecke eingesetzt werden.