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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur schadstoffarmen Verbrennung,
bei welchem Brennstoff und Oxidator in einen Brennraum eingekoppelt werden
unter Ausbildung einer oder mehrerer Abgasrezirkulationszonen, in
welche Brennstoff und Oxidator eingeblasen werden.
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Die
Erfindung betrifft ferner eine Brennkammervorrichtung zur schadstoffarmen
Verbrennung eines flüssigen Brennstoffs mit Ausbildung
einer oder mehrerer Abgasrezirkulationszonen.
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Wenn
Brennstoff und Oxidator in eine Abgasrezirkulationszone eingeblasen
werden, dann kann sich ein Brennstoff-Oxidator-Gemisch mit dem rezirkulierenden
Abgas vermischen. Dadurch kann man homogene Verbrennungsverhältnisse
in dem Brennraum erhalten, die dem Entstehen von heißen Stellen
entgegenwirken. Dadurch wiederum erhält man gute Abgaswerte
bezüglich CO und NOx. Insbesondere lässt sich
eine flammenlose Oxidation realisieren.
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Aus
der
EP 0 463 218 A1 ist
ein entsprechendes Verfahren bekannt, bei welchem Brennstoff im
Wesentlichen flammenlos und pulsationsfrei oxidiert.
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Aus
der
DE 102 17 913
A1 ist eine Brennkammer für eine Gasturbine bekannt,
bei dem sich in einem Innenraum eine großräumige
Umlaufströmung zur Aufrechterhaltung eines flammenlosen
Oxidationsvorgangs ausbilden kann.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art bereitzustellen, mit welchem sich geringe Schadstoffemissionen
ergeben.
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Diese
Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch
gelöst, dass als Brennstoff eine Flüssigkeit verwendet
wird, wobei der Brennstoff mit einem gasförmigen Treibmedium
zerstäubt wird, mindestens einen Mehrphasenstrahl aus Flüssigkeitstropfen
und Treibmedium in den Brennraum mit einer Eintrittsgeschwindigkeit in
dem Brennraum im Bereich zwischen (einschließlich) 30 m/s
und 80 m/s eingeblasen wird und ein Strahlausbreitungswinkel des
mindestens einen Mehrphasenstrahls höchstens 30° beträgt.
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Bei
der erfindungsgemäßen Lösung wird der flüssige
Brennstoff zerstäubt und es kann sich ein Mehrphasenstrahl
aus Treibmedium und Flüssigkeitstropfen ausbilden. Der
Mehrphasenstrahl lässt sich als Hochgeschwindigkeitsstrahl
ausbilden, welcher in eine oder mehrere Abgasrezirkulationszonen
eingeblasen wird. Dadurch lässt sich eine schadstoffarme Verbrennung
und insbesondere eine flammenlose Verbrennung auch unter der Verwendung
von flüssigem Brennstoff realisieren. Es lässt
sich eine Flüssigkeitsbeladung in einem Strahlquerschnitt
des Mehrphasenstrahls mit hoher Homogenität erreichen,
wodurch sich wiederum eine schadstoffarme flammenlose Verbrennung
erreichen lässt.
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Wenn
die Divergenz des Mehrphasenstrahls gering gehalten wird, dann ergeben
sich optimierte Mischungsverhältnisse in dem Brennraum.
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Insbesondere
liegt die Eintrittsgeschwindigkeit des mindestens einen Mehrphasenstrahls
unterhalb der Schallgeschwindigkeit eines Mehrphasenmediums des
Mehrphasenstrahls. Die Schallgeschwindigkeit des Mehrphasenmediums
liegt dabei in der Regel unterhalb der Schallgeschwindigkeit der individuellen
Medien, welche das Mehrphasenmedium bilden.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn der Brennstoff in Tropfen einer
Größe von höchstens 50 μm zerstäubt
wird. Dadurch erhält man eine Feinverteilung des Brennstoffs,
um eine effektive flammenlose Oxidation zu erreichen.
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Günstigerweise
ist der Mehrphasenstrahl als vorzugsweise schlanker Kegelstrahl
mit kreisförmigem Strahlquerschnitt oder als Flachstrahl
beispielsweise mit elliptischem Querschnitt ausgebildet. Dadurch
ergeben sich vorteilhafte Einblasverhältnisse. Grundsätzlich
ist es besonders günstig, wenn der Mehrphasenstrahl als
Zylinderstrahl ausgebildet ist, wobei in der Regel durch die Eindüsung
ein Zylinderstahl nicht realisierbar ist.
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Es
ist günstig, wenn die maximale Abweichung der Flüssigkeitsbeladung
in einem Strahlquerschnitt des Mehrphasenstrahls höchstens
50% von einem Mittelwert der Flüssigkeitsbeladung beträgt. Dadurch
ergeben sich homogene Mischungsverhältnisse zur Erzielung
einer schadstoffarmen flammenlosen Verbrennung.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn das Treibmedium Oxidatorgas wie
beispielsweise Luft ist. Der Mehrphasenstrahl ist dann bereits ein
homogener Brennstoff-Oxidator-Gemischstrahl. Dadurch lässt
sich beispielsweise auf einfache Weise die Ausbildung einer Abgasrezirkulation
in dem Brennraum steuern.
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Es
ist auch möglich, dass das Treibmedium ein Dampf ist. Grundsätzlich
ist der Energieaufwand zur Bereitstellung eines gasförmigen
Mediums unter hohem Druck entsprechend hoch. Der hohe Druck wiederum
ist notwendig, um einen Hochgeschwindigkeitsstrahl auszubilden.
Der energetische Aufwand ist geringer, wenn ausgehend von einer
Flüssigkeit diese zunächst druckbeaufschlagt wird
und dann die druckbeaufschlagte Flüssigkeit verdampft wird.
Der entsprechende Dampf lässt sich dann als Treibmedium
einsetzen.
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In
diesem Zusammenhang ist es günstig, wenn ein Ausgangsmedium
für das Treibmedium eine Flüssigkeit ist, welche
zunächst unter Druck gesetzt wird (als Flüssigkeit)
und anschließend verdampft wird. Die Druckbeaufschlagung
lässt sich auf einfache Weise beispielsweise über
eine Flüssigkeitspumpe durchführen.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn flüssiger Brennstoff
in einer Zweistoffzerstäubungseinrichtung zerstäubt
wird. Eine solche Zweistoffzerstäubungseinrichtung oder
pneumatische Zerstäubungseinrichtung stellt einen Mehrphasenstrahl
hoher Geschwindigkeit bereit, wobei in dem Treibmediumstrahl Flüssigkeitstropfen
einer ausreichend geringen Größe enthalten sind.
Das Treibmedium wird unter hohem Druck bereitgestellt, um den Hochgeschwindigkeitsstrahl
bereitstellen zu können.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn die Zweistoffzerstäubungseinrichtung
mindestens einen Mischungsraum und mindestens eine Düse
aufweist, wobei Treibmedium und Brennstoff in dem mindestens einen
Mischungsraum gemischt werden und ein Mehrphasengemisch über
die mindestens eine Düse in den Brennraum eingeblasen wird.
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Bei
einer Ausführungsform einer Zweiphasenzerstäubungseinrichtung
werden Flüssigkeit und gasförmiges Treibmedium
bei relativ niedriger Geschwindigkeit in dem Mischungsraum zusammengeführt
und auf eine hohe Geschwindigkeit (beispielsweise Schallgeschwindigkeit)
des Zweiphasengemisches beschleunigt. Am Düsenaustritt
wird ein Drucksprung erzeugt, welcher bei der Expansion des Gemisches
in die Gasatmosphäre des Brennraums die Zerteilung der
flüssigen Phase in feine Tropfen bewirkt. Beim Eintritt
des Mehrphasenstrahls in den Brennraum ist dabei dann die Geschwindigkeit
kleiner als die Schallgeschwindigkeit.
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Es
ist vorgesehen, dass der mindestens eine Mehrphasenstrahl eine Umfangsrichtungskomponente
aufweist, welche in einem Winkel zwischen (einschließlich)
0° und 40° zu einer axialen Richtung des Brennraums
liegt. Wenn der Mehrphasenstrahl eine Umfangsrichtungskomponente
(der Winkel ist dann größer 0°) aufweist,
dann kann beispielsweise die Strömung beruhigt werden und
es lassen sich dadurch instabile Interaktionen von benachbarten Mehrphasenstrahlen
verhindern.
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Es
ist auch möglich, dass der mindestens eine Mehrphasenstrahl
eine Radialrichtungskomponente aufweist, welche in einem Winkel
zwischen (einschließlich) 0° und ±45° zu
einer axialen Richtung des Brennraums liegt. Durch die entsprechende
Einblasung lässt sich je nach Ausbildung des Brennraums
eine Abgaszirkulationszone gezielt fördern. Wenn beispielsweise
ein Mehrphasenstrahl mit einem endlichen Winkel (größer
0°) in Richtung weg von einer axialen Achse des Brennraums
zu geblasen wird, dann lässt sich eine Abgasrezirkulationszone
an oder in der Nähe der axialen Achse fördern.
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Es
ist insbesondere dann günstig, wenn ein Mehrphasenstrahl
in einem Winkel von einer axialen Richtung des Brennraums weg geneigt
eingeblasen wird, wenn eine an oder in der Nähe der axialen
Achse liegende Abgasrezirkulationszone verstärkt werden
soll und in einem Winkel zu der axialen Achse hin geneigt eingeblasen
wird, wenn eine an oder in der Nähe einer Außenwand
liegende Abgasrezirkulationszone verstärkt werden soll.
Je nach Anwendung bzw. geometrischen Verhältnissen lässt
sich durch entsprechende Winkeleinblasung des oder der Mehrphasenstrahlen
eine gezielte Abgasrezirkulationszonenverstärkung erreichen.
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Der
Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammervorrichtung
der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit welcher sich auf vorteilhafte
Weise flüssiger Brennstoff verwenden lässt.
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Diese
Aufgabe wird bei der eingangs genannten Brennkammervorrichtung erfindungsgemäß dadurch
gelöst, dass die Einblaseinrichtung eine Zweistoffzerstäubungseinrichtung
umfasst, durch welche mindestens ein Mehrphasenstrahl mit Brennstofftropfen
und gasförmigem Treibmedium in den Brennraum einblasbar
ist.
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Durch
die Verwendung einer Zweistoffzerstäubungseinrichtung (pneumatische
Zerstäubungseinrichtung) lässt sich ein Mehrphasen-Hochgeschwindigkeitsstrahl
mit feinen Brennstofftropfen erzeugen. Dadurch lässt sich
eine schadstoffarme Verbrennung und insbesondere flammenlose Oxidation realisieren.
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Günstig
ist es, wenn die Zweistoffzerstäubungseinrichtung mindestens
einen Mischungsraum und mindestens eine Düse aufweist,
wobei in dem Mischungsraum Brennstoff und Treibstoff mischbar sind
und durch die mindestens eine Düse ein Mehrphasenstrahl
(hoher Geschwindigkeit) in den Brennraum einblasbar ist. Dadurch
lassen sich in dem Brennraum Abgasrezirkulationszonen ausbilden,
in die dann wiederum Brennstoff-Oxidator-Gemisch einblasbar ist,
um eine flammenlose Oxidation zu erhalten. Dadurch wiederum lässt
sich die Verbrennung schadstoffarm durchführen.
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Es
ist dabei grundsätzlich möglich, dass der mindestens
eine Mischungsraum ein Düsenraum einer zugeordneten Düse
ist oder direkt mit einem solchen Düsenraum verbunden ist.
Eine entsprechende Zweistoffzerstäubungseinrichtung wird
auch als innenmischend bezeichnet.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform ist der mindestens eine
Mischungsraum außerhalb einer zugeordneten Düse
angeordnet. Eine entsprechende Zweistoffzerstäubungseinrichtung
wird auch als außenmischend bezeichnet. Eine außenmischende
Zweistoffzerstäubungseinrichtung hat den Vorteil, dass
sich die radialen Abmessungen mindestens in der Nähe des
Brennraums gering halten lassen, sodass beispielsweise eine Mehrzahl
von Düsen für die Einblaseinrichtung vorgesehen
werden kann.
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Günstig
ist es, wenn die Zweistoffzerstäubungseinrichtung mindestens
einen Anschluss zur Einkopplung von flüssigem Brennstoff
und mindestens einen Anschluss für gasförmiges
Treibmedium aufweist. Dadurch lässt sich eine Mischung
und eine anschließende Zerstäubung erreichen.
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Grundsätzlich
ist es vorteilhaft, wenn eine Mündungsöffnung
der mindestens einen Düse in einem Winkel zwischen (einschließlich)
0° und 40° zwischen einer axialen Richtung des
Brennraums und einer Umfangsrichtung des Brennraums orientiert ist. Wenn
der Winkel bei 0° liegt, dann weist der entsprechende Mehrphasenstrahl
keine Umfangsrichtungskomponente auf. Wenn dieser Winkel endlich
ist, dann weist er eine Umfangsrichtungskomponente auf. Letzteres
kann beispielsweise vorteilhaft sein, wenn die Strömung
beruhigt werden muss und instabile Interaktionen von benachbarten
Mehrphasenstrahlen vermieden werden sollen.
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Ferner
ist es günstig, wenn eine Mündungsöffnung
der mindestens einen Düse in einem Winkel zwischen (einschließlich)
0° und ±45° zwischen einer axialen Richtung
des Brennraums und einer radialen Richtung des Brennraums orientiert
ist. Wenn der Winkel bei 0° liegt, dann weist ein entsprechender Mehrphasenstrahl
keine Radialrichtungskomponente auf. Wenn dieser Winkel endlich
ist, dann lässt er sich von einer axialen Achse des Brennraums
weg oder auf diese zu richten. Dadurch lässt sich je nach
Anordnung der Düse und insbesondere deren Abstand zu der
axialen Achse eine Verstärkung von randseitigen oder zentralen
Abgasrezirkulationszonen erreichen.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn die Zweistoffzerstäubungseinrichtung
so ausgebildet ist, dass der mindestens eine Mehrphasenstrahl mit
einer Geschwindigkeit zwischen (einschließlich) 30 m/s
und 80 m/s in den Brennraum einblasbar ist. Durch die Ausbildung
eines entsprechenden Hochgeschwindigkeitsstrahls lässt
sich eine Abgasrezirkulation ausbilden, um so wiederum eine flammenlose Oxidation
zu erreichen.
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Entsprechend
ist es günstig, wenn die Tropfengröße
im Mehrphasenstrahl höchstens 50 μm ist und insbesondere
in der Größenordnung von 20 μm ist.
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Bei
einer Ausführungsform umfasst die Brennkammervorrichtung
eine Dampferzeugungseinrichtung, welche wiederum eine Druckbeaufschlagungseinrichtung
für eine Flüssigkeit und eine Verdampfungseinrichtung
zur Erzeugung von Dampf aus der Flüssigkeit aufweist, wobei
der Dampf als Treibmedium dient. Durch die Dampferzeugungseinrichtung
lässt sich auf energetisch vorteilhafte Weise aus der Flüssigkeit
gasförmiges Treibmedium (nämlich dampfförmiges
Treibmedium) erzeugen. Die Flüssigkeit lässt sich
energetisch vorteilhaft beispielsweise über eine Pumpe
druckbeaufschlagen. Der Dampf wird dann aus der druckbeaufschlagten Flüssigkeit
erzeugt.
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Günstig
ist es, wenn eine Mehrzahl von Düsen vorgesehen ist, deren
Mündungsöffnungen in den Brennraum auf einem Kreis
verteilt angeordnet sind. Wenn der Brennraum rotationssymmetrisch ausgebildet
ist, dann ergeben sich dadurch Strömungsverhältnisse
hoher Symmetrie. Insbesondere lassen sich Abgasrezirkulationszonen
ausbilden, in die wiederum Brennstoff-Oxidator-Gemisch einblasbar
ist, um eine flammenlose Oxidation zu erreichen. Mündungsöffnungen
der Düsen liegen dabei insbesondere beabstandet zu einer
axialen Achse des Brennraums.
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Die
nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung
der Erfindung. Es zeigen:
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1 eine
schematische Teilschnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Brennkammervorrichtung;
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2 eine
schematische Teilschnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Brennkammervorrichtung;
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3 eine
schematische Teildarstellung eines Ausführungsbeispiels
eines Zuführungsteils einer erfindungsgemäßen
Brennkammervorrichtung;
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4 eine
Draufsicht von einem Innenraum einer Brennkammer aus auf eine Einblaseinrichtung;
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5 eine
Draufsicht auf einen Teilbereich der Brennkammer in der Richtung
A gemäß 5;
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6 ein
erstes Beispiel einer Zweistoffzerstäubungseinrichtung;
und
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7 ein
zweites Ausführungsbeispiel einer Zweistoffzerstäubungseinrichtung.
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Das
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Brennkammervorrichtung, welches in 1 schematisch
in einer Teilschnittdarstellung gezeigt und dort mit 10 bezeichnet
ist, umfasst eine Brennkammer 11 mit einem Brennraum 12.
Der Brennraum 12 ist rotationssymmetrisch zu einer Achse 14 ausgebildet.
Die Achse 14 definiert eine axiale Richtung. Der Brennraum 12 ist
durch Brennkammerwände 16 begrenzt. Ein Auslassbereich 18 der Brennkammervorrichtung 10 ist
an die Anwendung angepasst ausgebildet.
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Zum
Einblasen von Brennstoff und Oxidator weist die Brennkammervorrichtung 10 eine
Einblaseinrichtung 20 auf. Die Einblaseinrichtung 20 steht dabei
in fluidwirksamer Verbindung mit einer Stirnplatte 22,
welche eine Brennkammerwand bildet (siehe auch 4).
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Die
Einblaseinrichtung 20 umfasst mindestens eine Düse 24 mit
einer Mündungsöffnung 26 in den Brennraum 12.
Die (mindestens eine) Mündungsöffnung 26 ist
an der Stirnplatte 22 gebildet. Die Mündungsöffnung 26 ist
radial beabstandet zur Achse 14.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst die Einblaseinrichtung 20 eine
Mehrzahl von Düsen 24, deren Mündungsöffnungen 26 auf
einer Kreislinie 28 (4) angeordnet
sind. Ein Mittelpunkt 30 der Kreislinie 28 liegt
dabei auf der Achse 14.
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Der
Durchmesser der Kreislinie 28 hängt von der Anwendung
ab.
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Es
ist grundsätzlich möglich, dass durch die Düsen 24 ein
Brennstoff-Oxidator-Gemisch in den Brennraum 12 eingeblasen
wird. Es ist auch möglich, dass Brennstoff und Oxidator
durch getrennte Düsen eingeblasen werden. In 4 sind
Düsen 32 für das getrennte Einblasen
von Oxidator (unabhängig vom Brennstoff) angedeutet. Die
Düsen 32 liegen dabei vorzugsweise ebenfalls auf
einer Kreislinie. Vorzugsweise liegen sie auf der Kreislinie 28,
wobei zwischen benachbarten Düsen 24 zum Einblasen
von Brennstoff jeweils eine Düse 32 zum Einblasen
von Oxidator liegt.
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Die
erfindungsgemäße Brennkammervorrichtung 10 wird
mit flüssigem Brennstoff betrieben. Die Einblaseinrichtung 20 umfasst
eine Zweistoffzerstäubungseinrichtung 34. In der
Zweistoffzerstäubungseinrichtung 34 wird ein Mehrphasenstrahl
mit einem gasförmigen Treibmedium und zerstäubten Flüssigkeitstropfen
von Brennstoff in dem Treibmedium erzeugt. Dieser Mehrphasenstrahl
wird über die jeweilige Düse 24 in den
Brennraum 12 eingeblasen. Solche Zweistoffzerstäubungseinrichtungen 34,
welche einen Mehrphasenstrahl erzeugen, werden auch als pneumatische
Zerstäubungseinrichtungen (wegen dem gasförmigen
Treibmedium) bezeichnet.
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Bei
dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst
die Zweistoffzerstäubungseinrichtung 34 einen
Mischungsraum 36 mit einem ersten Anschluss 38, über
welchen gasförmiges Treibmedium einkoppelbar ist. Ferner
ist ein zweiter Anschluss 40 vorgesehen, über
welchen flüssiger Brennstoff in den Mischungsraum 36 eingekoppelt
ist. In dem Mischungsraum 36 findet eine Vormischung statt. Über die
Düse 32 wird die Mischung als Mehrphasenstrahl mit
zerstäubten Brennstofftropfen eingeblasen.
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Bei
dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Zweistoffzerstäubungseinrichtung 34 innenmischend.
Der Mischungsraum 36 bildet einen Düsenraum 42 oder
steht in direkter Verbindung mit dem Düsenraum 42 der
Düse 24.
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Über
die Zweistoffzerstäubungseinrichtung 34 wird der
mindestens eine Mehrphasenstrahl 44 erzeugt. Er wird mit
hoher Geschwindigkeit in den Brennraum 12 eingeblasen.
Die Geschwindigkeit liegt dabei im Bereich zwischen 30 m/s und 80
m/s und insbesondere in der Größenordnung von
50 m/s bis 60 m/s. Die Geschwindigkeit des Mehrphasenstrahls beim
Einblasen in den Brennraum 12 liegt unterhalb der Schallgeschwindigkeit
des Mehrphasengemischs. (Die Schallgeschwindigkeit des reinen Treibmediums
liegt üblicherweise oberhalb der Schallgeschwindigkeit
des Mehrphasengemischs.)
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Die
Zerstäubung erfolgt derart, dass die Tropfengröße
der Brennstofftropfen in dem Mehrphasenstrahl 44 unterhalb
von 50 μm und insbesondere in der Größenordnung
von 20 μm oder kleiner liegt.
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Die
Düse 24 ist so ausgebildet, dass sie vorzugsweise
einen Strahl mit geringer Divergenz erzeugt. Bevorzugt ist ein zylindrischer
Strahl. Ein Kegelstrahl, der üblicherweise erzeugt wird,
sollte einen Kegelwinkel (Strahlausbreitungswinkel) kleiner 30° aufweisen,
das heißt die Strahldivergenz sollte unterhalb von 30° liegen.
In 6 ist die Strahldivergenz durch einen Winkel mit
dem Bezugszeichen 46 angedeutet.
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Der
Brennraum
12 ist in Zusammenwirkung mit der Einblaseinrichtung
20 so
ausgebildet, dass in ihm eine Abgasrezirkulation stattfinden kann.
In
1 ist die Abgasrezirkulation durch eine Strömung mit
dem Bezugszeichen
48a,
48b angedeutet. Die Mehrphasenstrahlen
24 werden
in den Brennraum
12 so eingeblasen, dass sich der Brennstoff
und Oxidator mit dem rezirkulierenden Abgas in den entsprechenden
Abgasrezirkulationszonen
48a,
48b vermischen.
Dadurch erhält man homogene Verbrennungsverhältnisse
in dem Brennraum
12. Dies wirkt dem Entstehen von heißen
Stellen entgegen. Dadurch wiederum erhält man gute Abgaswerte
bezüglich CO und NOx. Es lässt sich eine flammenlose
Oxidation realisieren. In diesem Zusammenhang wird auf die
EP 0 463 218 A1 und
DE 102 17 913 A1 verwiesen.
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Wenn
eine Mehrzahl von Düsen 24 vorgesehen ist, dann
umfasst die Zweistoffzerstäubungseinrichtung 34 eine
Mehrzahl von Zweistoffzerstäubern 50 mit jeweiligem
Mischungsraum 36 und nachgeordneter Düse 24.
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Als
Treibmedium wird beispielsweise Oxidator und insbesondere Luft eingesetzt.
Der Mehrphasenstrahl 44 ist dann ein Brennstofftropfen-Luftstrahl. Er
ist ein Brennstoff-Oxidator-Gemischstrahl.
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Bei
der Ausführungsform, bei welcher Oxidator über
separate Düsen 32 in den Brennraum 12 eingedüst
wird, ist der Mehrphasenstrahl 44 zu dem Oxidatorstrahl
so ausgerichtet, dass in einer Abgasrezirkulationszone 48a, 48b eine
Brennstoff-Oxidator-Mischung erfolgt.
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Bei
dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die
Düse 24 so angeordnet, dass eine Hauptrichtung 52 eines
Mehrphasenstrahls 44 mindestens näherungsweise
parallel zu der Achse 14 liegt.
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Bei
einem zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Brennkammervorrichtung, welches in 2 schematisch
gezeigt und dort mit 54 bezeichnet ist, ist der Brennraum 12 grundsätzlich ausgebildet
wie bei der Brennkammervorrichtung 10. Die Zweistoffzerstäubungseinrichtung
ist ebenfalls grundsätzlich gleich ausgebildet. Für
gleiche Elemente werden gleiche Bezugszeichen verwendet. Die Zweistoffzerstäubungseinrichtung 34 der
Brennkammervorrichtung 54 weist jedoch (mindestens einen)
Zweistoffzerstäuber 56 auf, welcher bezüglich der
Achse 14 derart geneigt ist, dass eine Hauptrichtung 58 eines
Mehrphasenstrahls 44 relativ zu der Achse 14 geneigt
ist. Ein Neigungswinkel 60 liegt zwischen 0 und 45°,
wobei bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 der
Winkel bei 0° liegt. Bei einer endlichen Neigung ist dieser
Winkel größer 0°. Der Neigungswinkel
bezieht sich dabei auf einen Winkel zwischen der axialen Richtung
und der radialen Richtung, das heißt die Hauptrichtung 58 ist
in radialer Richtung senkrecht zur Achse 14 geneigt und
weist dadurch eine radiale Komponente auf.
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Die
Orientierung des Neigungswinkels ist abhängig von der Anordnung
von Düsen 24 auf der Kreislinie 28. Wenn
die Kreislinie 28 einen relativ kleinen Durchmesser (im
Vergleich zum Durchmesser des Brennraums 12) aufweist,
dann kann es vorteilhaft sein, wenn der Neigungswinkel 60 so
ausgerichtet ist, dass die Hauptrichtung 48 von der Achse 14 weg
zeigt in einen Außenbereich 62 des Brennraums 12,
wobei der Außenbereich 62 an der Brennkammerwand 16 liegt
oder dieser benachbart ist.
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Wenn
der Durchmesser der Kreislinie 28 relativ groß ist
(im Vergleich zum Durchmesser des Brennraums 12) und insbesondere
die Düsen 24 dann in der Nähe der Brennkammerwand 16 liegen, dann
kann es vorteilhaft sein, wie in 2 angedeutet,
wenn der Neigungswinkel 60 so eingestellt ist, dass die
Hauptrichtung 58 auf die Achse 14 zu weist.
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Je
nach definierter Ausgestaltung der Brennkammervorrichtung 54 kann
durch geeignete Wahl des Neigungswinkels 60 eine optimale
Einkopplung von Brennstoff und Oxidator über Mehrphasenstrahlen 44 in
Abgasrezirkulationszonen erfolgen, um eine flammenlose Oxidation
und damit schadstoffarme Verbrennung zu realisieren.
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Es
ist auch möglich, wie in
5 angedeutet,
dass Mündungsöffnungen
64 so ausgestaltet sind,
dass eine Hauptrichtung
66 eines Mehrphasenstrahls zwischen
der Achse
14 und einer Umfangsrichtung
68 des
Brennraums in einem Winkel
70 geneigt ist. Der Winkel liegt
insbesondere zwischen 0 und ca. 40° und vorzugsweise zwischen
0 und 30°. Im Falle, dass der Winkel bei 0° zur
Achse
14 liegt, weist die Hauptrichtung
66 keine
Komponente in Umfangsrichtung auf. (Sie kann eine Komponente in
radialer Richtung aufweisen.)
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Wenn
die Hauptrichtung 66 eine Komponente in der Umfangsrichtung 68 aufweist
(mit endlichem Winkel 70), dann lässt sich unter
Umständen die Strömung beruhigen und es lassen
sich instabile Interaktionen von benachbarten Mehrphasenstrahlen vermeiden.
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Als
Treibmedium kann, wie oben erwähnt, gasförmiger
Oxidator und insbesondere Luft eingesetzt werden.
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Es
ist auch möglich, dass als Treibmedium ein Dampf eingesetzt
wird. Ein Ausgangsmedium für das Treibmedium ist eine Flüssigkeit.
Der entsprechenden Brennkammervorrichtung ist dann eine Dampferzeugungseinrichtung 72 (3)
zugeordnet. Diese umfasst einen Vorwärmer 74,
welchem flüssiges Ausgangsmedium zugeführt wird.
An dem Vorwärmer 74 wird es erhitzt, wobei es
nicht verdampft wird. Die erhitzte Flüssigkeit wird durch
eine Druckbeaufschlagungseinrichtung 76, welche beispielsweise
eine Pumpe 78 umfasst, unter Druck gesetzt. Die unter Druck
gesetzte Flüssigkeit wird dann über eine Verdampfungseinrichtung 80 verdampft. Der
Dampf wird einem Zweistoffzerstäuber 50 zugeführt,
wobei er als Treibmedium dient.
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Das
dampfförmige Treibmedium ist gasförmig. Die energieaufwendige
Verdichtung eines gasförmigen Mediums als Treibmedium wird
dadurch umgangen, dass das Ausgangsmedium eine Flüssigkeit
ist, welche vor der Verdampfung unter Druck gesetzt wird. Die Druckbeaufschlagung
beispielsweise durch die Pumpe 78 lässt sich mit
geringem Energieaufwand durchführen. Zur Verdampfung an
der Verdampfereinrichtung 80 und auch für den
Vorwärmer 74 kann beispielsweise Prozessabwärme
genutzt werden.
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Wenn
eine Flüssigkeit wie beispielsweise Wasser als Ausgangsmedium
für Treibmedium verwendet wird, dann wird vorteilhafterweise
in separaten Düsen 32 (4) Oxidator
in den Brennraum 12 eingeblasen.
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Ein
Ausführungsbeispiel eines Zerstäubers 82 (6)
ist innenmischend. Ein Mischungsraum 84, in welchen gasförmiges
Treibmedium und flüssiger Brennstoff eingekoppelt werden,
bildet einen Düsenraum 86 oder steht in direkter
fluidwirksamer Verbindung mit einem Düsenraum 86.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform eines Zerstäubers 88 (7)
ist eine Düse 90 mit einer Mündungsöffnung 92 vorgesehen.
Ein Mischungsraum 94 für Brennstoff und Oxidator
liegt außerhalb des Zerstäubers 88. In
dem Mischungsraum 94 erfolgt eine Vermischung und Zerstäubung.
Der entsprechende Zerstäuber 88 ist außenmischend.
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Bei
der erfindungsgemäßen Lösung wird ein Mehrphasenstrahl,
welcher Brennstofftropfen enthält, mit hoher Geschwindigkeit
(insbesondere mit einer Geschwindigkeit zwischen ca. 30 m/s und
80 m/s) am Austritt einer Düse 24 in den Brennraum 12 eingeblasen.
Die Eindüsung erfolgt so, dass sich Abgasrezirkulationszonen 48a, 48b ausbilden
können. Der Mehrphasenstrahl kann dabei Oxidator enthalten,
welcher das Treibmedium ist, oder Oxidator kann getrennt eingedüst
werden. Die Eindüsung erfolgt in rezirkulierendes Abgas,
um eine flammenlose Oxidation realisieren zu können, welche
schadstoffarm ist.
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Durch
die erfindungsgemäße Lösung wird sichergestellt,
dass flüssiger zerstäubter Brennstoff in Tropfenform
in Zonen des Brennraums 12 gelangt, in denen eine schadstoffarme
Verbrennung stattfindet. Dadurch werden hohe Schadstoffemissionen,
eine unvollständige Verbrennung oder unerwünschte Temperaturmaxima
beispielsweise an einem Brennkammeraustritt vermieden.
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Der
erzeugte Mehrphasenstrahl 44 ist ein Hochgeschwindigkeitsstrahl.
Dieser wird durch einen Zweistoffzerstäuber (pneumatischen
Zerstäuber) erzeugt und in den Brennraum 12 eingedüst.
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Die
erfindungsgemäße Lösung lässt
sich grundsätzlich für alle Arten und Größen
von Feuerungen und Kleinbrennern wie beispielsweise Haushaltsfeuerungen
verwenden. So lässt sie sich beispielsweise für
stationäre Gasturbinen oder Flugtriebwerke verwenden.
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Beispielsweise
lässt sich damit bei einer Gasturbinen-Brennkammer vermeiden,
dass ein signifikanter Anteil der Brennstofftropfen in ungeeignete Zonen
eines Brennraums gelangen kann.
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Bei
der erfindungsgemäßen Lösung muss keine
magere Vormischverbrennung stattfinden, so dass auch keine Selbstentzündung
in einem Vormischkanal auftreten kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 0463218
A1 [0004, 0056]
- - DE 10217913 A1 [0005, 0056]
