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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbrennungsanlage sowie ein Verfahren zur Zuführung eines Gas-Feststoff-Gemisches in einen Verbrennungsprozess. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Erzeugung von Wärme und/oder elektrischer Energie mittels Verbrennung eines Feststoffes.
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In Verbrennungsprozessen wird als Brennstoff oftmals ein Feststoff zugeführt, so dass nach der Verbrennung Verbrennungsrückstände in Form von Asche anfallen. Die Asche ist aus dem Brennraum abzuziehen. D.h., dass bei der Verbrennung von Feststoff wenigstens zwei Masseströme zu realisieren sind, nämlich zum einem die Zuführung des Feststoffes sowie auch zum anderen die Abführung der anfallenden Asche.
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Eine effiziente Feuerung ist die Wirbelschichtfeuerung, bei der zerkleinerte Brennstoffe in einer Wirbelschicht aus heißem Bettmaterial, wie z. B. Sand, insbesondere Quarzsand, verbrannt werden. Neben der bereits erwähnten Asche muss dabei auch der Sand, der oftmals mit der Asche vermischt vorliegt, aus dem Brennraum abgezogen werden.
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Zur Gewährleistung eines vollständigen Ascheausbrandes sowie auch zur Steuerung und/oder Regelung der Verbrennungstemperatur in der Verbrennungskammer wird oftmals der Verbrennungsrückstand in Form eines Asche-Luft-Gemisches oder auch eines Asche-Sand-Luftgemisches in den Verbrennungsprozess zurückgeführt.
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Üblicherweise werden Feststoffe sowie auch Gas-Feststoff-Gemische mittels geeigneter Rohre transportiert, die eine glatte Innenwandung aufweisen. Ein Abschnitt eines solchen herkömmlichen Glattrohres ist beispielhaft in den 1 und 2 dargestellt. In 1 ist das Glattrohr waagerecht angeordnet und in 2 ist das Glattrohr senkrecht angeordnet. Es ist ersichtlich, dass sich die Verbrennungsrückstände, die mit den dargestellten Partikeln angedeutet sind, an der Innenwandung des Glattrohres absetzen. Bei der waagerechten Anordnung gemäß 1 setzen sich alle Partikel schwerkraftbedingt an der unteren Seite des Rohres ab. Unabhängig von der Ausrichtung des Glattrohres kann die Ablagerung der Partikel letztendlich zu einem Verstopfen des Glattrohres führen. Demzufolge muss die Rückführung der Verbrennungsrückstände durch ein solches Glattrohr mit einem entsprechend hohem Druck und energieintensiv betrieben werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Verbrennungsanlage, ein Verfahren zur Zuführung eines Gas-Feststoff-Gemisches in einen Verbrennungsprozess sowie eine Einrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Wärme und/oder elektrische Energie zur Verfügung zu stellen, mit denen in effizienter und wartungsarmer Weise ein Gas-Feststoff-Gemisch, insbesondere Verbrennungsrückstände, einer Verbrennung zugeführt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 genannte Verbrennungsanlage sowie die im Anspruch 11 genannte Einrichtung zur Erzeugung von Wärme und/oder elektrischer Energie gelöst. Außerdem wird die Aufgabe durch das Verfahren zur Zuführung eines Gas-Feststoff-Gemisches nach Anspruch 12 sowie das Verfahren zur Erzeugung von Wärme und/oder elektrischer Energie nach Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der einzelnen erfindungsgemäßen Einrichtungen bzw. Verfahren sind in den Unteransprüchen 2 bis 10 sowie 14 und 15 genannt.
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Die erfindungsgemäße Verbrennungsanlage, die insbesondere eine Wirbelschicht-Verbrennungsanlage sein kann, umfasst wenigstens eine Transportleitung zum Transport eines Gas-Feststoff-Gemisches in eine Verbrennungskammer der Verbrennungsanlage, wobei die Transportleitung zumindest abschnittsweise durch mindestens ein Leitungselement ausgebildet ist, welches an seiner Innenseite mehrere konvexe Formelemente aufweist. Das Leitungselement ist bevorzugt ein Rohr. Die Verwendung der mehreren konvexen Formelemente an der Innenseite des Leitungselementes hat den Vorteil, dass dadurch bedingte Turbulenzen ein Absetzen der Feststoff-Anteile des Gas-Feststoff-Gemisches auch bei relativ geringen Drücken im Leitungsabschnitt verhindern. Dadurch lässt sich die benötigte Förderenergie maßgeblich verringern. Der Leitungsquerschnitt wird nicht zugesetzt, so dass geringere Reparatur- und/oder Wartungszeiten sowie entsprechend weniger personelle Einsätze notwendig sind.
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Dabei kann das Gas-Feststoff-Gemisch ein Gemisch aus Luft und Sand oder ein Gemisch aus Luft, Asche und Sand sein. D. h., dass die erfindungsgemäße Transportleitung bzw. ihr erfindungsgemäß ausgestatteter Leitungsabschnitt zum Transport eines Luft-Sand-Gemisches oder eines Luft-Asche-Sand-Gemisches ausgelegt ist.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass die Transportleitung eine Rückführungsleitung zur zumindest teilweisen Rückführung von bei einer Verbrennung entstandenem Verbrennungsrückstand in den Verbrennungsprozess ist, wobei das Gas-Feststoff-Gemisch den Verbrennungsrückstand umfasst. D.h., dass das Gas-Feststoff-Gemisch den bei einer Verbrennung entstandenen Verbrennungsrückstand umfasst oder auch, dass das Gas-Feststoff-Gemisch aus dem bei einer Verbrennung entstandenen Verbrennungsrückstand besteht, wobei die Transportleitung eine Rückführungsleitung zur zumindest teilweisen Rückführung des Verbrennungsrückstandes in einem Gas-Feststoff-Volumenstrom in den Verbrennungsprozess ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verbrennungsanlage ist vorgesehen, dass diese eine Einrichtung zur Erzeugung einer Gasströmung aufweist, mit der aus der Verbrennungskammer anfallender Verbrennungsrückstand in ein Gas-Feststoff-Gemisch umwandelbar ist. Dabei wird vorzugsweise ein Gasstrom erzeugt, der den Feststoff aufweist. Der Verbrennungsrückstand wird der Einrichtung zur Erzeugung einer Gasströmung dabei vorzugsweise schwerkraftbedingt zugeführt, wobei er durch eine Ebene von Wärmeübertragungsrohren fällt.
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Ein Ausgang der Einrichtung zur Erzeugung einer Gasströmung sollte vorzugsweise strömungstechnisch mit der Transportleitung gekoppelt sein. Dabei bietet es sich an, den Ausgang der Einrichtung zur Erzeugung einer Gasströmung direkt oder über einen Wärmetauscher mit der Transportleitung strömungstechnisch zu koppeln. Somit ist das Gas-Feststoff-Gemisch in einem Volumenstrom bzw. in einem Massenstrom durch die Transportleitung zum Verbrennungsprozess zurück transportierbar.
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Die erfindungsgemäße Verbrennungsanlage ist dann energieeffizient ausgestaltet, wenn sie einen Wärmeübertrager aufweist, mit dem Wärme von dem Verbrennungsrückstand und/oder vom Gas des Gas-Feststoff-Gemisch auf ein weiteres Medium, wie z. B. Wasser, übertragbar ist. Somit lässt sich Wärme des Verbrennungsrückstandes, dessen Sand und/oder Asche eine Temperatur von ca. 800°C haben kann, zunächst im Wärmeübertrager zum Wasservorwärmen nutzen. Danach kann der Verbrennungsrückstand mit der Einrichtung zur Erzeugung einer Gasströmung mit Luft versetzt werden und in der erfindungsgemäßen Transportleitung in den Verbrennungsprozess zurücktransportiert werden. Die Temperatur des Gas-Feststoff-Gemisches hängt dabei maßgeblich von der Größe bzw. der Leistung des Wärmeübertragers ab, vorzugsweise ist sie jedoch über 100°C einzustellen. Je größer dabei der Massen- bzw. Volumenstrom des Gas-Feststoff-Gemisches ist, umso größer sind mögliche Steuerungs- bzw. Regelungseffekte auf die Temperatur in der Verbrennungskammer.
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Das mit den konvexen Formelementen ausgestaltete Leitungselement weist vorzugsweise die Form eines Rohres auf. Dieses Rohr hat einen maximalen Innendurchmesser, der an einem glattwandigen Abschnitt des Rohres zu messen ist. Die Höhe H eines jeweiligen konvexen Formelementes von einer Grundfläche, die der Innen-Mantelfläche des Rohres entspricht, an der das konvexe Formelement angeordnet ist, steht im Bezug zum Innendurchmesser D in einem Verhältnis zu H ≤ 0,167D. D.h., dass sich ein jeweiliges konvexes Formelement mit einer Höhe von bis zu 0,167D in den Rohrinnenraum erstreckt. Dabei ist vorzugsweise die Höhe H = 0,1 ... 0,167D.
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Außerdem ist in vorteilhafter Weise vorgesehen, dass die maximale Breite eines jeweiligen konvexen Formelementes, welche auf der Grundfläche zu messen ist, in Bezug zum Innendurchmesser D in dem Verhältnis B ≤ 0,33D steht. Dabei ist vorzugsweise B = 0,167D ... 0,33D.
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Der Abstand zwischen einzelnen benachbarten konvexen Formelementen sollte in Bezug zum Innendurchmesser D in einem Verhältnis von A = 0,125D ... 1,5D stehen. Vorzugsweise sollte der Abstand A = 0,8D ... 1,1D sein. Es bieten sich dabei Innendurchmesser D des Rohres von 10 mm bis 200 mm an.
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Benachbart angeordnete konvexe Formelemente können in jeweils einer linear verlaufenden Reihe angeordnet sein, oder auch lateral versetzt in mehreren linear verlaufenden Reihen angeordnet sein. D.h., dass in Längserstreckungsrichtung benachbart angeordnet konvexe Formelemente alle in einer Linie in Längserstreckungsrichtung positioniert sind, oder aber auch senkrecht zur Längserstreckungsrichtung lateral versetzt.
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Zur Lösung der Aufgabe wird außerdem eine Einrichtung zur Erzeugung von Wärme und/oder elektrischer Energie mittels Verbrennung eines Feststoffes zur Verfügung gestellt, welche die erfindungsgemäße Verbrennungsanlage umfasst. Eine solche Einrichtung zur Erzeugung von Wärme und/oder elektrischer Energie kann ein Kraftwerk, wie z. B. ein Heizkraftwerk mit Kraft-Wärme-Kopplung sein.
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Ebenfalls wird zur Lösung der Aufgabe ein Verfahren zur Zuführung eines Gas-Feststoff-Gemisches in einen Verbrennungsprozess zur Verfügung gestellt, bei dem das Gas-Feststoff-Gemisch durch eine Transportleitung transportiert wird, welche zumindest abschnittsweise durch mindestens ein Leitungselement ausgebildet ist, das an seiner Innenseite mehrere konvexe Formelemente aufweist. D.h., dass das erfindungsgemäße Verfahren mittels eines erfindungsgemäßen Leitungselementes bzw. einer erfindungsgemäßen Verbrennungsanlage durchgeführt wird.
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Außerdem wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Erzeugung von Wärme und/oder elektrischer Energie mittels Verbrennung eines Feststoffes zur Verfügung gestellt, bei dem einem Verbrennungsprozess ein Gas-Feststoff-Gemisch durch eine Transportleitung zugeführt wird, welche zumindest abschnittsweise durch mindestens ein Leitungselement ausgebildet ist, das an seiner Innenseite mehrere konvexe Formelemente aufweist.
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Dabei kann das Gas-Feststoff-Gemisch bei der Verbrennung entstehende Verbrennungsrückstände aufweisen oder aus diesen bestehen, wobei das Gas-Feststoff-Gemisch in den Verbrennungsprozess zurückgeführt wird.
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Die Verbrennungstemperatur im Verbrennungsprozess kann zumindest anteilig über eine Steuerung oder Regelung des zurückgeführten Verbrennungsrückstand-Massenstroms und/oder über Wärmeabfuhr in einem Wärmeübertrager, mit dem Wärme von dem Verbrennungsrückstand auf ein weiteren Medium übertragen wird, eingestellt werden.
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Somit kann mittels der erfindungsgemäßen Verbrennungsanlage bzw. durch die erfindungsgemäße Einrichtung zur Erzeugung von Wärme und/oder elektrischer Energie bzw. durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Zuführung eines Gas-Feststoff-Gemisches in einen Verbrennungsprozess, vorzugsweise innerhalb eines Verfahrens zur Erzeugung von Wärme und/oder elektrischer Energie, die Rückführung der Verbrennungsrückstände, insbesondere bei Wirbelschichtfeuerungen, verbessert werden. Dabei sollten bei Temperaturen des Gas-Feststoff-Gemisches über 420°C die erosiven Eigenschaften des Gemisches berücksichtigt werden. Insbesondere ab diesen Temperaturbereichen sind Prallströmungen zu vermeiden. Auch sollte ab dieser Temperaturgrenze Edelstahl als Material der Transportleitung eingesetzt werden. Neben dem genannten Vorteil der Wirbelerzeugung in der Transportleitung bzw. in ihrem mit konvexen Formelementen versehenem Leitungselement weist die vorliegende Erfindung den Vorteil der Durchmischung der einzelnen Partikel der Verbrennungsrückstände in der Transportleitung auf, so dass bereits auf Grund dieser Durchmischung ein geringeres Absetzverhalten der Feststoffe in der Transportleitung zu verzeichnen ist.
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Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden an Hand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
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Es zeigt
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1 einen Abschnitt einer herkömmlichen glattwandigen Transportleitung in waagerechter Anordnung,
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2 einen Abschnitt einer herkömmlichen glattwandigen Transportleitung in senkrechter Anordnung,
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3 eine erfindungsgemäße Verbrennungsanlage in schematischer Darstellung,
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4 einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Leitungselementes,
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5 das Geschwindigkeitsprofil in einer herkömmlichen glattwandigen Transportleitung, und 6 das Geschwindigkeitsprofil in einem erfindungsgemäßen Leitungselement.
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Zur Erläuterung des Standes der Technik wurde ein Glattrohr 1, wie es abschnittsweise in den 1 und 2 dargestellt ist, bereits erwähnt, bei dem in einem Massestrom 2 Partikel eines Verbrennungsrückstandes 150 transportiert werden. Dabei besteht die Gefahr des Absetzens der Verbrennungsrückstände 150 und somit die Gefahr einer Verstopfung des Glattrohres 1.
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Diesen Nachteil beseitigt eine erfindungsgemäße Verbrennungsanlage 100, wie sie in 3 dargestellt ist. Diese Verbrennungslage 100 umfasst eine Verbrennungskammer 110, in der vorzugsweise im Wirbelstromverfahren Brennstoff verbrannt wird. Begrenzt wird die Verbrennungskammer 110 durch Verbrennungskammer-Begrenzungswände 111 sowie vorzugsweise mehrere Wärmeübertragungsrohre 130, die als Flossenrohre ausgestaltet sein können. Anfallende Verbrennungsrückstände gelangen unter die Wärmeübertragungsrohre 130 und werden über eine Einrichtung zu Erzeugung einer Gasströmung 160 bzw. mittels einer daran angeordneten Vielzahl von Gasdüsen 161 in ein Gas-Feststoff-Gemisch umgewandelt, und zwar in dem Bereich der stationären Wirbelschicht 120.
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Durch dadurch erzeugte Volumenströme gelangt das Gas-Feststoff-Gemisch über den Ausgang 162 der Einrichtung zur Erzeugung einer Gasströmung in einen Wärmeübertrager 170, in der Wärme des Gas-Feststoff-Gemisches an ein geeignetes Wärmeübertrager-Medium, wie z. B. Wasser, übertragen wird. Damit lässt sich bereits eine Wasservorerwärmung realisieren.
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Das aus dem Wärmeübertrager 170 austretende Gas-Feststoff-Gemisch bzw. die darin enthaltenen Verbrennungsrückstände werden anschließend mittels weiterer Gasdüsen 171 mit Gas versetzt, so dass der dadurch entstehende Gas-Feststoff-Gemisch-Massenstrom in das erfindungsgemäße Leitungselement 140 einströmen kann. Dieses Leitungselement 140 ist strömungstechnisch wiederum mit dem Bereich der stationären Wirbelschicht 120 der Verbrennungsanlage 100 verbunden, so dass Verbrennungsrückstände aus dem Verbrennungsprozess der Verbrennung über den Bereich der stationären Wirbelschicht 120 wieder zugeführt werden.
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Ein Ausschnitt des Leitungselements 140, der in 3 mit dem Detail X gekennzeichnet ist, ist in 4 dargestellt. Ersichtlich ist, dass in Längserstreckungsrichtung 141 des Leitungselements 140 hintereinander mehrere konvexe Formelemente 142 angeordnet sind, und zwar hier in mehreren linearen Anordnungen, wobei in Längserstreckungsrichtung 141 benachbart angeordnete konvexe Formelemente 142 lateral zueinander versetzt sind. D.h., dass an benachbarten Längenabschnitten des Leitungselementes 140 die konvexen Formelemente 142 jeweils an anderen Stellen des Umfanges angeordnet sind.
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Die konvexen Formelemente 142 sind vorzugsweise Beulen, die sich zur Rohr-Innenseite, ausgehend von einer Grundfläche 143, die der Hohlzylinder-Innenmantelfläche des Rohres entspricht, erstrecken. In der dargestellten Ausführungsform des Leitungselementes 140 sind daher auf der Außenseite des Leitungselementes 140 komplementär ausgestaltete konkave Formelemente 144 enthalten, die fertigungstechnisch bedingt sind. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf eingeschränkt, sondern es kann das erfindungsgemäße Leitungselement 140 auch derart ausgestaltet sein, dass die Außenwandung des Leitungselementes 140 glatt ausgeführt ist und sich trotzdem die konvexen Formelemente 142 in den Rohrinnenraum erstrecken. Die konvexen Formelemente 142 sind in einem jeweiligen Querschnitt, der in Längserstreckungsrichtung oder auch der quer zur Längserstreckungsrichtung verläuft, vorzugsweise bogenförmig ausgeführt. Ein jedes konvexes Formelement weist dabei eine bestimmte Höhe H auf, die von der Grundfläche 143 aus bis zum Scheitelpunkt des konvexen Formelementes 142 gemessen ist. Die Breite B eines konvexen Formelementes 142 entspricht dabei der maximalen Distanz von Randbereichen des konvexen Formelementes 142 in der Grundfläche 143. Der Abstand A zwischen linear hintereinander angeordneten konvexen Formelementen 142 ist der minimale Abstand der Ränder der konvexen Formelemente 142 auf der Grundfläche 143.
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Aus 4 ist ersichtlich, dass auf Grund der konvexen Formelemente 142 der Massenstrom starke Verwirbelungen erhält, so dass sich die Partikel der Verbrennungsrückstände 150 nicht an der Rohrwand anlagern können. Demzufolge besteht keine oder nur verringerte Gefahr des Absetzens der Partikel der Verbrennungsrückstände 150 und demzufolge ein geringerer Reparatur- und/oder Wartungsaufwand für die Verbrennungsanlage.
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Die jeweiligen konvexen Formelemente 142 können derart ausgestaltet sein, dass sie in einer senkrecht zur Grundfläche 143 und durch ihren höchsten Punkt sowie in Längserstreckungsrichtung verlaufenden Schnittebene eine Querschnittsfläche aufweisen, die durch eine im Wesentlichen bogenförmige Kante sowie durch eine an die bogenförmige Kante angeschlossenen Kante begrenzt ist, die im Wesentlichen als Tangente ausgeführt ist, wobei die als Tangente ausgeführte Kante wiederum in die Grundfläche 143 übergeht. Ein solches konvexes Formelement 142 hat somit die Form eines halben sogenannten NACA-Profils oder auch eines halben Tropfenprofils. D.h., dass es sich bei diesem konvexen Formelement 142 insgesamt um ein konvex gewölbtes Gebilde handelt, bei der die als Tangente ausgeführte Kante die bogenförmige Kante weiterführt. Dabei ist das konvexe Formelement 142 derart im Leitungselement 140 ausgerichtet, dass die in der Querschnittsfläche als Tangente ausgeführte Kante als erste überströmt wird und danach die bogenförmige Kante. D.h., dass zuerst der flachere Bereich des konvexen Formelementes 142 über- bzw. umströmt wird, so dass starke Verwirbelungen am und hinter dem konvexen Formelement 142 entstehen, die die Ablagerung bzw. das Absetzen von Partikeln verhindern.
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In einer alternativen Ausführungsform ist das konvexe Formelement 142 im Wesentlichen symmetrisch und gewölbt, möglicherweise im Querschnitt als Kreis- oder Ellipsensegment, ausgeführt.
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Zur Verdeutlichung der Wirkung der konvexen Formelemente 142 wird auf die 5 und 6 verwiesen. In 5 ist ein herkömmliches Glattrohr 1 dargestellt und in 6 ist ein erfindungsgemäßes Leitungselement dargestellt. Wie aus 5 ersichtlich ist, ist das Geschwindigkeitsprofil des Massenstroms symmetrisch ausgebildet, so dass im Wesentlichen laminare Strömung vorliegt. Dies bewirkt, dass sich die trägeren Verbrennungsrückstände 150 an der Innenwandung des Glattrohres 1 anlegen, so dass es zu dem in den 1 und 2 gezeigten Ablagerungseffekt kommt.
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Dagegen bewirken die konvexen Formelemente 142 im erfindungsgemäßen Leitungselement in 6 Turbulenzen, so dass das unterschiedliche Strömungsschichten unterschiedliche Geschwindigkeitsvektoren haben und sich ein unregelmäßiges Geschwindigkeitsprofil 181 ausbildet. Dadurch werden viele Verbrennungsrückstände 150 verwirbelt und nach Anlagerung an der Innenwandung des Leitungselementes 140 dort immer wieder losgelöst und im Massenstrom mitgerissen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Glattrohr
- 2
- Massenstrom
- 100
- Verbrennungsanlage
- 110
- Verbrennungskammer
- 111
- Verbrennungskammer-Begrenzungswand
- 120
- Bereich der stationären Wirbelschicht
- 130
- Wärmeübertragungsrohr
- 140
- Leitungselement
- 141
- Längserstreckungsrichtung
- 142
- konvexes Formelement
- 143
- Grundfläche
- 144
- konkaves Formelement
- 150
- Verbrennungsrückstand
- 160
- Einrichtung zur Erzeugung einer Gasströmung
- 161
- Gasdüse
- 162
- Ausgang der Einrichtung zur Erzeugung einer Gasströmung
- 170
- Wärmeübertrager
- 171
- Gasdüse für Wärmeübertrager
- 180
- Geschwindigkeitsvektor
- 181
- Geschwindigkeitsprofil
- D
- Innendurchmesser
- H
- Höhe
- B
- Breite
- A
- Abstand
