DE102012202101B4 - High thermal load nozzle - Google Patents

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Abstract

Thermisch hochbelastbare Düse mit – einem Außenrohr (1) für eine Kühlfunktion, – mindestens einem Innenrohr (2) im Außenrohr (1) zur Zuführung wenigstens eines Reaktanden (3) über den Düsenmund (4) an der Stirnfläche (5) der Düse in den Reaktionsraum (6), wobei das Außenrohr (1) unmittelbar auf dem Innenrohr (2) angeordnet ist, – einem Kühlkanal (7) aus zwei schraubenförmig eingebrachten Nuten (7) für Kühlmittel (8) an der Berührungsfläche (9) zwischen Außenrohr (1) und Innenrohr (2), wobei zum Einen die Gänge der Nuten (7) korrespondierend beabstandet zueinander verlaufen und die Enden der Nuten (7) im Bereich des Düsenkopfes (13) in der Nähe der Stirnfläche (5) miteinander verbunden sind, so dass ein durchgängiger Kühlkanal (7) in Form einer Doppelwendel vorhanden ist, und wobei zum Anderen der Kühlkanal (7) so ausgebildet ist, dass der Verdampfungsenthalpiestrom zur vollständigen Verdampfung des Kühlmittels erforderlich ist und mindestens so groß wie die maximale äußere Wärmezufuhr in den im Reaktionsraum (5) befindlichen Düsenkopfes (13) ist, und – mindestens einer Eintrittsöffnung (10) zur Zufuhr des Kühlmittels (8) und mindestens einer Austrittsöffnung (12) zur Abfuhr des Kühlmittels (8) am Düsenschaft (11) der Düse.Thermally highly resilient nozzle with - an outer tube (1) for a cooling function, - at least one inner tube (2) in the outer tube (1) for supplying at least one reactant (3) via the nozzle mouth (4) on the end face (5) of the nozzle in the Reaction space (6), wherein the outer tube (1) is arranged directly on the inner tube (2), - a cooling channel (7) of two helically introduced grooves (7) for coolant (8) at the contact surface (9) between outer tube (1 ) and inner tube (2), wherein on the one hand, the passages of the grooves (7) correspondingly spaced from each other and the ends of the grooves (7) in the region of the nozzle head (13) in the vicinity of the end face (5) are interconnected, so that a continuous cooling channel (7) is present in the form of a double helix, and on the other hand, the cooling channel (7) is formed so that the Verdampfungsenthalpiestrom is required for complete evaporation of the coolant and at least as large wi e is the maximum external heat input into the nozzle head (13) located in the reaction chamber (5), and - at least one inlet opening (10) for supplying the coolant (8) and at least one outlet opening (12) for discharging the coolant (8) at the nozzle shaft (11) the nozzle.

Description

Die Erfindung betrifft thermisch hochbelastbare Düsen.The invention relates to thermally highly resilient nozzles.

Vergasungs- oder Brennmittel, im folgenden als Reaktanden bezeichnet, werden in thermisch hoch belastete Vergasungs- oder Brennräume mittels Vergasungs- oder Brennmitteldüsen eingedüst. Im Weiteren wird der Einfachheit halber nur noch das Prinzip der Vergasung betrachtet. Die vorderen Kopfbereiche der Vergasungsmitteldüsen, die in die Reaktionsräume hineinragen und hohen thermischen, mechanischen und chemischen Belastungen ausgesetzt sind, werden indirekt gekühlt. Je nach Art der Belastung und der Anordnung der Vergasungsmitteldüsen werden zwei Verfahren der Kühlung angewendet.Gasification or combustion agents, referred to below as reactants, are injected into gasification or combustion chambers subjected to high thermal loads by means of gasification or fuel nozzles. In the following, for the sake of simplicity, only the principle of gasification will be considered. The front head regions of the gasification agent nozzles, which protrude into the reaction spaces and are exposed to high thermal, mechanical and chemical stresses, are indirectly cooled. Depending on the type of load and the arrangement of the gasification agent nozzles, two methods of cooling are used.

Bei Schlackebadvergasern ragen die Vergasungsmitteldüsen, mit denen die Reaktanden Sauerstoff und Wasserdampf in den Reaktionsraum eingeblasen werden, mehrere Dezimeter in diesen hinein. Die Kopfbereiche sind hier am stärksten thermisch, mechanisch und chemisch belastet. Die Kühlung der Düsenoberflächen erfolgt mittels Kühlschlangen, die in die Kopfbereiche der Vergasungsmitteldüsen integriert und mit Kühlwasser beaufschlagt sind. Das Kühlwasser ist an einen Kühlkreislauf angeschlossen, und die Kühlschlangen sind in Kupfer eingegossen. Der Kupfergusskörper hüllt die Kühlschlangen spaltfrei ein. Er bildet die äußere Oberfläche der Kopfbereiche der Vergasungsmitteldüsen. Kupfer weist bekanntermaßen eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit auf und neigt bei Einwirkung von freiem Sauerstoff nicht zum Metallbrand. Durch die aufwändige Konstruktion soll zum Erhalt der Funktionsfähigkeit im Dauerbetrieb gewährleistet werden, dass die hohen Wärmeströme von jedem Punkt der Stirn- und Seitenflächen der Kopfbereiche der Vergasungsmitteldüsen gleichmäßig abführt werden können. Dennoch kommt es insbesondere an den Stirnflächen zum Abtrag von Material mit der Folge, dass die Vergasungsmitteldüsen nach wenigen Monaten Betriebszeit bis auf die Kühlschlangen abgezehrt sind und es zu Kühlwasserleckagen kommt.With slag bath gasifiers, the gasification agent nozzles, with which the reactants oxygen and water vapor are blown into the reaction space, protrude several decimetres into them. The head areas are here most heavily thermally, mechanically and chemically loaded. The cooling of the nozzle surfaces by means of cooling coils, which are integrated in the head regions of the Vergasungsmitteldüsen and acted upon with cooling water. The cooling water is connected to a cooling circuit, and the cooling coils are cast in copper. The copper casting envelops the cooling coils without gaps. It forms the outer surface of the head regions of the gasifying agent nozzles. Copper is known to have a very high thermal conductivity and does not tend to metal burn when exposed to free oxygen. Due to the elaborate construction, it is intended to ensure that the high level of heat flow can be dissipated uniformly from any point of the front and side surfaces of the head regions of the gasification agent nozzles in order to maintain the functionality in continuous operation. Nevertheless, it comes in particular at the end faces for removal of material, with the result that the gasification agent nozzles are emptied after a few months of operation up to the cooling coils and it comes to cooling water leaks.

Bei Vergasungsmitteldüsen von Flugstromvergasern, die nicht oder nur unwesentlich in den Reaktionsraum hineinragen, sind praktisch ausschließlich die Stirnflächen thermisch exponiert. Die Kühlung ist in Form eines Wassermantels gestaltet. In dem Wassermantel strömt das Kühlwasser mit hoher Geschwindigkeit und kühlt mindestens die exponierten Oberflächen der Stirnflächen. Auch diese Düsenform ist konstruktiv sehr aufwendig.In the case of gasification agent nozzles of entrainment gasifiers, which do not protrude into the reaction space, or only insignificantly, almost exclusively the end faces are thermally exposed. The cooling is designed in the form of a water jacket. In the water jacket, the cooling water flows at high speed and cools at least the exposed surfaces of the end surfaces. This nozzle shape is structurally very expensive.

Außerdem können die Vergasungsmitteldüsen nicht in die Vergasungsräume hinein geschoben werden, um unter anderem die hohe Wärmebelastung der den Stirnflächen der Vergasungsmitteldüsen benachbarten Wandbereiche der Reaktionsräume zu verringern. Der Wärmeeintrag und die Wärmedehnungen würden in diesem Falle so groß, so dass es zu Materialrissen und damit zum Versagen der Vergasungsmitteldüsen käme.In addition, the gasification agent nozzles can not be pushed into the gasification chambers in order, inter alia, to reduce the high heat load on the end faces of the gasification agent nozzles adjacent wall regions of the reaction chambers. The heat input and the thermal expansions in this case would be so great that it would lead to material cracks and thus to the failure of the gasification agent nozzles.

Durch die Druckschrift DD 2 51 476 A3 ist ein Kohlenstaubbrenner bekannt. Hierbei handelt es sich um eine klassische Form der Kühlung von Vergasungsmittelbrennern bzw. -düsen (Kohlenstaubbrenner), wobei nur deren thermisch hochbelastete Stirnseite intensiv gekühlt wird. Das Kühlwasser strömt durch äußere Mantelflächen nahezu nicht kanalisiert bis in die Nähe der Stirnfläche. Erst unmittelbar vor der Stirnfläche erfolgt die gezielte Verteilung auf alle thermisch exponierten Flächen mittels Verteilerbohrungen. Strömungstechnisch eindeutig belegte Kühlkanäle (Ein-Weg-Kühlkanäle) für eine gleichmäßig intensive Kühlung der Oberflächen sind nicht vorhanden. Das Kühlwasser wird mit Temperaturen weit unterhalb der Verdampfungstemperatur durch den Kohlenstaubrenner geleitet und erwärmt sich während der Durchströmung um einige K, z. B. um 5 bis 20 K. Verdampfungskühlung ist nicht möglich bzw. zulässig. Daher müssen sehr hohe Strömungsgeschwindigkeiten, hohe Druckverluste der Kühlung, und damit hohe Energieverbräuche der Kühlmittelpumpen in Kauf genommen werden. Der Stirnfläche des Kohlenstaubbrenners schließt bündig mit der Vergaserinnenraumkontur ab. Der Kohlenstaubbrenner ist nicht geeignet, in den Vergasungsaum hineinzuragen.Through the publication DD 2 51 476 A3 is a coal dust burner known. This is a classic form of cooling of gasification agent burners or nozzles (pulverized coal burner), with only their thermally highly loaded front side is intensively cooled. The cooling water flows through outer shell surfaces almost non-channeled into the vicinity of the end face. Only directly in front of the end face is the targeted distribution to all thermally exposed surfaces by means of distribution wells. Fluidically clearly occupied cooling channels (one-way cooling channels) for a uniform intensive cooling of the surfaces are not available. The cooling water is passed with temperatures far below the evaporation temperature through the Kohlenstaubrenner and heats up during the flow by a few K, z. B. by 5 to 20 K. Evaporation cooling is not possible or permitted. Therefore, very high flow velocities, high pressure losses of the cooling, and thus high energy consumption of the coolant pump must be accepted. The face of the pulverized coal burner is flush with the carburettor interior contour. The pulverized coal burner is not suitable for pouring into the gasification chamber.

Die Druckschrift DE 20 33 975 A beinhaltet ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen einer Konverterwindfrischform oder -düse. Bei dem darin enthaltenen Prinzip der gekühlten Windrischform oder -lanze sind die Kühlmittel gleichzeitig Reaktanden, so dass sie zusammen mit Sauerstoff am Düsenmund (Stirnseite der Lanze) in den Reaktionsraum eingedüst werden müssen. Dazu müssen mehrere bis viele, parallele Kühlkanäle ausgebildet werden, die gleichzeitig und möglichst gleichverteilt durchströmt werden müssen, um die gesamte Lanzenaußenfläche bis zur Stirnseite zu kühlen. Die Stirnfläche der Lanze ist über dessen Umfang durch eng nebeneinander angeordnete Austrittsöffnungen versehen, mittels derer die Kühl- und Reaktionsflüssigkeit austreten kann. Dadurch wird ein schnelles Zurückbrennen der Lanze verhindert.The publication DE 20 33 975 A includes a method and apparatus for cooling a converter windshower mold or nozzle. In the principle of the cooled Windrischform or lance contained therein, the coolant simultaneously reactants, so that they must be injected together with oxygen at the nozzle mouth (front of the lance) in the reaction space. For this purpose, several to many, parallel cooling channels must be formed, which must be flowed through simultaneously and as evenly as possible in order to cool the entire lance outer surface to the front. The end face of the lance is provided over its circumference by closely juxtaposed outlet openings, by means of which the cooling and reaction liquid can escape. This prevents a quick burn back of the lance.

Die Druckschrift US 3 572 675 A beschreibt flüssigkeitsgekühlte Winddüsen. Bei den Winddüsen kommt es darauf an, den auf über 1.000°C vorgewärmten Heißwind über die Blasform in den Hochofen einzuleiten. Dies geschieht bei Winddrücken bis etwa 5 bar. Die Winddüsen selbst haben verhältnismäßig große Abmessungen, beispielsweise einen Heißluftkanaldurchmesser von 200 mm. Um den hohen mechanischen Beanspruchungen im Hochofen gerecht zu werden, ist die äußere Umhüllung in der Regel als massiver Gusskörper ausgebildet. Um die Oberflächentemperaturen des Gusskörpers möglichst gering zu halten, wird vorzugsweise das hochwärmeleitfähige Kupfer verwendet. Dies wiederum erfordert auf Grund der niedrigen Werkstoff-Warmfestigkeit von Kupfer verhältnismäßig große Wandstärken des Gusskörpers. Desweiteren muss der Gusskörpers ausreichend intensiv gekühlt werden, weshalb Kühlwasser möglichst niedriger Temperatur verdampfungsfrei durchgeleitet wird.The publication US Pat. No. 3,572,675 A describes liquid-cooled tuyeres. In the case of the tuyeres, it is important to introduce the hot air preheated to over 1,000 ° C into the blast furnace via the tuyere. This happens at wind pressures up to about 5 bar. The tuyeres themselves have relatively large dimensions, for example a hot air duct diameter of 200 mm. In order to withstand the high mechanical stresses in the To meet blast furnace, the outer sheath is usually designed as a solid cast body. In order to keep the surface temperatures of the cast body as low as possible, the highly heat-conductive copper is preferably used. This in turn requires due to the low material heat resistance of copper relatively large wall thicknesses of the casting. Furthermore, the cast body must be cooled sufficiently intense, which is why cooling water as low as possible temperature is passed through evaporation-free.

Aufgabe der Erfindung ist es, thermisch hochbelastbare Düsen so zu kühlen, dass sie in Oxidations- oder Brennräume hinein ragen können und dabei sichergestellt ist, dass sie unter stärksten thermischen, mechanischen und chemischen Belastungen über lange Betriebszeiten störungsfrei arbeiten, wobei möglichst einfache Konstruktionen zum Einsatz kommen sollen.The object of the invention is to cool thermally highly resilient nozzles so that they can protrude into oxidation or combustion chambers and it is ensured that they work under the strongest thermal, mechanical and chemical loads over long periods of operation trouble-free, with the simplest possible designs for use should come.

Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.This object is achieved with the features listed in claim 1.

Die thermisch hochbelastbaren Düsen zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass sie durch intensive Kühlung in Oxidations- oder Brennräume hinein ragen können. Darüber hinaus arbeiten diese unter stärksten thermischen, mechanischen und chemischen Belastungen über lange Betriebszeiten störungsfrei, wobei sie vorteilhafterweise einfach realisiert ist.The thermally highly resilient nozzles are characterized in particular by the fact that they can protrude through intensive cooling in oxidation or combustion chambers. In addition, they work under the strongest thermal, mechanical and chemical loads over long periods of operation trouble-free, and it is advantageously easy to implement.

Dazu weist eine thermisch hochbelastbare Düse ein Außenrohr für eine Kühlfunktion und mindestens ein Innenrohr im Außenrohr zur Zuführung wenigstens eines Reaktanden über den Düsenmund an der Stirnfläche der Düse in den Reaktionsraum auf, wobei das Außenrohr unmittelbar auf dem Innenrohr angeordnet ist. An der Berührungsfläche wischen Außenrohr und Innenrohr befindet sich ein Kühlkanal aus zwei schraubenförmig eingebrachten Nuten für Kühlmittel, wobei zum Einen die Gänge der Nuten korrespondierend beabstandet zueinander verlaufen und die Enden der Nuten im Bereich des Düsenkopfes in der Nähe der Stirnfläche miteinander verbunden sind, so dass ein durchgängiger Kühlkanal in Form einer Doppelwendel vorhanden ist, und wobei zum Anderen der Kühlkanal so ausgebildet ist, dass der Verdampfungsenthalpiestrom zur vollständigen Verdampfung des Kühlmittels erforderlich ist und mindestens so groß wie die maximale äußere Wärmezufuhr in den im Reaktionsraum befindlichen Düsenkopfes ist. Weiterhin besitzt die thermisch hochbelastbare Düse mindestens eine Eintrittsöffnung zur Zufuhr des Kühlmittels und mindestens eine Austrittsöffnung zur Abfuhr des Kühlmittels am Düsenschaft der Düse.For this purpose, a thermally highly resilient nozzle has an outer tube for a cooling function and at least one inner tube in the outer tube for supplying at least one reactant via the nozzle mouth on the end face of the nozzle in the reaction space, wherein the outer tube is arranged directly on the inner tube. At the contact surface wipe outer tube and inner tube is a cooling channel of two helically introduced grooves for coolant, on the one hand the grooves of the grooves correspondingly spaced from each other and the ends of the grooves in the region of the nozzle head in the vicinity of the end face are interconnected, so that a continuous cooling channel in the form of a double helix is present, and wherein on the other hand, the cooling channel is formed so that the Verdampfungsenthalpiestrom is required for complete evaporation of the coolant and is at least as large as the maximum external heat in the nozzle head located in the reaction chamber. Furthermore, the thermally highly resilient nozzle has at least one inlet opening for supplying the coolant and at least one outlet opening for discharging the coolant at the nozzle shaft of the nozzle.

Der Kühlkanal wird aus zwei schraubenförmig eingebrachten Nuten gebildet. Die Gänge der Nuten verlaufen korrespondierend beabstandet zueinander. Die Enden der Nuten sind im Bereich des Düsenkopfes miteinander verbunden. Damit ist ein durchgängiger Kühlkanal in Form einer Doppelwendel vorhanden, wobei das Kühlmittel den Düsenkopf vollständig durchströmt. Die Zufuhr und die Abfuhr des Kühlmittels erfolgt über den Düsenschaft, welcher dazu entsprechende Öffnungen zum Anschluss geeigneter bekannter Leitungen besitzt.The cooling channel is formed by two helically introduced grooves. The courses of the grooves extend correspondingly spaced from each other. The ends of the grooves are connected together in the region of the nozzle head. Thus, a continuous cooling channel in the form of a double helix is present, wherein the coolant flows through the nozzle head completely. The supply and the removal of the coolant via the nozzle shaft, which has corresponding openings for the connection of suitable known lines.

Das Kühlmittel fließt dabei über die Eintrittsöffnung in die Düse, danach entlang des Kühlkanales und verlässt schließlich die Düse über die Austrittsöffnung.The coolant flows through the inlet opening into the nozzle, then along the cooling channel and finally leaves the nozzle via the outlet opening.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch eine optimale Kühlung auch dünnwandige Düsen realisiert und eingesetzt werden können, so dass nicht unerhebliche Materialeinsparungen möglich sind. Entsprechend der erzielten Verringerung des äußeren Durchmessers der Düsen sinkt der Wärmeeintrag aus dem Reaktionsraum auf die Düsen. Weiterhin können für das Außenrohr der dünnwandigen Düsen hochwarmfeste Stähle eingesetzt werden, deren Oberflächentemperaturen sich nur wenig von den Temperaturen des Kühlmittels unterscheiden. Insgesamt ergeben sich günstige ökonomische Aspekte, insbesondere auch bezüglich der Verlängerung der Lebensdauer der Düse.Another advantage is that even thin-walled nozzles can be realized and used by optimal cooling, so that not inconsiderable material savings are possible. According to the achieved reduction of the outer diameter of the nozzles, the heat input from the reaction space drops to the nozzles. Furthermore, high-temperature steels whose surface temperatures differ only slightly from the temperatures of the coolant can be used for the outer tube of the thin-walled nozzles. Overall, there are favorable economic aspects, especially with respect to the extension of the life of the nozzle.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Düse in den jeweiligen Reaktionsraum hineinragen kann. Daraus folgen eine Schonung des Wandbereichs des Reaktionsraumes in der Umgebung der Düsen und ein besseres Vergasungsprinzip.Another advantage is that the nozzle can protrude into the respective reaction space. This results in a protection of the wall area of the reaction space in the vicinity of the nozzles and a better gasification principle.

Ein weiterer Vorteil besteht in der Stabilität der Düse gegenüber höchsten Wärmeeinträgen, die dadurch gewährleistet wird, falls das Außenrohr und das Innenrohr gegeneinander in der Längsdehnung an der Berührungsfläche zwischen diesen nicht fixiert sind (Schiebeverbund). Alternativ besteht die Möglichkeit, zwischen dem Außenrohr und dem Innenrohr einen Schrumpfverbund herzustellen. Dieser ermöglicht höhere mechanische Festigkeiten.Another advantage consists in the stability of the nozzle against highest heat inputs, which is ensured if the outer tube and the inner tube against each other in the longitudinal expansion at the contact surface between them are not fixed (sliding compound). Alternatively, it is possible to produce a shrinkage bond between the outer tube and the inner tube. This allows higher mechanical strengths.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 7 angegeben.Advantageous embodiments of the invention are specified in the claims 2 to 7.

Beabstandet zum Innenrohr als ein erstes Innenrohr ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 ein zweites Innenrohr angeordnet. Der durch den Abstand gebildete Zwischenraum ist vorteilhafterweise ein weiterer Kanal zur Zufuhr wenigstens eines weiteren Reaktanden in den Reaktionsraum. Letztere sind insbesondere gasförmige, flüssige oder feste kohlenstoffhaltige Vergasungsstoffe.Spaced apart from the inner tube as a first inner tube, a second inner tube is arranged according to the embodiment of claim 2. The gap formed by the distance is advantageously a further channel for supplying at least one further reactant into the reaction space. The latter are in particular gaseous, liquid or solid carbon-containing gasification substances.

Im Innenrohr als erstes Innenrohr ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 ein zweites Innenrohr in unmittelbarem Kontakt zum Innenrohr als ein erstes Innenrohr ein zweites Innenrohr angeordnet. An der Berührungsfläche ist zwischen erstem Innenrohr und zweitem Innenrohr mindestens ein weiterer Kanal zur Zufuhr wenigstens eines weiteren Reaktanden in den Reaktionsraum angeordnet. Der Düsenschaft weist darüber hinaus wenigstens eine Eintrittsöffnung zur Zufuhr des weiteren Reaktanden auf. Der Düsenmund besitzt an der Stirnfläche wenigstens eine Austrittsöffnung für den weiteren Reaktanden in den Reaktionsraum. In the inner tube as the first inner tube, a second inner tube in direct contact with the inner tube as a first inner tube, a second inner tube is arranged according to the embodiment of claim 3. At least one further channel for supplying at least one further reactant to the reaction space is arranged at the contact surface between the first inner tube and the second inner tube. The nozzle shaft moreover has at least one inlet opening for supplying the further reactant. The nozzle mouth has at least one outlet opening for the further reactant in the reaction space at the end face.

Damit können sich vor der Stirnfläche der Düsen die Reaktanden vermischen. Die stark exothermen Vergasungs- und Verbrennungsreaktionen finden schlagartig statt. Durch die getrennt Zuführung der Reaktanden wird die Betriebsweise der Düse vereinfacht, da auf eine Gemischaufbereitung verzichtet werden kann.This allows the reactants to mix in front of the end face of the nozzles. The highly exothermic gasification and combustion reactions take place abruptly. The separate supply of the reactants, the operation of the nozzle is simplified because it can be dispensed to a mixture preparation.

Beabstandet zum Innenrohr als ein erstes Innenrohr ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 ein zweites Innenrohr angeordnet. Der durch den Abstand gebildete Zwischenraum ist ein weiterer Kanal zur Zufuhr wenigstens eines weiteren Reaktanden in den Reaktionsraum. Im zweiten Innenrohr befindet sich ein drittes Innenrohr in unmittelbarem Kontakt zum zweiten Innenrohr. An der Berührungsfläche zwischen zweitem Innenrohr und drittem Innenrohr ist mindestens ein weiterer Kühlkanal angeordnet. Der Düsenschaft weist Eintrittsöffnungen zur Zufuhr der Reaktanden und Kühlmittel auf. Weiterhin besitzt der Düsenmund an der Stirnfläche wenigstens eine Austrittsöffnung für den Austritt des weiteren Reaktanden in den Reaktionsraum.Spaced apart from the inner tube as a first inner tube is arranged according to the embodiment of claim 4, a second inner tube. The gap formed by the distance is another channel for supplying at least one further reactant into the reaction space. In the second inner tube, a third inner tube is in direct contact with the second inner tube. At least one further cooling channel is arranged at the contact surface between the second inner tube and the third inner tube. The nozzle shaft has inlet openings for the supply of reactants and coolant. Furthermore, the nozzle mouth at the end face has at least one outlet opening for the exit of the further reactant into the reaction space.

In Fortführung ist der weitere Kühlkanal nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 wenigstens eine schraubenförmig verlaufende Nut.In continuation, the further cooling channel according to the embodiment of claim 5 is at least one helical groove.

In einer Variante kann der weitere Kühlkanal am Düsenmund offen sein, so dass der im Düsenkopf zentral strömende Reaktand von einem Gas-Kondensat-Strom des Kühlmittels schraubenförmig umströmt und gekühlt wird.In a variant, the further cooling channel may be open at the nozzle mouth, so that the reactant streaming centrally in the nozzle head is helically surrounded and cooled by a gas-condensate stream of the coolant.

In einer zweiten Variante kann der weitere Kühlkanal aus zwei schraubenförmig eingebrachte Nuten gebildet sein, wobei die Gänge der Nuten korrespondierend beabstandet zueinander verlaufen sowie die Enden der Nuten im Bereich des Düsenkopfes miteinander verbunden sind. Damit ist ein durchgängiger Kühlkanal vorhanden, wobei das weitere Kühlmittel die Düse vollständig durchströmt. Die Zufuhr und die Abfuhr des weiteren Kühlmittels erfolgt über den Düsenschaft, welcher dazu entsprechende Öffnungen zum Anschluss geeigneter bekannter Leitungen besitzt.In a second variant, the further cooling channel can be formed from two helically introduced grooves, wherein the passages of the grooves extend correspondingly spaced from one another and the ends of the grooves in the region of the nozzle head are connected to one another. Thus, a continuous cooling channel is present, with the other coolant flows through the nozzle completely. The supply and the discharge of the further coolant takes place via the nozzle shaft, which has corresponding openings for the connection of suitable known lines.

Die Düse weist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 wenigstens einen Temperatursensor auf. Damit kann die Düse temperaturüberwacht betrieben werden. Insbesondere bei zurückbrennender Düse ist das besonders vorteilhaft, wobei über die Temperatur der Grad des Zurückbrennens zuordenbar ist. Ein Temperatursensor kann dazu ein bekanntes Thermoelement sein.The nozzle has according to the embodiment of claim 6 at least one temperature sensor. Thus, the nozzle can be operated temperature monitored. This is particularly advantageous in the case of a back-burning nozzle, wherein the degree of baking back can be assigned by way of the temperature. A temperature sensor can be a known thermocouple for this purpose.

Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 ist oder sind der Temperatursensor oder beabstandet zueinander angeordnete Temperatursensoren ein Maß für eine bestimmte Länge oder für die Länge der Düse, wobei das Maß durch die Position des Temperatursensors oder der Temperatursensoren und das jeweilige Vorhandensein des wenigstens einen Temperatursensors bestimmt ist. Liegt am Temperatursensor kein elektrisches Signal an, ist dieser entweder defekt oder nicht mehr vorhanden. Über die bekannte Position des Temperatursensors kann damit auf die Länge der Düse geschlossen werden.According to the embodiment of claim 7, the temperature sensor or spaced-apart temperature sensors is or is a measure of a certain length or the length of the nozzle, wherein the measure is determined by the position of the temperature sensor or the temperature sensors and the respective presence of the at least one temperature sensor , If there is no electrical signal at the temperature sensor, it is either defective or no longer available. About the known position of the temperature sensor can thus be closed to the length of the nozzle.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.Embodiments of the invention are illustrated in principle in the drawings and will be described in more detail below.

Es zeigen:Show it:

1 eine thermisch hochbelastbare Düse mit einem weiteren Kanal als Rohrverbund in einer Schnittdarstellung und 1 a thermally highly resilient nozzle with another channel as a composite pipe in a sectional view and

2 eine thermisch hochbelastbare Düse mit weiteren gekühlten Rohren in einer Schnittdarstellung. 2 a thermally heavy-duty nozzle with further cooled tubes in a sectional view.

Eine thermisch hochbelastbare Düse besteht im Wesentlichen aus einem Außenrohr 1 für eine Kühlfunktion, wenigstens einem Innenrohr 2 zur Zuführung mindestens eines Reaktanden 3 über den Düsenmund 4 an der Stirnfläche 5 in den Reaktionsraum 6, mindestens einem Kühlkanal 7 für Kühlmittel 8 an der Berührungsfläche 9 zwischen Außenrohr 1 und Innenrohr 2, mindestens einer Eintrittsöffnung 10 zur Zufuhr des Kühlmittels 8 am Düsenschaft 11 und mindestens einer Austrittsöffnung 12 zur Abfuhr des Kühlmittels 8 am Düsenschaft 11.A thermally highly resilient nozzle consists essentially of an outer tube 1 for a cooling function, at least one inner tube 2 for feeding at least one reactant 3 over the nozzle mouth 4 at the frontal area 5 in the reaction space 6 , at least one cooling channel 7 for coolant 8th at the contact surface 9 between outer tube 1 and inner tube 2 , at least one inlet opening 10 for supplying the coolant 8th at the nozzle shaft 11 and at least one outlet opening 12 for removing the coolant 8th at the nozzle shaft 11 ,

1 zeigt eine thermisch hochbelastbare Düse mit einem weiteren Kanal zur Zuführung weiterer Reaktanden als Rohrverbund in einer prinzipiellen Schnittdarstellung 1 shows a thermally highly resilient nozzle with another channel for supplying additional reactants as a composite pipe in a schematic sectional view

Im Innenrohr 2 als erstes Innenrohr 2 ist in einem ersten Ausführungsbeispiel ein zweites Innenrohr 14 in unmittelbarem Kontakt zu diesem angeordnet. An der Berührungsfläche 23 zwischen erstem Innenrohr 2 und zweitem Innenrohr 14 ist mindestens ein weiterer Kanal 15 zur Zufuhr wenigstens eines weiteren Reaktanden 16 in den Reaktionsraum 6 angeordnet. Der Düsenschaft 11 weist wenigstens eine Eintrittsöffnung 17 zur Zufuhr des weiteren Reaktanden 16 auf und der Düsenmund 4 besitzt an der Stirnfläche 5 wenigstens eine Austrittsöffnung 18 für den Austritt des weiteren Reaktanden 16 in den Reaktionsraum 6.In the inner tube 2 as the first inner tube 2 is in a first embodiment, a second inner tube 14 arranged in direct contact with this. At the interface 23 between the first inner tube 2 and second inner tube 14 is at least one more channel 15 for supplying at least one further reactants 16 in the reaction space 6 arranged. The nozzle shaft 11 has at least one inlet opening 17 for supplying the further reactant 16 on and the nozzle mouth 4 owns at the end face 5 at least one outlet opening 18 for the exit of further reactants 16 in the reaction space 6 ,

Der Kühlkanal 7 ist aus zwei schraubenförmig eingebrachten Nuten 7 ausgebildet, wobei die Gänge der Nuten 7 korrespondierend beabstandet zueinander verlaufen und die Enden der Nuten 7 im Bereich des Düsenkopfes 13 in der Nähe der Stirnfläche 5 miteinander verbunden sind. Damit ist ein durchgängiger Kühlkanal 7 in Form einer Doppelwendel vorhanden, der an der Eintrittsöffnung 10 beginnt und an der Austrittsöffnung 12 endet. Diese weisen dazu Öffnungen für den Anschluss entsprechender Leitungen für die Kühlmittel auf.The cooling channel 7 is made of two helical grooves 7 formed, the passages of the grooves 7 correspondingly spaced from each other and the ends of the grooves 7 in the area of the nozzle head 13 near the frontal area 5 connected to each other. This is a continuous cooling channel 7 in the form of a double helix present at the inlet 10 starts and at the exit opening 12 ends. These have openings for connecting corresponding lines for the coolant.

Das Außenrohr 1 und das erste Innenrohr 2 bestehen aus dem gleichen Material, beispielsweise Inconel, während das zweite Innenrohr 14 in einer temperaturbeständigen Kupferlegierung mit hoher Wärmeleitfähigkeit ausgeführt ist. Das Außenrohr 1 und das Innenrohr 2 bilden einen Schiebeverbund, während das erste Innenrohr 2 und das zweite Innenrohr 14 einen Schrumpfverbund bilden. Insgesamt bilden diese Rohre 1, 2, 14 zusammen einen Körper, indem sie am Düsenschaft 11 durch Schweiß- und Lötverbindungen druckdicht miteinander verbunden sind.The outer tube 1 and the first inner tube 2 are made of the same material, such as Inconel, while the second inner tube 14 is performed in a temperature-resistant copper alloy with high thermal conductivity. The outer tube 1 and the inner tube 2 form a sliding compound, while the first inner tube 2 and the second inner tube 14 form a shrinkage composite. Overall, these pipes form 1 . 2 . 14 put a body together by being at the nozzle shaft 11 are connected by welding and soldering pressure-tight together.

Der Kanal 15 ist als Nut 15 längs der Rohrachse eingearbeitet, durch den hindurch die gewünschten, weiteren Reaktanden 16 (insbesondere gasförmige und flüssige Kohlenwasserstoffe sowie deren Mischungen) in den Reaktionsraum 6 eingebracht werden.The channel 15 is as a groove 15 incorporated along the tube axis, through which the desired further reactants 16 (In particular, gaseous and liquid hydrocarbons and mixtures thereof) in the reaction space 6 be introduced.

2 zeigt eine thermisch hochbelastbare Düse mit einem weiteren, gekühlten Rohr zur Zuführung weiterer Reaktanden in einer prinzipiellen Schnittdarstellung 2 shows a thermally heavy-duty nozzle with another, cooled tube for supplying additional reactants in a schematic sectional view

Zusätzlich zur Düse entsprechend des ersten Ausführungsbeispiels ist in einer Düse eines zweiten Ausführungsbeispiels beabstandet zum Innenrohr 2 als ein erstes Innenrohr 2 ein zweites Innenrohr 14 angeordnet. Der durch den Abstand gebildete Zwischenraum 15 stellt einen weiteren Kanal 15 zur Zufuhr wenigstens eines weiteren Reaktanden 16 in den Reaktionsraum 6 dar. Im zweiten Innenrohr 14 befindet sich ein drittes Innenrohr 20 in unmittelbarem Kontakt zum zweiten Innenrohr 14. An der Berührungsfläche 21 zwischen zweitem Innenrohr 14 und drittem Innenrohr 20 ist mindestens ein weiterer Kühlkanal 22 angeordnet. Der Düsenschaft 11 weist Eintrittsöffnungen zur Zufuhr der Reaktanden und Kühlmittel auf. Weiterhin besitzt der Düsenmund 4 an der Stirnfläche 5 wenigstens eine Austrittsöffnung 18 für den Austritt des weiteren Reaktanden 16 in den Reaktionsraum 6.In addition to the nozzle according to the first embodiment is in a nozzle of a second embodiment spaced from the inner tube 2 as a first inner tube 2 a second inner tube 14 arranged. The gap formed by the distance 15 represents another channel 15 for supplying at least one further reactant 16 in the reaction space 6 dar. In the second inner tube 14 there is a third inner tube 20 in direct contact with the second inner tube 14 , At the interface 21 between the second inner tube 14 and third inner tube 20 is at least one more cooling channel 22 arranged. The nozzle shaft 11 has inlet openings for the supply of reactants and coolant. Furthermore, the nozzle mouth 4 at the frontal area 5 at least one outlet opening 18 for the exit of further reactants 16 in the reaction space 6 ,

Der Kühlkanal 7 und der weitere Kühlkanal sind jeweils als Rundnut 7 ausgebildet.The cooling channel 7 and the other cooling channel are each as a round groove 7 educated.

Bei dem weiteren Kühlkanal 22 handelt es sich um einen durchgängigen Kanal, dessen im dritten Innenrohr 20 eingearbeitete Nut 22 wenigstens in nächster Nähe zu der von dem zweiten Innenrohr 14 und dem dritten Innenrohr 20 gebildeten Stirnfläche 5 schraubenförmig verläuft, um eine intensive Kühlung derselben zu erreichen. Nach mindestens einem Schraubenverlauf in nächster Nähe zur Stirnfläche 5 verläuft der weitere Kühlkanal 22 entlang der Rohrachse geradeaus in Richtung Düsenschaft 11. Das dritte Innenrohr 20 dient der Zuführung der Reaktanden 3, insbesondere Sauerstoff, und der Zwischenraum 15 zwischen erstem Innenrohr 2 und zweitem Innenrohr 14 zur Zuführung der weiteren Reaktanden 16, insbesondere gasförmiger, flüssiger oder fester kohlenstoffhaltige Reaktanden, deren Mischungen eingeschlossen sind.In the further cooling channel 22 it is a continuous channel whose in the third inner tube 20 integrated groove 22 at least in close proximity to that of the second inner tube 14 and the third inner tube 20 formed end face 5 helical, in order to achieve an intensive cooling of the same. After at least one screw course in close proximity to the end face 5 runs the other cooling channel 22 straight ahead along the tube axis in the direction of the nozzle stem 11 , The third inner tube 20 serves to supply the reactants 3 , in particular oxygen, and the gap 15 between the first inner tube 2 and second inner tube 14 for supplying the further reactants 16 , in particular gaseous, liquid or solid carbonaceous reactants whose mixtures are included.

In weiteren Ausführungsformen der Ausführungsbeispiele weist die Düse wenigstens einen Temperatursensor 19 auf. Der Temperatursensor 19 oder beabstandet zueinander angeordnete Temperatursensoren ist oder sind gleichzeitig ein Maß für das Vorhandensein der Düse. DasIn further embodiments of the embodiments, the nozzle has at least one temperature sensor 19 on. The temperature sensor 19 or spaced from each other temperature sensors is or are at the same time a measure of the presence of the nozzle. The

Maß ist durch die Position des Temperatursensors 19 oder der Temperatursensoren und das jeweilige Vorhandensein des wenigstens einen Temperatursensors 19 bestimmt.Dimension is determined by the position of the temperature sensor 19 or the temperature sensors and the respective presence of the at least one temperature sensor 19 certainly.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
erstes äußeres Rohrfirst outer tube
22
erstes inneres Rohrfirst inner tube
33
erste Reaktandenfirst reactants
44
Düsenmundnozzle orifice
55
Stirnflächeface
66
Reaktionsraumreaction chamber
77
erster Kühlkanal/Nut/Rundnutfirst cooling channel / groove / round groove
88th
erstes Kühlmittelfirst coolant
99
BerührungsflächeTouchpad
1010
Eintrittsöffnunginlet opening
1111
Düsenschaftnozzle shaft
1212
Austrittsöffnungoutlet opening
1313
Düsenkopfnozzle head
1414
zweites Rohrsecond pipe
1515
Zwischenraum/weiterer Kanal/NutGap / further channel / groove
1616
zweite Reaktandensecond reactants
1717
Eintrittsöffnunginlet opening
1818
Austrittsöffnungoutlet opening
1919
Temperatursensortemperature sensor
2020
zweites äußeres Rohrsecond outer tube
2121
zweites inneres Rohrsecond inner tube
2222
zweiter Kühlkanalsecond cooling channel
2323
BerührungsflächeTouchpad

Claims (7)

Thermisch hochbelastbare Düse mit – einem Außenrohr (1) für eine Kühlfunktion, – mindestens einem Innenrohr (2) im Außenrohr (1) zur Zuführung wenigstens eines Reaktanden (3) über den Düsenmund (4) an der Stirnfläche (5) der Düse in den Reaktionsraum (6), wobei das Außenrohr (1) unmittelbar auf dem Innenrohr (2) angeordnet ist, – einem Kühlkanal (7) aus zwei schraubenförmig eingebrachten Nuten (7) für Kühlmittel (8) an der Berührungsfläche (9) zwischen Außenrohr (1) und Innenrohr (2), wobei zum Einen die Gänge der Nuten (7) korrespondierend beabstandet zueinander verlaufen und die Enden der Nuten (7) im Bereich des Düsenkopfes (13) in der Nähe der Stirnfläche (5) miteinander verbunden sind, so dass ein durchgängiger Kühlkanal (7) in Form einer Doppelwendel vorhanden ist, und wobei zum Anderen der Kühlkanal (7) so ausgebildet ist, dass der Verdampfungsenthalpiestrom zur vollständigen Verdampfung des Kühlmittels erforderlich ist und mindestens so groß wie die maximale äußere Wärmezufuhr in den im Reaktionsraum (5) befindlichen Düsenkopfes (13) ist, und – mindestens einer Eintrittsöffnung (10) zur Zufuhr des Kühlmittels (8) und mindestens einer Austrittsöffnung (12) zur Abfuhr des Kühlmittels (8) am Düsenschaft (11) der Düse.Thermally heavy-duty nozzle with - an outer tube ( 1 ) for a cooling function, - at least one inner tube ( 2 ) in the outer tube ( 1 ) for feeding at least one reactant ( 3 ) over the nozzle mouth ( 4 ) at the end face ( 5 ) of the nozzle into the reaction space ( 6 ), whereby the outer tube ( 1 ) directly on the inner tube ( 2 ), - a cooling channel ( 7 ) made of two helically introduced grooves ( 7 ) for coolant ( 8th ) at the interface ( 9 ) between outer tube ( 1 ) and inner tube ( 2 ), whereby on the one hand the courses of the grooves ( 7 ) are spaced apart from each other and the ends of the grooves ( 7 ) in the region of the nozzle head ( 13 ) near the end face ( 5 ), so that a continuous cooling channel ( 7 ) is present in the form of a double helix, and on the other hand, the cooling channel ( 7 ) is designed so that the Verdampfungsenthalpiestrom is required for complete evaporation of the coolant and at least as large as the maximum external heat input in the in the reaction space ( 5 ) located nozzle head ( 13 ), and - at least one inlet opening ( 10 ) for the supply of the coolant ( 8th ) and at least one outlet opening ( 12 ) for the removal of the coolant ( 8th ) at the nozzle shaft ( 11 ) of the nozzle. Düse nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beabstandet zum Innenrohr (2) als ein erstes Innenrohr (2) ein zweites Innenrohr (14) angeordnet ist und dass der durch den Abstand gebildete Zwischenraum (15) ein weiterer Kanal (15) zur Zufuhr wenigstens eines weiteren Reaktanden (16) in den Reaktionsraum (6) ist.Nozzle according to claim 1, characterized in that spaced from the inner tube ( 2 ) as a first inner tube ( 2 ) a second inner tube ( 14 ) is arranged and that the gap formed by the distance ( 15 ) another channel ( 15 ) for supplying at least one further reactant ( 16 ) in the reaction space ( 6 ). Düse nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Innenrohr (14) mit unmittelbaren Kontakt im Innenrohr (2) als erstes Innenrohr (2) angeordnet ist, – dass an der Berührungsfläche (23) zwischen erstem Innenrohr (2) und zweitem Innenrohr (14) mindestens ein weiterer Kanal (15) zur Zufuhr wenigstens eines weiteren Reaktanden (16) in den Reaktionsraum (6) angeordnet ist, – dass der Düsenschaft (11) wenigstens eine Eintrittsöffnung (17) zur Zufuhr des weiteren Reaktanden (16) aufweist und – dass der Düsenmund (4) an der Stirnfläche (5) wenigstens eine Austrittsöffnung (18) für den Austritt des weiteren Reaktanden (16) in den Reaktionsraum (6) besitzt.Nozzle according to claim 1, characterized in that a second inner tube ( 14 ) with direct contact in the inner tube ( 2 ) as the first inner tube ( 2 ) is arranged, - that at the contact surface ( 23 ) between the first inner tube ( 2 ) and second inner tube ( 14 ) at least one further channel ( 15 ) for supplying at least one further reactant ( 16 ) in the reaction space ( 6 ) is arranged, - that the nozzle shaft ( 11 ) at least one inlet opening ( 17 ) for the supply of the further reactant ( 16 ) and - that the nozzle mouth ( 4 ) at the end face ( 5 ) at least one outlet opening ( 18 ) for the exit of the further reactant ( 16 ) in the reaction space ( 6 ) owns. Düse nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beabstandet zum Innenrohr (2) als ein erstes Innenrohr (2) ein zweites Innenrohr (14) angeordnet ist, – dass der durch den Abstand gebildete Zwischenraum (15) ein weiterer Kanal (15) zur Zufuhr wenigstens eines weiteren Reaktanden (16) in den Reaktionsraum (6) ist, – dass sich im zweiten Innenrohr (14) ein drittes Innenrohr (20) in unmittelbarem Kontakt zum zweiten Innenrohr (14) befindet, – dass an der Berührungsfläche (21) zwischen zweitem Innenrohr (14) und drittem Innenrohr (20) mindestens ein weiterer Kühlkanal (22) angeordnet ist, – dass der Düsenschaft (11) Eintrittsöffnungen zur Zufuhr der Reaktanden und Kühlmittel aufweist und – dass der Düsenmund (4) an der Stirnfläche (5) wenigstens eine Austrittsöffnung (18) für den Austritt des weiteren Reaktanden (16) in den Reaktionsraum (6) besitzt.Nozzle according to claim 1, characterized in that spaced from the inner tube ( 2 ) as a first inner tube ( 2 ) a second inner tube ( 14 ), - that the gap formed by the distance ( 15 ) another channel ( 15 ) for supplying at least one further reactant ( 16 ) in the reaction space ( 6 ), - that in the second inner tube ( 14 ) a third inner tube ( 20 ) in direct contact with the second inner tube ( 14 ), that at the contact surface ( 21 ) between the second inner tube ( 14 ) and third inner tube ( 20 ) at least one further cooling channel ( 22 ) is arranged, - that the nozzle shaft ( 11 ) Has inlet openings for the supply of reactants and coolant and - that the nozzle mouth ( 4 ) at the end face ( 5 ) at least one outlet opening ( 18 ) for the exit of the further reactant ( 16 ) in the reaction space ( 6 ) owns. Düse nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Kühlkanal (22) wenigstens eine schraubenförmig verlaufende Nut ist.Nozzle according to claim 4, characterized in that the further cooling channel ( 22 ) is at least one helical groove. Düse nach wenigstens einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse wenigstens einen Temperatursensor (19) aufweist.Nozzle according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that the nozzle has at least one temperature sensor ( 19 ) having. Düse nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (19) oder beabstandet zueinander angeordnete Temperatursensoren ein Maß für eine bestimmte Länge oder für die Länge der Düse ist oder sind, wobei das Maß durch die Position des Temperatursensors (19) oder der Temperatursensoren und das jeweilige Vorhandensein des wenigstens einen Temperatursensors bestimmt ist.Nozzle according to claim 6, characterized in that the temperature sensor ( 19 ) or spaced from each other temperature sensors is or is a measure of a certain length or for the length of the nozzle, wherein the measure by the position of the temperature sensor ( 19 ) or the temperature sensors and the respective presence of the at least one temperature sensor is determined.
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