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Die Erfindung betrifft einen Drallkörper zur Erzeugung tangentialer Geschwindigkeitskomponenten senkrecht zur Strömungsrichtung in einem Fluidstrom innerhalb eines Rohres oder Ringkanals, wobei der Drallkörper einen zentralen zylindrischen Führungskörper und über den Umfang des Führungskörpers gleichmäßig verteilte, fest angeordnete Leitschaufeln aufweist, die sich im Fluidstrom radial nach außen bis zu einer Innenwand des Rohres oder Ringkanals erstrecken und in Strömungsrichtung gekrümmt sind.
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Daneben betrifft die Erfindung einen Brenner, der zumindest einen solchen Drallkörper enthält.
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Derartige Brenner und Drallkörper werden beispielsweise für die Vergasung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen zur Herstellung von Synthesegas verwendet. Bei der Teiloxidation von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen mit einem sauerstoffhaltigen Gas in außen mischenden Brennern, d. h. in Brennern, in denen der Brennstoff und das sauerstoffhaltige Gas nicht vorgemischt, sondern getrennt in eine Mischzone geführt und dort gezündet werden, ist es wichtig, eine intensive Durchmischung des sauerstoffhaltigen Gases und des Brennstoffes zu erreichen, um die chemische Teiloxidationsreaktion zwischen den Reaktionspartnern zu beschleunigen und eine maximale Ausbeute an Synthesegas zu erzielen.
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Eine intensive Mischung von Brennstoff und Oxidationsmittel in der Flammenzone kann beispielsweise bei flüssigen Brennstoffen durch Zerstäubung mit hohem Druck und geringen Tropfengrößen erzielt werden. Bei einer Vergasung von trockenem Kohlenstaub, der mit Hilfe eines Trägergases zum Brenner gefördert wird, führt eine Erhöhung des Trägergasdruckes zu einer unerwünschten Zunahme des abrasiven Verschleißes am Brennermund durch die Schleifwirkung des Kohlestaubes. Daher wird bei der Kohlevergasung ein anderer Weg gewählt, nämlich die Intensivierung der Vermischung der Reaktionspartner durch Turbulenzerhöhung und Strahlaufspreizung mit Hilfe eines Drallkörpers in der Oxidationsmittelzuführung am Brennermund. Dem axialen Oxidationsmittelstrom wird dabei eine Drallströmung aufgeprägt, die für einen hohen Grad an interner und externer Rezirkulation von Verbrennungsprodukten sorgt und somit für eine hohe Verbrennungsintensität.
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Aus dem steilen Geschwindigkeitsgradienten im Übergangsbereich zwischen der Vorwärts- und der Rückströmung resultieren intensive Turbulenzen, die die chemische Reaktion zwischen dem Brennstoff und dem sauerstoffhaltigen Gas begünstigen.
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In der
DE 10 2010 006 868 A1 sind Mittel zur Erzeugung einer Drallströmung in einem zentralen Zuführkanal für Sauerstoff und zusätzlich auch in einem Ringkanal für Brenngas beschrieben und in Gestalt eines zentralen Führungskörpers mit einem Leitschaufelkranz im Sauerstoffkanal und als Leitschaufelkranz im Brenngaskanal dargestellt. Die geraden Leitschaufeln sind gegen die Strömungsrichtung geneigt. Die Mittel zur Erzeugung der Drallströmung sollen auch verstellbar sein. Wie dies realisiert werden soll, ist nicht beschrieben. Nachteilig an den offenbarten Leitschaufeln ist, dass sie starke Sekundärwirbel verursachen. Bei zu starkem Drehimpuls des sauerstoffhaltigen Gases nimmt die Rückströmung der heißen Verbrennungsprodukte zurück zur Brennermündung zu, was zur Aufheizung und Zerstörung der Brennermündung führt.
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Es kommt daher darauf an, den Drallstromanteil für jeden Brenner und jeden Brennstoff durch entsprechende Anpassungen des Drallkörpers zu optimieren.
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Die
EP 1 221 572 B1 offenbart derartige Anpassungsmittel. In einem zentralen Zuführrohr für das Oxidationsmittel ist ein zylindrischer Leitkörper mit gerundeter Anströmseite und in einem spitzen Winkel auslaufender Abströmseite angeordnet. Am Umfang des unteren Abschnittes des Leitkörpers sind radial gerichtete innere Drallflügel angeordnet. Die Flügel sind mit Toleranz für thermische Expansion im Leitkörper mit Hilfe von Schlitzen und Zungen im Zuführrohr fixiert. Der Leitkörper weist in einer Ausführungsform eine zentrale Bohrung für einen axialen Strömungsanteil des Oxidationsmittels auf, wodurch gleichzeitig auch der Druckverlust durch den Leitkörper bei annähernd gleicher Drallwirkung reduzierbar ist. In Abhängigkeit vom Durchmesser der zentralen Durchgangsbohrung wird somit der axiale Strömungsanteil beeinflusst, der dazu beiträgt, dass der Rückstromanteil heißer Reaktionsgase zum Brennermund vermindert wird.
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Nachteilig an der vorgeschlagenen Anordnung ist der hohe Fertigungs- und Montageaufwand für die Drallflügel. Die inneren Drallflügel werden durch Bearbeitung der äußeren Oberfläche des zentralen Leitkörpers geformt. Jeder Drallflügel muss einzeln über eine formschlüssige Zungen-Schlitz-Verbindung im Strömungskanal fixiert werden.
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In der Vergangenheit wurde auch eine Anordnung eines Drallkörpers im Brennstoffkanal vorgeschlagen. Aus der
DE 200 01 421 U1 ist ein Brenner für die Vergasung von flüssigen Brenn-, Rest- und Abfallstoffen bekannt, der als alternativ einsetzbare Mittel zur Dispergierung der Brennflüssigkeit Drallkörper, Freistrahldüse oder Venturidüse enthält, wobei der Brennflüssigkeitskanal jeweils eine Durchmesserreduzierung aufweisen soll und der Oxidationsmittelkanal um den Flüssigkeitskanal konzentrisch angeordnet ist. Nachteilig ist der hohe Verschleiß des Drallkörpers im Brennstoffstrom, wenn dieser Feststoffe enthält.
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Im Hinblick auf eine Verbesserung der Kühlung des Vergasungsbrenners wird in der
EP 2 743 579 A1 vorgeschlagen, die gesamte Brennerspitze einschließlich Drallschaufeln einstückig auszubilden und mittels selektivem Lasersintern (Laser-Cusing, selective laser melting) durch schichtweises Aufschmelzen einer Metalllegierung herzustellen. Damit sollen an der Brennerspitze dünnwandige, mit Kühlwasser durchströmbare Hohlraumstrukturen geschaffen werden, die eine gemeinsame Kühlung der Zuführkanäle und der Drallschaufeln gestatten. Nachteilig ist, dass eine Anpassung des Brennermundes an wechselnde Brennstoffe oder die Optimierung der Strömungsverhältnisse nur durch aufwendige Herstellung neuer kompletter Brennerspitzen möglich ist. Ein Austausch einzelner verschlissener Teile ist nicht möglich. Bedingt durch das Herstellungsverfahren ist auch eine Auswahl des jeweils optimal geeigneten Werkstoffes für jedes einzelne Brennerelement nicht möglich.
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Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ausgehend von den Nachteilen des relevanten Standes der Technik einen Drallkörper und ein Herstellungsverfahren zu schaffen, der strömungsmechanische Vorteile aufweist, einfach an verschiedene Brennstoffe und Brenner- und Prozessbedingungen anpassbar und leicht austauschbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Drallkörper der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des ersten Anspruchs und einen Brenner nach Anspruch 7 sowie durch ein Herstellungsverfahren nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der vorgeschlagene Drallkörper besitzt Leitschaufeln, die einen zentralen zylindrischen Leit- bzw. Führungskörper in Strömungsrichtung wendelartig umgeben und dabei einen progressiven Neigungswinkel zur Strömungsrichtung aufweisen, wobei der Neigungswinkel der Leitschaufeln an einer Anströmseite gleich Null ist und auf einer Abströmseite ein Maximum besitzt.
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Unter Strömungsrichtung wird die axiale Hauptströmungsrichtung längs zur Rohrachse verstanden.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass ein Drallkörper mit progressiver Leitschaufelneigung im Gegensatz zu den bekannten gerade und eben ausgeführten Leitschaufeln einen minimalen Strömungswiderstand aufweist und aufgrund der kontinuierlichen Gasstromumlenkung an der zunehmenden Neigung der Leitschaufelflächen weniger unerwünschte Turbulenzen bei der Drallerzeugung entstehen lässt. Dieser strömungsmechanische Vorteil kann entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform, welche eine zentrale Prallspitze an der Anströmseite des Führungskörpers aufweist, noch verstärkt werden. Eine bevorzugte Ausführungsform des Drallkörpers besitzt ein Länge-Durchmesser-Verhältnis von größer als 1, bezogen auf die Maße der um den Führungskörper angeordneten Leitschaufeln.
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Die universell einsetzbare Grundform des Drallkörpers mit der optionalen Prallspitze und einem ebenso optionalen zentralen axialen Hohlraum (im Folgenden auch als axiale Bohrung bezeichnet) des Führungskörpers, ermöglicht eine optimale Anpassung an unterschiedliche Einsatzfälle ohne konstruktive Änderungen. Ist der Drallkörper beispielsweise nur für die Drallerzeugung vorgesehen, so bewirkt die an der Anströmseite angeordnete zentrale Prallspitze eine wirbelarme Umströmung des Leitkörpers. Ist es gewünscht, Prozesskontrollmittel, wie beispielsweise Strömungssensoren, Flammenwächter, oder Signalübertragungseinrichtungen, im Fluidstrom anzuordnen, so bietet der rohrförmige Leitkörper in seiner axialen Bohrung die Möglichkeit zur Aufnahme der dazu erforderlichen Einrichtungen. Sollte es dazu erforderlich sein, dass die axiale Bohrung von beiden Seiten offen und zugänglich ist, kann die Prallspitze abgetrennt oder mittels geeigneter lösbarer Haltemittel entfernt werden oder der Drallkörper bereits bei seiner Fertigung ohne die Prallspitze hergestellt werden.
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Die erfindungsgemäße Gestaltung des Drallkörpers zur flexiblen Anpassung an seinen Einsatzzweck wird durch das besondere Herstellungsverfahren ermöglicht, das auf dem Verfahren des selektiven Lasersinterns beruht und eine wirtschaftliche Fertigung von Leitschaufeln mit progressivem Neigungswinkel ermöglicht. Der in Strömungsrichtung progressive Neigungswinkel der Leitschaufeln bietet neben der turbulenzarmen Strömungsumlenkung einen entscheidenden Zusatzvorteil bei der Anpassung des Dralls an die konkreten Einbaubedingungen und Medieneigenschaften. Durch einfaches Verkürzen des Drallkörpers auf der Abströmseite sind unterschiedliche Maximalwerte für die Neigungswinkel und damit verschiedene Drallströmungsintensitäten an der Abströmseite der Leitschaufeln herstellbar. Sollte der Drallstromanteil beispielsweise zu hoch sein, so dass der aus dem Brenner austretende Fluidstrom nach Verlassen der Brennermündung zu stark aufspreizt, ist es leicht möglich, die hinteren Leitschaufelabschnitte mit dem maximalen Neigungswinkel auf der Abströmseite abzutrennen, so dass die Rotationskomponente im austretenden Fluidstrom abgeschwächt wird. Mit dem Abtrennen von Endabschnitten der Leitschaufeln mit hohem Neigungswinkel ist natürlich nur eine Drallreduzierung möglich. Jedenfalls bietet die vorgeschlagene Lösung die Möglichkeit, eine Grundform des Drallkörpers mit maximalem Neigungswinkel der Leitschaufeln durch einfache mechanische Nachbearbeitungsschritte an die konkreten Strömungsbedingungen und Fluideigenschaften im Vergasungsprozess anzupassen.
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Ebenso einfach ist die Verkürzung des Drallkörpers und ebenso eine Verlängerung bereits bei der Festlegung des 3D-Modells für das Lasersintern realisierbar, ohne dass die Gesamtgeometrie des Drallkörpers geändert werden muss.
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Der Drallkörper ist nicht nur einfach in der Herstellung, sondern auch auf einfachste Weise in einem Gaskanal oder einem Rohr oder Ringkanal eines Brenners fixierbar und leicht austauschbar, indem der Drallkörper mit seiner zum Rohr oder Kanal korrespondierenden, beispielsweise zylinderförmigen, Außenkontur in den Strömungskanal bzw. ein Rohr einschiebbar ausgebildet ist. Weisen mehrere, bevorzugt alle Leitschaufeln entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform des Drallkörpers jeweils einen Abschnitt mit einem ersten Durchmesser und einen, in axialer Strömungsrichtung betrachtet, unmittelbar nachfolgendem Abschnitt mit einem zweiten, im Vergleich zum ersten, geringeren Durchmesser auf, können die auf diese Weise an den freien Außenkanten gebildeten Rücksprünge für eine Positionierung des Drallkörpers in einem Rohr genutzt werden. Indem die Rücksprünge in der beschriebenen Richtung ausgebildet sind, ist mit diesen auch eine Fixierung des Drallkörpers im Rohr bzw. Kanal möglich, wenn diese Rücksprünge, wie unten zum Brenner im Detail beschrieben, durch das ansströmende Medium gegen eine Querschnittsverengung im Rohr bzw. Kanal gepresst wird.
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Die Positionierung des Drallkörpers kann somit mittels einer Auflagefläche realisiert werden, die durch je einen Rücksprung an mehreren Leitschaufeln, welche alle in einer Ebene liegen, gebildet wird. Diese kann auf eine korrespondierend Auflagerfläche in der inneren Mantelfläche des Rohres oder Kanals lose aufgelegt werden. Alternativ kann der Drallkörper mit den äußeren Abschnitten der Stirnflächen auf der Abströmseite der Leitschaufeln auf einer in Strömungsrichtung angeordneten Querschnittsverengung des Kanals bzw. Rohres lose gelagert sein. In beiden Fällen ist mittels der Strömung eine Kraft erzeugbar, welche den Drallkörper auf der entsprechenden Fläche im Rohr bzw. Kanal, gegebenenfalls auch mit Hilfe der Schwerkraft, fixiert.
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Die auf die Leitschaufeln des Drallkörpers wirkenden tangentialen Reaktionskräfte der Fluidströmung sind beispielsweise durch wenigstens einen fest an der Innenwand des Rohres oder Ringkanals angeordneten Drehanschlag für wenigstens eine der Leitschaufeln aufnehmbar. Die erfindungsgemäße Positionierung und Fixierung des Drallkörpers in einem Brenner gestattet dessen Austausch bei Verschleiß oder für eine mechanische Bearbeitung auf einfache Weise und zu jeder Zeit, da er nicht fest mit dem Brennerrohr verbunden ist. Axiale und tangentiale Kräfte werden durch entsprechende Anschläge aufgenommen. Es genügt ein Herausziehen des eingeschobenen Drallkörpers aus dem Rohr.
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Obwohl ein derartiger Drallkörper für eine Vielzahl von Strömungsleit- oder Mischaufgaben einsetzbar ist, ist er besonders geeignet für die Erzeugung einer Drallkomponente im Oxidationsmittelstrom eines Vergasungsbrenners für die Teiloxidation von Kohle zur Synthesegasgewinnung. In einem vorzugsweise senkrecht angeordneten Drallbrenner befindet sich der Drallkörper in einem Zentralrohr des Brenners für das sauerstoffhaltige Gas. Darüber hinaus kann ein Drallkörper auch zusätzlich oder alternativ in einem den Zentralkanal konzentrisch umgebenden Ringkanal für ein weiteres Medium, beispielsweise Kohlestaub, der in einem inerten Trägergasstrom zum Brenner transportiert wird, angeordnet sein. Der Drallkörper für einen Ringkanal weist einen rohrförmigen Leitkörper auf, der entweder in vorteilhafter Weise einen Abschnitt einer Rohrwand oder einer Ringkanalwand bildet oder auf eine Rohrwand aufschiebbar ist und diese dann konzentrisch umschließt.
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Im Folgenden soll die Erfindung deshalb am Beispiel eines Drallkörpers für einen Gasstrom in einem Rohr eines Vergasungsbrenners für Kohlestaub erläutert werden. Die dazugehörigen Zeichnungen stellen dabei dar:
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1: Darstellung eines Drallkörpers mit Prallspitze im aufgeschnittenen Rohr,
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2: Ansicht eines Drallkörpers ohne Prallspitze in Strömungsrichtung und
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3: 3D-Darstellung eines Drallkörpers
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Bei dem Vergasungsbrenner handelt es sich beispielsweise um einen zweikanaligen Brenner für die Zufuhr eines Oxidationsmittels in einem inneren und für die Zufuhr des Brennstoffs in einem äußeren Kanal. Ein solcher Brenner ist üblicherweise im Außenmantel eines Vergasungsreaktors zur Vergasung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen zur Herstellung von Synthesegas angeordnet und weist zumindest einen zentralen inneren Kanal (Rohr 9) für einen ersten Fluidstrom, insbesondere für ein Sauerstoff enthaltendes Oxidationsmittel, und zumindest einen das zentrale Rohr 9 konzentrisch umgebenden Ringkanal (nicht dargestellt) für einen zweiten Fluidstrom, insbesondere für die pneumatische Zufuhr von Kohlestaub, auf.
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Wie in 1 dargestellt, ist im Rohr 9 ein Drallkörper zur Erzeugung tangentialer Geschwindigkeitskomponenten senkrecht zur axialen Strömungsrichtung angeordnet. Der Drallkörper umfasst einen zentralen zylindrischen Führungskörper 1 und über den Umfang des Führungskörpers 1 gleichmäßig verteilte, fest angeordnete Leitschaufeln 2, die sich im Fluidstrom radial nach außen bis zu einer Innenwand des zentralen axialen Rohres 9 erstrecken. Ein minimales Spaltmaß zwischen den Außenkanten 6 der Leitschaufeln 2 und der Innenfläche des Rohres 9 ist für die Montage des Drallkörpers erforderlich. Die im Ausführungsbeispiel zylindrische äußere Kontur der Leitschaufeln 2 ist für den Einschub des Drallkörpers in ein Rohr vorgesehen. Abweichungen in der Außenkontur, zum Beispiel zusätzliche Vorsprünge als Drehsicherung, die mit Längsnuten im Rohr zusammenwirken, sind aufgrund des flexiblen Fertigungsverfahrens ebenso realisierbar.
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Die Leitschaufeln 2 sind in Strömungsrichtung gekrümmt und umgeben den zentralen Führungskörper 1 in Strömungsrichtung spiralförmig und weisen dabei einen progressiven Neigungswinkel zur Strömungsrichtung auf, wobei der Neigungswinkel der Leitschaufeln 2 an der Anströmseite 5 gleich Null ist und auf der Abströmseite 7 sein Maximum erreicht. Im Anströmbereich sind die Leitschaufeln 2 somit parallel zur bzw. in Strömungsrichtung ausgerichtet und weisen in Strömungsrichtung eine zunehmende Krümmung auf. Auf der Abströmseite 7 sind die Leitschaufeln 2 mit maximalem Neigungswinkel schräg gegen die Axialströmung gestellt (3).
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Der Führungskörper 1 weist auf seiner Anströmseite eine zentrale Prallspitze 3 mit strömungstechnisch optimaler Kontur auf, die den Fluidstrom um den Führungskörper 1 herum leitet. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Führungskörper 1 ohne Prallspitze 3 als Rohrstück ausgebildet, indem er eine zentrale durchgehende axiale Bohrung 4 aufweist (2), die vom Fluidstrom durchströmbar oder für die Aufnahme von Prozesskontrollmitteln, beispielsweise Strömungssensoren, Flammenwächter oder Signalübertragungseinrichtungen, geeignet ist.
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Eine flexibel anpassbare Lösung stellt die Gestaltung des Führungskörpers 1 mit einer Prallspitze 3 und mit einer zentralen axialen Bohrung 4 dar. Es ist dadurch möglich, eine Grundform des Drallkörpers für die Einsatzfälle, in denen eine Prallspitze 3 vorteilhaft ist und auch für diejenigen Einsatzfälle, bei denen nach einem Abtrennen der Prallspitze 3 die zentrale axiale Bohrung 4 beiderseitig offen ist, bereitzustellen.
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Der Drallkörper ist zu seiner axialen Fixierung mit den Stirnflächen auf der Abströmseite 5 der Leitschaufeln 2 auf einer Querschnittsverengung 10 des Rohres 9 lose gelagert. Eine andere Möglichkeit der axialen Befestigung besteht darin, die Leitschaufeln 2 an ihren Außenkanten 6 jeweils nur in einem der Anströmseite zugewandten, ersten Abschnitt 8 gemäß den 1 bis 3 mit dem größeren Durchmesser des Rohres vor der Querschnittsverengung 10 zu fertigen und den Drallkörper mit diesen so gebildeten Rücksprüngen 12 in den Außenkanten 6 der Leitschaufeln 2 auf der Querschnittsverengung 10 des Rohres 9 lose zu lagern (1).
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Die Querschnittsverengung 10 im Rohr 9, die in gleicher Weise auch in einem Ringkanal auszubilden ist, kann eine umlaufende Durchmesserabstufung sein oder auch nur aus einzelnen Erhebungen an der Innenwand des Strömungskanals gebildet sein, auf denen sich die Leitschaufeln 2 abstützen. Damit ein verschlissener Drallkörper auf einfache Weise ausgetauscht werden kann, ist der Außendurchmesser der Leitschaufeln 2 mit einer Passungstoleranz kleiner als der Innendurchmesser des Rohres 9 oder Ringkanals zu wählen.
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Wenigstens ein fest an der Innenwand des Rohres 9 oder Ringkanals angeordneter Drehanschlag 11 für eine der Leitschaufeln 2 dient als Drehsicherung. Er ist vorzugsweise im größeren Rohrquerschnitt angeordnet und kann beispielsweise ein in 2 dargestellter Zylinderstift sein, der durch eine radiale Bohrung in der Rohrwand wenige Millimeter in den freien Querschnitt des Rohres 9 hineinragt und den Drallkörper gegen Verdrehung sichert.
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Die wirtschaftliche Herstellung von Drallkörpern mit Leitschaufeln 2, die eine progressive Krümmung aufweisen, erfordert ein besonderes Herstellungsverfahren. Bei einem spanenden Formgebungsverfahren wäre der Fertigungsaufwand zu hoch. Für die Herstellung von Kleinserien empfiehlt sich das Verfahren des selektiven Lasersinterns, auch als Laser-Cusing oder kurz SLS-Metall bezeichnet. Beim SLS entstehen aus 3D-Daten des Drallkörpers (3) in nur einem Fertigungsschritt komplexe Funktionsteile aus Metall. Dabei wird ein pulverisiertes Metall in dünnen Schichten aufgetragen und von einem Laser konturgebend verschmolzen. Der Körper entsteht dann Schicht für Schicht in der vom 3D-Modell vorgegebenen Geometrie. Als geeignete Metalle für das SLS kommen beispielsweise Aluminium, Stahl, Titan oder Nickelbasislegierungen in Frage, wobei eine Nickel-Chrom-Legierung für die hier vorgeschlagene Lösung besonders geeignet erscheint. Der Drallkörper wird abschließend zumindest an den Außenkanten 6 der Leitschaufeln 2 überschliffen, um die gewünschten Toleranzmaße zum ebenfalls bearbeiteten Rohr 9 zu gewährleisten.
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Beim Einbau des Drallkörpers in einen Ringkanal eines Brenners, d.h. in den Ringspalt zwischen einem inneren Rohr 9 und einem konzentrischen äußeren Rohr, kann der Führungskörper 1 so dimensioniert sein, dass er mit seinem Innendurchmesser den Außendurchmesser des Rohres 9 mit einer Toleranz zur Kompensation von unterschiedlichen thermischen Materialeigenschaften geringfügig überschreitet und somit auf das Rohr 9 aufschiebbar ist. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Innen- und Außendurchmesser des Führungskörpers 1 an den Innen- und Außendurchmesser des inneren Rohres 9 anzugleichen und den Führungskörper 1 koaxial an seinen Stirnseiten mit dem Rohr 9 zu verbinden, beispielsweise zu verschweißen, so dass der Führungskörper 1 einen Abschnitt einer Wand des Rohres 9 bildet.
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Zur Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung:
Die beiden Medienströme Oxidationsmittel und Brennstaub und ggf. weitere gasförmige Medien werden innerhalb des Brenners im zentralen Rohr 9 und in konzentrischen Ringkanälen axial zum Brennermund gefördert und reagieren in einer Flammenzone miteinander, wobei der zugeführte Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid teiloxidiert wird.
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Durch den vor dem Brennermund im zentralen Rohr 9 angeordneten Drallkörper wird im axialen Oxidationsmittel- bzw. Sauerstoffstrom eine Drallströmung induziert, d. h. der Gasstrom weist beim Austritt aus dem Brenner neben der ursprünglichen im wesentlichen axialen Bewegungskomponente auch eine Drehbewegungskomponente um ihre Hauptströmungsrichtung auf. Der Drallstromanteil führt nach dem Austritt aus dem Brennermund aufgrund der Rotationskräfte zu einer Strahlaufweitung des zentralen Sauerstoffstromes und zu verstärkten Turbulenzen in dem aus einem konzentrischen Ringkanal austretenden Kohlestaub-Trägergas-Strom. Beides vergrößert die Kontaktfläche zwischen den Gasströmen und führt zu einem intensiven radialen Massenaustausch und somit zu einer schnellen Mischung.
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Eine effektive Durchmischung wird erfahrungsgemäß bei einem Verhältnis von Drallkörperlänge zu Leitschaufeldurchmesser größer als 1 und mit einem Neigungswinkel der Leitschaufeln 2 auf der Abströmseite 7 zwischen 20° und 45° erhalten.
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Aufgrund der progressiven Krümmung der Leitschaufeln 2 trifft die Fluidströmung auf der Anströmseite 5 zunächst auf die Prallspitze 3 und wird von ihr nach außen auf die in Strömungsrichtung ausgerichteten Vorderkanten der Leitschaufeln 2 gelenkt. Der Fluidstrom wird dann unter kontinuierlicher Winkeländerung entlang der gekrümmten Leitschaufeln 2 bis zu deren Abströmseite 7 geleitet und erhält dabei die vorgesehene Rotationskomponente (Drall).
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Die infolge der Strömungsumlenkung auf den Drallkörper wirkenden tangentialen Reaktionskräfte werden durch den fest an der Innenwand des Rohres 9 oder Ringkanals angeordneten Drehanschlag 11 aufgenommen und in die Rohrwand abgeleitet.
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Die turbulenzmindernde Funktion der Prallspitze 3 bei der Anströmung des Führungskörpers 1 ist aus dem bekannten Stand der Technik bekannt. Das vorgeschlagene Fertigungsverfahren bietet jedoch die Möglichkeit, den Drallkörper ohne fertigungstechnischen Mehraufwand in verschiedenen Varianten (mit/ohne Prallspitze 3, Führungskörper 1 als Vollzylinder/Hohlzylinder) herzustellen. Beispielsweise kann dem Leitkörper 1 in einer flexibel einsetzbaren Variante eine Prallspitze 3 vorgeordnet sein und der Leitkörper 1 ist gleichzeitig als Hohlzylinder ausgebildet.
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Für die Nutzung des Führungskörpers 1 zur Aufnahme von Prozesskontrollmitteln kann es vorteilhaft sein, die Prallspitze 3 abzutrennen, so dass die zentrale axiale Bohrung dann beiderseitig offen und für Einbauten, z.B. für die nachträgliche Installation eines Flammenwächters, zugänglich ist. Der Bohrungsdurchmesser ist aufgrund des flexiblen Herstellungsverfahrens variabel und an die einzubauenden Vorrichtungen anpassbar. Selbst Aussparungen oder Erhebungen innerhalb der Bohrung 4 zur Fixierung der einzubauenden Vorrichtungen sind mittels Lasersinterns realisierbar.
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Es ist ebenso möglich, den Führungskörper 1 für weitere Zwecke zu benutzen oder ohne jegliche Einbauten mit offener Bohrung 4 nur für die Verstärkung der axialen Strömungskomponente zu verwenden. Ist der Führungskörper 1 mit der mittleren Bohrung 4 koaxial zur Brennerachse als Rohrstück ausgebildet, durchströmt der zentrale Gasstrom den Drallkörper ohne Beeinflussung seiner axialen Strömungsrichtung, im äußeren Gasstrom wird dagegen durch die Leitschaufeln 2 unverändert ein Drall eingeprägt. Die heiße Reaktionszone der Brennerflamme wird durch den höheren Axialstromanteil vom Brennermund weg verlagert, jedoch unter Beibehaltung der Rotation des Reaktionsgases um die Brennerachse. Durch den größeren Abstand der Flammenzone vom Brennermund ist die thermische Belastung des Werkstoffes nicht so hoch und der Verschleiß am Brennermund kann reduziert werden.
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Da der Fluidstrom im Unterschied zum Stand der Technik nicht auf konstant geneigte ebene Leitflächen trifft, sondern stetig aus seiner axialen Strömungsrichtung in eine spiralförmige Strömung umgelenkt wird, verursacht der vorgeschlagene Drallkörper kaum Wirbel auf der Anströmseite 5 und damit nur geringe Druckverluste und der Verschleiß an den Leitschaufeln 2 ist entsprechend reduziert. Im Ergebnis von entsprechenden Untersuchungen hat sich gezeigt, dass die axiale Abmessung des Drallkörpers und damit die Leitschaufellänge größer sein sollte als dessen radiale Ausdehnung, um eine optimale Dralleinprägung in das strömende Medium zu bewirken.
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Aufgrund der progressiven Krümmung der Leitschaufeln 2 ist es weiterhin auf einfache Weise möglich, die vom Drallkörper erzeugte Drallströmungskomponente im praktischen Einsatz an die konkreten lokalen Bedingungen anzupassen, indem wie oben beschrieben unterschiedliche Neigungswinkel der Leitschaufeln 2 zur axialen Strömungsrichtung an der Abströmseite 7 durch Verkürzen des Drallkörpers und der Leitschaufeln 2 herstellbar sind. Voraussetzung dafür ist ein Mindestmaß für die Länge des Drallkörpers, die über dem Leitschaufeldurchmesser liegen sollte.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Führungskörper
- 2
- Leitschaufeln
- 3
- Prallspitze
- 4
- Bohrung
- 5
- Anströmseite
- 6
- Außenkante
- 7
- Abströmseite
- 8
- Abschnitt der Außenkante mit größerem Durchmesser
- 9
- Rohr
- 10
- Querschnittsverengung
- 11
- Drehanschlag
- 12
- Rücksprung
- M
- Strömungsrichtung
- d1
- erster Durchmesser
- d2
- zweiter Durchmesser
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010006868 A1 [0006]
- EP 1221572 B1 [0008]
- DE 20001421 U1 [0010]
- EP 2743579 A1 [0011]
