DE102015202579A1 - Thin-walled, intensively cooled burner tip with water cooling - Google Patents

Thin-walled, intensively cooled burner tip with water cooling Download PDF

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Christoph Kiener
Frank Hannemann
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/20—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone
    • F23D14/22—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone with separate air and gas feed ducts, e.g. with ducts running parallel or crossing each other
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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Abstract

Es wird eine Brennerspitze für einen Brenner zur Verbrennung aber auch Vergasung unter Drücken bis 10 MPa von fossilen Brennstoffen vorgeschlagen, die einstückig unter Anwendung eines additiven Herstellungsverfahrens, wie zum Beispiel des Selective Laser Melting(SLM)-Verfahrens, hergestellt ist. Die erfindungsgemäße Brennerspitze weist insgesamt eine Gestaltung von dünnwandiger Brennerspitzenwand, Kanalformgebung für das Kühlmittel, hohe Anzahl von Stegen, die im Bereich der Brennerspitzenwand dünnwandig sind, und eine Abstützung auf einem stabilen Innenteil auf, wodurch eine neue Qualität aus verbesserten Kühleigenschaften, erhöhter Festigkeit der Brennerspitze und Minimierung der Menge an Material erreicht ist.There is proposed a burner tip for a burner for combustion but also gasification under pressures up to 10 MPa of fossil fuels, which is manufactured in one piece using an additive manufacturing method such as the Selective Laser Melting (SLM) method. The torch tip of the present invention has an overall design of thin-walled torch tip wall, channel shape for the coolant, high number of lands thin-walled in the region of the torch tip wall, and support on a sturdy interior, resulting in a new quality of improved cooling properties, increased burner tip strength and minimizing the amount of material is achieved.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennerspitze und einen mit einer solchen Brennerspitze ausgerüsteten Brenner zur thermochemischen Umwandlung fossiler Brennstoffe unter Drücken bis 10 MPa, bei denen ein äußeres rinnenförmiges Gebilde mit U-förmigem Querschnitt, das zu einem Ring geschlossen ist, bei denen ein inneres rinnenförmiges Gebilde mit u-förmigem Querschnitt, das zu einem Ring geschlossen ist und das in das äußere Gebilde eingepasst ist, bei denen zwischen dem äußeren Gebilde und dem inneren Gebilde eine Vielzahl von durchgehenden Stegen angeordnet sind und bei denen zwischen dem äußeren Gebilde (1), dem inneren Gebilde und den Stegen Kühlkanäle zur Führung eines Kühlmediums gebildet sind. The invention relates to a burner tip and equipped with such a burner tip burner for the thermochemical conversion of fossil fuels under pressures up to 10 MPa, in which an outer channel-shaped structure having a U-shaped cross-section, which is closed in a ring in which an inner trough-shaped structure with U-shaped cross-section, which is closed into a ring and which is fitted into the outer structure, in which between the outer structure and the inner structure a plurality of continuous webs are arranged and in which between the outer structure ( 1 ), the inner structure and the webs cooling channels for guiding a cooling medium are formed.

Brenner in thermochemischen Umwandlungsprozessen sind hohen thermischen Belastungen durch Strahlung und Konvektion ausgesetzt und verfügen daher oft nur über eine begrenzte Lebensdauer. Der Wärmeeintrag ist so groß, dass nur durch eine Kühlung, beispielsweise mit Wasser als Kühlmedium, die Brennerspitze in einem Zustand gehalten werden kann, in dem das Bauteil die umgebenden Prozessbedingungen unbeschadet verträgt. Burners in thermochemical conversion processes are exposed to high thermal loads by radiation and convection and therefore often have only a limited life. The heat input is so great that only by cooling, for example with water as the cooling medium, the burner tip can be maintained in a state in which the component tolerates the surrounding process conditions without prejudice.

Um im Falle von Rissen oder des Bruchs der wassergekühlten Bauteile inhärent sicher gegen Austritt von heißem Prozessmedium zu sein, wird das Kühlwasser unter leicht höherem Druck durch den Brenner gefördert. Dadurch tritt im Schadensfall Wasser in den Prozessraum ein, und nicht Prozessgas in den Brenner. In order to be inherently safe against leakage of hot process media in the event of cracks or breakage of the water-cooled components, the cooling water is conveyed through the burner at slightly higher pressure. As a result, water enters the process space in the event of damage and not process gas into the burner.

Auch wenn im Regelbetrieb des Brenners nur ein kleiner statischen Differenzdruck zwischen Kühlwasser und Reaktionsraum anliegt, kann der Brenner im Falle einer Betriebsstörung im Extremfall dem vollen Absolutdruck des Kühlwassers ausgesetzt sein. Daher muss das wassergekühlte Bauteil der Druckgeräterichtlinie genügen und wird mit entsprechenden Wandstärken ausgeführt. Damit verbunden ist eine schlechtere Kühlung durch geringere Wärmeleitfähigkeit sowie hohe thermische Materialspannung zwischen der wasserberührenden Innenseite und der reaktionsseitig heißen Seite des Brenners. Bisherige Brennerspitzen haben daher eine begrenzte Lebensdauer, insbesondere bei fluktuierendem Betrieb, bei dem durch thermische Wechselbeanspruchungen Spannungen entstehen. Even if in normal operation of the burner only a small static differential pressure between the cooling water and the reaction space is applied, the burner may be exposed to the full absolute pressure of the cooling water in case of malfunction in extreme cases. Therefore, the water-cooled component must comply with the Pressure Equipment Directive and be designed with appropriate wall thicknesses. This is associated with a poorer cooling by lower thermal conductivity and high thermal stress material between the water-contacting inside and the reaction side hot side of the burner. Previous burner tips therefore have a limited service life, in particular in fluctuating operation, in which stresses arise due to thermal cyclic stresses.

Bisherigere Lösungen basierten auf komplexen Schweißverfahren, keramischen Beschichtungen sowie dem Ausweichen auf sehr hochpreisige, temperaturfeste, geschmiedete Nickelbasislegierungen, die durch spanende Bearbeitung auf die erforderliche Dicke verjüngt und dann aus mehreren Teilen zusammengeschweißt wurden. Previous solutions were based on complex welding processes, ceramic coatings, and dodging on very high-priced, temperature-resistant, forged nickel-based alloys, which were tapered to the required thickness by machining and then welded together from several parts.

Aus der WO 2014/090481 A2 ist ein Brenner und eine in einem Stück unter Anwendung eines generativen Verfahrens hergestellte Brennerspitze bekannt, bei der zwischen einer äußeren Brennerspitzenwand und einer inneren Verdrängungskörper-Wand parallele Stege angeordnet sind, die sowohl an der Verdrängungskörper-Außenseite als auch an der Innenseite der Brennerspitzenwand in Bögen zusammenlaufen. From the WO 2014/090481 A2 For example, a burner and a torch tip made in one piece using a generative process are known in which parallel ridges are disposed between an outer burner tip wall and an inner displacement body wall, which arches on both the displacer outside and inside the burner tip wall converge.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine in nur einem Stück unter Anwendung eines generativen Verfahrens hergestellte Brennerspitze anzugeben, die zum Einen in hohem Maße resistent gegen Wärmeeintrag aus dem Reaktionsraum ist und die eine hohe mechanische Stabilität bei minimiertem Einsatz von Materialmenge aufweist. The invention is based on the problem of providing a burner tip produced in only one piece using a generative method, which on the one hand is highly resistant to heat input from the reaction space and which has a high mechanical stability with minimized use of material.

Das Problem wird durch eine Brennerspitze nach Anspruch 1 beziehungsweise einen Brenner nach Anspruch 17 gelöst. The problem is solved by a burner tip according to claim 1 or a burner according to claim 17.

Die erfindungsgemäße Brennerspitze weist eine Struktur auf, bei der zwischen einem äußeren Gebilde 1 und einem inneren Gebilde 6 eine Vielzahl von Stegen angeordnet ist, wobei die Stege in typischer Ausführung 90 und mehr Kühlkanäle abgrenzen. Diese Struktur, die unter Anwendung eines additiven Herstellungsverfahrens erzeugt ist, bildet eine filigrane Stützstruktur, die mit einer hohen mechanischen Stabilität einhergeht. Das äußere Gebilde kann mit einer geringen Wandstärke (dünnwandig) zum Reaktionsraum hin in Relation zur Druckbelastbarkeit ausgeführt sein. The burner tip according to the invention has a structure in which between an outer structure 1 and an inner structure 6 a plurality of webs is arranged, wherein the webs delimit in a typical embodiment 90 and more cooling channels. This structure, which is produced using an additive manufacturing process, forms a filigree supporting structure, which is accompanied by a high mechanical stability. The outer structure can be designed with a small wall thickness (thin-walled) towards the reaction space in relation to the compressive strength.

Die Stege können an ihrer dem Reaktionsraum zugewandten Seite in minimierter Materialstärke ausgeführt sein. Die Übergänge zwischen den Stegen und dem äußeren Gebilde 1 sind annähernd als rechtwinklige Ecken ausgestaltet. Das äußere Gebilde 1, das von Außen dem Wärmeeintrag aus dem Reaktionsraum ausgesetzt ist, hat eine Maximierung der von dem Kühlmedium benetzten Fläche von Innen, wodurch eine erhöhte Kühlwirkung bewirkt wird. Die auftretende Maximaltemperatur auf der dem Reaktionraum zugewandten Oberfläche des äußeren Gebildes 1 wird reduziert. Zusätzlich bewirken die von dem Kühlmedium benetzten Stege eine Wärmeabführung aus dem thermisch hoch belasteten äußeren Gebilde 1. The webs may be embodied on their side facing the reaction space in minimized material thickness. The transitions between the bars and the outer structure 1 are designed approximately as right-angled corners. The outer structure 1 , which is externally exposed to the heat input from the reaction space, has a maximization of the wetted by the cooling medium surface from the inside, whereby an increased cooling effect is effected. The maximum temperature occurring on the reaction space facing surface of the outer structure 1 is reduced. In addition, the wetted by the cooling medium webs cause heat removal from the thermally highly stressed outer structure 1 ,

Die Stege können an ihrer dem Reaktionsraum abgewandten Seite in zunehmender Materialstärke ausgeführt sein, was zum Einen die Wärmeabführung aus dem thermisch hoch belasteten äußeren Gebilde 1 verstärkt und zum Anderen die mechanische Stabilität weiter erhöht. Das innere Gebilde 6 kann mit einer Materialstärke ausgeführt sein, die gegenüber der Wandstärke des äußeren Gebildes 1 erhöht ist, was die mechanische Stabilität der Brennerspitze insgesamt erhöht. The webs may be performed on its side facing away from the reaction chamber in increasing material thickness, which on the one hand, the heat dissipation from the thermally highly loaded outer structure 1 reinforced and on the other hand, the mechanical stability further increased. The inner structure 6 can be carried out with a material thickness, compared to the wall thickness of the outer structure 1 is increased, which increases the overall mechanical stability of the burner tip.

Durch neuartige Fertigungsverfahren des 3D-Drucks im Metallpulverbett wurde es möglich, im Rahmen einer Neukonstruktion des Wasserkühlsystems des Brennermundes verschiedene Anforderungen gleichzeitig zu verwirklichen:

  • – Herstellung der Brennerspitze in einem Stück unter Nutzung generativer Verfahren, insbesondere des 3D-Drucks im Pulverbett (Selective Laser Melting) verbunden mit einer Einsparung von Arbeitsaufwand und Material in der Herstellung sowie höherer Präzision,
  • – Dünne Wandstärke von 1 mm Dicke zwischen Reaktionsraum und Kühlwasser bringt sehr gute Wärmeleitung durch die dünne Wand und geringere Temperaturen an der äußeren Wand,
  • – Erhöhung der Druckfestigkeit und Wärmeleitung des Kühlteils durch Aufteilung des wasserdurchströmten Kühlspaltes in zahlreiche (in einer speziellen Ausführung 180 Stück) Kanäle (4),
  • – Minimierung der Druckverluste im Kühlwasserspalt und der damit verbundenen Pumpenleistung durch vergleichmäßigte Querschnittsflächen der einzelnen Kühlkanäle; Anpassung des Länge zu Breite-Verhältnisses der Kanäle in Fließrichtung des Kühlwassers, um an jedem Punkt die gleiche Fläche zu erreichen,
  • – Erhöhung der Festigkeit der Brennerspitze durch eine stärkere Struktur der Kühlkanäle (4) / Kühlrippen (7), insbesondere durch eine hohe Anzahl und Formgebung, womit ein Ausgleich der geringen Wandstärken der Brennerspitze gegeben ist,
  • – die mechanische Stabilisierung des Bauteils erfolgt durch massivere Bereiche im Inneren (6), die aber die Wärmeleitung aus der Reaktionszone ins Kühlwasser nicht beeinflussen,
  • – Einbringen eines Siebrechens (5) vor dem Eintritt in die Kühlwasserkanäle, um Verunreinigungen im Kühlwasser zurückzuhalten; eine Blockade der Kühlkanäle durch Partikel wird dadurch verhindert, die Zuverlässigkeit erhöht,
  • – Fertigung und Formgebung für die Kühlwasserkanäle und die Brennerspitze durch Selective-Laser-Melting und 3D-Druck-Methode.
Innovative manufacturing processes for 3D printing in metal powder beds have made it possible to realize various requirements simultaneously as part of a redesign of the burner cooling system's water cooling system:
  • Production of the torch tip in one piece using generative methods, in particular the 3D printing in the powder bed (Selective Laser Melting) associated with a saving of labor and material in the production and higher precision,
  • Thin wall thickness of 1 mm thickness between reaction space and cooling water brings very good heat conduction through the thin wall and lower temperatures on the outer wall,
  • - Increasing the pressure resistance and heat conduction of the cooling part by dividing the water-flowing cooling gap into numerous (in a special design 180 pieces) channels ( 4 )
  • - Minimizing the pressure losses in the cooling water gap and the associated pump performance through uniform cross-sectional areas of the individual cooling channels; Adjustment of the length to width ratio of the channels in the flow direction of the cooling water in order to achieve the same area at each point,
  • Increasing the strength of the burner tip by means of a stronger structure of the cooling channels ( 4 ) / Cooling fins ( 7 ), in particular by a high number and shape, whereby a balance of the small wall thicknesses of the burner tip is given,
  • The mechanical stabilization of the component takes place through more massive areas in the interior ( 6 ), but which do not affect the heat conduction from the reaction zone into the cooling water,
  • - introducing a Siebrechens ( 5 ) before entering the cooling water passages to retain contaminants in the cooling water; a blockage of the cooling channels by particles is thereby prevented, which increases reliability,
  • - Production and shaping of the cooling water channels and the burner tip by selective laser melting and 3D printing method.

Bei der erfindungsgemäßen Brennerspitze ist die notwendige Pumpleistung für die Weiterleitung des Kühlmediums durch strömungstechnische Optimierung der Kühlkanäle reduziert. In the case of the burner tip according to the invention, the necessary pumping power for the forwarding of the cooling medium is reduced by fluidic optimization of the cooling channels.

Die erfindungsgemäße Brennerspitze weist eine geringe Wandstärke in Relation zur Druckbelastbarkeit auf. The burner tip according to the invention has a small wall thickness in relation to the compressive strength.

Bei der dem Wärmeeintrag aus dem Reaktionsraum ausgesetzten Brennerwand ist die von dem Kühlmedium benetzte rückseitige Fläche vergrößert, womit die Kühlwirkung verbessert ist. When exposed to the heat input from the reaction chamber burner wall wetted by the cooling medium back surface is increased, whereby the cooling effect is improved.

Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass eine dünnwandige Brennerspitzenwand, die von Kühlmedium benetzt und hinterströmt ist, eine verbesserte Kühlung erfährt. The invention makes use of the knowledge that a thin-walled burner tip wall, which is wetted and trailed by the cooling medium, undergoes improved cooling.

Die erfindungsgemäße Brennerspitze weist insgesamt eine Gestaltung von dünnwandiger Brennerspitzenwand, Kanalformgebung, hohe Anzahl von Stegen, die im Bereich der Brennerspitzenwand dünnwandig sind, und eine Abstützung auf einem stabilen Innenteil auf, wodurch eine neue Qualität aus verbesserten Kühleigenschaften, erhöhter Festigkeit der Brennerspitze und Minimierung der Menge an Material erreicht ist. The torch tip of the present invention has an overall design of thin-walled torch tip wall, channel formation, high number of lands thin-walled in the region of the torch tip wall, and support on a sturdy interior, resulting in a new quality of improved cooling properties, increased burner tip strength, and minimization of torch tip thickness Amount of material is reached.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims.

Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen: The invention is explained in more detail below as an exemplary embodiment in a scope necessary for understanding with reference to figures. Showing:

1 eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Brennerspitze, 1 a perspective view of the burner tip according to the invention,

2 einen Ausschnitt der Brennerspitze, wie er mittels radialer Schnitte sich darstellt 2 a section of the burner tip, as it is represented by radial sections

3 ein Schnittbild der Brennerspitze, das nähere Einzelheiten erkennen lässt und 3 a sectional view of the burner tip, which reveals details and

4 ein Schnittbild der Brennerspitze mit erhöhter Detaillierung. 4 a sectional view of the burner tip with increased detailing.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente. In the figures, like names denote like elements.

Die erfindungsgemäße Brennerspitze bildet das dem Reaktionraum 9 zugewandte Ende eines Brenners. Die Brennerspitze schließt das Kühlteil eines Brenners zur thermochemischen Umwandlung fossiler Brennstoffe zum Reaktionsraum hin ab. Der Brenner ist rotationssymmetrisch um eine Zentralachse 8 herum aufgebaut. Die Brennerspitze ist mit dem Kühlteil druckdicht verbindbar. Das (in den Figuren nicht explizit dargestellte) Kühlteil ist mit drei konzentrischen Rohren gebildet, wobei über einen äußeren Ringkanal 2 ein Kühlmedium der Brennerspitze zuführt und über einen inneren Ringkanal 3 das Kühlmedium aus der Brennerspitze abführt wird. Das Kühlteil und die Brennerspitze lassen einen zentralen zylindrischen Raum frei, in dem der eigentliche, den fossilen Brennstoff zusammen mit einem Oxidationsmittel umsetzende Brenner angeordnet sein mag. Die Zuführung von fossilem Brennstoff und Oxidationsmittel mag durch die von der ringförmigen Brennerspitze umschlossene Öffnung hindurch in den Reaktionsraum erfolgen. The burner tip according to the invention forms the reaction space 9 facing the end of a burner. The burner tip closes off the cooling part of a burner for the thermochemical conversion of fossil fuels towards the reaction space. The burner is rotationally symmetric about a central axis 8th built around. The burner tip can be pressure-tightly connected to the cooling part. The (not explicitly shown in the figures) cooling part is formed with three concentric tubes, via an outer annular channel 2 supplying a cooling medium to the burner tip and via an inner annular channel 3 the cooling medium is discharged from the burner tip. The cooling part and the burner tip leave a central cylindrical space free, in which the actual fossil fuel may be arranged together with an oxidizing agent. The supply of fossil fuel and oxidant may take place through the opening enclosed by the annular burner tip opening into the reaction space.

Die fossilen Brennstoffe können durch ein Brenngas, wie zum Beispiel Synthesegas oder Erdgas, einen pulverförmigen Brennstaub oder durch einen flüssigen Brennstoff, wie zum Beispiel Öl oder ein Brennstaub-Aufschlämmung, auch Brennstaub-Slurrie genannt, gegeben sein. The fossil fuels may be given by a fuel gas, such as synthesis gas or natural gas, a pulverulent fuel dust, or by a liquid fuel, such as oil or a pulverized fuel slurry, also called pulverized fuel slurries.

Unter einem thermochemischen Umwandlungsprozess wird eine Verbrennung aber auch Vergasung unter Drücken bis 10 MPa fossiler Brennstoffe unter Zuführung eines freien Sauerstoff enthaltenden Oxidationsmittels verstanden. A thermochemical conversion process is understood to mean combustion but also gasification under pressures of up to 10 MPa of fossil fuels with the supply of a free oxygen-containing oxidant.

Der Brenner kann durch einen Synthesegas oder Erdgas umsetzenden Pilotbrenner, aber auch durch einen Hauptbrenner gegeben sein, der einen flüssigen oder pulverförmigen festen fossilen Brennstoff umsetzt. The burner may be provided by a pilot gas or natural gas converting pilot burner, but also by a main burner which converts a liquid or powdered solid fossil fuel.

Die erfindungsgemäße Brennerspitze kann ein Kühlteil zum Reaktionsraum hin abschließen, wobei das Kühlteil zwischen einem zentralen Pilotbrenner und einem das Kühlteil umschließenden Hauptbrenner angeordnet ist. The burner tip according to the invention can close off a cooling part towards the reaction space, wherein the cooling part is arranged between a central pilot burner and a main burner enclosing the cooling part.

Die erfindungsgemäße Brennerspitze kann ein Kühlteil zum Reaktionsraum hin abschließen, wobei das Kühlteil einen zentralen Kombinationsbrenner, der mit einem Pilotbrenner und einem Hauptbrenner gebildet ist, umschließt. The burner tip according to the invention can close a cooling part to the reaction space, wherein the cooling part encloses a central combination burner, which is formed with a pilot burner and a main burner.

Durch neuartige Fertigungsverfahren des 3D-Drucks im Metallpulverbett ist es möglich, eine Brennerspitze zu fertigen, welche sowohl verbesserte Kühleigenschaften aufweist als auch gleichzeitig eine Kostenreduzierung durch geringeren Materialverbrauch und Vermeidung der spanenden Bearbeitung mit sich bringt. Die Herstellung des Bauteils erfolgt in nur einem Stück durch die neuartige Methode des 3D-Drucks im Pulverbett. Bei der erfindungsgemäßen Brennerspitze ist für die Wand zum Reaktionsraum eine Wandstärke von etwa 1 mm Dicke (1) zwischen Reaktionsraum und Kühlwasser gewählt, wobei eine Vielzahl von Stegen, die Kühlkanäle (4) voneinander abgrenzen und die als Kühlrippen wirken, die Wand zum Reaktionsraum hin gegen ein stabiles Innenteil 6 abstützen. Durch diese Struktur ist eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit der Wand zum Reaktionsraum gegeben. Die Kühlrippen sind so gestaltet, dass sie das Kühlwasser in zahlreichen (in der Ausführung 180 Stück) Kanälen (4) anstatt in einem einzigen Spalt führen. Durch diese Ausgestaltung kann gleichzeitig die Festigkeit der Brennerspitze erhöht und die Druckgeräteanforderung erfüllt werden, da durch diese Bauweise das Bauteil dem vollen Kühlwasserdruck standhält (experimentelle Berstprobe > 23,8 MPa (238 bar) Innendruck). By novel manufacturing processes of 3D printing in metal powder bed, it is possible to produce a burner tip, which has both improved cooling properties and at the same time brings a cost reduction through lower material consumption and avoiding machining. The component is manufactured in one piece by the novel method of 3D printing in the powder bed. In the case of the burner tip according to the invention, a wall thickness of approximately 1 mm thickness ( 1 ) between the reaction space and cooling water, wherein a plurality of webs, the cooling channels ( 4 ) delimit each other and act as cooling fins, the wall towards the reaction space against a stable inner part 6 support. By this structure, an increased thermal conductivity of the wall is given to the reaction space. The cooling fins are designed to deliver the cooling water in numerous (in the execution of 180 pieces) channels ( 4 ) instead of in a single gap. By this configuration, the strength of the burner tip can be increased at the same time and the pressure equipment requirement can be met, as by this construction, the component the full cooling water pressure withstands (experimental bursting> 23.8 MPa (238 bar) internal pressure).

Bei der erfindungsgemäßen Brennerspitze ist die Querschnittsfläche jedes einzelnen Kühlkanals entlang der Fließrichtung des Kühlwassers durch Anpassung des Länge zu Breite-Verhältnisses der Kanäle 4 auf dem Weg des Kühlwassers so gewählt, dass jeder Kanal an jedem Punkt die gleiche Anströmfläche hat. Dies bewirkt zum Einen ein weiter verbessertes Kühlverhalten und zum Anderen eine Minimierung des Gesamt-Strömungswiderstandes für das Kühlmedium, wodurch der Leistungbedarf für die Förderpumpe des Kühlmediums reduziert ist. In the burner tip according to the invention, the cross-sectional area of each individual cooling channel is along the flow direction of the cooling water by adjusting the length to width ratio of the channels 4 chosen on the way of cooling water so that each channel has the same inflow area at each point. This causes on the one hand a further improved cooling behavior and on the other hand a minimization of the total flow resistance for the cooling medium, whereby the power requirement for the feed pump of the cooling medium is reduced.

Die Kühlwasserführung erfolgt von außen 2 nach innen 3 und das Kühlwasser wird den einzelnen Kühlkanälen 4 über einen Siebrechen 5 am Eintritt zugeführt. Die mechanische Stabilisierung des Bauteils erfolgt durch massivere Bereiche im Inneren 6, die aber die Wärmeleitung aus dem Reaktionszone ins Kühlwasser nicht beeinflussen. The cooling water flow is from the outside 2 inside 3 and the cooling water becomes the individual cooling channels 4 over a screen rake 5 fed at the entrance. The mechanical stabilization of the component is achieved by massive areas inside 6 , but do not affect the heat conduction from the reaction zone into the cooling water.

Die Fertigung und Formgebung für die Kühlwasserkanäle und die Brennerspitze folgt den Bauprinzipien der Selective-Laser-Melting-Methode. The production and shaping of the cooling water channels and the burner tip follows the construction principles of the selective laser melting method.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
äußeres rinnenförmiges Gebilde mit U-förmigem Querschnitt, äußeres Brennerspitzenteil outer channel-shaped structure with U-shaped cross-section, outer burner tip part
22
Ringkanal außen, äußerer Ringkanal Ring channel outside, outer ring channel
33
Ringkanal innen, innerer Ringkanal Ring channel inside, inner ring channel
44
Kühlkanäle für Kühlflüssigkeit, Kanälchen Cooling channels for coolant, channels
55
Siebrechen am Eingang des Kühlmittels in den Kühlkanal Screen rake at the entrance of the coolant in the cooling channel
66
inneres rinnenförmiges Gebilde mit u-förmigem Querschnitt, inneres Brennerspitzenteilinner channel-shaped structure with U-shaped cross-section, inner burner tip part
77
Stege, Kühlrippen Footbridges, cooling fins
88th
Zentralachse central axis
99
Reaktionsraum, Reaktionszone Reaction space, reaction zone

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 2014/090481 A2 [0006] WO 2014/090481 A2 [0006]

Claims (17)

Brennerspitze für einen Brenner zur thermochemischen Umwandlung fossiler Brennstoffe unter Drücken bis 10 MPa, aufweisend – ein äußeres Gebilde (1) mit U-förmigem Querschnitt, das einen Ring bildet, – ein inneres Gebilde (6) mit u-förmigem Querschnitt, das einen Ring bildet und das in das äußere Gebilde (1) eingepasst ist, – zwischen dem äußeren Gebilde (1) und dem inneren Gebilde (6) eine Vielzahl von Stegen (7) angeordnet sind, – zwischen dem äußeren Gebilde (1), dem inneren Gebilde (6) und den Stegen (7) Kühlkanäle (4) zur Führung eines Kühlmediums gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Kühlkanal (4) entlang des Weges des Kühlmediums auf konstante Querschnittsfläche ausgestaltet ist. Burner tip for a burner for the thermochemical conversion of fossil fuels under pressures up to 10 MPa, comprising - an outer structure ( 1 ) having a U-shaped cross-section forming a ring, - an inner structure ( 6 ) having a U-shaped cross-section which forms a ring and which is in the outer structure ( 1 ), - between the outer structure ( 1 ) and the inner structure ( 6 ) a variety of webs ( 7 ), - between the outer structure ( 1 ), the inner structure ( 6 ) and the webs ( 7 ) Cooling channels ( 4 ) are formed for guiding a cooling medium, characterized in that - a cooling channel ( 4 ) is configured along the path of the cooling medium to a constant cross-sectional area. Brennerspitze nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanale (4) untereinander gleiche Querschnittsflächen aufweisen. Burner tip according to claim 1, characterized in that the cooling channels ( 4 ) have mutually identical cross-sectional areas. Brennerspitze nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlkanal (4) entlang des Weges des Kühlmediums einen u-förmig gebogenen Verlauf aufweist. Burner tip according to one of the preceding claims, characterized in that a cooling channel ( 4 ) along the path of the cooling medium has a U-shaped curved course. Brennerspitze nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass an den Eingängen der Kühlkanale (4) Siebrechen (5) angeordnet sind. Burner tip according to one of the preceding claims, characterized in that at the entrances of the cooling channels ( 4 ) Screen rake ( 5 ) are arranged. Brennerspitze nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der Siebrechen (5) in dem inneren Gebilde (6) ein Sumpf zur Ablagerung von Partikeln angeordnet ist. Burner tip according to claim 4, characterized in that below the screen rake ( 5 ) in the inner structure ( 6 ) a sump for the deposition of particles is arranged. Brennerspitze nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (7) bezüglich der Zentralachse (8) in radialen Ebenen ausgerichtet sind. Burner tip according to one of the preceding claims, characterized in that the webs ( 7 ) with respect to the central axis ( 8th ) are aligned in radial planes. Brennerspitze nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (7) an der dem äußeren Gebilde zugewandten Seite eine minimierte Materialstärke aufweisen. Burner tip according to one of the preceding claims, characterized in that the webs ( 7 ) have a minimized material thickness on the side facing the outer structure. Brennerspitze nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Übergänge zwischen den Stegen (7) und dem äußeren Gebilde als rechtwinklige Ecken ausgestaltet sind. Burner tip according to one of the preceding claims, characterized in that the transitions between the webs ( 7 ) and the outer structure are designed as rectangular corners. Brennerspitze nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (7) an der dem inneren Gebilde zugewandten Seite eine erhöhte Materialstärke aufweisen. Burner tip according to one of the preceding claims, characterized in that the webs ( 7 ) have on the inner structure facing side increased material thickness. Brennerspitze nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlkanal (4) auf dem Umfang von 360 Winkelgrad zur Zentralachse (8) kleiner gleich 4 Winkelgrad einnimmt. Burner tip according to one of the preceding claims, characterized in that a cooling channel ( 4 ) on the circumference of 360 degrees of angle to the central axis ( 8th ) less than or equal to 4 angular degrees occupies. Brennerspitze nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlkanal (4) auf dem Umfang von 360 Winkelgrad zur Zentralachse (8) kleiner gleich 2 Winkelgrad einnimmt. Burner tip according to one of the preceding claims, characterized in that a cooling channel ( 4 ) on the circumference of 360 degrees of angle to the central axis ( 8th ) less than or equal to 2 angular degrees occupies. Brennerspitze nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke zwischen Kühlkanal (4) und Reaktionszone annähernd 1 mm beträgt. Burner tip according to one of the preceding claims, characterized in that the wall thickness between the cooling channel ( 4 ) and reaction zone is approximately 1 mm. Brennerspitze nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das innere Gebilde (6) gegenüber dem äußeren Gebilde (1) eine vergrößerte Wandstärke aufweist. Burner tip according to one of the preceding claims, characterized in that the inner structure ( 6 ) compared to the outer structure ( 1 ) has an increased wall thickness. Brennerspitze nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerspitze unter Anwendung eines additiven Herstellungsverfahrens in nur einem Stück hergestellt ist. Burner tip according to one of the preceding claims, characterized in that the burner tip is produced by using an additive manufacturing process in only one piece. Brennerspitze nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerspitze unter Anwendung des Selective Laser Melting(SLM)-Verfahrens hergestellt ist. Burner tip according to one of the preceding claims, characterized in that the burner tip is produced using the Selective Laser Melting (SLM) method. Brennerspitze nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium durch eine Kühlflüssigkeit, insbesondere Kühlwasser, gegeben ist. Burner tip according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling medium is given by a cooling liquid, in particular cooling water. Brenner mit einer Brennerspitze nach einem der vorstehenden Ansprüche.  Burner with a burner tip according to one of the preceding claims.
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