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Die Erfindung betrifft einen Brennerkopf zur Zufuhr von Oxidator und Brennstoff in einen Brennraum eines Brennersystems, insbesondere zur Verwendung in einer Gasturbinenanordnung, mit einer Stirnseite zur Angrenzung an den Brennraum, mit einer Oxidatorzufuhr mit zumindest einer auf einem Ring um eine Mittelachse des Brennerkopfes an der Stirnseite angeordneten Austrittsöffnung, die dazu ausgebildet ist, Oxidator drallfrei mit einem derart hohen axialen Impuls in den Brennraum zuzuführen, dass sich im Betrieb eine ausgeprägte, insbesondere innere, Rezirkulationszone mit zurückgeführtem Abgas innerhalb des Brennraums ausbildet, und mit einer Brennstoffzufuhr mit zumindest einer Brennstoffdüse zur Zufuhr des Brennstoffes in den Brennraum. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennersystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennersystems.
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Brennersysteme mit Brennerköpfen der vorstehend genannten Art, wie z. B. in der
DE 10 2012 216 080 A1 angegeben, sind aufgrund des Stabilisierungsprozesses der Verbrennungsreaktion dem sogenannten FLOX-Prinzip zuzuordnen. Dabei wird der Oxidator, zumeist Luft, mit einem hohen axialen Impuls (in der Regel mit Geschwindigkeiten von mehr als 80 m/s) in den Brennraum eingeblasen, wodurch eine ausgeprägte innere Rezirkulationszone mit z. B. mehr als 50% zurückgeführtem Abgas innerhalb des Brennraums erzeugt wird. Die FLOX-Technologie ist für ihre stabile, schadstoffarme Verbrennung bekannt und kommt z. B. in Mikrogasturbinen (Leistungsbereich ≤ 1 MW) zum Einsatz.
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Bei einem Betrieb derartiger Brennersysteme mit flüssigem Brennstoff wird gängigerweise der Brennstoff sprayförmig (d. h. unter Zerstäubung) in die Luftströmung innerhalb der Oxidatorzufuhr zugegeben, die mit Luftzufuhrkanälen innerhalb des Brennerkopfes ausgebildet ist. Anschließend erfolgt eine teilweise Verdampfung und Vormischung in der Strömung stromauf der Zugabe in den Brennraum. Die Verbrennung findet in dem Brennraum entlang der Scherschicht zwischen dem eintretenden Luft-Brennstoff-Gemisch und der Rezirkulationszone statt.
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Die Brennstoff-Zerstäubung innerhalb der Zufuhrkanäle erfolgt für gewöhnlich mittels Druckzerstäubern mit einem axial-radialen Spraywinkel von größer 0°, was meist zu einer Wandbenetzung innerhalb der Luftzufuhrkanäle durch das Brennstoff-Spray führt. Dadurch kann es zu unerwünschten Effekten durch eine Spray-Wand-Interaktion (beispielsweise Filmbildung, sekundäre Zerstäubung, Verkoken etc.) kommen, welche die Verbrennungsqualität negativ beeinflussen. Insbesondere bei hohen Lufttemperaturen, wie sie z. B. bei Mikrogasturbinen mit Wärmerückgewinnung (sogenannten „rekuperierten“ Mikrogasturbinen) vorliegen, kann es zu einer Verkokung der Brennstoffzerstäuberdüsen kommen. Um dies zu vermeiden, kann die Anzahl der Brennstoffdüsen reduziert werden, was sich insbesondere bei niedrigen Leistungsbereichen, wie bei Mikrogasturbinen, negativ auf die Verbrennungsqualität beim Einsatz von Flüssigbrennstoffen auswirken kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brennerkopf basierend auf dem FLOX-Prinzip für einen optimierten Betrieb mit flüssigen Brennstoffen, ein entsprechendes Brennersystem und ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird für den Brennerkopf mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und für das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst.
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Bei dem Brennerkopf ist vorgesehen, dass die Brennstoffdüse außerhalb der Oxidatorzufuhr und radial innerhalb des Rings angeordnet ist, insbesondere zur nicht vorgemischten Zufuhr des Brennstoffes in den Brennraum.
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Die eine oder die mehreren Austrittsöffnungen sind für eine symmetrische, schadstoffarme Verbrennung vorzugsweise symmetrisch umlaufend, d.h. auf einem (gedachten) (Kreis-) Ring angeordnet, mit z. B. einer ringförmig umlaufenden Austrittsöffnung oder mehreren, insbesondere mit gleichmäßigem Abstand auf dem Ring angeordneten Austrittsöffnungen. Die Austrittsöffnungen können an der Stirnseite auf Höhe der Stirnfläche oder die Stirnfläche überragend angeordnet sein und insbesondere orthogonal zu der Mittelachse (d. h. in einer zur Mittelachse orthogonalen Ebene liegend) ausgerichtet sein. Zur Brennstoffzugabe können auch mehrere Brennstoffdüsen vorhanden sein.
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Durch die nicht vorgemischte Einbringung des Brennstoffes und die Einmischung in den Oxidator außerhalb des Brennerkopfes, insbesondere im Brennraum, wird eine unerwünschte Wandbenetzung innerhalb des Brennerkopfes mit den damit verbundenen negativen Effekten vermieden. Neben der Verwendung von flüssigem Brennstoff ist auch ein Betrieb mit gasförmigem Brennstoff möglich, wobei z. B. zwischen einem Betrieb mit gasförmigem und flüssigem Brennstoff (gegebenenfalls unter Modifikation des Brennerkopfes) gewechselt werden kann. Die Einbringung des Brennstoffes aus der Position radial innerhalb des Rings, d. h. aus dem Zentrum des Brennerkopfes, bewirkt eine Einmischung des Brennstoffes an der radialen Innenseite der Oxidatorströmung. Die Verbrennung stabilisiert in der radial inneren Scherschicht zwischen dem Oxidator und den rezirkulierenden heißen Abgasen. Dadurch kann sich im Außenbereich des Brennraums, die Verbrennungszone umgebend und angrenzend an die Innenwand der Umfangswandung, eine deutlich kältere Gasströmung bilden, was die Wärmebelastung der Umfangswandung vorteilhaft vermindert.
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Die vorstehend genannten Vorteile ergeben sich insbesondere, wenn die Brennstoffzufuhr zur Zugabe von flüssigem Brennstoff ausgebildet ist, wobei der Brennstoff über eine Zerstäubereinrichtung umfassend die Brennstoffdüse zerstäubt wird. Bei der Zerstäubereinrichtung kann es sich um eine handelsübliche Zerstäubereinrichtung, beispielsweise um einen (Hohlkegel-) Druckzerstäuber, z. B. für Kerosin, oder eine Zerstäubereinrichtung zur Zerstäubung mithilfe von Luft („Air-assisted“) handeln.
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In einer bevorzugten Ausbildungsvariante für eine gute und zugleich gezielte Verteilung des Brennstoff-Sprays in den Brennraum ist die Brennstoffdüse derart ausgebildet, dass im Betrieb der Brennstoff nach Auslass aus der Brennstoffdüse in einem Winkel β axial-radial nach außen strömt. Die Brennstoffströmung kann drallbehaftet sein, d. h. eine zusätzliche tangentiale Richtungskomponente aufweisen. Um die Brennstofftröpfchen möglichst gezielt einbringen zu können, hat sich insbesondere eine Hohlkegelform als vorteilhaft erwiesen. Durch die Wahl des Winkels β bei der Auslegung kann der Auftreffpunkt des Maximums des Brennstoff-Sprays („Spray-Maximum“) auf den Oxidator justiert und damit die Verbrennung beeinflusst werden.
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Vorzugsweise mündet die Brennstoffdüse axial zurückversetzt zu der Austrittsöffnung in einer Vertiefung in der Stirnseite, insbesondere auf Höhe einer Bodenfläche der Vertiefung. Die Vertiefung kann insbesondere konusartig ausgeformt sein, mit einem symmetrischen, kreisförmigen Querschnitt, und für eine gleichmäßige Strömungsführung, die einer gleichmäßigen, sauberen Verbrennung zuträglich ist, koaxial zu der Mittelachse angeordnet sein. Dies ermöglicht eine Vorerwärmung und teilweise Verdampfung des Brennstoff-Sprays durch den Einfluss der rezirkulierenden, teilweise in die Vertiefung eintretenden heißen Abgase, bevor das Brennstoff-Spray auf den Oxidator in dem Brennraum auftrifft. Dies trägt zu einer Verkürzung der Verbrennungszone und einer gleichmäßigen, schadstoffarmen Verbrennung bei.
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Vorzugsweise ist eine Umfangsfläche der Vertiefung zwischen einem Boden und einer Öffnung der Vertiefung in den Brennraum axial-radial in einem Winkel α ausgerichtet, wobei der Winkel α und der Winkel β derart aufeinander abgestimmt sind, dass die Hauptströmungsrichtung des Brennstoffes (der Richtung des Gebietes mit der maximalen Spray- bzw. Tröpfchendichte, d. h. dem Spray-Maximum) in den Brennraum, nicht auf die Umfangsfläche, gerichtet ist. Vorzugsweise ist der Winkel α derart groß gewählt, dass möglichst wenige Tröpfchen, z. B. weniger als 20 % oder 10 %, mit ihren Trajektorien auf die Umfangsfläche gerichtet sind. Der Winkel α beträgt beispielsweise zwischen 10° und 70°, beispielsweise zwischen 20° und 60°, z. B. zwischen 40° und 50° und kann insbesondere im Wesentlichen dem Winkel β entsprechen (z. B. mit einer Abweichung zwischen +/- 5° oder +/- 10°). Diese Ausbildung trägt dazu bei, dass eine Benetzung der Umfangsfläche mit Brennstoff-Spray und die damit verbundenen unerwünschten Effekte einer Spray-Wand-Interaktion vermieden werden. Der Brennstoff trifft dann außerhalb der Vertiefung auf den Oxidator, wo die Mischung zwischen Brennstoff und Oxidator und die Verbrennungsreaktion stattfinden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante ist eine sekundäre Oxidatorzufuhr mit zumindest einer, radial zwischen der (primären) Austrittsöffnung und der Brennstoffdüse angeordneten, sekundären Austrittsöffnung zur Zugabe von sekundärem Oxidator in den Brennraum vorhanden. Die Zugabe von sekundärem Oxidator zwischen dem Brennstoff-Spray und dem (primären) Oxidator dient z. B. einer Unterstützung der gewünschten Strömungsführung des Brennstoffes für ein gezieltes Auftreffen bzw. Einmischen von Brennstoff und Oxidator, wobei der sekundäre Oxidator als eine Art „Stützluft“ der Brennstoffströmung wirken kann. Ferner kann durch die Lage, Ausrichtung und Geschwindigkeit der sekundären Oxidatorströmung die Strömung des primären Oxidators beeinflusst werden. So kann z. B. ein Aufklappen der primären Oxidatorströmung radial nach außen bewirkt werden, sodass sich die primäre Oxidatorströmung an die Umfangswandung der Brennkammer anlegt.
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Vorzugsweise sind die sekundäre Austrittsöffnung und/oder die (primäre) Austrittsöffnung spaltartig umlaufend um die Mittellängsachse ausgebildet sind. So ergeben sich z. B. ein oder zwei (Kreis-) Ringspalte, die für eine symmetrische Verbrennungsführung insbesondere koaxial zu der Mittelachse angeordnet sein können. Bei Vorhandensein zweier koaxial angeordneter Ringspalte wird eine Art „Doppelspaltbrenner“ gebildet. Die Spalte sind vorzugsweise im Wesentlichen umlaufend ausgebildet, wobei sie z. B. von Befestigungsmittel (beispielsweise von axial verlaufenden Stegen) unterbrochen sein können. Durch die spaltartige Ausbildung ergibt sich eine vergleichsweise homogene Geschwindigkeitsverteilung entlang des (Ring-)Umfangs, d. h. um die Brennstoffdüse. Dabei werden Bereiche mit geringer Axialgeschwindigkeit vermieden und so einem Passieren von radial nach außen gerichteten Brennstoff-Tropfen und deren Auftreffen z. B. auf der Umfangsfläche der Vertiefung oder auf der Innenseite der Umfangswandung der Brennkammer bzw. des Brennraums entgegengewirkt. So wird die Stützluft-Wirkung des sekundären Oxidators verbessert. Durch die spaltartige Ausbildung der (primären) Austrittsöffnung ist zudem eine vergleichsweise flache Luftströmung, mit geringer radialer Dicke, erreichbar, was zu einer deutlich kompakteren Rezirkulationszone verglichen mit einer Ausbildung mit Einzeldüsen, wie bei einem herkömmlichen FLOX-Brenner, führt.
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In einer bevorzugten Ausbildungsvariante ist die sekundäre Austrittsöffnung axial auf Höhe der oder stromauf der Brennstoffdüse in der Vertiefung angeordnet. Insbesondere kann die axiale Austrittsposition des sekundären Oxidators der axialen Austrittsposition des Brennstoffes entsprechen. Auf diese Weise ist der Brennstoff unmittelbar nach seinem Austritt aus der Brennstoffdüse von dem sekundären Oxidator umgeben. Der sekundäre Oxidator kann so als eine Art Schirmluft, d. h. als Barriere zwischen Brennstoff-Spray und der weiter außen liegenden Umgebung, beispielsweise der Wand, wirken. Dadurch ist die Auftreffposition des Brennstoff-Sprays auf die Oxidatorströmung und somit der Verbrennungsprozess kontrollierter auslegbar.
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Vorzugsweise weist die sekundäre Oxidatorzufuhr zumindest einen sekundären Zufuhrkanal auf, der in die sekundäre Austrittsöffnung mündet und der derart ausgebildet ist, dass die Hauptströmungsrichtung des sekundären Oxidators bei Austritt aus der sekundären Austrittsöffnung axial-radial im Wesentlichen dem Winkel α entspricht. Dies kann beispielsweise durch entsprechende Wandführung der Innenwandflächen des sekundären Zufuhrkanals realisiert sein. „Im Wesentlichen“ bedeutet, dass z. B. eine Abweichung von +/- 5° oder von bis zu +/- 10° vorhanden sein kann. So kann der sekundäre Oxidator, durch das Vorhandensein der radialen (zusätzliche zu der axialen) Richtungskomponente, nach dessen Eintreten in den Brennraum den primären Oxidator bzw. die sich bildende Gesamtströmung radial nach außen ablenken und so ein „Aufklappen“ der Strömung bewirken, was die Form der Rezirkulationszone positiv beeinflussen und ein (zumindest teilweises) Anlegen der Strömung an die Umfangswandung bewirken kann.
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Vorzugsweise ist die sekundäre Austrittsöffnung radial innerhalb der Umfangsfläche angeordnet, und grenzt insbesondere an die Umfangsfläche an. Auf diese Weise kann der sekundäre Oxidator, insbesondere bei Austritt in dem im Wesentlichen dem Winkel α entsprechenden Winkel, entlang der Umfangsfläche der Vertiefung geführt werden und als Barriere zwischen dem Brennstoff-Spray und Umfangsfläche zur Vermeidung deren Benetzung mit den damit verbundenen unerwünschten Effekten dienen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante ist die (primäre) Austrittsöffnung um die Öffnung der Vertiefung im Wesentlichen an die Umfangsfläche angrenzend angeordnet ist, d. h. z. B. unter Zwischenlage einer Wandstärke zur strömungsmechanischen Trennung der Oxidatorzufuhr und der Vertiefung. Auf diese Weise mündet die Ausströmöffnung des primären Oxidators radial dicht an der Umfangsfläche. Der Radius der Öffnung zuzüglich dem Außenradius der zwischenliegenden Wandstärke ergibt so den Innenradius der (primären) Austrittsöffnung. Die Wandstärke sollte zumindest derart sein, dass diese thermisch ausreichend stabil ist. Durch diese Anordnung kann der sekundäre Oxidator und/oder das Brennstoff-Spray nahe an der (primären) Austrittsöffnung auf den primären Oxidator auftreffen. Denkbar wäre, z. B. für eine längere Verdampfungszeit des Brennstoffes, auch eine gezielte radiale Beabstandung der primären Austrittsöffnung von der Öffnung. Für eine längere Verdampfungszeit kann zusätzlich oder alternativ die axiale Länge der Vertiefung groß ausgelegt sein, wobei der Boden vergleichsweise weit stromauf angeordnet ist und so der axiale Abstand zwischen Boden und Öffnung vergrößert ist. Der sekundäre Oxidator bringt, bei Behaftung mit einem zusätzlichen radialen Impuls, eine zusätzliche radiale Richtungskomponente in die sich bildende Gesamt- bzw. Mischströmung ein. Die zusätzliche radial nach außen gerichtete Komponente in der Strömung bewirkt eine axial kompaktere Rezirkulationszone in dem Brennraum. Insbesondere durch die Kombination der spaltartigen Ausbildung der primären und/oder sekundären Austrittsöffnung mit der zusätzlichen radialen Richtungskomponente des sekundären Oxidators und dem hohlkegelartigen Brennstoff-Spray lassen sich positive Effekte erreichen: Durch das Zusammenspiel der Ringspalte und der Zerstäubereinrichtung stellt sich ein vergleichsweise sehr homogenes Temperaturfeld ein, wodurch ein sehr geringes Schadstoffniveau erreichbar ist. Durch die Geometrien der Oxidatorzufuhren lässt sich die Aufteilung bzw. das Verhältnis zwischen primärem Oxidator und sekundärem Oxidator gezielt auslegen und so das Temperaturfeld sowie die Lage und Ausdehnung der Rezirkulationszone, und damit der Verbrennungsprozess, beeinflussen. Beispielsweise haben sich Verhältnisse des primären Oxidators zu dem sekundären Oxidator zwischen 1,5 und 3 als vorteilhaft herausgestellt.
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Wenn die Austrittsöffnung auf einem um die Mittelachse umlaufenden Ring angeordnet ist, dessen Radius (bezüglich der radialen Mittellinie der Austrittsöffnung) zwischen 0,3 und 0,75 des Radius des Außenumfangs der Stirnseite (wo die Umfangswandung des Brennraums an den Brennerkopf anschließt) beträgt, ergibt sich eine von der Umfangswandung beabstandete Reaktionszone, was, insbesondere in Verbindung mit einer radial aufklappenden Strömungsführung, die Ausbildung des vergleichsweise kälteren Gasfilms begünstigt und damit die thermische Belastung der Umfangswandung reduziert. Der Radius der sekundären Austrittsöffnung (bzgl. der radialen Mittellinie) zu dem der primären Austrittsöffnung kann z. B. ein Verhältnis zwischen 0,3 und 0,75 aufweisen. Durch die Kombination der Auslegung des Radius und der Ausrichtung der Strömungsführung (insbesondere durch den Winkel a) an der sekundären Austrittsöffnung kann die Aufprallposition auf die primäre Oxidatorströmung ausgelegt werden. Durch die radiale Höhe der sekundären Austrittsöffnung kann die Geschwindigkeit und die Aufteilung des Oxidatorstroms in der Sekundär- und Primäroxidatorströmung maßgeblich beeinflusst werden.
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Ein einfacher und robuster Aufbau lässt sich erreichen, wenn der Brennerkopf einen Grundkörper umfasst, in den die Oxidatorzufuhr, und ggf. die sekundäre Oxidatorzufuhr, eingebracht ist/sind. Dabei kann der Grundkörper mehrere Teile aufweisen, beispielsweise einen Außenteil, einen Mittelteil und einen Innenteil. Vorzugsweise ist die primäre Austrittsöffnung mit dem primären Zufuhrkanal zwischen dem Außen- und dem Mittelteil angeordnet und die sekundäre Austrittsöffnung mit dem sekundären Zufuhrkanal zwischen dem Mittel- und dem Innenteil. Der Innenteil weist vorzugsweise zusätzlich eine Ausnehmung zur Aufnahme der Zerstäubereinrichtung auf, die in die Vertiefung oder in den Brennraum mündet. Der Grundkörper und die darin eingebrachten Strukturen können z. B. über ein additives Fertigungsverfahren, insbesondere über selektives Laserschmelzen, hergestellt sein.
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Für ein Brennersystem mit einer geringen Komplexität ist der Brennerkopf für einen einstufigen Verbrennungsbetrieb ausgebildet. So wird vorteilhaft lediglich eine Brennstoffzufuhr mit entsprechender Brennstoffperipherie benötigt. Untersuchungen haben gezeigt, dass der erfindungsgemäße Brennerkopf vorteilhaft einstufig stabil und zuverlässig betreibbar ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Brennersystem mit einem Brennerkopf nach einer der vorstehend beschriebenen Ausbildungsvarianten und einer einen Brennraum umfassenden Umfangswandung ist in der Umfangswandung vorzugsweise zumindest eine Zugabeöffnung zur radialen Zugabe von Oxidator in den Brennraum vorhanden, die axial stromab einer Reaktionszone und stromauf oder, bevorzugt, an einem Stagnationsbereich der Rezirkulationszone, d. h. dem stromab gelegene Ende der Rezirkulationszone (in dem sich die Strömungsgeschwindigkeiten unter Durchschreiten des 0-Punktes umkehren), angeordnet ist. Untersuchungen haben gezeigt, dass eine zusätzliche radiale Einbringung von Oxidator, insbesondere an bzw. in dem Stagnationsgebiet, den Verbrennungsprozess positiv beeinflussen kann. Durch Zugabe des Oxidators über die derart positionierte Zugabeöffnung wird der radial zugegebene Oxidator durch die Rezirkulation stromauf transportiert und in den Verbrennungsprozess eingebunden. So wird eine Abmagerung des Verbrennungsprozesses, d. h. ein erhöhter Oxidatorüberschuss bei der Verbrennung, erreicht. Für eine symmetrische Einbringung können vorzugsweise mehrere (in Umfangsrichtung symmetrisch positionierte) Zugabeöffnungen, z. B. in Form von Bohrungen, in der Umfangswandung vorhanden sein. Der zusätzliche Oxidator kann insbesondere von einem die Umfangswandung umströmenden Oxidatorstrom abgezweigt sein, der die Umfangswandung außen im Gegenstromprinzip, d. h. in Richtung Brennerkopf, umströmt und an den Brennerkopf zur Verwendung als primärer und/oder sekundärer Oxidator herangeführt wird.
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Vorteilhafte Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Zusammenhang mit den vorstehenden Ausführungen bezüglich des Brennerkopfes sinngemäß erläutert.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 ein Brennersystem mit einem erfindungsgemäßen Brennerkopf in einer perspektivischen Schnittdarstellung entlang einer Mittelachse.
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1 zeigt ein Brennersystem 1 mit einem Brennerkopf 10 und einer an den Brennerkopf 10 anschließenden Umfangswandung 52 (teilweise angedeutet). Das Brennersystem 1 ist insbesondere aufgrund der Ausbildung des Brennerkopfes 10 für die Verbrennung von flüssigem Brennstoff optimiert. Die Umfangswandung 52 ist für einen Verbrennungsbetrieb mit einer gleichmäßigen, symmetrischen Verbrennung zylindrisch ausgebildet und umfasst einen Brennraum 50 des Brennersystems 1. An seinem stromabseitigen Ende geht der Brennraum 50 ausgangsseitig in einen Brenngasauslass über (hier nicht gezeigt). In der Umfangwandung 52 sind gemäß einer Ausführungsvariante mehrere, z. B. drei, Zugabeöffnungen 56 zur radialen Zugabe von Oxidator in den Brennraum 50 vorhanden, die vorzugsweise radial symmetrisch um den Umfang angeordnet sind. Die Zugabeöffnungen 56 sind axial stromab einer Reaktionszone 54 und stromauf oder, bevorzugt, an einem Stagnationsbereich 58 der Rezirkulationszone 54, d. h. dem Bereich, in dem sich die Strömungsgeschwindigkeiten unter Durchschreiten des 0-Punktes umkehren, angeordnet.
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Der Brennerkopf 10 ist mit einer Stirnseite 20 eingangsseitig des Brennraums 50 angeordnet, von der ausgehend sich die Umfangswandung 52 den Brennraum 50 umgebend erstreckt. Der Brennerkopf 10 umfasst eine primäre Oxidatorzufuhr, im Weiteren auch als Primärluftzufuhr 18 bezeichnet. Die Primärluftzufuhr 18 umfasst eine spaltartige Austrittsöffnung 182, die an der Stirnseite 20 im Wesentlichen umlaufend auf einem gedachten, für eine symmetrische Verbrennung insbesondere kreisförmigen, Ring koaxial zu einer Mittelachse M angeordnet ist. Die Austrittsöffnung 182 ist in einer zu der Mittelachse M orthogonalen Ebene angeordnet.
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Die Primärluftzufuhr 18 ist dazu ausgebildet, Oxidator aus einem Plenum 40 drallfrei mit einem derart hohen axialen Impuls in den Brennraum 50 zuzuführen, dass sich im Betrieb die ausgeprägte innere Rezirkulationszone 54 mit zurückgeführtem Abgas zur Stabilisierung des Verbrennungsprozesses ausbildet. Aufgrund dieser Art der Flammenstabilisierung kann der Brennerkopf der FLOX-Technologie zugeordnet werden. Typische Austrittsgeschwindigkeiten können z. B. 60 bis 130 m/s betragen (oder auch mehr), z. B. mehr als 80 m/s. Der Oxidator kann insbesondere durch Luft gebildet sein, die weitere Zusätze aufweisen kann (z. B. extern rezirkuliertes Abgas, Prozessgas, etc.). Durch die spaltartige Ausbildung der Austrittsöffnung 182, d. h. einer wesentlich größeren tangentialen als radialen Ausdehnung, z. B. mehr als dreimal so groß, wird eine vergleichsweise geringe radiale Dicke der in den Brennraum 50 eintretenden Oxidatorströmung erreicht. Dadurch kann sich eine deutlich axial kompaktere Rezirkulationszone 54 im Vergleich zu bekannten Brennertypen basierend auf der FLOX-Technologie ergeben.
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Weiterhin umfasst der Brennerkopf 10 eine Brennstoffzufuhr 30 mit einer Brennstoffdüse 15 für eine nicht vorgemischte Zufuhr des Brennstoffes in den Brennraum 50. Die Brennstoffzufuhr 30 kann weiterhin einen Stutzen 32 mit einem Teil eines Brennstoffkanals 34 umfassen, der den Brennstoff aus einer (nicht gezeigten) Brennstoffversorgung an den Brennerkopf 10 zur Versorgung der Brennstoffdüse 15 heranführt. Die Brennstoffdüse 15 ist radial innerhalb des Ringes der Austrittsöffnung 182, im Zentrum des Brennerkopfes 10, angeordnet. Für eine stabile, schadstoffarme Verbrennung ist die Brennstoffdüse 15 vorzugsweise symmetrisch, vorliegend auf der Mittelachse M, positioniert. Denkbar wären auch mehrere Brennstoffdüsen 15, die symmetrisch, z. B. auf einem gedachten Kreisring, um die Mittelachse M angeordnet sind. Die Brennstoffdüse 15 ist als Teil einer Zerstäubereinrichtung 16 zur Zugabe von flüssigem Brennstoff in Form eines Brennstoff-Sprays ausgebildet. Die Zerstäubereinrichtung 16 kann z. B. als aus dem Stand der Technik bekannter Druckzerstäuber oder als Luft unterstützter Zerstäuber ausgebildet sein. Bei Auslass des Brennstoffes in den Brennraum 50 im Betrieb bildet sich ein kegelförmiges Brennstoff-Spray aus, dessen Hauptströmungsrichtung (Spray-Maximum) axial-radial in einem Winkel β zu der Mittelachse M ausgerichtet ist. Vorzugsweise ist die Zerstäubereinrichtung 16 zur Ausbildung einer Hohlkegelform des Sprays ausgelegt, um die Brennstoff-Tröpfchen möglichst zielgerichtet einbringen zu können, insbesondere in eine Scherschicht zwischen rezirkulierendem Abgas und sekundären Oxidator. Die Brennstoffströmung kann zur Unterstützung der Zerstäubung drallbehaftet sein.
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Die Brennstoffdüse 15 ist axial zurückversetzt zu der Austrittsöffnung 182, in einer axial gegenüber der Austrittsöffnung 182 zurückversetzten Vertiefung 24, in der Stirnseite 20 angeordnet. Die Vertiefung 24 ist konusartig ausgeformt und weist einen Boden mit einer Bodenfläche 242, eine Öffnung 243 als Übergang in den Brennraum 50 und eine zwischen dem Boden und der Öffnung 243 verlaufende Umfangsfläche 241 auf. Die Bodenfläche 242 und die Öffnung 243 sind orthogonal zu der Mittelachse M angeordnet. Die Umfangsfläche 241 ist axial-radial in einem Winkel α ausgerichtet, der derart auf den Winkel β des Brennstoff-Kegels abgestimmt ist, dass das Spray-Maximum des Brennstoffes nicht auf die Umfangsfläche 241 auftrifft, sondern durch die Öffnung 243 in den Brennraum 50 einströmen kann. Der Winkel α liegt vorzugsweise zwischen 10° und 70°, beispielsweise zwischen 20° und 60°, z. B. zwischen 40° und 50°. Die Öffnung 243 weist einen kreisförmigen Umriss auf und ist von dem Ring mit der Austrittsöffnung 182 umgeben, unter Zwischenlage einer Wandschicht zur strömungsmechanischen Trennung der Primärluftzufuhr 18 von der Vertiefung 24.
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Neben der Primärluftzufuhr 18 weist der Brennerkopf 10 eine sekundäre Oxidatorzufuhr, im Weiteren auch als Sekundärluftzufuhr 19 bezeichnet, auf. Die Sekundärluftzufuhr 19 umfasst eine sekundäre Austrittsöffnung 192, die spaltartig symmetrisch umlaufend um die Mittelachse M auf einem Kreisring angeordnet ist. Die Austrittsöffnung 192 ist radial zwischen der Brennstoffdüse 15 und der Austrittsöffnung 182 angeordnet und axial auf Höhe der Mündung der Brennstoffdüse 15 in der Vertiefung 24 positioniert. Denkbar wäre auch eine Anordnung stromauf der Brennstoffdüse 15. Durch diese Anordnung kann im Betrieb durch die sekundäre Austrittsöffnung 192 einströmender sekundärer Oxidator, insbesondere Luft, als eine Art Schirmluft zwischen dem Brennstoff-Spray und der Umfangsfläche 241 wirken, die eine strömungsmechanische Barriere zwischen dem Brennstoff-Spray und der Umfangsfläche 241 bildet. Die sekundäre Austrittsöffnung 192 bildet einen Teil des Bodens der Vertiefung 24, wobei die radial innere Umgrenzung der sekundären Austrittsöffnung 192 von dem äußeren Umriss der Bodenfläche 242 gebildet ist, d. h. die Austrittsöffnung 192 schließt radial umlaufend an die Bodenfläche 242 an. Die radial äußere Umgrenzung der sekundären Austrittsöffnung 192 ist von der Umfangsfläche 241 gebildet, die damit radial angrenzend an die sekundäre Austrittsöffnung 192 angeordnet ist. Die Umfangsfläche 241 erstreckt sich ausgehend von der sekundären Austrittsöffnung 192 bis an die Öffnung 243 der Vertiefung 24 angrenzend an den Brennraum 50.
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Die Sekundärluftzufuhr 19 weist einen sekundären Zufuhrkanal 191 auf, der in die sekundäre Austrittsöffnung 192 mündet. Der sekundäre Zufuhrkanal 191 weist eine radial innenliegende Innenwandfläche 194 und eine radial außenliegende Außenwandfläche 193 auf, die einander gegenüberliegend einen ringspaltartigen Strömungsquerschnitt begrenzen. Zur Aufprägung eines axial-radialen Impulses im Wesentlichen entsprechend der Ausrichtung der Umfangsfläche 241 sind die Wandflächen 193, 194 entsprechend ausgeformt, wobei die Innenwandfläche 194 und die Außenwandfläche 193 in einem Eintrittsbereich weiter voneinander beabstandet sind als in einem Austrittsbereich mit der sekundären Austrittsöffnung 192. In dem Austrittsbereich nähern sich die beiden Wandflächen 194, 193, für eine günstige Strömungsführung kontinuierlich, aneinander an. Jedoch ist auch ein gleichbleibender Abstand, mit einem konstanten Strömungsquerschnitt des Spaltes, denkbar. Die Wandflächen 194, 193 verlaufen zumindest in dem Austrittsbereich angrenzend an die sekundäre Austrittsöffnung 192 im Wesentlichen im Winkel α. Diese Ausrichtung setzt sich stromauf der sekundären Austrittsöffnung 192 derart weit fort, dass Einlaufeffekte des sekundären Oxidators bei Ausströmen aus der sekundären Austrittsöffnung 192 in die Vertiefung 24 vermieden werden. So kann im Betrieb ein gleichmäßiger, drallfreier Oxidator- bzw. Luftstrom entlang der Umfangsfläche 241 der Vertiefung 24 erzeugt werden, der eine Wandbenetzung mit dem Brennstoff-Spray, z. B. durch Spray-Bestandteile abseits des Brennstoff-Maximums, verhindert. Unerwünschte Effekte einer damit verbundenen Spray-Wand-Interaktion (beispielsweise Filmbildung, sekundäre Zerstäubung, Verkoken etc.) lassen sich durch diese Ausbildung der Sekundärluftzufuhr 19, in Kombination mit der auf das Spray-Maximum abgestimmten Ausrichtung der Umfangsfläche 241, besonders wirksam vermeiden.
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Ebenso wie die primäre Austrittsöffnung 182 wird die sekundäre Austrittsöffnung 192 aus dem Plenum 40 gespeist, das stromauf des Brennerkopfes 10 als gasführender Oxidatorraum zur Oxidatorversorgung des Brennersystems 1 angeordnet ist. Das Verhältnis von primärem Oxidator durch die Primärluftzufuhr 18 zu sekundärem Oxidator durch die Sekundärluftzufuhr 19 ist über die Geometrien der Primärluftzufuhr 18 und der Sekundärluftzufuhr 19 ausgelegt. Die Primärluftzufuhr 18 weist neben der Austrittsöffnung 182 einen primären Zufuhrkanal 181 auf, der in die primäre Austrittsöffnung 182 mündet. Für eine strömungsgünstige Oxidatorführung sind die Übergänge aus dem Plenum 40 in die Zufuhrkanäle 181, 191 vorzugsweise abgerundet ausgeführt.
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Durch die Anordnung der primären Austrittsöffnung 182 im Wesentlichen radial angrenzend um die Öffnung 243 der Vertiefung 24 trifft die Strömung des sekundären Oxidators nach Austritt aus der Öffnung 243 in den Brennraum 50 auf die axial gerichtete Strömung des primären Oxidators.
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Für eine kompakte, insbesondere thermisch widerstandsfähige Ausbildung umfasst der Brennerkopf 10 als wesentlichen Bestandteil einen Grundkörper 12, der, entsprechend der Umfangsform des Brennraums 50, in seiner Grundform im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist. Der Grundkörper 12 und darin eingebrachte Strukturen können z. B. über ein additives Fertigungsverfahren, insbesondere über selektives Laserschmelzen, hergestellt werden.
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In den Grundkörper 12 sind die beiden Luftzufuhren 18, 19 und die Vertiefung 24 eingebracht. Dazu umfasst der Grundkörper 12 einen Außenteil 121, an dessen Außenumfang, beispielsweise aufsetzend auf einen radial umlaufenden Absatz, die Umfangswandung 52 des Brennersystems 1 anschließt. Der Außenteil 121 umfasst weiterhin eine äußere Stirnfläche 22 der Stirnseite 20, die brennraumseitig radial umlaufend um die primäre Austrittsöffnung 182 angeordnet und in einer zu der Mittelachse M orthogonalen Ebene gelegen ist.
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Weiterhin umfasst der Grundkörper 12 einen Mittelteil 122, der radial innerhalb des Außenteils 121 positioniert ist. Der Mittelteil 122 umfasst auf der brennraumseitigen Seite die Umfangsfläche 241 der Vertiefung 24, die einen Teil der Stirnseite 20 bildet.
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Zwischen dem Mittelteil 122 und dem Außenteil 121 ist der primäre Zufuhrkanal 181 ringartig in dem Grundkörper 12 gebildet. Der primäre Zufuhrkanal 181 weist einen in Strömungsrichtung im Wesentlichen konstanten Strömungsquerschnitt auf, mit parallel zueinander verlaufenden Wandflächen. Die radial äußere Wandfläche ist dem Außenteil 121 und die radial innere Wandfläche ist dem Mittelteil 122 zugeordnet. Denkbar wäre ein sich im Verlauf ändernder Strömungsquerschnitt des Zufuhrkanals 182, z. B. ähnlich wie bei dem sekundären Zufuhrkanal 192, was insbesondere zur Beeinflussung des Verhältnisses zwischen primärem und sekundärem Oxidator dienen kann. Der Außenteil 121 und der Mittelteil 122 sind zueinander mittels Befestigungsmitteln 14 in Position gehalten. Vorliegend sind die Befestigungsmittel 14 für eine stabile und zugleich strömungswiderstandsarme Befestigung beispielhaft als axial in dem Zufuhrkanal 181 verlaufende Streben ausgebildet, beispielhaft vier an der Zahl. Zur Begünstigung einer symmetrischen Strömungsführung sind die Streben gleichmäßig in dem ringspaltartigen Zufuhrkanal 181 verteilt, hier in einem Winkelabstand von 90°.
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Radial innerhalb des Mittelteils 122 weist der Grundkörper 12 einen Innenteil 123 auf. Zwischen dem Mittelteil 122 und dem Innenteil 123 ist der sekundäre Zufuhrkanal 191 ringartig in dem Grundkörper 12 gebildet. Dabei ist die Außenwandfläche 193 dem Mittelteil 122 und die Innenwandfläche 194 dem Innenteil 123 zugeordnet. Die beiden Wandflächen 193, 194, und damit die jeweilige Formgebung des Mittelteils 122 und des Innenteils 123, sind zur Verkleinerung des Strömungsquerschnitts im Verlauf des sekundären Zufuhrkanals 191 in Strömungsrichtung, wie vorstehend beschrieben, ausgebildet. Der Mittelteil 122 und der Innenteil 123 sind mit Befestigungsmitteln 14 zueinander positioniert. Diese sind beispielhaft ebenfalls als axial in dem Zufuhrkanal 191 verlaufende Streben ausgebildet, für eine zuverlässige und zugleich strömungsgünstige Befestigung beispielhaft vier an der Zahl. Zur Begünstigung einer symmetrischen Strömungsführung sind die Streben gleichmäßig in dem ringspaltartigen Zufuhrkanal 191 verteilt, bei vier Streben in einem Winkelabstand von 90°. Zur Minderung des Einflusses auf die Geschwindigkeitsverteilung bei Austritt in den Brennraum 50 sind die Streben zwischen dem Außenteil 123 und dem Mittelteil 122 sowie die Streben zwischen dem Mittelteil 122 und dem Innenteil 123 tangential versetzt zueinander angeordnet, bei jeweils vier Streben beispielsweise um 45°.
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Innenliegend weist der Innenteil 123 eine koaxial zu der Mittelachse M angeordnete Ausnehmung 17 zur Aufnahme der Zerstäubereinrichtung 16 auf, die in betriebsbereitem Zustand dort positioniert ist. Die Ausnehmung 17 ist in ihrer Formgebung zur Aufnahme der zur Anwendung kommenden Zerstäubereinrichtung 16 ausgebildet und in Richtung Vertiefung 24 geöffnet. Die Ausbildung ist derart, dass die Brennstoffdüse 15 der Zerstäubereinrichtung 16 zur Einbringung des Brennstoffes in den Brennraum 50 (insbesondere durch die Vertiefung 24) auf der bzw. symmetrisch um die Mittelachse M angeordnet ist. Insbesondere bildet zumindest ein Teil der stirnseitigen Seite der Zerstäubereinrichtung 16 einen Teil der Bodenfläche 242. Der andere Teil der Bodenfläche 242 wird durch die in Richtung der Stirnseite 20 weisende Seite des Innenteils 123 gebildet. Für eine gleichmäßige, im Wesentlichen glatte Bodenfläche 242 liegen der der Zerstäubereinrichtung 16 zugeordnete und der dem Innenteil 123 zugeordnete Teil der Bodenfläche 242 axial koplanar zueinander.
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Wie in 1 gezeigt, ist die Ausnehmung 17 derart ausgebildet, dass der Stutzen 32 der Brennstoffzufuhr 30 ebenfalls in der Ausnehmung 17 münden kann. Dabei kann z. B. der von der Stirnseite 20 abgewandte Teil der Zerstäubereinrichtung 16 in das stromabseitige Ende des Stutzens 32 eingebracht, beispielsweise geschraubt, gesteckt oder gepresst, sein. Das stromabseitige Ende des Stutzens 32 mit der Zerstäubereinrichtung 16, kann wiederum in der Ausnehmung 17 eingebracht, beispielsweise gesteckt, geschraubt oder gepresst, sein. Insbesondere durch eine lösbare Befestigung des Stutzens 32 und der Zerstäubereinrichtung 16 in der Ausnehmung 17 ergibt sich vorteilhaft ein modularer Aufbau, bei dem bedarfsweise die Zerstäubereinrichtung 16 gewechselt werden kann.
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Im Betrieb strömt Oxidator, insbesondere Luft, im Gegenstrom zu der Hauptströmungsrichtung innerhalb des Brennraums 50 an der Umfangswandung 52 entlang in Richtung Brennerkopf 10. Aus der Strömung zweigt sich zusätzlicher Oxidator ab und strömt radial durch die Zugabeöffnungen 56 in den Brennraum 50. Die Strömungsführung ist in 1 durch Pfeile angedeutet, wobei die Rezirkulationszone 54 der Übersichtlichkeit halber nur in der oberen Hälfte des Brennraums 50 skizziert ist. Durch die Positionierung der Zugabeöffnungen 56 an demund/oder stromauf eines Stagnationsgebiet/s 58 (welches das stromabseitige Ende der Rezikulationszone 54 bildet) wird der zusätzliche Oxidator durch die Rezirkulationszone 54 stromauf transportiert und in den Verbrennungsprozess eingebunden. So wird eine Abmagerung innerhalb des Verbrennungsprozesses, d. h. ein höherer Oxidatoranteil, erreicht. Untersuchungen haben gezeigt, dass dies den Verbrennungsprozess positiv beeinflussen kann.
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Der übrige Oxidator strömt über das Plenum 40 an den Brennerkopf 10 heran. Ein Teil des Oxidators strömt über die Primärluftzufuhr 18, der andere Teil über die Sekundärluftzufuhr 19 über den Brennerkopf 10 in den Brennraum 50 ein. Das Verhältnis der Oxidatoranteile zueinander bzw. die jeweiligen Anteile am gesamten, in den Brennraum 50 einströmenden Oxidator ergeben sich entsprechend der Auslegung der Geometrien der Primärluftzufuhr 18 und der Sekundärluftzufuhr 19, worüber das Druckverlust-Verhältnis über die Luftzufuhren 18, 19 festgelegt ist. Möglich ist auch eine veränderliche Geometrie und damit Aufteilung des Oxidators.
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Der durch die Primärluftzufuhr 18 strömende Anteil an Oxidator tritt durch die Austrittsöffnung 182 axial drallfrei und ohne radiale Richtungskomponente mit hohem axialem Impuls in den Brennraum 50 ein. Die Austrittsgeschwindigkeit beträgt dabei beispielsweise zwischen 60 m/s und 130 m/s oder mehr, z. B. mehr als 80 m/s. Im Vergleich zu einem Brennersystem mit drallstabilisierter Verbrennung liegt die Geschwindigkeit z. B. um etwa einen Faktor 2 höher. Durch die Strömungsführung bildet sich eine ausgeprägte innere Rezirkulationszone 54 mit innerhalb des Brennraums 50 rezirkulierendem Abgas aus, welche den Verbrennungsprozess stabilisiert. Durch die spaltartige Ausbildung der Austrittsöffnung 182, ohne die bei bekannten FLOX-basierten Brennersystemen typische Einzeldüsen, ergibt sich eine vergleichsweise radial flache, ringförmige Strömung, die zu einer deutlich axial kompakteren Rezirkulationszone 54 beiträgt.
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Der durch die Sekundärluftzufuhr 19 strömende Anteil an sekundärem Oxidator tritt durch die Austrittsöffnung 192 axial, drallfrei und mit einer radialen Richtungskomponente zunächst in die Vertiefung 24 und stromab in den Brennraum 50 ein. Durch die Ausgestaltung des Zufuhrkanals 191, mit entsprechender Ausformung der Außenwandfläche 193 und der Innenwandfläche 194 in dem Austrittsbereich, wird dem Oxidatorstrom stromauf der Austrittsöffnung 192 ein Impuls aufgeprägt, der in axial-radialer Richtung im Wesentlichen der axial-radialen Ausrichtung der Umfangsfläche 241, d. h. dem Winkel α, entspricht. Auf diese Weise kann der sekundäre Oxidator einen Luft- bzw. Gasfilm innerhalb der Vertiefung 24 entlang der Umfangsfläche 241 bilden.
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Bei Einströmung des sekundären Oxidators aus der Öffnung 243 in den Brennraum 50 trifft dieser auf den primären Oxidator, der aus der, die Öffnung 243 umgebenden, primären Austrittsöffnung 182 in den Brennraum 50 einströmt. Aufgrund der nahen, lediglich unter Zwischenlage einer Wandungsdicke getrennten, Anordnung der primären Austrittsöffnung 182 um die Öffnung 243 liegt die axiale Auftreffposition vergleichsweise nahe an der primären Austrittsöffnung 182. Durch den radialen Impuls des sekundären Oxidators lenkt dieser den primären Oxidator bei Aufeinandertreffen der beiden Oxidatorströmungen radial nach außen ab. So ergibt sich beim Aufeinandertreffen der beiden Ströme ein axial-radial gerichteter Gesamtoxidatorstrom. Durch die Wahl des Verhältnisses zwischen primärem und sekundärem Oxidator kann die radiale Ablenkung und, damit im Zusammenhang stehend, die Lage und Ausdehnung der Rezirkulationszone 54 sowie das Temperaturfeld justiert werden. Weitere Freiheitsgrade diesbezüglich sind der Winkel α der Umfangsfläche 241 und/oder der (ggf. damit in Zusammenhang stehende) Winkel β des Brennstoff-Sprays sowie der radiale Abstand der Austrittsöffnung 182 von der Öffnung 243 der Vertiefung. Die radiale Richtungskomponente der Gesamtströmung nach außen ist einer axial kompakteren Rezirkulationszone 54 zuträglich.
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Der flüssige Brennstoff wird separat von dem Oxidator, d. h. nicht vorgemischt, über die Brennstoffzufuhr 30 mit der Brennstoffdüse 15 im Zentrum des Brennerkopfes 10, zunächst in die Vertiefung 24 eingebracht. Vorliegend ist die Brennstoffdüse 15 axial auf Höhe der Bodenfläche 242 und radial auf der Mittelachse M positioniert. Möglich wären auch mehrere Brennstoffdüsen 15, die insbesondere symmetrisch um die Mittelachse M angeordnet sind.
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Bei der Zugabe wird ein kegelartiges Brennstoff-Spray erzeugt, dessen axial-radialer Winkel β derart ist, dass das Spray-Maximum in Strömungsrichtung aus der Öffnung 243 in den Brennraum 50 gerichtet ist. Der durch den sekundären Oxidator gebildete Luftfilm verhindert zusätzlich eine Wandbenetzung innerhalb der Vertiefung 24 durch den Brennstoff. Auf diese Weise wird eine unerwünschte Spray-Wand-Interaktion mit sekundären Verdampfungseffekten verhindert. Durch die axial zurückversetzte Zugabe des Brennstoffes zunächst in die Vertiefung 24 kann durch Einwirkung des heißen, rezirkulierenden Abgases, welches zum Teil in die Vertiefung 24 hineinströmt, eine Vorwärmung und teilweise Vorverdampfung des flüssigen Brennstoff-Sprays vor Eintritt in den Brennraum 50 erreicht werden. Der Einfluss der Rezirkulationszone 54 auf die Tröpfchentrajektorien des Brennstoff-Sprays wird gering gehalten, da sich die Tröpfchen gezielt hauptsächlich zwischen dem sekundären Oxidator und dem rezirkulierenden Abgas bewegen. So liegt der Brennstoff durch diese Ausbildung und Verfahrensführung auch bei Einströmen in den Brennraum 50, stromab der Vertiefung 24, im Wesentlichen unvermischt oder allenfalls teilvorgemischt mit dem Oxidator vor.
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Außerhalb der Öffnung 243 trifft das Brennstoff-Spray auf den ringförmig einströmenden primären Oxidator. Durch die vergleichsweise homogene, umlaufende Geschwindigkeitsverteilung des primären Oxidatorstroms werden Bereiche mit geringen axialen Geschwindigkeiten vermieden. Dies wirkt einem Passieren von radial nach außen fliegenden Brennstoff-Tropfen und deren Auftreffen auf die Innenfläche der Umfangswandung 52 entgegen. Somit werden auch innerhalb des Brennraumes 50 unerwünschte sekundäre Verdampfungseffekte vermieden.
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Das Brennstoff-Spray trifft zunächst auf der radialen Innenseite des ringförmigen primären Oxidators auf. Dort mischt sich das Brennstoff-Spray zunächst zusammen mit dem sekundären Oxidator in den primären Oxidator ein. Dadurch wird der Verbrennungsprozess vermehrt im radial Inneren der ringförmigen primären Oxidatorströmung stabilisiert, insbesondere in der inneren Scherschicht zwischen dem einströmenden primären Oxidator und den heißen rezirkulierenden Abgasen. Aufgrund der nach innen verlagerten Verbrennungszone kann sich radial außen, anliegend an der Umfangswandung 52, ein vergleichsweise kälterer Gasfilm entlang der Innenseite der Umfangswandung 52 bilden und so die Wärmebelastung der Umfangswandung 52 reduziert werden.
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Durch den axialen Rückversatz der Brennstoffzugabeposition und der damit verbundenen teilweisen Vorerwärmung und Verdampfung des Brennstoff-Sprays erfolgt nach Einmischung des Brennstoff-Sprays in den Oxidator eine zügige vollständige Verdampfung und anschließende Verbrennung des Brennstoffes. Dies ist einer kompakten Reaktionszone im Vergleich zu anderen Flüssig-Brennersystemen zuträglich.
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Untersuchungen haben gezeigt, dass durch das Zusammenspiel der beiden ringspaltartigen Austrittsöffnungen 182, 192 und der Zerstäubereinrichtung 16 und deren Auslegung bzw. Anordnung zur Erreichung der vorstehend dargelegten Strömungsführung ein sehr homogenes Temperaturfeld innerhalb der Verbrennungszone erreichbar ist, was die Bildung von Schadstoffen, insbesondere Stickoxiden, reduziert. Durch die unverdrallte Strömungsführung des Oxidators ergibt sich zudem ein geringer Druck- und damit Leistungsverlust des Brennersystems 1 im Vergleich zu typischen Brennersystemen mit drallstabilisierter Verbrennung (Druckverluste von z. B. etwa 3 % im Vergleich zu etwa 5 %). So wird, insbesondere in Verbindung mit vermiedenen sekundären Verdampfungseffekten, ein zuverlässiger, schadstoffarm arbeitender Brennerkopf 10 und ein entsprechendes Brennersystem 1 für die Verbrennung von flüssigen Brennstoffen bereitgestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012216080 A1 [0002]
