DE1035306B - Verfahren zum Mischen gasfoermiger, fluessiger oder fester Stoffe sowie zur Herstellung von Reaktions-produkten und Vorrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens - Google Patents

Description

• Verfahren zum Mischen gasförmiger, flüssiger oder fester Stoffe sowie zur Herstellung von Reaktionsprodukten und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Mischen gasförmiger, flüssiger oder fester Stoffe sowie zur Herstellung von Reaktionsprodukten zweier oder mehrerer solcher Stoffe in einer Mischkammer, wobei wenigstens einer der zu mischenden bzw. zur Reaktion zu bringenden Stoffe mit Drall und bzw. oder mit Drehung in die Mischkammer eingeleitet wird.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einem strömenden gasförmigen oder flüssigen bzw. sich in Bewegung befindlichen festen Medium beliebige andere Stoffe beizumischen und bei Bedarf mit diesen zur Reaktion zu bringen.
• Diese Aufgabe tritt beispielsweise beim Bau chemischer und feuerungstechnischer Apparate auf und wurde bisher meist in der Form gelöst, daß in das strömende Medium Widerstandskörper, wie z. B.
• Flammlhalter, eingebaut wurden, die hinter sich ein verwirbeltes Totwasser erzeugen. In dieses werden die beizumischenden Stoffe eingeführt und durch die Totwasserturbulenz in der Strömung verteilt. Sofern die zu mischenden Stoffe chemisch miteinander reagieren sollen, findet die Reaktion ebenfalls im Totwassergebiet hinter dem Widerstandskörper statt. Die meisten Brennkammerkonstruktionen von Staustrashltriebwerken und Gasturbinen arbeiten nach diesem Prinzip.
• Eine andere, vor allem bei Brennern häufige Lösungsform der obigen Aufgabe besteht darin, das strömende Medium beispielsweise durch tangentiale Einführung in einen einseitig gesohlossenen, rohrartigen Hohlkörper in starke Rotation zu versetzen.
• Im Zentrum solcher rotierender Medien gibt es stets Zonen, in denen das Medium annäherungsweise mit konstanter Winkelgeschwindigkeit rotiert und in denen dadurch infolge Wirbelzerfall ebenfalls turbulente Mischerscheinungen auftreten, die beispielsweise hei Brennern zur Durchmischung von Luft und Brennstoff benutzt werden.
• Allen diesen Lösungen ist gemeinsam, daß zur Erzielung einer gewünschten Durchmischung unnötig hohe Strömungsverluste in Kauf genommen werden müssen, weil der Frequenzbereich der die Durchmischung bewirkenden Wirbelbewegungen und damit die Durchmischungswirkung selbst relativ beschränkt sind.
• Wie nun neuere theoretische und experimentelle Untersuchungen ergaben, erhält man eine um ein Mehrfaches bessere und wirkungsvollere turbulente Durchmischung, wenn man die Turbulenz nicht, wie bescihrieben, durch Widerstandskörper oder durch Rotationsbewegung erzeugt, sondern dadurch, daß man zwei parallele Strömungen von ungefähr gleich großer, aber entgegengesetzt gerichteter Geschwindig- keit eine hinreichend lange Wegstrecke aneinander entlanglaufen läßt. In der Berührungsßäche zwischen den beiden gegenläufigen Strömungen bildet sich dann eine Zone intensiver Turbulenz aus, die sich in ihrer Struktur und in ihrem Verhalten grundsätzlich von den zuvor erwähnten Turbulenzformen unterscheidet.
• Zwei äußerliche Unterschiede bestehen darin, daß erstens die Turbulenz in der Berührungsfläche zweier paralleler gegenläufiger Strömungen schon bei wesentlich kleineren Reynoldsohen Zahlen einsetzt als bei den anderen Turbulenzformen. Das bedeutet, daß man sowohl turbulente Durchmischung bei wesentlich kleineren Strömungsgeschwindigkeiten und damit entsprechend kleineren Strömungsverlusten erreichen sowie auch wesentlich zähflüssigere Medien überhaupt erst zur Turbulenz bringen kann. Zweitens ist der Frequenzbereich der vorhandenen Wirbelbewegungen auch bei den höchsten Reynoldschen Zahlen in voller Größe vorhanden, während er sich bei den erstgenannten Turbulenzformen mit steigender Reynoldscher Zahl immer weiter einengt und im Grenzfall gegen Null geht. Dies bedeutet einerseits, daß man auch bei höchsten Geschwindigkeiten eine vollständige turbulente Durchmischung erreicht, was bei den erstgenannten Turbulenzformen nicht der Fall ist. Andererseits liefert die Extrapolation dieses Ergebnisses auf unendlich hohe Reynoldsche Zahlen, d. h. auf die reibungsfreie, ideale Strömung, ein grundsätzliches Kriterium für den Unterschied zwischen der ersten, durch Widerstandskörper oder Rotation erzeugten, und der letzteren in der Berührungsfläche paralleler gegenläufiger Strömungen entstehenden Turbulenz: Während nämlich bei reibungsfreier Strömung im ersten Fall überhaupt keineTurbulenz entsteht, kommt sie im letzteren Fall erst richtig zur vollen Ausbildung.
• Um diese letztere Turbulenzform für die Durohführung von Mischungen und gegebenenfalls auch Reaktionen von verschiedenen - Stoffen auszunutzen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, so zu verfahren, daß die Einleitung wenigstens des einen Stoffes in eine solche zylindrische oder eine sich in der Hauptströmungsrichtung erweiternde Kammer erfolgt, bei der die Erweiterung der Kammer und bzw. oder der Drall bzw. die Drehung des in diese eintretenden Stoffes derart gewählt sind;daß dieser vom Eintritt an entlang der Wandfläche zum Austrittsende der Kammer strömt, dort teilweise nach innen umkehrt und . im Bereich der Kammerlängsaahse bis in die Nähe des Eintritts zurück strömt und sich zwischen der Hin- und Rückströmung eine Zone starker Turbulenz einstellt, die die Kammerachse röhrenförmig umschließt und der der beizumischende Stoff bzw. die anderen beizumischenden Stoffe an beliebigen Stellen, vorzugsweise in der Nähe der Kammerachse, zugeführt werden.
• Das Verfahren nach Erfindung soll an Hand der Zeichnung am Beispiel einer Gasturbinenbrennkammer näher erläutert werden. In solchen Brennkammern soll das Hauptströmungsmedium - nämlich Luft -mit anderen Stoffen - nämlich Brennstoff - vermischt und zur Reaktion gebracht werden. Zu diesem Zweck wird die Luft, mit einem mäßigen Drall versehen, axial in eine zylindrische oder sich in Durchsatzrichtung erweiternde Brennkammer - gemäß Abb. 1-eingeführt. Dieser Drall ist stets vorhanden, wenn die Luft etwa aus dem koaxialen Verdichter einer Gasturbine austritt; andernfalls muß er dadurc;h erzeugt werden, daß der Kammer beispielsweise eine koaxiale Eintrittsleitspirale, ein Schaufelgitter oder ein Raumkrümmer vorgeschaltet ist. Wesentlich ist erstens, daß die Luft einen Drall besitzt, der nicht stark zu sein braucht, aber dafür sorgt, daß die Luft die Brennkammer vom Eintrittsquerschnitt E (Abb. 2) bis zum Austrittsquerschnitt A, aus Fliehkraftgründen an der Wand anliegend, durchströmt und daß zweitens im Zentrum des Eintrittsquerschnitts E ein Unterdruck vorhanden ist, der groß sein muß im Vergleich zu den Staudrucken in der Brennkammer selbst. Ein solcher Unterdruck ist beispielsweise im Zentrum der erwähnten koaxialen Eintrittsleitspirale bei richtiger Auslegung stets vorhanden. Seine Saugkraft bewirkt, daß die entlang der Wand von E nach A laufende Strömung zum überwiegenden Teil nicht aus dem Austrittsquerschnitt A abströmt, sondern dort umkehrt und in Kammermitte bis ganz zum Eintrittsquerschnitt E zurückströmt. Dort stülpt sie sich nach außen um und strebt mit der Außenströmung wieder dem Austrittsquerschnitt A zu. Die Durchsatzkomponenten dieser - wie erwähnt, von einem mäßigen Drall überlagerten - Strömung zeigt Abb. 2.
• Wie Untersuchungen ergaben, ist die beschriebene Rückströmung in Kammermitte unter Einhaltung bestimmter Bedingungen erzwingbar, und zwar muß das in Kammerachse von A nach E vorhandene Druckgefälle hinreichend groß sein, um die durch die herrschende Turbulenz verursaohten Strömungsverluste der Rückströmung decken zu können. Das bedeutet, daß der Drall der in die Kammer eintretenden Luft und die Divergenz der Strömung in der Kammer selbst so aufeinander abgestimmt sein müssen, daß das erforderliche Druckgefälle in Kammermitte erreicht ist.
• Wird diese Bedingung erfüllt und ist die Länge der Strecke, längs der sich Hin- und Rückströmung beru"hren - näherungsweise die Kammerlänge - hinreichend groß gegen die Dicke der sich berührenden Schichten - näherungsweise gleich dem halben Kammerdurchmesser -, so entsteht zwischen Hin-und Rückströmung eine Zone Z (Abb. 2) außerordentlich intensiver Turbulenz von der oben beschriebenen Struktur. Die Stoffe, die mit Hilfe dieser Turbulenz mit dem Hauptströmungsmedium vermischt werden sollen, können diesem an beliebiger Stelle vor oder in der Kammer zugeführt werden, vornehmlich in der Nähe der Kammerachse. Eine für den betrachteten Anwendungsfall dieses Verfahrens für Brennkarhmern besonders günstige Stelle für die Brennstoffzufuhr befindet sich in Achsnähe am AustrittsquerschnittA (Abb.2). Der hier eingeführte Brennstoff wird von der Rückströmung erfaßt, ins Kammerinnere hineingezogen und gerät dann in die Turbulenzzone Z, wo er sich mit Luft vermischt und abbrennt. Die Flamme stellt sich in der Turbulenzzone Z ein und umgibt den mit der Rückströmung in die Kammer transportierten Brennstoff röhrenförmig, wobei dieser durch ihre Strahlung intensiv erhitzt und für die anschließende Verbrennung aufbereitet wird.
• Die Flamme selbst ist durch einen Kaltltiftschleier von den Wänden getrennt, die dadurch stets kalt bleiben und nicht verzundern.
• Die Reaktionsprodukte treten am Austrittsende A aus der Kammer aus. Es ist zwar nicht erforderlich, oft aber zweckmäßig, der Kammer eine Austrittsleitvorrichtung, etwa eine Austrittsleitspirale zur Drallrückgewinnung nachzuschalten. Abb. 3 stellt eine Ausführungsform mit Eintritts- und Austrittsleitspirale dar. Die Verbrennungsluft tritt bei E, der Brennstoff am Austrittsende in die konisch ausgebildete Kammer ein. Die Abgase verlassen die Kammer durch die Austrittsleitspirale bei t.
• Wie erwähnt, ist die Austrittsleitvorrichtung nicht unbedingt erforderlich. Die konische oder zylindrische Brennkammer kann sogar anschließend an den Austrittsquerschnitt A relativ stark erweitert oder verengt werden, um beispielsweise auf den Anschluß durchmesser einer beliebigen Rohrleitung zu kommen, durch die die Reaktionprodukte fortgeleitet werden sollen. Eine mäßige konische Verengung kann unter Umständen das Zustandekommen der Rückströmung unterstützen.
• In demselben Sinne wirkt das Vorhandensein eines drehsymmetrischen, zentralen Widerstandskörpers im Austrittsquerschnitt A. Bereits die Stirnwand der Austrittsleitspirale (Abb. 3) kann also solcher Widerstandskörper aufgefaßt werden.
• Die Funktion der Kammer wird nicht gestört, wenn die Kammerachse durch einen kegeligen oder zylindrischen Kern ausgefüllt ist. Dies ist z. B. bei Gasturbinen von Luftfahrzeugen häufig der Fall, bei denen die Turbinenwelle zentral durch den Brennkammerteil des Triebwerkes hindurchgeführt werden muß.
• Ferner ist das erfindungsgemäße Misch- und Reaktionsverfahren für die Durchführung der Verbrennung, insbesondere in Einspritzmotoren, geeignet, wobei der Drall der Verbrennungsluft im Zylinder durch tangentiale Einleitung der Ladeluft in den Motorenzylinder erzeugt werden kann (Abb. 4).
• Das erfindungsgemäße Misch- und Reaktionsverfahren eignet sich selbstverständlich nicht nur für Verbrennungsvorgänge, sondern auch für Mischungen und Reaktionen aller Art zwischen gasförmigen, flüssigen und festen, hinreichend zerkleinerten Stoffen, insbesondere dann, wenn auch auf gründliche Durchmischung, kleine Strömungsverluste, gleichmäßige Reaktionsprodukte, geschützte Wände und kleine Verweilzeiten bzw. große Durchsätze Wert gelegt wird.
• PATENTANSPRtSCHE 1. Verfahren zum Mischen gasförmiger, flüssiger oder fester Stoffe sowie zur Herstellung von Reaktionsprodukten zweier oder mehrerer solcher Stoffe in einer Mischkammer, wobei wenigstens einer der zu mischenden bzw. zur Reaktion zu bringenden Stoffe mit Drall und bzw. oder mit Drehung in die Mischkammer eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Einleitung wenigstens des einen Stoffes in eine solche zylindrische oder eine sich in der Hauptströmungsrichtung erweiternde Kammer erfolgt, bei der die Erweiterung der Kammer und bzw. oder der Drall bzw. die Drehung des in diese eintretenden Stoffes derart gewählt sind, daß dieser vom Eintritt an entlang der Wandfläche zum Austrittsende der Kammer strömt, dort teilweise nach innen umkehrt und im Bereich der Kammerlängsachse bis in die Nähe des Eintritts zurückströmt und sich zwischen der Hin- und Rückströmung eine Zone starker Turbulenz einstellt, die die Kammerachse röhrenförmig umschließt und der der beizumisehende Stoff bzw. die anderen beizumischenden Stoffe an beliebigen Stellen, vorzugsweise in der Nähe der Kammerachse. zugeführt werden.

Claims (1)

1. 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Misch- und Reaktionskammer aus einem zylindrischen oder sich in der Hauptströmungsrichtung erweiternden Rohrstück besteht, bei dem im Bereich des Eintritts für den einen Stoff Drall oder Drehung erzeugende Mittel und in der Nähe der Mittelachse Mittel zur Einleitung des oder der anderen beizumischenden Stoffe vorgesehen sind.

   3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Mittel zur Ein- leitung des oder der anderen beizumischenden Stoffe im Bereich des Austritts angeordnet sind.

   4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem oder am Eintritt der Kammer dem in diese eintretenden Stoff einen Drall und bzw. oder eine Drehung vermittelnde Leitvorrichtung in Form eines tangential einmündenden Rohres, einer Eintrittsspirale, eines Schaufelkranzes, eines Raumkrümmers od. dgl. angeordnet ist.

   5. Vorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Austritts oder Endquerschnitts der Kammer ein körperlicher Widerstand angeordnet ist.

   6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der körperliche Widerstand aus einer zentrisch zur Mittelachse angeordneten Scheibe besteht.

   7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der körperliche Widerstand von einem Drehkörper gebildet wird.

   8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kammer eine Vorrichtung zur Druckrückgewinnung in Form einer Austrittsleitspirale, eines Schaufelkranzes, eines Raumkrümmers od. dgl. nachgeschaltet ist.

   9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, gekennzeichnet durch die Anwendung als Brennkammer für Feuerungsanlagen.

   10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, gekennzeichnet durch die Anwendung als Brennkammer für Gasturbinen.

   11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, gekennzeichnet durch die Anwendung für Brennkammern der Zylinder von Verbrennungskraftmaschinen.

   12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, gekennzeichnet durch die Anwendung als Reaktionskammer zur Durchführung chemischer Reaktionen zweier oder mehrerer Stoffe.

   In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 767 313.