DE112011101572T5

DE112011101572T5 - Brennstoffgemisch und Anwendungen desselben

Info

Publication number: DE112011101572T5
Application number: DE112011101572T
Authority: DE
Inventors: Klaus-Dieter Wehrstedt; Kirti Bhushan Mishra
Original assignee: Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Current assignee: Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Priority date: 2010-05-06
Filing date: 2011-05-05
Publication date: 2013-02-28
Also published as: WO2011138395A2; WO2011138395A3

Abstract

Ein Brennstoffgemisch umfasst tert-Butylperoxybenzoat mit einem Anteil von 30 Gew.-% bis 70 Gew.-% und Kerosin mit einem Anteil von 70 Gew.-% bis 30 Gew.-%.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffgemisch sowie die Verwendung dieses Brennstoffgemischs in Industrietrocknern, in Gasturbinen oder zur Geräuschminderung in Triebwerken.
Die Verbrennung stellt einen der wichtigsten chemischen Prozesse dar, den die Menschheit nutzt. Im Laufe der Zeit sind daher für die verschiedenen Anwendungen von Verbrennungsprozessen jeweils unterschiedliche Brennstoffe gefunden oder entwickelt worden, die in ihren Eigenschaften für die spezifischen Anwendungen optimiert sind.
Eine der Hauptnutzungen von Verbrennungsprozessen ist die Wärmeerzeugung, sei es für die industrielle Nutzung, die Elektrizitätserzeugung oder für Heizzwecke. Ein weiterer wichtiger Anwendungsbereich von Verbrennungsprozessen ist die Mobilität, da zur Zeit die übergroße Mehrzahl aller Fahrzeuge mit Hilfe von Verbrennungskraftmaschinen angetrieben werden. Darüberhinaus werden Verbrennungsprozesse auch genutzt, um Abfallstoffe thermisch zu verwerten oder Giftstoffe mittels Verbrennung unschädlich zu machen.
Häufige Anwendung finden Verbrennungsprozesse beispielsweise bei der Trocknung feuchter Materialien und Stoffe. Die Trocknung stellt in der chemischen Industrie, der Papierherstellung und auch der Lebensmittelindustrie einen wichtigen Prozess dar. Dabei ist bekannt, dass die Impulsverbrennung verglichen mit der kontinuierlichen Verbrennung effektiver ist. Mithin werden in Industrietrocknern sogenannte Prallplattenventile und/oder Explosionskammern bereitgestellt, um eine solche Impulsverbrennung zu gewährleisten. Bei der Explosion herkömmlicher Brennstoffe in Luft oder Sauerstoff entsteht durch den dabei auftretenden Schall eine erhebliche Lärmbelastung, der mit aufwendigen Schalldämmungsmaßnahmen entgegengewirkt werden muss. Durch diese Maßnahmen werden die Kosten der Trocknung deutlich erhöht.
Eine andere Nutzung von Verbrennungsprozessen erfolgt in Strömungsmaschinen und Turbinen. Strömungsmaschinen und Turbinen werden insbesondere für die Stromerzeugung und die Fortbewegung, beispielsweise in Flugzeugen, verwendet. Dabei ist bekannt, dass eine sogenannte Impulsverbrennung besonders effektiv ist. Bei der Impulsverbrennung wird beispielsweise ein Strömungsimpulsgeber verwendet, um in einer nachfolgenden Brennkammer einen pulsierenden Strom heißer Gase aus herkömmlichen Brennstoffen (z. B. Diesel oder Benzin) zu erzeugen. Der Injektionsstrang 100 einer solchen herkömmlichen Turbine ist in 4 gezeigt. Darin weist der Injektionsstrang 100 ein Brennstoffreservoir 110 auf, das den Brennstoff enthält. Der Brennstoff wird dann über eine Brennstoffförderpumpe 120 an einen Verteiler 130 gefördert. Der Verteiler 130 teilt dann den Brennstoffstrom auf zwei Stränge auf, wobei jeder Strang einen Strömungsimpulsgeber 140, 142 aufweist. Die Strömungsimpulsgeber 140, 142 können beispielsweise elektronisch gesteuerte Ventile aufweisen, mittels derer die Durchflussmenge des Brennstoffs in oszillierender Weise gesteuert wird. Dieser oszillierende Brennstoffstrom wird nunmehr über Injektoren 150, 152 in eine Brennkammer (nicht gezeigt) der Turbine eingespeist. In der Brennkammer erfolgt dann die Verbrennung des Brennstoffs, und zwar aufgrund der oszillierenden Brennstoffzufuhr als Impulsverbrennung. Jedoch sind die Strömungsimpulsgeber und leistungsstarke Brennstoffförderpumpen kostenintensiv, und die Impulsfrequenzregelung ist schwierig. Aufgrund der hohen Förderdrücke aber geringen Massenabbrandraten der herkömmlichen Brennstoffe kommt es darüber hinaus zu unvollständiger Verbrennung, was zu einem hohen Schadstoffausstoß und erhöhtem Brennstoffverbrauch führt.
Eine andere Nutzung von Verbrennungsprozessen erfolgt in Triebwerken, beispielsweise in Triebwerken von Flugzeugen. Herkömmliche Flugzeugtriebwerke erzeugen ihren Schub dadurch, dass sie heiße Gase mit hoher Geschwindigkeit ausstoßen. Dies geht mit einem hohen Lärmpegel einher, der insbesondere für die in Flughafennähe wohnenden Menschen eine hohe Belastung darstellt. Es gibt daher ständige Bestrebungen, den Lärmpegel solcher Triebwerke zu vermindern. Dazu werden die Triebwerke meist mit zusätzlichen Einrichtungen zur Lärmminderung versehen. So beschreibt beispielsweise die US 2007/0028593 eine Einrichtung zur Lärmminderung, wie sie in 6 gezeigt ist. Darin umfasst ein Triebwerk 50 eine Brennkammer 52, aus der mehrere Pulskanäle 54, 56, 58, 60 herausführen. Die in der Brennkammer 52 erzeugten heißen Gase F werden über die Pulskanäle 54, 56, 58, 60 an einen Ejektor 64 mit mehreren Kammern 22 geleitet. Zwischen Brennkammer 52 und Pulskanäle 54, 56, 58, 60 ist ein Regulator 55 angeordnet, der über einen Prozessor 68 gesteuert wird. Der Regulator 55 ist eingerichtet, den jeweiligen Massenstrom des heißen Gases F an einen jeweiligen der Pulskanäle 54, 56, 58, 60 zu steuern. Gemäß der US 2007/0028593 wird nun eine Geräuschreduktion des Triebwerks dadurch erzielt, dass der Prozessor 68 den jeweiligen Massenstrom in die Pulskanäle 54, 56, 58, 60 so steuert, dass die sich durch einen jeweiligen Pulskanal bewegenden Druckwelle jeweils nicht in Phase mit den Druckwellen in den anderen Pulskanälen ist.
Weiterhin ist allen Verbrennungsprozessen gemein, dass die dabei entstehenden Emissionen, insbesondere NOx, CO und Ruß, unter gesundheitlichen sowie Umweltaspekten bedenklich sind. Es ist daher wünschenswert, Brennstoffe bzw. Verbrennungsprozesse bereitzustellen, bei denen solche Emissionen reduziert sind. Weiterhin wird eine gesteigerte Verbrennungseffizienz angestrebt, um unter anderem den Brennstoffverbrauch zu vermindern.
Das Brennverhalten hängt dabei insbesondere ab von den Eigenschaften des verwendeten Brennstoffs, der Atmosphäre, in der der Verbrennungsvorgang abläuft, dem Brennerdesign sowie der gewünschten Wärmeübertragungsrate der Flamme. So verwenden beispielsweise Brenner in Schmelzöfen der Glas- oder Stahlindustrie Methan-Jetflammen, Öl oder Kohle, um den gewünschten Wärmeübertrag mittels Strahlung zu erreichen. Um hier einen vergleichsweise höheren Übertrag zu erzielen, sollte der Brennstoff schneller verbrennen, größere Flammen erzeugen, eine höhere Flammentemperatur aufweisen sowie weniger Verbrennungsendprodukte, wie etwa NOx und CO, hervorbringen.
Die Erreichung dieser und anderer Ziele ist mit der Verbrennung herkömmlicher Kohlenwasserstoff-Brennstoffe unter Normalbedingungen praktisch nicht zu gewährleisten, da diese unter Normalbedingungen relativ langsam verbrennen und reichlich Ruß und andere Emissionen erzeugen. Daher werden für die Verbrennung herkömmlicher Kohlenwasserstoff-Brennstoffe typischerweise Verfahren wie das Injizieren von Gasjets in Luft bzw. in einem teilgemischten Zustand oder das Injizieren atomisierter Öljets in Luft angewandt. Diese Verfahren erzeugen jedoch große leuchtende Flammen und somit mehr Ruß. Weiterhin werden aufgrund der unvollständigen Verbrennung auch mehr Schadstoffe, wie etwa COx und NOx, erzeugt. Hinzu tritt, dass diese Verfahren den Zusatz von Oxidanten erfordern, um die Vollständigkeit der Verbrennung zu verbessern.
Im Hinblick auf das oben Gesagte, schlägt die vorliegende Erfindung ein Brennstoffgemisch gemäß Anspruch 1, einen Industrietrockner gemäß Anspruch 6, eine Gasturbine gemäß Anspruch 8, ein Triebwerk gemäß Anspruch 11, ein Trocknungsverfahren gemäß Anspruch 14, ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine gemäß Anspruch 15 sowie Verwendungen des Brennstoffgemischs gemäß dem Anspruch 16 vor.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Brennstoffgemisch tert-Butylperoxybenzoat mit einem Anteil von 30 Gew.-% bis 70 Gew.-% und Kerosin mit einem Anteil von 70 Gew.-% bis 30 Gew.-%. Insbesondere kann das Brennstoffgemisch tert-Butylperoxybenzoat mit einem Anteil von 40 Gew.-% bis 60 Gew.-% und Kerosin mit einem Anteil von 60 Gew.-% bis 40 Gew.-%, und dabei insbesondere tert-Butylperoxybenzoat mit einem Anteil von 50 Gew.-% und Kerosin mit einem Anteil von 50 Gew.-% umfassen.
Gemäß einer Weiterbildung kann das Brennstoffgemisch sogar aus tert-Butylperoxybenzoat mit einem Anteil von 40 Gew.-% bis 60 Gew.-% und Kerosin mit einem Anteil von 60 Gew.-% bis 40 Gew.-% bestehen. Insbesondere kann das Brennstoffgemisch aus tert-Butylperoxybenzoat mit einem Anteil von 50 Gew.-% und Kerosin mit einem Anteil von 50 Gew.-% bestehen.
Das beschriebene Brennstoffgemisch zeigt aufgrund seines hohen Anteils an tert-Butylperoxybenzoat überraschenderweise ein annähernd periodisches Pulsieren der relativen Flammenlänge. Auf diese Weise stellt das Brennstoffgemisch selbst eine gepulste Verbrennung bereit, wobei hier die Frequenz der Pulsation beispielsweise über das Mischungsverhältnis zwischen Kerosin und tert-Butylperoxybenzoat oder auch geometrische Bedingungen, wie etwa den Durchmesser einer Brenneröffnung etc., eingestellt werden kann. Auf diese Weise machen die beschriebenen Brennstoffgemische die bislang erforderlichen Maßnahmen zur Herstellung einer Impulsverbrennung überflüssig.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel wird ein Industrietrockner bereitgestellt, der eingerichtet ist, mit einem der oben beschriebenen Brennstoffgemische im Impulsverbrennungsbetrieb betrieben zu werden. Ein solcher Industrietrockner braucht insbesondere keine Einrichtung für eine oszillierende Brennstoffzufuhr und kein Prallplattenventil und keine Explosionskammer mehr, da die Impulsverbrennung durch den hohen Anteil an tert-Butylperoxybenzoat aus dem Brennstoffgemisch selbst heraus erzeugt wird.
Das Brennstoffgemisch und der Industrietrockner können vorteilhaft in einem Trocknungsverfahren angewendet werden. Dabei umfasst das Trocknungsverfahren die Schritte des Bereitstellens eines Industrietrockners sowie der Trocknung eines in dem Industrietrockner angeordneten Materials, wobei die zur Trocknung erforderliche Wärme mittels Verbrennung des erfindungsgemäßen Brennstoffgemischs bereitgestellt wird.
Das so durchgeführte Trocknungsverfahren ist deutlich effizienter und auch emissionsärmer als herkömmliche Trocknungsverfahren.
Eine andere Weiterbildung der Erfindung betrifft die Verwendung des erfindungsgemäßen Brennstoffgemischs in einem Industrietrockner, wobei insbesondere ein Brennstoffgemisch der Zusammensetzung umfassend 50 Gewichtsprozent tert-Butylperoxybenzoat und 50 Gewichtsprozent Kerosin verwendet wird.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel wird eine Gasturbine bereitgestellt, die eingerichtet ist, mit einem der oben beschriebenen Brennstoffgemische im Impulsverbrennungsbetrieb betrieben zu werden. Eine solche Gasturbine braucht insbesondere keine Einrichtung für eine oszillierende Brennstoffzufuhr mehr, da die Impulsverbrennung durch den hohen Anteil an tert-Butylperoxybenzoat aus dem Brennstoffgemisch selbst heraus erzeugt wird.
Das Brennstoffgemisch und die Gasturbine können vorteilhaft beispielsweise bei der Stromerzeugung angewendet werden. Die Stromerzeugung mittels einer solchen Gasturbine, die mit dem beschriebenen Brennstoffgemisch betrieben wird, ist deutlich effizienter und auch emissionsärmer als herkömmliche Verfahren.
Eine andere Weiterbildung der Erfindung betrifft die Verwendung des erfindungsgemäßen Brennstoffgemischs in einer Gasturbine.
Noch eine andere Weiterbildung der Erfindung betrifft die Verwendung des erfindungsgemäßen Brennstoffgemischs in einem Triebwerk, insbesondere einem Flugzeugtriebwerk, zur Geräuschreduktion.
Gemäß einem zugehörigen Ausführungsbeispiel wird ein Triebwerk bereitgestellt, das eingerichtet ist, mit einem der oben beschriebenen Brennstoffgemische im Impulsverbrennungsbetrieb betrieben zu werden. Insbesondere kann das Triebwerk Pulskanäle verschiedenen Durchmessers aufweisen, wobei die jeweiligen Durchmesser der Pulskanäle so gewählt sind, dass die bei Impulsverbrennung des Brennstoffgemischs in einem jeweiligen Pulskanal auftretende Druckwelle nicht in Phase mit einer in einem anderen Pulskanal auftretenden Druckwelle ist. Ein solches Triebwerk benötigt insbesondere keine zusätzliche aktive Steuerung für den Massenstrom mehr, da alleine durch die geometrische Ausformung der Pulskanäle erreicht wird, dass die in den Pulskanälen laufenden Druckwellen nicht in Phase sind. Auf diese Weise kann derselbe Lärmminderungseffekt wie in der US 2007/0028593 auch ohne die mechanisch und elektronisch aufwendige Regelung der US 2007/0028593 erreicht werden.
Wird also die Geometrie von Pulskanälen eines Triebwerks so eingestellt, dass hier unterschiedliche Pulsationsfequenzen des Brennstoffgemischs entstehen, so können auf diese Weise die bislang erforderlichen Maßnahmen zur Lärmminderung, insbesondere der Regulator 55 und der Prozessor 68 gemäß US 2007/0028593 , überflüssig gemacht werden.
Flugzeuge, die mittels eines solchen Triebwerks, das mit dem beschriebenen Brennstoffgemisch betrieben wird, angetrieben werden, sind neben der Lärmminderung auch deutlich effizienter und auch emissionsärmer als herkömmliche Flugzeuge.
Das Brennstoffgemisch und das Triebwerk können vorteilhaft beispielsweise bei der Luftfahrt angewendet werden. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft die Verwendung eines Brennstoffgemischs der Zusammensetzung umfassend 60 Gewichtsprozent tert-Butylperoxybenzoat und 40 Gewichtsprozent Kerosin in einem Flugzeugtriebwerk.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Einzelheiten, Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen. In letzteren zeigen:
1 den zeitlichen Verlauf der relativen Flammenlänge einer tert-Butylperoxybenzoat-Poolflamme.
2 den zeitlichen Verlauf der relativen Flammenlänge einer Poolflamme einer Mischung von 50% tert-Butylperoxybenzoat und 50% Kerosin.
3 gemessene Massenabbrandraten von tert-Butyl-peroxybenzoat und Kerosin sowie weiteren organischen Peroxiden in Abhängigkeit vom Pooldurchmesser.
4 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Brennstoffförderstrangs einer Gasturbine mit Impulsverbrennung.
5 eine schematische Darstellung eines Brennstoffförderstrangs einer Gasturbine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
6 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Triebwerks mit einer elektronischen Regeleinrichtung zur Lärmminderung.
7 eine schematische Darstellung eines Triebwerks gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel wird ein Brennstoffgemisch in einem selbstunterhaltenden pulsierenden Verbrennungsprozess in einem Industrietrockner verwendet, das tert-Butylperoxybenzoat (TBPB) mit einem Anteil von 30 Gew.-% bis 70 Gew.-% und Kerosin mit einem Anteil von 70 Gew.-% bis 30 Gew.-% umfasst.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Brennstoffgemisch in einem selbstunterhaltenden pulsierenden Verbrennungsprozess in einem Industrietrockner verwendet, das tert-Butylperoxybenzoat (TBPB) mit einem Anteil von 40 Gew.-% bis 60 Gew.-% und Kerosin mit einem Anteil von 60 Gew.-% bis 40 Gew.-% umfasst.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel wird ein Brennstoffgemisch in einem pulsierenden Verbrennungsprozess in einer Gasturbine verwendet, das tert-Butylperoxybenzoat (TBPB) mit einem Anteil von 30 Gew.-% bis 70 Gew.-% und Kerosin mit einem Anteil von 70 Gew.-% bis 30 Gew.-% umfasst.
Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Brennstoffgemisch in einem pulsierenden Verbrennungsprozess in einem Triebwerk, insbesondere einem Flugzeugtriebwerk, verwendet, das tert-Butylperoxybenzoat (TBPB) mit einem Anteil von 30 Gew.-% bis 70 Gew.-% und Kerosin mit einem Anteil von 70 Gew.-% bis 30 Gew.-% umfasst.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel wird ein Brennstoffgemisch in einem pulsierenden Verbrennungsprozess in einem Triebwerk, insbesondere einem Flugzeugtriebwerk, verwendet, das tert-Butylperoxybenzoat (TBPB) mit einem Anteil von 40 Gew.-% bis 60 Gew.-% und Kerosin mit einem Anteil von 60 Gew.-% bis 40 Gew.-% umfasst. Insbesondere kann das Brennstoffgemisch aus TBPB mit einem Anteil von 50 Gew.-% und Kerosin mit einem Anteil von 50 Gew.-% bestehen.
Das organische Peroxid tert-Butylperoxybenzoat weist folgende Struktur auf:
Organische Peroxide, insbesondere Peroxyester und darunter TBPB, sind bekannt als Radikalstarter für die Polymerisation verschiedener Monomere. Eine Verwendung dieser Stoffklasse als wesentlicher Bestandteil in Brennstoffgemischen in selbstunterhaltenden pulsierenden Sauerstoff-Brennstoff-Verbrennungsprozessen ist jedoch nicht allgemein bekannt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Poolflamme des Brennstoffgemischs eine Froude-Zahl auf, die 20mal bis 100mal größer ist als die Froude-Zahl einer Poolflamme von Kerosin alleine. Gemäß einer Weiterbildung kann dabei die Froude-Zahl 50mal bis 80mal größer als die Froude-Zahl von Kerosin alleine sein. Dabei wird unter einem Poolfeuer eine im Allgemeinen turbulente Diffusionsflamme, deren flüssiger Brennstoff horizontal ausgebreitet ist, verstanden. Beispielsweise sind Poolfeuer eine Art von häufig entstehenden Schadenfeuern, die beispielsweise bei Lagerung, Transport und Verarbeitung flüssiger Brennstoffe entstehen können. Die Froude-Zahl kennzeichnet den Anfangsimpuls der Flamme, wobei für Poolfeuer eher kleine Froude-Zahlen typisch sind, da die Strömungsgeschwindigkeit im Wesentlichen aus dem Auftrieb der Verbrennung resultiert. Insgesamt sind die chemischen und physikalischen Grundlagen von Poolfeuern gut untersucht und werden hier nicht weiter ausgeführt.
Brennstoffgemische gemäß den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen und ihrer Weiterbildungen zeigen ein bislang unbekanntes und überraschendes Brennverhalten. So ist in 1 der zeitliche Verlauf der relativen Flammenlänge einer Poolflamme von tert-Butylperoxybenzoat gezeigt. Die relative Flammenlänge ergibt sich als Verhältnis H/d der Flammenlänge H zum Durchmesser d des Brennstoff-Pools. Dabei wird die Flammenlänge H als maximale sichtbare Länge der Flamme, d. h. im Wellenlängenbereich zwischen 380 nm < λ < 750 nm, definiert. Typische Werte für die relative Flammenlänge H/d von herkömmlichen Brennstoffen, wie beispielsweise Flüssigerdgas (LNG) oder Kerosin, liegen im Bereich zwischen 0,8 und 4. Hingegen zeigt die 1, dass im zeitlichen Verlauf die relative Flammenlänge H/d für tert-Butylperoxybenzoat bis auf 18 steigen kann. Mit anderen Worten weist die tert-Butylperoxybenzoat-Flamme eine relative Flammenlänge bis zum 18fachen des Pooldurchmessers auf. Jedoch sinkt die relative Flammenlänge der tert-Butylperoxybenzoat-Poolflamme auch bis auf geringe Werte von H/d ≈ 2 ab.
Diese Variation der relativen Flammenlänge ist an sich nicht ungewöhnlich und wird auch für andere Brennstoffe beobachtet. Das Überraschende an den hier beschriebenen Brennstoffen ist jedoch zum einen die große Variation der relativen Flammenlänge um eine Größenordnung und zum anderen die Regelmäßigkeit dieser Variation. So zeigt der Brennstoff ein annähernd periodisches Pulsieren der relativen Flammenlänge, das wegen seines Erscheinungsbildes im Diagramm (vgl. 1) auch als ”W-Effekt” bezeichnet wird. Mit anderen Worten zeigen Brennstoffgemische der beschrieben Art eine im Wesentlichen regelmäßige zeitliche Veränderung der relativen Flammenlänge bei Poolflammen um einen Faktor 2 oder mehr. Dabei ist keine absolute Regelmäßigkeit im Sinne einer strengen zeitlichen Periodizität gemeint sondern eine Ähnlichkeit der jeweiligen Zeitintervalle großer oder kleiner relativer Flammenlänge sowie eine Ähnlichkeit des jeweiligen Anstiegs oder Abfalls der relativen Flammenlänge zwischen solchen Zeitintervallen.
In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass die Frequenz f der Pulsation gegeben ist durch f ~ (Fr_f)^–1/2, wobei Fr_f die Froude-Zahl der Poolflamme des Brennstoffgemischs ist. Da die Froude-Zahl der beschriebenen Brennstoffgemische 20mal bis 100mal größer ist als die von Kerosin alleine, ist deren Pulsationsfrequenz f entsprechend 4mal bis 10mal niedriger als die von Kerosin alleine. Weiterhin ist die Verbrennungsrate der vorliegend beschriebenen Treibstoffe typischerweise 40mal bis 120mal höher als die von Kerosin alleine.
Die Oszillation der Poolflamme kann über eine Sinusschwingung wie folgt angenähert werden:
wobei (H/d)₀ die mittlere Flammenhöhe, A die Amplitude, w die halbe Periodendauer und t_c die Phasenverschiebung darstellen. Zum Vergleich ist nun in 2 eine gleichartige Messung aufgetragen, wobei hier jedoch ein Brennstoffgemisch gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit 50 Gew.-% TBPB und 50 Gew.-% handelsüblichem Kerosin abgebrannt wurde. Es wurde auch hier gemäß der obigen Gleichung eine Sinusschwingung für die Flammenhöhe angepasst. Die Ergebnisse des Vergleichs zwischen reinem TBPB und einer 50:50-Mischung von TBPB und Kerosin sind in Tabelle I zusammengefasst.

TBPB 50:50 TBPB:Kerosin

(H/d)₀ 9,0 15,3

t_c 0,9 s 14,9 s

w 8,9 s 2,4 s

A 5,4 6,1

Tabelle I
Es ergibt sich daraus in überraschender Weise, dass die mittlere relative Flammenhöhe (H/d)₀ für das Gemisch deutlich größer ist als für TBPB alleine. Weiterhin fällt für das Brennstoffgemisch die Periodendauer der Oszillation auf rund ein Viertel des Wertes für reines TBPB ab. Es zeigt sich hier ein unerwarteter Effekt, nämlich dass in einer Mischung von TBPB mit herkömmlichem Kerosin das Brennstoffgemisch gegenüber reinem TBPB eine deutlich schnellere Oszillation bei gleichzeitig größeren Flammen und höherer Wärmefreisetzungsrate aufweist.
In 3 ist ein Vergleich der Massenabbrandraten für Poolfeuer von TBPB und Kerosin für verschiedene Pooldurchmesser doppeltlogarithmisch aufgetragen. Es zeigt sich, dass TBPB eine um zwei Größenordnungen größere natürliche Massenabbrandraten aufweist als Kerosin. In 3 sind auch die Massenabbrandraten für weitere Peroxy-Brennstoffe, nämlich Di-tert-butylperoxid, (Abk.: DTBP), tert-Butylperoxy-2-ethylhexanoat, (Abk.: TBPEH), Diisononanoylperoxid (Abk.: INP) und tert-Butylhydroperoxid, (Abk.: TBHP) gezeigt. Alle diese Peroxy-Brennstoffe weisen jedoch nicht den bei TBPB so stark ausgeprägten W-Effekt auf. Insofern ist es die besondere Auswahl von TBPB zusammen mit dem relativ hohen Gehalt im Brennstoffgemisch, das das Brennstoffgemisch für die vorliegende Anwendung in Industrietrocknern, für die vorliegende Anwendung in Gasturbinen, oder für die Lärmminderung in Triebwerken besonders geeignet macht.
Der besondere Vorteil des hier beschriebenen Brennstoffgemischs von TBPB und Kerosin gegenüber TBPB alleine besteht darin, dass es eine geringere Periodendauer der sinusartigen Flammenpulsation bei gleichzeitig größerer Flammenhöhe aufweist. Mittels dieser kürzeren Periodendauer und der relativ größeren Flammenhöhe kann die Impulsverbrennung besser gesteuert werden. Die Parameter der Impulsverbrennung lassen sich durch das Mischungsverhältnis zwischen TBPB und Kerosin in einem weiten Bereich einstellen.
Das natürliche Pulsieren der oben beschriebenen Brennstoffgemische wird in einem Verbrennungsprozess genutzt, durch den die Trocknungswärme in einem Industrietrockner bereitgestellt wird. Ebenso kann das natürliche Pulsieren der oben beschriebenen Brennstoffgemische in einem Verbrennungsprozess genutzt werden, durch den eine Gasturbine besonders effizient, schadstoffarm und mit geringem Verbrauch betrieben werden kann. Weiterhin kann das natürliche Pulsieren der oben beschriebenen Brennstoffgemische in einem Verbrennungsprozess genutzt werden, durch den ein Triebwerk besonders effizient, schadstoffarm und mit geringem Verbrauch betrieben werden kann.
Weiterhin kann die Pulsationsfrequenz auch durch die Geometrie des Brenners, insbesondere durch den Durchmesser seiner Auslassöffnung, beeinflusst werden. Auf diese Weise kann durch das Mischungsverhältnis und die Brennergeometrie die Impulsverbrennung gesteuert werden, ohne dass zusätzliche Mittel wie etwa Prallplattenventile oder ähnliches bereitgestellt werden müssten.
Insbesondere kann gemäß einem Ausführungsbeispiel auch das Mischungsverhältnis zwischen TBPB und Kerosin während des Brennvorgangs verändert werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel können TBPB und Kerosin in einer Mischkammer in dem gewünschten Verhältnis gemischt werden. Gemäß einem anderen Beispiel kann einer Ausgangsmischung von TBPB und Kerosin, beispielsweise einer 50:50-Mischung, jeweils TBPB und/oder Kerosin zugesetzt werden, um das Mischungsverhältnis zu verändern.
Im Stand der Technik sind beispielsweise Trockner bekannt, bei denen ein pulsierender Verbrennungsprozess abläuft. Das Pulsieren des Verbrennungsprozesses wird dabei beispielsweise über ein speziell eingerichtetes Ventil erzeugt. Das Ventil regelt die Brennstoffzufuhr an den Brenner, wobei die Brennstoffrate in oszillierender Weise geregelt werden kann. Das Ventil ist mit einer computergesteuerten Regelung verbunden, die eine aufwendige Logikeinheit aufweist. In anderen bekannten Industrietrocknern werden sogenannte Prallplattenventile und/oder Explosionskammern bereitgestellt, um eine Impulsverbrennung zu gewährleisten.
Verwendet man stattdessen die vorliegend beschriebenen Brennstoffgemische, die ein natürliches Pulsationsverhalten aufweisen, so können die Vorteile pulsierender Verbrennungsprozesse erzielt werden, ohne zusätzliche Mittel wie etwa Prallplattenventile, Explosionskammern oder komplexe Einspritzvorrichtungen bereitstellen zu müssen. Dies senkt nicht nur die Kosten sondern erlaubt auch kompaktere Bauformen der Industrietrockner.
Wie eingangs beschrieben sind beispielsweise Gasturbinen bekannt, bei denen ein pulsierender Verbrennungsprozess abläuft. Das Pulsieren des Verbrennungsprozesses wird dabei beispielsweise über ein speziell eingerichtetes Ventil, den Strömungsimpulsgeber, erzeugt. Das Ventil regelt die Brennstoffzufuhr an die Brennkammer, wobei die Brennstoffrate in oszillierender Weise geregelt werden kann. Das Ventil ist mit einer computergesteuerten Regelung verbunden, die eine aufwendige Logikeinheit aufweist.
Verwendet man stattdessen die vorliegend beschriebenen Brennstoffgemische, die ein natürliches Pulsationsverhalten aufweisen, so können die Vorteile pulsierender Verbrennungsprozesse erzielt werden, ohne zusätzliche Mittel wie etwa komplexe Einspritzvorrichtungen bereitstellen zu müssen. Dies senkt nicht nur die Kosten sondern erlaubt auch kompaktere Bauformen der Gasturbinen.
Eine schematische Darstellung eines Brennstoffförder- bzw. Injektionsstrangs 400 einer Gasturbine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 5 gezeigt. Darin weist der Injektionsstrang 400 ein Brennstoffreservoir 410 auf, das den Brennstoff enthält. Der Brennstoff wird dann über eine Brennstoffförderpumpe 420 an einen Verteiler 430 gefördert. Der Verteiler 430 teilt dann den Brennstoffstrom auf zwei Stränge auf, in denen der Brennstoffstrom über Injektoren 450, 480 in eine Brennkammer (nicht gezeigt) der Turbine eingespeist wird. Im Gegensatz zu dem in 4 gezeigten herkömmlichen Injektionsstrang 100 einer herkömmlichen Turbine entfallen hier also die Strömungsimpulsgeber völlig. Stattdessen wird die pulsierende Verbrennung alleine über das eingespeiste Brennstoffgemisch bereitgestellt. Weiterhin kann auch die Pumpe 420 von ihrer (elektrischen) Pumpenleistung her deutlich kleiner dimensioniert werden als die Pumpe 120 bei herkömmlichen Injektionssträngen. Aufgrund der hohen Massenabbrandrate des TBPB und seines hohen Anteils im Brennstoffgemisch muss das Brennstoffgemisch gegenüber beispielsweise reinem Kerosin nurmehr mit deutlich geringerem Druck in die Brennkammer eingespritzt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Injektoren 450, 480 mit größenverstellbaren Öffnungen ausgestattet. Die Pulsationsfrequenz f des Brennstoffgemisches hängt nämlich vom Durchmesser d der Auslassöffnung der Injektoren 450, 480 wie folgt ab: f ~ d^–1/2
Dementsprechend kann über eine Verstellung der Einspritzöffnung die Pulsationsfrequenz gesteuert bzw. geregelt werden. Zusätzlich oder alternativ können auch mehrere Einspritzöffnungen unterschiedlicher Größe vorhanden sein. Eine Frequenzregelung könnte dann mittels eines Verteilventils das Brennstoffgemisch an die Einspritzöffnungen mit der gewünschten Größe leiten, um eine gewünschte Pulsationsfrequenz einzustellen. Beispielsweise könnte der Injektor 450 einen anderen Durchmesser der Auslassöffnung aufweisen als der Injektor 480. Es könnte dann der Verteiler 430 so eingerichtet sein, dass er das Brennstoffgemisch beispielsweise nur an jeweils einen der beiden Injektoren verteilt.
Mit Hilfe der vorliegend beschriebenen Brennstoffgemische kann weiterhin eine vollständigere Verbrennung und insbesondere eine Verminderung der Schadstoffemissionen und des Teergehalts in den Abgasen erzielt werden. Insbesondere kann durch Verwendung der beschriebenen Brennstoffgemische die Verbrennungseffizienz im technischen Maßstab erhöht werden. Da die beschriebenen Brennstoffgemische Träger von Aktivsauerstoff, der zur Verbrennung beiträgt, sind, können sie eine stabile Verbrennung auch ohne bzw. mit verminderter externer Sauerstoffzufuhr sicherstellen.
Darüber hinaus wurden bei Messungen kaum Schadstoffemissionen der Flamme des Brennstoffgemischs ermittelt. Dies liegt zum einen an der natürlichen Turbulenz der Flammen, die zu einer besseren Vermischung des Brennstoffs und der Umgebungsluft und somit zu einer vollständigeren Verbrennung führt. Zum anderen weist die Flamme eine geringere Rußbildung auf. Daher wird durch die Verwendung von TBPB als Brennstoff die Schadstoffemission vermindert. Weiterhin dient das TBPB als starker Verbrennungsbeschleuniger aufgrund des im Molekül vorhandenen Aktivsauerstoffs. Auf diese Weise kann der Schadstoff- und Rußgehalt der Verbrennungsprodukte stark gesenkt werden.
Die Verwendung der beschriebenen Brennstoffgemische mit natürlichem Pulsationsverhalten ist insbesondere bei Industrietrocknern vorteilhaft. Die beschriebenen Brennstoffgemische stellen in diesen Prozessen nicht nur die beschriebene natürliche Pulsation der Verbrennung bereit, sondern dienen gleichzeitig als starke Verbrennungsbeschleuniger aufgrund des im TBPB-Molekül vorhandenen Aktivsauerstoffs. Auf diese Weise kann der Schadstoff- und Teergehalt der Verbrennungsprodukte stark gesenkt werden, und dies bei gleichzeitig einfacherer Betriebsweise des Trockners, da zusätzliche Mittel zur Erzeugung der Pulsation nicht erforderlich sind. Dies senkt überdies die Kosten entsprechender Trockner. Weiterhin kann die externe Zufuhr eines Oxidanten, beispielsweise Luft, Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft, reduziert werden.
Weiterhin kann die Pulsationsfrequenz auch durch die Geometrie der Pulskanäle, insbesondere durch ihren Durchmesser, beeinflusst werden. Auf diese Weise kann durch das Mischungsverhältnis und die Kanalgeometrie die Impulsverbrennung gesteuert werden, ohne dass eine aktive Steuerung, wie etwa die aus der US 2007/0028593 bekannte mechatronische Steuerung, oder ähnliches bereitgestellt werden müssten. Wie bereits erwähnt ist das von besonderem Vorteil für die Verwendung der beschriebenen Brennstoffgemische in einem Verbrennungsprozess, durch den ein Triebwerk besonders effizient, schadstoffarm und mit geringem Verbrauch betrieben werden kann.
Wie eingangs beschrieben sind Triebwerke bekannt, bei denen ein pulsierender Verbrennungsprozess in Pulskanälen abläuft. Das Pulsieren des Verbrennungsprozesses wird dabei beispielsweise über den speziell eingerichteten Regulator 55 als Strömungsimpulsgeber erzeugt. Der Regulator ist mit einer computergesteuerten Steuereinheit 68 verbunden, die eine aufwendige Logikeinheit aufweist.
Verwendet man stattdessen die vorliegend beschriebenen Brennstoffgemische, die ein natürliches Pulsationsverhalten aufweisen, so können die Vorteile pulsierender Verbrennungsprozesse erzielt werden, ohne zusätzliche aktive Steuermittel wie etwa den komplexen Regulator 55 bereitstellen zu müssen. Dies senkt nicht nur die Kosten sondern erlaubt auch kompaktere Bauformen der Triebwerke. Eine schematische Darstellung eines Triebwerks 450 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 7 gezeigt. Darin ist eine Brennkammer 480 ebenfalls über Pulskanäle 454, 456, 458, 460 mit einem Ejektor 464 verbunden, wobei die Pulskanäle 454, 456, 458, 460 jeweils in einer zugeordneten Kammer 422 des Ejektors 464 enden. Anders als in der US 2007/0028593 weisen die Pulskanäle 454, 456, 458, 460 jedoch jeweils unterschiedliche Durchmesser D1, D2, D3, D4 auf.
Da die Pulsationsfrequenz f des Brennstoffgemisches vom Durchmesser eines Pulskanals wie vom Durchmesser d der oben erwähnten Auslassöffnung wie folgt abhängt f ~ d^–1/2, kann über die Wahl der Kanalgeometrie die Pulsfrequenz in den einzelnen Pulskanälen 454, 456, 458, 460 eingestellt werden. Diese werden dann so gewählt, dass es zu keiner positiven Überlagerung sondern bevorzugt zu einer destruktiven Überlagerung der einzelnen Druckwellen aus den verschiedenen Pulskanälen 454, 456, 458, 460 kommt. Insbesondere werden die Kanalgeometrien so gewählt werden, dass die Druckwellen verschiedener Pulskanäle nicht in Phase sind. Auf diese Weise kann der in US 2007/0028593 beschriebene Lärmminderungseffekt unter Verwendung des beschriebenen Brennstoffgemischs durch ein passives Bauelement verwirklicht werden
Mit Hilfe der vorliegend beschriebenen Brennstoffgemische kann weiterhin eine vollständigere Verbrennung und insbesondere eine Verminderung der Schadstoffemissionen und des Teergehalts in den Abgasen erzielt werden. Insbesondere kann durch Verwendung der beschriebenen Brennstoffgemische die Verbrennungseffizienz im technischen Maßstab erhöht werden. Da die beschriebenen Brennstoffgemische Träger von Aktivsauerstoff, der zur Verbrennung beiträgt, sind, können sie eine stabile Verbrennung auch ohne bzw. mit verminderter externer Sauerstoffzufuhr sicherstellen.
Darüber hinaus wurden bei Messungen kaum Schadstoffemissionen der Flamme des Brennstoffgemischs ermittelt. Dies liegt zum einen an der natürlichen Turbulenz der Flammen, die zu einer besseren Vermischung des Brennstoffs und der Umgebungsluft und somit zu einer vollständigeren Verbrennung führt. Zum anderen weist die Flamme eine geringere Rußbildung auf. Daher wird durch die Verwendung von TBPB als Brennstoff die Schadstoffemission vermindert. Weiterhin dient das TBPB als starker Verbrennungsbeschleuniger aufgrund des im Molekül vorhandenen Aktivsauerstoffs. Auf diese Weise kann der Schadstoff- und Rußgehalt der Verbrennungsprodukte stark gesenkt werden.
Die Verwendung der beschriebenen Brennstoffgemische mit natürlichem Pulsationsverhalten ist insbesondere bei Triebwerken zur Geräuschreduktion vorteilhaft. Die beschriebenen Brennstoffgemische stellen in diesen Prozessen nicht nur die beschriebene natürliche Pulsation der Verbrennung bereit, sondern dienen gleichzeitig als starke Verbrennungsbeschleuniger aufgrund des im TBPB-Molekül vorhandenen Aktivsauerstoffs. Auf diese Weise kann der Schadstoff- und Teergehalt der Verbrennungsprodukte stark gesenkt werden, und dies bei gleichzeitig einfacherer Betriebsweise des Triebwerks, da eine zusätzliche aktive Steuerung zur Phasenkontrolle der verschiedenen Druckwellen nicht erforderlich ist. Dies senkt überdies die Kosten entsprechender Triebwerke. Weiterhin kann die externe Zufuhr eines Oxidanten, beispielsweise Luft, Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft, reduziert werden.
Insbesondere kann gemäß einem Ausführungsbeispiel auch das Mischungsverhältnis zwischen TBPB und Kerosin während des Brennvorgangs verändert werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel können TBPB und Kerosin in einer Mischkammer in dem jeweils gewünschten Verhältnis gemischt werden. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann in einer Mischkammer ein Gemisch von 60 Gew.-% TBPB und 40 Gew.-% Kerosin bereitgestellt werden. Gemäß einem weiteren Beispiel kann einer Ausgangsmischung von TBPB und Kerosin, beispielsweise einer 50:50-Mischung, jeweils TBPB und/oder Kerosin zugesetzt werden, um das Mischungsverhältnis zu verändern.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Diese Ausführungsbeispiele sollten keinesfalls als einschränkend für die vorliegende Erfindung verstanden werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2007/0028593 [0006, 0006, 0022, 0022, 0023, 0062, 0064, 0065]

Claims

Brennstoffgemisch, umfassend tert-Butylperoxybenzoat mit einem Anteil von 30 Gew.-% bis 70 Gew.-% und Kerosin mit einem Anteil von 70 Gew.-% bis 30 Gew.-%.
Brennstoffgemisch nach Anspruch 1, umfassend tert-Butylperoxybenzoat mit einem Anteil von 40 Gew.-% bis 60 Gew.-% und Kerosin mit einem Anteil von 60 Gew.-% bis 40 Gew.-%.
Brennstoffgemisch nach Anspruch 1 oder 2, umfassend tert-Butylperoxybenzoat mit einem Anteil von 50 Gew.-% und Kerosin mit einem Anteil von 50 Gew.-%.
Brennstoffgemisch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bestehend aus tert-Butylperoxybenzoat mit einem Anteil von 30 Gew.-% bis 70 Gew.-% und Kerosin mit einem Anteil von 70 Gew.-% bis 30 Gew.-%.
Brennstoffgemisch nach Anspruch 4, bestehend aus tert-Butylperoxybenzoat mit einem Anteil von 50 Gew.-% und Kerosin mit einem Anteil von 50 Gew.-%.
Industrietrockner, der eingerichtet ist, mit einem Brennstoffgemisch nach einem der vorhergehenden Ansprüche im Impulsverbrennungsbetrieb betrieben zu werden.
Industrietrockner nach Anspruch 6, wobei der Industrietrockner keine Einrichtung für eine oszillierende Brennstoffzufuhr und kein Prallplattenventil und keine Explosionskammer aufweist.
Gasturbine, die eingerichtet ist, mit einem Brennstoffgemisch nach einem der Ansprüche 1 bis 5 im Impulsverbrennungsbetrieb betrieben zu werden.
Gasturbine nach Anspruch 8, wobei die Gasturbine keine Einrichtung für eine oszillierende Brennstoffzufuhr aufweist.
Gasturbine nach Anspruch 8 oder 9, wobei eine Einspritzanlage der Gasturbine eingerichtet ist, mindestens zwei voneinander verschiedene Einspritzöffnungsdurchmesser bereitzustellen, um eine Pulsationsfrequenz der Impulsverbrennung zu steuern.
Triebwerk, insbesondere Flugzeugtriebwerk, das eingerichtet ist, mit einem Brennstoffgemisch nach einem der Ansprüche 1 bis 5 im Impulsverbrennungsbetrieb betrieben zu werden.
Triebwerk nach Anspruch 11, wobei das Triebwerk keine aktive Steuerung zur Geräuschreduktion aufweist.
Triebwerk nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Triebwerk Pulskanäle verschiedenen Durchmessers aufweist, wobei die jeweiligen Durchmesser der Pulskanäle so gewählt sind, dass die bei Impulsverbrennung des Brennstoffgemischs in einem jeweiligen Pulskanal auftretende Druckwelle nicht in Phase mit einer in einem anderen Pulskanal auftretenden Druckwelle ist.
Trocknungsverfahren, umfassend die Schritte (a) Bereitstellen eines Industrietrockners gemäß Anspruch 6 oder 7; (b) Trocknung eines in dem Industrietrockner angeordneten Materials, wobei die zur Trocknung erforderliche Wärme mittels Verbrennung eines Brennstoffgemischs gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 bereitgestellt wird.
Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine, umfassend (a) Fördern eines Brennstoffgemischs gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 an eine Einspritzvorrichtung; und (b) Einspritzen des Brennstoffgemischs in eine Brennkammer, wobei ein Einspritzöffnungsdurchmesser der Einspritzvorrichtung eingestellt oder ausgewählt wird, um eine Pulsationsfrequenz der Impulsverbrennung zu steuern.
Verwendung eines Brennstoffgemischs nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in einem Industrietrockner, zur Geräuschreduktion in einem Triebwerk, insbesondere einem Flugzeugtriebwerk, oder in einer Gasturbine.