DE112013005790B4 - Method of operating a combustion system and combustion system - Google Patents
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Abstract
Um ein Verfahren bereitzustellen, mittels welchem Brennstoff, insbesondere brennstoffhaltiges Abgas einer Hochtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtung, sicher und zuverlässig verbrannt werden kann, wird vorgeschlagen, dass das Verfahren Folgendes umfasst: Zuführen von Brennstoff zu der Brennstoffzellenvorrichtung; Abführen von Abgas aus der Brennstoffzellenvorrichtung, welches Brennstoff umfasst und vorzugsweise einen gegenüber Atmosphärendruck erhöhten Druck aufweist; Zuführen des Abgases aus der Brennstoffzellenvorrichtung als eines von mindestens zwei Fluiden zu einem Brennraum einer Brennkammervorrichtung der Verbrennungsvorrichtung unter Verwendung eines Injektors, wobei der Injektor einen inneren Fluidkanal, einen den inneren Fluidkanal zumindest abschnittsweise umgebenden äußeren Fluidkanal und einen Führungskanal, insbesondere Mischkanal, umfasst, wobei ein erstes Fluid mittels des inneren Fluidkanals und ein zweites Fluid mittels des äußeren Fluidkanals koaxial mit zumindest näherungsweise gleicher Strömungsgeschwindigkeit dem Führungskanal zugeführt werden, wobei ein Versorgungsdruck des ersten Fluids zumindest näherungsweise einem Versorgungsdruck des zweiten Fluids entspricht.In order to provide a method by means of which fuel, in particular fuel-containing exhaust gas from a high-temperature fuel cell device, can be burned safely and reliably, it is proposed that the method comprises the following: supplying fuel to the fuel cell device; discharge of exhaust gas from the fuel cell device, which comprises fuel and preferably has a pressure that is higher than atmospheric pressure; Supplying the exhaust gas from the fuel cell device as one of at least two fluids to a combustion chamber of a combustion chamber device of the combustion device using an injector, the injector comprising an inner fluid channel, an outer fluid channel at least partially surrounding the inner fluid channel and a guide channel, in particular a mixing channel, wherein a first fluid by means of the inner fluid channel and a second fluid by means of the outer fluid channel are fed coaxially to the guide channel with at least approximately the same flow rate, with a supply pressure of the first fluid at least approximately corresponding to a supply pressure of the second fluid.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungssystems und ein Verbrennungssystem.The present invention relates to a method of operating a combustion system and a combustion system.
Die
Insbesondere bei Verbrennungsvorrichtungen zum Verbrennen von brennstoffhaltigem Abgas einer Hochtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtung kann ein zuverlässiger Betrieb insbesondere durch Selbstzündung und Flammenrückschlag erschwert werden.Particularly in the case of combustion devices for burning fuel-containing exhaust gas from a high-temperature fuel cell device, reliable operation can be made more difficult, in particular by self-ignition and flashback.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mittels welchem Brennstoff, insbesondere brennstoffhaltiges Abgas einer Hochtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtung, sicher und zuverlässig verbrannt werden kann.The invention is based on the object of providing a method by means of which fuel, in particular fuel-containing exhaust gas from a high-temperature fuel cell device, can be burned safely and reliably.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungssystems gelöst, wobei das Verbrennungssystem eine beispielsweise als Hochtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtung ausgebildete Brennstoffzellenvorrichtung und eine Verbrennungsvorrichtung zum Verbrennen von brennstoffhaltigem Abgas der Brennstoffzellenvorrichtung umfasst. Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren Folgendes:
- - Zuführen von Brennstoff zu der Brennstoffzellenvorrichtung;
- - Abführen von Abgas aus der Brennstoffzellenvorrichtung, welches Brennstoff umfasst und vorzugsweise einen gegenüber Atmosphärendruck erhöhten Druck aufweist;
- - Zuführen des Abgases aus der Brennstoffzellenvorrichtung als eines von mindestens zwei Fluiden zu einem Brennraum einer Brennkammervorrichtung der Verbrennungsvorrichtung unter Verwendung eines Injektors, wobei der Injektor einen inneren Fluidkanal, einen den inneren Fluidkanal zumindest abschnittsweise umgebenden äußeren Fluidkanal und einen Führungskanal, insbesondere Mischkanal, umfasst,
wobei ein erstes Fluid mittels des inneren Fluidkanals und ein zweites Fluid mittels des äußeren Fluidkanals koaxial mit zumindest näherungsweise gleicher Strömungsgeschwindigkeit dem Führungskanal zugeführt werden,
wobei ein Versorgungsdruck des ersten Fluids zumindest näherungsweise einem Versorgungsdruck des zweiten Fluids entspricht.This object is achieved according to the invention by a method for operating a combustion system, wherein the combustion system comprises a fuel cell device designed, for example, as a high-temperature fuel cell device and a combustion device for burning fuel-containing exhaust gas from the fuel cell device. According to the invention, the method comprises the following:
- - supplying fuel to the fuel cell device;
- - Discharge of exhaust gas from the fuel cell device, which comprises fuel and preferably has a pressure that is higher than atmospheric pressure;
- - Supplying the exhaust gas from the fuel cell device as one of at least two fluids to a combustion chamber of a combustion chamber device of the combustion device using an injector, the injector comprising an inner fluid channel, an outer fluid channel at least partially surrounding the inner fluid channel and a guide channel, in particular a mixing channel,
a first fluid being fed coaxially to the guide channel by means of the inner fluid channel and a second fluid by means of the outer fluid channel with at least approximately the same flow rate,
wherein a supply pressure of the first fluid corresponds at least approximately to a supply pressure of the second fluid.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungssystems weist vorzugsweise einzelne oder mehrere Merkmale und/oder Vorteile der nachfolgend beschriebenen Verbrennungsvorrichtung, des nachfolgend beschriebenen Verbrennungssystems und/oder des nachfolgend beschriebenen Verfahrens zum Zuführen zweier Fluide zu einem Brennraum einer Brennkammervorrichtung auf.The method according to the invention for operating a combustion system preferably has one or more features and/or advantages of the combustion device described below, the combustion system described below and/or the method described below for supplying two fluids to a combustion chamber of a combustion chamber device.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass unter Verwendung des Injektors ein Oxidator als ein weiteres Fluid der mindestens zwei Fluide zu dem Brennraum der Brennkammervorrichtung zugeführt wird.In one embodiment of the invention, it is provided that using the injector, an oxidizer is supplied as a further fluid of the at least two fluids to the combustion chamber of the combustion chamber device.
Ein Druck des Oxidators vor dessen Zuführung zu dem Injektor wird vorzugsweise mittels einer Kompressorvorrichtung einer Gasturbinenvorrichtung der Verbrennungsvorrichtung und/oder mittels einer separaten Kompressorvorrichtung so erhöht, dass der Druck des Oxidators zumindest näherungsweise dem Druck des brennstoffhaltigen Abgases aus der Brennstoffzellenvorrichtung entspricht.A pressure of the oxidizer before it is fed to the injector is preferably increased by means of a compressor device of a gas turbine device of the combustion device and/or by means of a separate compressor device such that the pressure of the oxidizer corresponds at least approximately to the pressure of the fuel-containing exhaust gas from the fuel cell device.
Der Oxidator ist insbesondere Luft.The oxidizer is in particular air.
Günstig kann es sein, wenn die Verbrennungsvorrichtung mehrere Injektoren umfasst, mittels welchen dem Brennraum die mindestens zwei Fluide zugeführt werden, wobei den Injektoren Fluidströme mit voneinander verschiedenen Volumenströmen und/oder Massenströmen zugeführt werden.It can be favorable if the combustion device comprises a plurality of injectors, by means of which the at least two fluids are supplied to the combustion chamber, fluid flows with volume flows and/or mass flows that differ from one another being supplied to the injectors.
Insbesondere dann, wenn den Injektoren Fluidströme mit voneinander verschiedenen Volumenströmen und/oder Massenströmen zugeführt werden, können in dem Brennraum Bereiche unterschiedlicher Mischungsverhältnisse der mindestens zwei Fluide gebildet werden. Hierdurch kann eine Zuverlässigkeit und Sicherheit der Verbrennung erhöht werden.In particular, when the injectors are supplied with fluid flows having volume flows and/or mass flows that differ from one another, regions with different mixing ratios of the at least two fluids can be formed in the combustion chamber. As a result, the reliability and safety of the combustion can be increased.
Günstig kann es sein, wenn als eines der mindestens zwei Fluide ein Teilstrom eines Gesamtanodenabgasstroms aus der Brennstoffzellenvorrichtung der Verbrennungsvorrichtung zugeführt wird.It can be favorable if a partial flow of a total anode waste gas flow from the fuel cell device is supplied to the combustion device as one of the at least two fluids.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass als eines der mindestens zwei Fluide ein Teilstrom eines Gesamtkathodenabgasstroms aus der Brennstoffzellenvorrichtung der Verbrennungsvorrichtung zugeführt wird.As an alternative or in addition to this, provision can be made for a partial flow of a total cathode exhaust gas flow from the fuel cell device to be supplied to the combustion device as one of the at least two fluids.
Vorteilhaft kann es sein, wenn als eines der mindestens zwei Fluide Anodenabgas aus der Brennstoffzellenvorrichtung und als ein weiteres der mindestens zwei Fluide Kathodenabgas aus der Brennstoffzellenvorrichtung der Verbrennungsvorrichtung zugeführt wird.It can be advantageous if anode exhaust gas from the fuel cell device is supplied as one of the at least two fluids and cathode exhaust gas from the fuel cell device is supplied to the combustion device as another of the at least two fluids.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass lediglich zwei Fluide zugeführt werden, wobei als eines der zwei Fluide ausschließlich Anodenabgas aus der Brennstoffzellenvorrichtung und als ein weiteres der zwei Fluide ausschließlich Kathodenabgas aus der Brennstoffzellenvorrichtung der Verbrennungsvorrichtung zugeführt wird.For example, it can be provided that only two fluids are supplied, with one of the two fluids being exclusively anode waste gas from the fuel cell device and one of the two fluids being exclusively cathode waste gas from the fuel cell device of the combustion device.
Günstig kann es sein, wenn die mindestens zwei Fluide derart von der Brennstoffzellenvorrichtung dem Führungskanal zugeführt werden, dass die mindestens zwei Fluide zwischen der Brennstoffzellenvorrichtung und dem Führungskanal zumindest näherungsweise denselben Gesamtdruckverlust aufweisen.It can be favorable if the at least two fluids are fed from the fuel cell device to the guide channel in such a way that the at least two fluids between the fuel cell device and the guide channel have at least approximately the same total pressure loss.
Es kann vorgesehen sein, dass die mindestens zwei Fluide mit zumindest näherungsweise identischem Druck der Verbrennungsvorrichtung zugeführt werden.It can be provided that the at least two fluids are supplied to the combustion device with at least approximately identical pressure.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die mindestens zwei Fluide mit zumindest näherungsweise identischem Versorgungsdruck der Verbrennungsvorrichtung zugeführt werden.In particular, it can be provided that the at least two fluids are supplied to the combustion device with at least approximately identical supply pressure.
Innerhalb der Verbrennungsvorrichtung ergibt sich für die mindestens zwei Fluide vorzugsweise zumindest näherungsweise derselbe Druckverlust, insbesondere bis zum Erreichen der Brennkammer.Within the combustion device, the at least two fluids preferably have at least approximately the same pressure loss, in particular until they reach the combustion chamber.
Ein Fluid, welches als eines von mindestens zwei Fluiden zugeführt wird, umfasst vorzugsweise Umgebungsluft aus einer Umgebung des Verbrennungssystems oder ist durch Umgebungsluft aus einer Umgebung des Verbrennungssystems gebildet.A fluid, which is supplied as one of at least two fluids, preferably comprises ambient air from an environment of the combustion system or is formed by ambient air from an environment of the combustion system.
Umgebungsluft ist insbesondere Luft, welche nicht durch die Brennstoffzellenvorrichtung geführt wurde.Ambient air is in particular air that has not been passed through the fuel cell device.
Mittels einer Verbrennungsvorrichtung kann vorzugsweise brennstoffhaltiges Abgas einer Hochtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtung sicher und zuverlässig verbrannt werden.By means of a combustion device, preferably fuel-containing exhaust gas from a high-temperature fuel cell device can be safely and reliably burned.
Die Verbrennungsvorrichtung zum Verbrennen von brennstoffhaltigem Abgas einer Hochtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtung umfasst vorzugsweise Folgendes:
- - eine Brennkammervorrichtung, welche einen Brennraum umfasst, und
- - einen Injektor zum Zuführen von Brennstoff und Oxidator zu dem Brennraum,
wobei der Injektor einen inneren Fluidkanal, einen den inneren Fluidkanal zumindest abschnittsweise umgebenden äußeren Fluidkanal und einen bezüglich einer Strömungsrichtung stromabwärts des inneren Fluidkanals angeordneten Führungskanal umfasst,
wobei der äußere Fluidkanal einen sich verjüngenden Abschnitt umfasst, in welchem die Querschnittsfläche des äußeren Fluidkanals längs einer Strömungsrichtung von Fluiden in dem Injektor abnimmt,
wobei der innere Fluidkanal und der äußere Fluidkanal in einem Bereich in den Führungskanal münden, in welchem die Querschnittsfläche des inneren Fluidkanals, des äußeren Fluidkanals und/oder des Führungskanals minimal ist, wobei eine Querschnittsfläche des Führungskanals ausgehend von einem dem Brennraum zugewandten Ende des inneren Fluidkanals längs der Strömungsrichtung im Wesentlichen konstant ist oder zunimmt.The combustion device for burning fuel-containing exhaust gas of a high-temperature fuel cell device preferably comprises the following:
- - a combustor device comprising a combustion chamber, and
- - an injector for supplying fuel and oxidizer to the combustion chamber,
wherein the injector comprises an inner fluid channel, an outer fluid channel surrounding the inner fluid channel at least in sections, and a guide channel arranged downstream of the inner fluid channel with respect to a flow direction,
wherein the outer fluid passage includes a tapered portion in which the cross-sectional area of the outer fluid passage decreases along a flow direction of fluids in the injector,
wherein the inner fluid channel and the outer fluid channel open into the guide channel in a region in which the cross-sectional area of the inner fluid channel, the outer fluid channel and/or the guide channel is minimal, with a cross-sectional area of the guide channel starting from an end of the inner fluid channel facing the combustion chamber is substantially constant or increasing along the direction of flow.
Unter einer Hochtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtung ist in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen insbesondere eine Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) zu verstehen.In this specification and the appended claims, a high-temperature fuel cell device is to be understood in particular as a solid oxide fuel cell (SOFC) device.
Ein Führungskanal des Injektors ist insbesondere ein Abschnitt des Injektors, in welchem mindestens zwei Fluide gemeinsam und ohne Trennung voneinander geführt werden.A guide channel of the injector is in particular a section of the injector in which at least two fluids are guided together and without being separated from one another.
Grundsätzlich kann somit im Führungskanal eine Durchmischung der mindestens zwei Fluide erfolgen. Der Führungskanal ist dann insbesondere ein Mischkanal. In Abhängigkeit von einer gewählten Strömungsgeschwindigkeit der Fluide kann jedoch auch vorgesehen sein, dass eine Vermischung nur in sehr begrenztem Umfang, beispielsweise lediglich im Bereich einer Scherschicht zwischen den mindestens zwei Fluiden, erfolgt.In principle, the at least two fluids can thus be thoroughly mixed in the guide channel. The guide channel is then in particular a mixing channel. Depending on a selected flow rate of the fluids, however, it can also be provided that mixing takes place only to a very limited extent, for example only in the area of a shear layer between the at least two fluids.
Der innere Fluidkanal und der äußere Fluidkanal können beispielsweise koaxial oder parallel versetzt zueinander angeordnet sein.The inner fluid channel and the outer fluid channel can, for example, be arranged offset in relation to one another coaxially or parallel.
Die Querschnittsfläche des äußeren Fluidkanals nimmt in dem sich verjüngenden Abschnitt vorzugsweise kontinuierlich und/oder stetig ab.The cross-sectional area of the outer fluid channel preferably decreases continuously and/or steadily in the tapering section.
Insbesondere weist der sich verjüngende Abschnitt des äußeren Fluidkanals vorzugsweise keinen Bereich auf, in welchem die Querschnittsfläche längs der Strömungsrichtung zunimmt.In particular, the tapered portion of the outer fluid passage preferably has no region in which the cross-sectional area increases along the direction of flow.
Vorzugsweise ist ein Fluid ein Brennstoff und ein weiteres Fluid ein Oxidator.Preferably, one fluid is a fuel and another fluid is an oxidizer.
Es kann vorgesehen sein, dass der Brennstoff in dem inneren Fluidkanal oder in dem äußeren Fluidkanal geführt wird. Entsprechend kann vorgesehen sein, dass der Oxidator in dem äußeren Fluidkanal bzw. in dem inneren Fluidkanal geführt wird.Provision can be made for the fuel to be guided in the inner fluid channel or in the outer fluid channel. Accordingly, it can be provided that the oxidizer is guided in the outer fluid channel or in the inner fluid channel.
Eine Querschnittsfläche des Führungskanals entspricht in einem Mündungsbereich des inneren Fluidkanals und des äußeren Fluidkanals vorzugsweise höchstens ungefähr der Summe der Querschnittsflächen des inneren Fluidkanals und des äußeren Fluidkanals an deren dem Brennraum zugewandten Enden.A cross-sectional area of the guide channel in an opening area of the inner fluid channel and the outer fluid channel preferably corresponds at most approximately to the sum of the cross-sectional areas of the inner fluid channel and the outer fluid channel at their ends facing the combustion chamber.
Der Führungskanal umfasst vorzugsweise einen sich erweiternden Abschnitt, in welchem die Querschnittsfläche des Führungskanals längs der Strömungsrichtung, insbesondere stetig und/oder kontinuierlich, zunimmt.The guide channel preferably comprises an expanding section in which the cross-sectional area of the guide channel increases along the direction of flow, in particular steadily and/or continuously.
In dem sich erweiternden Abschnitt des Führungskanals existiert vorzugsweise kein Bereich, in welchem die Querschnittsfläche längs der Strömungsrichtung zunimmt.In the widening section of the guide channel, there preferably does not exist a region in which the cross-sectional area increases along the direction of flow.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Führungskanal ausschließlich aus dem sich erweiternden Abschnitt besteht und sich der erweiternde Abschnitt vorzugsweise von einem dem Brennraum zugewandten Ende des inneren Fluidkanals bis zu einem dem Brennraum zugewandten Ende des Injektors erstreckt.In one embodiment of the invention, it is provided that the guide channel consists exclusively of the widening section and the widening section preferably extends from an end of the inner fluid channel facing the combustion chamber to an end of the injector facing the combustion chamber.
Ein sich erweiternder Abschnitt des Führungskanals, in welchem die Querschnittsfläche des Führungskanals längs der Strömungsrichtung kontinuierlich und/oder stetig zunimmt, weist vorzugsweise keine Stufen, Kanten oder Vorsprünge auf. Somit kann eine unerwünschte Verwirbelung und/oder Ablösung eines Fluidstroms verhindert werden.An expanding section of the guide channel, in which the cross-sectional area of the guide channel increases continuously and/or steadily along the direction of flow, preferably has no steps, edges or projections. Undesirable turbulence and/or detachment of a fluid flow can thus be prevented.
Günstig kann es sein, wenn der Führungskanal einen oder mehrere konstante Abschnitte mit längs der Strömungsrichtung jeweils im Wesentlichen konstanten Querschnittsflächen umfasst.It can be favorable if the guide channel comprises one or more constant sections with cross-sectional areas that are essentially constant in each case along the direction of flow.
Vorzugsweise umfasst der Führungskanal mindestens zwei konstante Abschnitte mit längs der Strömungsrichtung jeweils im Wesentlichen konstanten Querschnittsflächen, wobei die mindestens zwei konstanten Abschnitte längs der Strömungsrichtung aufeinanderfolgend angeordnet sind, so dass ein stromaufwärts angeordneter konstanter Abschnitt des Führungskanals mit einer ersten Querschnittsfläche und ein auf den stromaufwärts angeordneten konstanten Abschnitt folgender, stromabwärts angeordneter konstanter Abschnitt des Führungskanals mit einer zweiten Querschnittsfläche vorgesehen sind, wobei die zweite Querschnittsfläche größer ist als die erste Querschnittsfläche.Preferably, the guide channel comprises at least two constant sections each having a substantially constant cross-sectional area along the flow direction, the at least two constant sections being arranged one after the other along the flow direction, so that an upstream constant section of the guide channel has a first cross-sectional area and a constant section arranged upstream constant section following, downstream arranged constant section of the guide channel are provided with a second cross-sectional area, wherein the second cross-sectional area is larger than the first cross-sectional area.
Ein Übergangsbereich zwischen dem stromaufwärts angeordneten konstanten Abschnitt des Führungskanals und dem stromabwärts angeordneten konstanten Abschnitt des Führungskanals wird vorzugsweise durch eine sprungartige Querschnittsvergrößerung, eine Stufe und/oder durch eine Planeinsenkung, beispielsweise eine den stromabwärts angeordneten konstanten Abschnitt bildende, gefräste Planeinsenkung, gebildet.A transition area between the upstream constant section of the guide channel and the downstream constant section of the guide channel is preferably formed by an abrupt cross-sectional enlargement, a step and/or by a plane depression, for example a milled plane depression forming the downstream constant section.
Günstig kann es sein, wenn der Führungskanal mindestens zwei aufeinanderfolgende Abschnitte umfasst, welche eine gemeinsame Symmetrieachse und/oder Mittelachse aufweisen.It can be favorable if the guide channel comprises at least two consecutive sections which have a common axis of symmetry and/or central axis.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass der Führungskanal mindestens zwei aufeinanderfolgende Abschnitte umfasst, welche voneinander verschiedene Symmetrieachsen und/oder Mittelachsen aufweisen.As an alternative or in addition to this, it can be provided that the guide channel comprises at least two consecutive sections which have axes of symmetry and/or central axes that differ from one another.
Günstig kann es sein, wenn der Führungskanal mindestens zwei aufeinanderfolgende Abschnitte umfasst, welche im Wesentlichen parallel zueinander verlaufende Symmetrieachsen und/oder Mittelachsen aufweisen.It can be favorable if the guide channel comprises at least two consecutive sections which have axes of symmetry and/or central axes running essentially parallel to one another.
Es kann vorgesehen sein, dass ein bezüglich der Strömungsrichtung der Fluide stromabwärts angeordnetes Ende des Führungskanals, insbesondere eines konstanten Abschnitts oder eines sich erweiternden Abschnitts des Führungskanals, in den Brennraum der Brennkammervorrichtung mündet.It can be provided that an end of the guide channel that is arranged downstream with respect to the direction of flow of the fluids, in particular a constant section or a widening section of the guide channel, opens into the combustion chamber of the combustion chamber device.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Wandung des inneren Fluidkanals, eine Wandung des äußeren Fluidkanals und/oder eine oder mehrere Wandungen eines oder mehrerer mittlerer Fluidkanäle und/oder eine Wandung des Führungskanals zumindest abschnittsweise eine aufgeraute Oberfläche aufweisen.One embodiment of the invention provides that a wall of the inner fluid channel, a wall of the outer fluid channel and/or one or more walls of one or more middle fluid channels and/or a wall of the guide channel have a roughened surface at least in sections.
Unter einer aufgerauten Oberfläche ist insbesondere eine Oberfläche zu verstehen, welche zur Erhöhung der Rauheit gezielt bearbeitet, beispielsweise mit einem Gewinde versehen, wurde.A roughened surface is to be understood in particular as a surface which has been specifically machined to increase the roughness, for example provided with a thread.
Günstig kann es sein, wenn eine Wandung des inneren Fluidkanals auf einer dem darin geführten Fluid zugewandten Innenseite und/oder auf einer dem darin geführten Fluid abgewandten Außenseite zumindest abschnittsweise mit einer aufgerauten Oberfläche versehen ist.It can be favorable if a wall of the inner fluid channel is provided with a roughened surface at least in sections on an inside facing the fluid guided therein and/or on an outside facing away from the fluid guided therein.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der innere Fluidkanal, der äußere Fluidkanal, ein oder mehrere mittlere Fluidkanäle und/oder der Führungskanal an dem jeweiligen dem Brennraum der Brennkammervorrichtung zugewandten Ende, insbesondere an einem dem Brennraum zugewandten Endbereich, zumindest abschnittsweise durch eine Wandung mit aufgerauter Oberfläche gebildet sind.In particular, it can be provided that the inner fluid duct, the outer fluid duct, one or more middle fluid ducts and/or the guide duct at the respective end facing the combustion chamber of the combustion chamber device, in particular at an end region facing the combustion chamber, are at least partially covered by a wall with a roughened surface are formed.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Verbrennungsvorrichtung eine Gasturbinenvorrichtung umfasst.It can be advantageous if the combustion device comprises a gas turbine device.
Die Brennkammervorrichtung kann beispielsweise eine Brennkammervorrichtung der Gasturbinenvorrichtung sein.The combustor device may be, for example, a combustor device of the gas turbine device.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass die Brennkammervorrichtung eine von einer Brennkammervorrichtung der Gasturbinenvorrichtung verschiedene Brennkammervorrichtung ist.Alternatively or in addition to this, it can be provided that the combustion chamber device is a combustion chamber device that is different from a combustion chamber device of the gas turbine device.
Vorteilhaft kann es sein, wenn zumindest ein Abschnitt des Führungskanals oder der gesamte Führungskanal eine Länge aufweist, welche höchstens ungefähr dem Produkt aus der mittleren Strömungsgeschwindigkeit der Fluide in dem Abschnitt des Führungskanals bzw. in dem gesamten Führungskanal und der Zündverzugszeit eines Gemisches der Fluide entspricht. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass der Injektor durch einen Flammenrückschlag beschädigt wird.It can be advantageous if at least one section of the guide channel or the entire guide channel has a length which at most approximately corresponds to the product of the average flow velocity of the fluids in the section of the guide channel or in the entire guide channel and the ignition delay time of a mixture of the fluids. In this way, the injector can be prevented from being damaged by a flashback.
Es kann vorgesehen sein, dass der Injektor einen oder mehrere mittlere Fluidkanäle umfasst, welche zumindest abschnittsweise den inneren Fluidkanal umgeben und zumindest abschnittsweise von dem äußeren Fluidkanal umgeben sind.It can be provided that the injector comprises one or more central fluid channels, which at least partially surround the inner fluid channel and are surrounded at least partially by the outer fluid channel.
Der innere Fluidkanal, der äußere Fluidkanal und der eine mittlere Fluidkanal oder die mehreren mittleren Fluidkanäle sind vorzugsweise koaxial oder parallel versetzt zueinander angeordnet.The inner fluid duct, the outer fluid duct and the one middle fluid duct or the several middle fluid ducts are preferably arranged coaxially or offset in parallel to one another.
Insbesondere weisen der innere Fluidkanal, der äußere Fluidkanal und der eine oder die mehreren mittleren Fluidkanäle eine gemeinsame Symmetrieachse und/oder Mittelachse auf.In particular, the inner fluid channel, the outer fluid channel and the one or more central fluid channels have a common axis of symmetry and/or central axis.
Vorzugsweise weisen der innere Fluidkanal, der äußere Fluidkanal und/oder der eine mittlere Fluidkanal oder die mehreren mittleren Fluidkanäle jeweils einen oder mehrere sich verjüngende Abschnitte auf.Preferably, the inner fluid channel, the outer fluid channel and/or the one or more central fluid channels each have one or more tapered sections.
Vorzugsweise sind der innere Fluidkanal, der äußere Fluidkanal und/oder der eine oder die mehreren mittleren Fluidkanäle so relativ zueinander angeordnet und/oder so ausgebildet, dass der innere Fluidkanal, der äußere Fluidkanal und/oder der eine oder die mehreren mittleren Fluidkanäle keinen sich erweiternden Abschnitt umfassen, in welchem die Querschnittsfläche längs der Strömungsrichtung zunimmt.Preferably, the inner fluid channel, the outer fluid channel and/or the one or more middle fluid channels are arranged relative to one another and/or designed in such a way that the inner fluid channel, the outer fluid channel and/or the one or more middle fluid channels do not widen Include portion in which the cross-sectional area increases along the direction of flow.
Vorzugsweise sind sich verjüngende Abschnitte des inneren Fluidkanals, des äußeren Fluidkanals und/oder des einen oder der mehreren mittleren Fluidkanäle bezüglich einer senkrecht zur Strömungsrichtung verlaufenden Richtung benachbart zueinander angeordnet.Preferably, tapered sections of the inner fluid channel, the outer fluid channel and/or the one or more central fluid channels are arranged adjacent to one another with respect to a direction perpendicular to the direction of flow.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass ein sich verjüngender Abschnitt des äußeren Fluidkanals einen sich verjüngenden Abschnitt des einen oder der mehreren mittleren Fluidkanäle und/oder einen sich verjüngenden Abschnitt des inneren Fluidkanals beispielsweise ringförmig umgibt.In particular, it can be provided that a tapering section of the outer fluid channel surrounds a tapering section of the one or more central fluid channels and/or a tapering section of the inner fluid channel, for example in a ring shape.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verbrennungsvorrichtung mehrere Injektoren, insbesondere mehrere gleichdimensionierte und/oder unterschiedlich dimensionierte Injektoren, umfasst.In one embodiment of the invention, it is provided that the combustion device comprises a plurality of injectors, in particular a plurality of injectors of the same size and/or of different sizes.
Es kann vorgesehen sein, dass die Injektoren gleichmäßig verteilt an einem Zuführkopf der Brennkammervorrichtung angeordnet sind, insbesondere um den Brennraum der Brennkammervorrichtung gleichmäßig mit Fluid, insbesondere Brennstoff und Oxidator, zu versorgen.Provision can be made for the injectors to be arranged in a uniformly distributed manner on a feed head of the combustion chamber device, in particular in order to uniformly supply the combustion chamber of the combustion chamber device with fluid, in particular fuel and oxidizer.
Vorteilhaft kann es jedoch sein, wenn die Injektoren ungleichmäßig verteilt an dem Zuführkopf der Brennkammervorrichtung angeordnet sind. Hierdurch kann eine ungleichmäßige Zuführung der Fluide, insbesondere des Brennstoffs und des Oxidators, zu dem Brennraum der Brennkammervorrichtung erfolgen, wodurch eine zuverlässigere und/oder sicherere Zündung und/oder Verbrennung erfolgen kann.However, it can be advantageous if the injectors are arranged in an unevenly distributed manner on the feed head of the combustion chamber device. As a result, the fluids, in particular the fuel and the oxidizer, can be supplied non-uniformly to the combustion chamber of the combustion chamber device, as a result of which more reliable and/or safer ignition and/or combustion can take place.
Die Verbrennungsvorrichtung eignet sich insbesondere zur Verwendung in einem Verbrennungssystem.The combustion device is particularly suitable for use in a combustion system.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verbrennungssystem.The present invention also relates to a combustion system.
Der Erfindung liegt diesbezüglich die Aufgabe zugrunde, ein Verbrennungssystem bereitzustellen, mittels welchem insbesondere brennstoffhaltiges Abgas einer Hochtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtung sicher und zuverlässig verbrannt werden kann.In this respect, the invention is based on the object of providing a combustion system by means of which, in particular, fuel-containing exhaust gas from a high-temperature fuel cell device can be burned safely and reliably.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verbrennungssystem gelöst, welches eine beispielsweise als Hochtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtung ausgebildete Brennstoffzellenvorrichtung und eine Verbrennungsvorrichtung zum Verbrennen von brennstoffhaltigem Abgas der Brennstoffzellenvorrichtung umfasst.This object is achieved according to the invention by a combustion system which, for example, as a high-temperature fuel cell device formed fuel cell device and a combustion device for burning fuel-containing exhaust gas of the fuel cell device comprises.
Vorzugsweise umfasst die Verbrennungsvorrichtung eine Brennkammervorrichtung, welche einen Brennraum umfasst, und einen Injektor zum Zuführen von Brennstoff und Oxidator zu dem Brennraum.Preferably, the combustor comprises a combustor comprising a combustion chamber and an injector for supplying fuel and oxidizer to the combustion chamber.
Der Injektor umfasst vorzugsweise einen inneren Fluidkanal, einen den inneren Fluidkanal zumindest abschnittweise umgebenden äußeren Fluidkanal und einen bezüglich einer Strömungsrichtung stromabwärts des inneren Fluidkanals angeordneten Führungskanal.The injector preferably comprises an inner fluid channel, an outer fluid channel surrounding the inner fluid channel at least in sections, and a guide channel arranged downstream of the inner fluid channel with respect to a flow direction.
Der Führungskanal mündet vorzugsweise in den Brennraum.The guide channel preferably opens into the combustion chamber.
Eine Anoden-Abgasleitung der Brennstoffzellenvorrichtung und/oder eine Kathoden-Abgasleitung der Brennstoffzellenvorrichtung ist vorzugsweise mit dem Injektor fluidwirksam verbunden, so dass mittels mindestens eines Fluidkanals des Injektors ein Anoden-Abgasstrom und/oder ein Kathoden-Abgasstrom der Brennstoffzellenvorrichtung dem Brennraum zuführbar ist.An anode exhaust gas line of the fuel cell device and/or a cathode exhaust gas line of the fuel cell device is preferably fluidically connected to the injector, so that an anode exhaust gas stream and/or a cathode exhaust gas stream of the fuel cell device can be fed to the combustion chamber by means of at least one fluid channel of the injector.
Günstig kann es sein, wenn ein erstes Fluid mittels des inneren Fluidkanals und ein zweites Fluid mittels des äußeren Fluidkanals koaxial mit zumindest näherungsweise gleicher Strömungsgeschwindigkeit dem Führungskanal zuführbar sind.It can be favorable if a first fluid can be fed to the guide channel coaxially by means of the inner fluid channel and a second fluid by means of the outer fluid channel with at least approximately the same flow rate.
Ein Versorgungsdruck des ersten Fluids entspricht vorzugsweise zumindest näherungsweise einem Versorgungsdruck des zweiten Fluids.A supply pressure of the first fluid preferably corresponds at least approximately to a supply pressure of the second fluid.
Das Verbrennungssystem, insbesondere die Verbrennungsvorrichtung und die Brennstoffzellenvorrichtung, sind vorzugsweise derart ausgebildet und/oder eingerichtet und/oder miteinander verbunden, dass die Fluide mit zumindest näherungsweise gleicher Strömungsgeschwindigkeit dem Führungskanal zuführbar sind und/oder dass ein Versorgungsdruck des ersten Fluids zumindest näherungsweise einem Versorgungsdruck des zweiten Fluids entspricht.The combustion system, in particular the combustion device and the fuel cell device, are preferably designed and/or set up and/or connected to one another in such a way that the fluids can be supplied to the guide channel at at least approximately the same flow rate and/or that a supply pressure of the first fluid is at least approximately the same as a supply pressure of the second fluid corresponds.
Günstig kann es sein, wenn die Anoden-Abgasleitung der Brennstoffzellenvorrichtung mit einem ersten Fluidkanal des Injektors und die Kathoden-Abgasleitung der Brennstoffzellenvorrichtung mit einem zweiten Fluidkanal des Injektors fluidwirksam verbunden ist, wobei der Anoden-Abgasstrom und der Kathoden-Abgasstrom mittels des Injektors zusammenführbar und gemeinsam dem Brennraum zuführbar sind.It can be favorable if the anode exhaust gas line of the fuel cell device is fluidly connected to a first fluid channel of the injector and the cathode exhaust gas line of the fuel cell device is fluidically connected to a second fluid channel of the injector, the anode exhaust gas stream and the cathode exhaust gas stream being able to be combined by means of the injector and can be supplied together to the combustion chamber.
Das Verbrennungssystem umfasst vorzugsweise eine Fluidführung, mittels welcher ein Fluidstrom, der vorzugsweise einen gegenüber Atmosphärendruck erhöhten Druck aufweist, als Brennstoffstrom mit Brennstoffüberschuss der Brennstoffzellenvorrichtung zuführbar ist, anschließend zumindest teilweise als Brennstoffstrom mittels des Injektors dem Brennraum zuführbar ist und anschließend über eine Turbinenvorrichtung einer Gasturbinenvorrichtung der Verbrennungsvorrichtung entspannbar ist.The combustion system preferably comprises a fluid duct, by means of which a fluid stream, which preferably has a pressure that is higher than atmospheric pressure, can be fed as a fuel stream with excess fuel to the fuel cell device, then at least partially as a fuel stream by means of the injector can be fed to the combustion chamber and then via a turbine device to a gas turbine device Combustion device can be relaxed.
Es kann vorgesehen sein, dass die Verbrennungsvorrichtung eine Gasturbinenvorrichtung umfasst und dass die Brennkammervorrichtung eine Brennkammervorrichtung der Gasturbinenvorrichtung ist.It can be provided that the combustion device comprises a gas turbine device and that the combustion chamber device is a combustion chamber device of the gas turbine device.
Zumindest ein Abschnitt des Führungskanals, insbesondere der gesamte Führungskanal, weist vorzugsweise ein Länge auf, welche höchstens ungefähr dem Produkt aus der mittleren Strömungsgeschwindigkeit der Fluide in diesem Abschnitt bzw. in dem gesamten Führungskanal und der Zündverzugszeit eines Gemisches der Fluide entspricht.At least one section of the guide channel, in particular the entire guide channel, preferably has a length which at most approximately corresponds to the product of the average flow velocity of the fluids in this section or in the entire guide channel and the ignition delay time of a mixture of the fluids.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Verbrennungssystem eine Kompressorvorrichtung umfasst, mittels welcher ein Versorgungsdruck eines mittels des Injektors dem Brennraum zuzuführenden Fluids an einen Versorgungsdruck eines aus der Brennstoffzellenvorrichtung abgeführten und ebenfalls mittels des Injektors dem Brennraum zuzuführenden Fluids anpassbar, insbesondere angleichbar, ist.In one embodiment of the invention, it can be provided that the combustion system comprises a compressor device, by means of which a supply pressure of a fluid to be supplied to the combustion chamber by means of the injector can be adapted, in particular adapted, to a supply pressure of a fluid which is discharged from the fuel cell device and also to be supplied to the combustion chamber by means of the injector. is.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass das Verbrennungssystem eine Kompressorvorrichtung umfasst, mittels welcher eine Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids beim Einströmen desselben in den Führungskanal an eine Strömungsgeschwindigkeit eines weiteren Fluids anpassbar, insbesondere angleichbar, ist, wobei das weitere Fluid insbesondere ein aus der Brennstoffzellenvorrichtung abgeführtes und ebenfalls mittels des Injektors dem Brennraum zuzuführendes Fluid ist.Alternatively or in addition to this, it can be provided that the combustion system comprises a compressor device, by means of which a flow rate of a fluid as it flows into the guide channel can be adjusted, in particular adjusted, to a flow rate of a further fluid, the further fluid being in particular a fluid discharged from the fuel cell device and is also fluid to be supplied to the combustion chamber by means of the injector.
Ein Versorgungsdruck ist insbesondere ein an einem Anschluss der Verbrennungsvorrichtung anliegender Druck eines Fluids.A supply pressure is in particular a pressure of a fluid present at a connection of the combustion device.
Ferner kann vorgesehen sein, dass ein Versorgungsdruck ein Druck eines Fluids an einem Auslass der Brennstoffzellenvorrichtung ist.Furthermore, it can be provided that a supply pressure is a pressure of a fluid at an outlet of the fuel cell device.
Unter der Formulierung „zumindest näherungsweise“ und/oder „im Wesentlichen“ ist in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen insbesondere eine Abweichung von höchstens ungefähr 50 %, beispielsweise höchstens ungefähr 20 %, insbesondere höchstens ungefähr 10 %, vorzugsweise höchstens ungefähr 5 %, zu verstehen.In this specification and the appended claims, the wording “at least approximately” and/or “substantially” means in particular a deviation of no more than approx approximately 50%, for example at most approximately 20%, in particular at most approximately 10%, preferably at most approximately 5%.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt vorzugsweise keine Eindüsung eines erstens Fluids in ein zweites Fluid. Vielmehr ist vorzugsweise vorgesehen, dass zwei Fluide gleichmäßig gemeinsam einem Führungskanal zugeführt und mittels des Führungskanals dem Brennraum zugeführt werden.In the method according to the invention, there is preferably no injection of a first fluid into a second fluid. Rather, it is preferably provided that two fluids are fed uniformly together to a guide channel and are fed to the combustion chamber by means of the guide channel.
Vorzugsweise ist eine koaxiale Zuführung mit gleichen oder nur minimal unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten vorgesehen.A coaxial supply with the same or only minimally different flow speeds is preferably provided.
Hierdurch ergeben sich insbesondere höchstens sehr schwache Scherschichten, so dass allenfalls eine sehr leichte Vermischung (insbesondere aufgrund von Diffusion und geringen Scherkräften) stattfindet.This results in particular in very weak shear layers at most, so that at most there is very slight mixing (in particular due to diffusion and low shear forces).
Die Zusammenführung der mindestens zwei Fluide erfolgt insbesondere nicht wie bei einem Diffusionsbrenner.In particular, the combination of the at least two fluids does not take place as in the case of a diffusion burner.
Vorzugsweise wird eine möglichst rezirkulationsfreie und scherschichtfreie koaxiale Strömungszuführung mit einer Luftmantelschicht realisiert, um hochreaktive Fluide, insbesondere brennstoffhaltiges Abgas, der Brennkammer zuzuführen. Vorzugsweise erfolgt eine Stabilisierung nicht an einem Ende des inneren Fluidkanals (mittlere Düse).Preferably, a recirculation-free and shear layer-free coaxial flow feed is realized with an air jacket layer in order to feed highly reactive fluids, in particular exhaust gas containing fuel, to the combustion chamber. Preferably, stabilization does not occur at one end of the inner fluid channel (middle nozzle).
Vorzugsweise wird das Prinzip der reinen Diffusionsverbrennung verhindert. Insbesondere wird ausreichend heißes Brennkammer-Abgas stromaufwärts der Wärmefreisetzungszone in die Luftmantelschicht und/oder in das zugeführte brennstoffhaltige Fluid eingemischt, um die Flamme zu stabilisieren und durch die Inertisierung die Verbrennungstemperatur abzusenken.The principle of pure diffusion combustion is preferably avoided. In particular, sufficiently hot combustion chamber exhaust gas is mixed upstream of the heat release zone into the air jacket layer and/or into the supplied fuel-containing fluid in order to stabilize the flame and lower the combustion temperature through inerting.
Vorzugsweise ist der Injektor so ausgelegt, dass das mittels des inneren Fluidkanals zugeführte Fluid im Führungskanal möglichst ungestört von dem mittels des äußeren Fluidkanals zugeführten Fluid umgeben und möglichst ungestört dem Brennraum zuführbar ist.The injector is preferably designed such that the fluid supplied by means of the inner fluid channel is surrounded in the guide channel with as little disruption as possible by the fluid supplied by means of the outer fluid channel and can be fed to the combustion chamber with as little disruption as possible.
Insbesondere dann, wenn als Fluide Kathodenabgas und Anodenabgas aus der Brennstoffzellenvorrichtung zugeführt werden, werden die Fluiddrücke, insbesondere die Versorgungsdrücke, vorzugsweise gleich gewählt, so dass eine Beschädigung der Brennstoffzellenvorrichtung aufgrund zu hoher Druckgradienten verhindert werden kann.In particular, when cathode exhaust gas and anode exhaust gas are supplied as fluids from the fuel cell device, the fluid pressures, in particular the supply pressures, are preferably chosen to be the same, so that damage to the fuel cell device due to excessive pressure gradients can be prevented.
Das Verbrennungssystem, insbesondere die Verbrennungsvorrichtung, ist vorzugsweise so ausgelegt, dass sich eine hohe Sicherheit gegenüber einem Flammenrückschlag ergibt. Insbesondere ist hierfür eine Mischung oder Zusammenführung der Fluide an der engsten Stelle des Injektors vorgesehen.The combustion system, in particular the combustion device, is preferably designed in such a way that there is a high level of safety against flashback. In particular, a mixing or merging of the fluids at the narrowest point of the injector is provided for this purpose.
Vorzugsweise ist eine quasi rezirkulationsfreie Mischungszone ohne Flächensprünge oder sonstige Störungen in der Nähe des Injektors vorgesehen.A mixing zone that is virtually free of recirculation and without surface jumps or other disturbances in the vicinity of the injector is preferably provided.
Mittels einer ungestörten Luftmantelschicht und einer vorgegebenen Länge des Führungskanals (Mischungslänge) kann vorzugsweise ermöglicht werden, dass kein reiner Diffusionsbrenner entsteht und eine Flammenstabilisierung frühestens am Flächensprung im Bereich des Brennkammereintritts und/oder während oder nach der Einmischung von Verbrennungsabgas stattfindet. By means of an undisturbed air jacket layer and a predetermined length of the guide channel (mixture length), it is preferably possible to ensure that no pure diffusion burner is created and that flame stabilization takes place at the earliest at the area jump in the area of the combustion chamber entry and/or during or after the mixing of combustion exhaust gas.
Vorzugsweise sind die maximalen Strömungsgeschwindigkeiten der mindestens zwei Fluide bei der Zuführung derselben zu dem Führungskanal zumindest näherungsweise identisch.The maximum flow speeds of the at least two fluids when they are supplied to the guide channel are preferably at least approximately identical.
Vorzugsweise ist eine Strömungsführung des Brennstoffzellensystems so gestaltet, dass ausgehend von der Brennstoffzellenvorrichtung bis zur Brennkammer gleiche Druckverluste in beiden Fluidströmungen bis zum Zusammentreffen (im Führungskanal) vorherrschen, insbesondere um die Druckrückwirkung auf die Brennstoffzellenvorrichtung so zu gestalten, dass kein Druckunterschied zwischen Anodenseite und Kathodenseite entsteht.Flow guidance of the fuel cell system is preferably designed in such a way that, starting from the fuel cell device to the combustion chamber, the same pressure losses prevail in both fluid flows until they meet (in the guide channel), in particular in order to design the pressure reaction on the fuel cell device in such a way that there is no pressure difference between the anode side and the cathode side .
Insbesondere an den Brennstoffzellenauslässen liegen vorzugsweise identische Drücke vor.Identical pressures are preferably present at the fuel cell outlets in particular.
Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass die Anoden-Abgasleitung mit einem inneren, einem äußeren oder einem mittleren Fluidkanal fluidwirksam verbunden ist, so dass dem Brennraum mittels des inneren Fluidkanals, des äußeren Fluidkanals bzw. des mittleren Fluidkanals ein als Anoden-Abgasstrom ausgebildetes Fluid zuführbar ist.In principle, it can be provided that the anode exhaust gas line is fluidically connected to an inner, an outer or a central fluid channel, so that a fluid configured as an anode exhaust gas flow can be supplied to the combustion chamber by means of the inner fluid channel, the outer fluid channel or the central fluid channel .
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Kathoden-Abgasleitung mit dem inneren, dem äußeren und/oder dem mittleren Fluidkanal fluidwirksam verbunden ist, so dass mittels des inneren, des äußeren und/oder des mittleren Fluidkanals ein als Kathoden-Abgasstrom ausgebildetes Fluid dem Brennraum zuführbar ist.Furthermore, it can be provided that the cathode exhaust gas line is fluidically connected to the inner, the outer and/or the central fluid channel, so that a fluid configured as a cathode exhaust gas stream can be fed to the combustion chamber by means of the inner, the outer and/or the central fluid channel is.
Das erfindungsgemäße Verbrennungssystem weist vorzugsweise einzelne oder mehrere Merkmale und/oder Vorteile der Verbrennungsvorrichtung auf.The combustion system according to the invention preferably has one or more features and/or advantages of the combustion device.
Günstig kann es sein, wenn die Anoden-Abgasleitung der Brennstoffzellenvorrichtung mit einem ersten Fluidkanal des Injektors und die Kathoden-Abgasleitung der Brennstoffzellenvorrichtung mit einem zweiten Fluidkanal des Injektors fluidwirksam verbunden ist, so dass der Anoden-Abgasstrom und der Kathoden-Abgasstrom mittels des Injektors zusammenführbar und, insbesondere gemeinsam, dem Brennraum zuführbar sind.It can be favorable if the anode exhaust gas line of the fuel cell device a first fluid channel of the injector and the cathode exhaust gas line of the fuel cell device is fluidically connected to a second fluid channel of the injector, so that the anode exhaust gas stream and the cathode exhaust gas stream can be combined by means of the injector and, in particular together, can be fed to the combustion chamber.
Der erste Fluidkanal und der zweite Fluidkanal sind dabei vorzugsweise voneinander verschiedene Fluidkanäle, beispielsweise der innere Fluidkanal und der äußere Fluidkanal.The first fluid channel and the second fluid channel are preferably different fluid channels, for example the inner fluid channel and the outer fluid channel.
Günstig kann es sein, wenn die Gasturbinenvorrichtung eine Kompressorvorrichtung umfasst, mittels welcher der Brennstoffstrom vor der Zuführung zur Brennstoffzellenvorrichtung und/oder ein Oxidatorstrom vor der Zuführung zur Brennstoffzellenvorrichtung verdichtet werden kann.It can be favorable if the gas turbine device comprises a compressor device, by means of which the fuel stream can be compressed before it is fed to the fuel cell device and/or an oxidizer stream can be compressed before it is fed to the fuel cell device.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass mittels der Kompressorvorrichtung ein Oxidatorstrom und/oder ein Brennstoffstrom so verdichtbar sind, dass der Oxidatorstrom und/oder der Brennstoffstrom in der Brennstoffzellenvorrichtung im Wesentlichen denselben Druck aufweisen.In particular, it can be provided that an oxidant flow and/or a fuel flow can be compressed by means of the compressor device in such a way that the oxidant flow and/or the fuel flow in the fuel cell device have essentially the same pressure.
Das erfindungsgemäße Verbrennungssystem eignet sich insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens zum Zuführen zweier Fluide zu einem Brennraum einer Brennkammervorrichtung.The combustion system according to the invention is particularly suitable for carrying out a method for supplying two fluids to a combustion chamber of a combustion chamber device.
Vorliegend wird ferner ein Verfahren zum Zuführen zweier Fluide zu einem Brennraum einer Brennkammervorrichtung beschrieben.A method for supplying two fluids to a combustion chamber of a combustion chamber device is also described here.
Das Verfahren zum Zuführen zweier Fluide zu einem Brennraum einer Brennkammervorrichtung wird vorzugsweise unter Verwendung eines Injektors durchgeführt, wobei der Injektor einen inneren Fluidkanal, einen den inneren Fluidkanal zumindest abschnittsweise umgebenden äußeren Fluidkanal und einen Führungskanal umfasst. Insbesondere werden ein erstes Fluid mittels des inneren Fluidkanals und ein zweites Fluid mittels des äußeren Fluidkanals in einem Bereich des Injektors dem Führungskanal zugeführt, in welchem eine Strömungsgeschwindigkeit des ersten Fluids und/oder des zweiten Fluids maximal ist.The method for supplying two fluids to a combustion chamber of a combustion chamber device is preferably carried out using an injector, the injector comprising an inner fluid channel, an outer fluid channel at least partially surrounding the inner fluid channel and a guide channel. In particular, a first fluid is supplied to the guide channel by means of the inner fluid channel and a second fluid by means of the outer fluid channel in a region of the injector in which a flow rate of the first fluid and/or the second fluid is at a maximum.
Vorzugsweise entspricht ein Druck des ersten Fluids zumindest näherungsweise einem Druck des zweiten Fluids.A pressure of the first fluid preferably corresponds at least approximately to a pressure of the second fluid.
Vorzugsweise umfasst der äußere Fluidkanal einen sich verjüngenden Abschnitt, in welchem die Querschnittsfläche des äußeren Fluidkanals längs einer Strömungsrichtung der Fluide in dem Injektor abnimmt. Hierdurch erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit des in dem äußeren Fluidkanal geführten Fluids. Ein Führungskanal des Injektors, welcher auf den inneren Fluidkanal und/oder den äußeren Fluidkanal folgt, das heißt, welcher stromabwärts des inneren Fluidkanals und/oder des äußeren Fluidkanals angeordnet ist, weist vorzugsweise eine Querschnittsfläche auf, welche längs der Strömungsrichtung konstant ist oder zunimmt. Im Führungskanal des Injektors bleibt die Strömungsgeschwindigkeit der darin geführten Fluide somit im Wesentlichen konstant bzw. wird reduziert.Preferably, the outer fluid passage includes a tapered portion in which the cross-sectional area of the outer fluid passage decreases along a flow direction of fluids in the injector. This increases the flow speed of the fluid guided in the outer fluid channel. A guide channel of the injector, which follows the inner fluid channel and/or the outer fluid channel, i.e. which is arranged downstream of the inner fluid channel and/or the outer fluid channel, preferably has a cross-sectional area which is constant or increases along the direction of flow. In the guide channel of the injector, the flow speed of the fluids guided therein remains essentially constant or is reduced.
Das erste Fluid oder das zweite Fluid kann beispielsweise ein insbesondere gasförmiger Brennstoff, insbesondere brennstoffhaltiges Abgas einer Hochtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtung, sein. Entsprechend ist das zweite Fluid bzw. das erste Fluid vorzugsweise ein Oxidator, beispielsweise Luft oder sauerstoffhaltiges Abgas einer Hochtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtung.The first fluid or the second fluid can be, for example, an in particular gaseous fuel, in particular fuel-containing exhaust gas of a high-temperature fuel cell device. Accordingly, the second fluid or the first fluid is preferably an oxidizer, for example air or oxygen-containing exhaust gas from a high-temperature fuel cell device.
Das Verfahren zum Zuführen zweier Fluide zu einem Brennraum einer Brennkammervorrichtung unter Verwendung eines Injektors weist vorzugsweise einzelne oder mehrere Merkmale und/oder Vorteile der Verbrennungsvorrichtung und/oder des erfindungsgemäßen Verbrennungssystems auf.The method for supplying two fluids to a combustion chamber of a combustion chamber device using an injector preferably has one or more features and/or advantages of the combustion device and/or the combustion system according to the invention.
Die Verbrennungsvorrichtung und/oder das Verbrennungssystem weisen vorzugsweise eine Steuerungsvorrichtung zur Steuerung der Verbrennungsvorrichtung bzw. des Verbrennungssystems auf.The combustion device and/or the combustion system preferably have a control device for controlling the combustion device or the combustion system.
Insbesondere ist die Steuerungsvorrichtung so ausgebildet und eingerichtet, dass mittels der Verbrennungsvorrichtung und/oder des Verbrennungssystems einzelne oder mehrere der in dieser Beschreibung und/oder den beigefügten Ansprüchen genannten Verfahrensschritte durchführbar sind.In particular, the control device is designed and set up in such a way that one or more of the method steps mentioned in this description and/or the appended claims can be carried out by means of the combustion device and/or the combustion system.
Die Verbrennungsvorrichtung, das Verbrennungssystem, das Verfahren zum Zuführen zweier Fluide zu einem Brennraum und/oder das Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungssystems können ferner einzelne oder mehrere der nachfolgend beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile aufweisen:
- Als ein Fluid kann beispielsweise wasserstoffhaltiges Abgas einer Brennstoffzellenvorrichtung verwendet werden.
- For example, hydrogen-containing exhaust gas from a fuel cell device can be used as a fluid.
Vorzugsweise weist mindestens ein Fluid vor der Zuführung zu dem Injektor eine Temperatur von mindestens ungefähr 200 °C, beispielsweise mindestens ungefähr 400 °C, insbesondere mindestens ungefähr 600 °C, auf.At least one fluid preferably has a temperature of at least approximately 200° C., for example at least approximately 400° C., in particular at least approximately 600° C., before it is supplied to the injector.
Vorzugsweise besteht lediglich ein geringer, insbesondere kein, Druckunterschied zwischen den Fluiden, insbesondere zwischen einem Brennstoffstrom und einem Oxidationsstrom.Preferably, there is only a small, in particular no, pressure difference between the Fluids, in particular between a fuel flow and an oxidation flow.
Insbesondere bei dem Vormischen oder Teilvormischen von Brennstoff und Oxidator besteht ein hohes Risiko an Flammenrückschlag und Selbstzündung.Especially with the premixing or partial premixing of fuel and oxidizer, there is a high risk of flashback and auto-ignition.
Insbesondere dann, wenn ein Brennstoffstrom einen relativ geringen Druck aufweist, kann keine hohe Einströmgeschwindigkeit in eine Brennkammer zur Minimierung des Risikos für Selbstzündung und Flammenrückschlag realisiert werden. Vorzugsweise werden diese Nachteile durch die Erfindung kompensiert oder treten nicht auf.In particular, when a fuel flow has a relatively low pressure, a high inflow velocity into a combustion chamber cannot be realized to minimize the risk of auto-ignition and flashback. These disadvantages are preferably compensated for by the invention or do not occur.
Vorzugsweise erfolgt eine Zusammenführung und/oder eine Mischung zweier Fluide, insbesondere des Brennstoffs und des Oxidators, an einem Ort maximaler Strömungsgeschwindigkeit.Preferably, two fluids, in particular the fuel and the oxidizer, are brought together and/or mixed at a point of maximum flow velocity.
Die mindestens zwei Fluide, insbesondere der Brennstoff und der Oxidator, weisen vorzugsweise im Wesentlichen denselben Druck auf.The at least two fluids, in particular the fuel and the oxidizer, preferably have essentially the same pressure.
Vorzugsweise sind weder eine Kühlung des Oxidators, beispielsweise Luft, noch ein hoher Brennstoff-Versorgungsdruck erforderlich.Preferably, neither cooling of the oxidizer, e.g. air, nor high fuel supply pressure are required.
Vorteilhaft kann es sein, wenn ein Injektor und/oder ein Zuführkopf der Brennkammervorrichtung einen Flächensprung, insbesondere einen Querschnittsflächensprung, umfasst, mittels welchem insbesondere eine Rezirkulationszone, beispielsweise eine Abgasrezirkulationszone, gebildet werden kann. Hierdurch kann vorzugsweise eine Flammenfront durch Selbstzündungseffekte aufgrund der heißen Fluide, insbesondere des heißen Abgases, stabilisiert werden.It can be advantageous if an injector and/or a feed head of the combustion chamber device comprises a discontinuity in area, in particular a discontinuity in cross-sectional area, by means of which a recirculation zone, for example an exhaust gas recirculation zone, can be formed. As a result, a flame front can preferably be stabilized by self-ignition effects due to the hot fluids, in particular the hot exhaust gas.
Die Länge eines Führungskanals des Injektors ist vorzugsweise so gewählt, dass innerhalb des Führungskanals keine Selbstzündung stattfinden kann.The length of a guide channel of the injector is preferably selected in such a way that no self-ignition can take place within the guide channel.
Die Erfindung eignet sich insbesondere für die Verbrennung von hochreaktiven Brennstoffen.The invention is particularly suitable for the combustion of highly reactive fuels.
Vorzugsweise ergibt sich durch die Verwendung der Verbrennungsvorrichtung, insbesondere des Injektors der Verbrennungsvorrichtung, ein sehr geringer Druckverlust.The use of the combustion device, in particular the injector of the combustion device, preferably results in a very low pressure loss.
Durch eine konvexe Ausgestaltung des Führungskanals, insbesondere einen sich längs der Strömungsrichtung erweiternden Führungskanal, kann vorzugsweise Druck zurückgewonnen werden.A convex design of the guide channel, in particular a guide channel that widens along the direction of flow, can preferably be used to recover pressure.
Vorzugsweise ist ein Übergang zwischen einem dem Brennraum zugewandten Ende des Injektors und einer Austrittsfläche eines Zuführkopfs der Brennkammervorrichtung, in welcher der Injektor angeordnet ist, nicht rechtwinklig. Preferably, a transition between an end of the injector facing the combustion chamber and an exit surface of a feed head of the combustion chamber device in which the injector is arranged is not perpendicular.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass ein dem Brennraum zugewandtes Ende des Injektors und eine Austrittsfläche eines Zuführkopfs der Brennkammervorrichtung, in welchem der Injektor angeordnet ist, Oberflächen aufweisen, welche einen Winkel von mindestens ungefähr 120°, beispielsweise mindestens ungefähr 135°, miteinander einschließen.For example, it can be provided that an end of the injector facing the combustion chamber and an exit surface of a feed head of the combustion chamber device, in which the injector is arranged, have surfaces which enclose an angle of at least approximately 120°, for example at least approximately 135°, with one another.
Vorzugsweise wird die Ausbildung von Rückstromgebieten in einer Mischungszone, insbesondere in dem Führungskanal, durch klare Abrisskanten, insbesondere an einem dem Brennraum zugewandten Ende des inneren Fluidkanals, verhindert.The formation of backflow areas in a mixing zone, in particular in the guide channel, is preferably prevented by clear tear-off edges, in particular at an end of the inner fluid channel facing the combustion chamber.
Eine Eindüsung eines ersten Fluids in das zweite Fluid erfolgt vorzugsweise mit einer Jet-In-Coflow-Anordnung, das heißt mit einem Eindüsungswinkel β = 0° oder mit einem sehr kleinen Eindüsungswinkel eines oder mehrerer weiterer Fluide (β << 90°).A first fluid is preferably injected into the second fluid with a jet-in-coflow arrangement, ie with an injection angle β=0° or with a very small injection angle of one or more further fluids (β<<90°).
Durch eine rückstromfreie Eindüsung wird vorzugsweise eine Selbstzündung am Ort der Mischung, insbesondere in dem Führungskanal, verhindert.Self-ignition at the site of the mixture, in particular in the guide channel, is preferably prevented by injection without a backflow.
Das Risiko für einen Flammenrückschlag wird vorzugsweise minimiert.The risk of flashback is preferably minimized.
Vorzugsweise weist der Führungskanal im Bereich des Austritts in die Brennkammer eine konvexe Form auf, so dass aufgrund des Coanda-Effekts eine Druckrückgewinnung möglich ist.The guide channel preferably has a convex shape in the region of the exit into the combustion chamber, so that pressure recovery is possible due to the Coanda effect.
Eine Mischung der Fluide kann durch die Verwendung von Mikroturbulatoren verbessert werden, insbesondere um kleinskalige Wirbel und damit einen geringen Druckverlust in einer Mischungszone, insbesondere in dem Führungskanal, zu erzeugen.Mixing of the fluids can be improved by using microturbulators, in particular in order to generate small-scale vortices and thus a low pressure loss in a mixing zone, in particular in the guide channel.
Ein Fluid, insbesondere ein Oxidator, wird beispielsweise zur Kühlung und/oder zur Einstellung einer gewünschten Gaszusammensetzung im Führungskanal aufgeteilt (sogenannter Luftsplit).A fluid, in particular an oxidizer, is divided, for example, for cooling and/or for setting a desired gas composition in the guide channel (so-called air split).
Die Injektoren sind vorzugsweise in einem Kreisring zur Ausbildung einer Abgasrezirkulationszone oder über den gesamten Zuführkopf verteilt angeordnet.The injectors are preferably arranged in a circular ring to form an exhaust gas recirculation zone or distributed over the entire feed head.
Es kann vorgesehen sein, dass der Zuführkopf im Bereich der Injektoren mit Planeinsenkungen versehen ist, um kleine Abgasrezirkulationszonen zu erzeugen.It can be provided that the feed head in the area of the injectors with plane depressions is provided to create small exhaust gas recirculation zones.
Die Erfindung eignet sich insbesondere zur Nachverbrennung bei Brennstoffzellenvorrichtungen, zur Verwendung in der Brennkammertechnologie, in der Kraftwerkstechnik und/oder der Energietechnik sowie zur Mischung und/oder Verbrennung hochreaktiver Fluide, insbesondere zur Wasserstoffverbrennung.The invention is particularly suitable for afterburning in fuel cell devices, for use in combustion chamber technology, in power plant technology and/or energy technology, and for mixing and/or burning highly reactive fluids, in particular for hydrogen combustion.
Weitere bevorzugte Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.Further preferred features and/or advantages of the invention are the subject of the following description and the graphic representation of exemplary embodiments.
In den Zeichnungen zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Verbrennungssystems, welches eine Brennstoffzellenvorrichtung, eine Gasturbinenvorrichtung und eine separate Brennkammervorrichtung umfasst; -
2 eine der1 entsprechende schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Verbrennungssystems, wobei die Brennkammervorrichtung eine Brennkammervorrichtung der Gasturbinenvorrichtung ist; -
3 einen schematischen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Injektors einer Verbrennungsvorrichtung, bei welchem ein innerer Fluidkanal und ein äußerer Fluidkanal vorgesehen sind, welche in einen Führungskanal des Injektors münden; -
4 eine der3 entsprechende schematische Darstellung der ersten Ausführungsform des Injektors, wobei eine andere Betriebsweise dargestellt ist; -
5 eine der3 entsprechende schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Injektors, bei welchem mehrere Oberflächen aufgeraut sind; -
6 eine der3 entsprechende schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines Injektors, welcher einen sich erweiternden Führungskanal umfasst; -
7 eine schematische Darstellung eines einem Brennraum einer Brennkammervorrichtung der Verbrennungsvorrichtung zugewandten Endes einer Wandung eines inneren Fluidkanals, bei welcher eine Anfasung vorgesehen ist, so dass das Ende konisch ausgebildet ist; -
8 eine der7 entsprechende schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform des dem Brennraum zugewandten Endes der Wandung des inneren Fluidkanals, wobei die Wandung eine abgerundete Außenseite aufweist; -
9 eine der3 entsprechende schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform eines Injektors, bei welchem ein mittlerer Fluidkanal zwischen dem inneren Fluidkanal und dem äußeren Fluidkanal angeordnet ist; -
10 eine schematische Schnittdarstellung eines Teils eines Brennraums der Brennkammervorrichtung samt einer daran angrenzenden Brennraumwandung und eines Abschnitts des Zuführkopfs; -
11 eine der3 entsprechende Schnittdarstellung einer fünften Ausführungsform eines Injektors, bei welchem ein sich stufenförmig erweiternder Führungskanal vorgesehen ist; -
12 eine der3 entsprechende schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform eines Injektors, bei welchem ein exzentrisch zu dem inneren Fluidkanal und dem äußeren Fluidkanal angeordneter Abschnitt des Führungskanals vorgesehen ist; -
13 eine schematische Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines Zuführkopfs der Brennkammervorrichtung, bei welcher die Injektoren ungleichmäßig verteilt angeordnet sind; -
14 eine der13 entsprechende schematische Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform eines Zuführkopfs, bei welcher die Injektoren kreisförmig angeordnet sind; -
15 eine der13 entsprechende schematische Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform eines Zuführkopfs, bei welcher die Injektoren gleichmäßig verteilt an dem Zuführkopf angeordnet sind, jedoch ungleichmäßig betrieben werden; -
16 eine der13 entsprechende schematische Draufsicht auf eine vierte Ausführungsform eines Zuführkopfs, wobei eine ringförmige Öffnung für einen Luftmantelstrom vorgesehen ist; -
17 einen Schnitt durch den Zuführkopf aus16 längs der Linie 17 - 17 in16 ; -
18 eine der13 entsprechende schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform eines Zuführkopfs, bei welcher ringförmig angeordnete Kühlluftkanäle vorgesehen sind; -
19 eine der 17 entsprechende Schnittdarstellung durch die fünfte Ausführungsform des Zuführkopfs gemäß18 längs der Linie 19 - 19 in18 ; -
20 eine der13 entsprechende schematische Draufsicht auf eine sechste Ausführungsform eines Zuführkopfs, mit alternativer Anordnung der Injektoren und der Kühlluftkanäle; und -
21 eine der3 entsprechende schematische Darstellung einer siebten Ausführungsform eines Injektors, bei welchem ein innerer Fluidkanal außermittig in einem äußeren Fluidkanal angeordnet ist.
-
1 a schematic representation of a first embodiment of a combustion system, which comprises a fuel cell device, a gas turbine device and a separate combustion chamber device; -
2 one of the1 corresponding schematic representation of a second embodiment of a combustion system, wherein the combustor device is a combustor device of the gas turbine device; -
3 a schematic longitudinal section through a first embodiment of an injector of a combustion device, in which an inner fluid channel and an outer fluid channel are provided, which open into a guide channel of the injector; -
4 one of the3 corresponding schematic representation of the first embodiment of the injector, wherein a different mode of operation is shown; -
5 one of the3 corresponding schematic representation of a second embodiment of an injector, in which several surfaces are roughened; -
6 one of the3 corresponding schematic representation of a third embodiment of an injector, which comprises an expanding guide channel; -
7 a schematic representation of a combustion chamber of a combustion chamber device of the combustion device facing end of a wall of an inner fluid channel, in which a chamfer is provided so that the end is conical; -
8th one of the7 corresponding schematic representation of an alternative embodiment of the end of the wall of the inner fluid channel facing the combustion chamber, the wall having a rounded outer side; -
9 one of the3 corresponding schematic representation of a fourth embodiment of an injector, in which a middle fluid channel is arranged between the inner fluid channel and the outer fluid channel; -
10 a schematic sectional view of part of a combustion chamber of the combustion chamber device together with a combustion chamber wall adjacent thereto and a section of the feed head; -
11 one of the3 corresponding sectional view of a fifth embodiment of an injector, in which a step-wise widening guide channel is provided; -
12 one of the3 corresponding schematic representation of a sixth embodiment of an injector, in which a section of the guide channel is provided which is arranged eccentrically to the inner fluid channel and the outer fluid channel; -
13 a schematic plan view of a first embodiment of a feed head of the combustion chamber device, in which the injectors are arranged unevenly distributed; -
14 one of the13 corresponding schematic plan view of a second embodiment of a feed head, in which the injectors are arranged in a circle; -
15 one of the13 corresponding schematic plan view of a third embodiment of a feed head, in which the injectors are distributed evenly on the feed head, but are operated unevenly; -
16 one of the13 corresponding schematic plan view of a fourth embodiment of a feeding head, wherein an annular opening is provided for an air sheath flow; -
17 cut through the feed head16 along line 17 - 17 in16 ; -
18 one of the13 corresponding schematic representation of a fifth embodiment of a feed head, in which annularly arranged cooling air ducts are provided; -
19 one of the17 corresponding sectional view through the fifth embodiment of the feed head according to18 along line 19 - 19 in18 ; -
20 one of the13 corresponding schematic plan view of a sixth embodiment form of a feed head, with an alternative arrangement of the injectors and the cooling air ducts; and -
21 one of the3 corresponding schematic representation of a seventh embodiment of an injector, in which an inner fluid channel is arranged eccentrically in an outer fluid channel.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.Identical or functionally equivalent elements are provided with the same reference symbols in all figures.
Eine in
Die Brennstoffzellenvorrichtung 102 ist insbesondere als eine Hochtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtung 106, insbesondere als eine Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (SOFC), ausgebildet.The
Die Verbrennungsvorrichtung 104 umfasst eine Gasturbinenvorrichtung 108, welche eine Brennkammervorrichtung 110 umfasst.The
Ferner umfasst die Verbrennungsvorrichtung 104 eine von der Brennkammervorrichtung 110 der Gasturbinenvorrichtung 108 separate Brennkammervorrichtung 112.Furthermore, the
Die Gasturbinenvorrichtung 108 der Verbrennungsvorrichtung 104 umfasst ferner eine Turbinenvorrichtung 114 und eine Kompressorvorrichtung 116. The
Das Verbrennungssystem 100 umfasst ferner eine Fluidführung 118, mittels welcher Fluide zwischen den einzeln beschriebenen Vorrichtungen führbar sind.The
Die Fluidführung 118 umfasst insbesondere eine oder mehrere Zuführleitungen 120 zum Zuführen von Fluiden von der Kompressorvorrichtung 116 zu der Brennstoffzellenvorrichtung 102.The
Ferner umfasst die Fluidführung 118 eine oder mehrere Abgasleitungen 122 zum Zuführen von Abgas von der Brennstoffzellenvorrichtung 102 zu der Brennkammervorrichtung 112.Furthermore, the
Eine weitere Abgasleitung 124 der Fluidführung 118 dient der Weiterleitung von Abgas aus der Brennkammervorrichtung 112 zu der Brennkammervorrichtung 110 der Gasturbinenvorrichtung 108.A further
Eine weitere Abgasleitung 126 verbindet schließlich die Brennkammervorrichtung 110 der Gasturbinenvorrichtung 108 mit der Turbinenvorrichtung 114 der Gasturbinenvorrichtung 108.A
Die Fluidführung 118 umfasst ferner eine Bypass-Leitung 128, mittels welcher Abgas aus der Brennstoffzellenvorrichtung 102 unter Umgehung der separaten Brennkammervorrichtung 112 direkt der Brennkammervorrichtung 110 der Gasturbinenvorrichtung 108 zuführbar ist.The
Die Abgasleitungen 122 zur Verbindung der Brennstoffzellenvorrichtung 102 mit der separaten Brennkammervorrichtung 112 sind insbesondere eine Anoden-Abgasleitung 122a und eine Kathoden-Abgasleitung 122b.The
Mittels der Anoden-Abgasleitung 122a kann vorzugsweise Abgas von einer Anodenseite der Brennstoffzellenvorrichtung 102 der separaten Brennkammervorrichtung 112 zugeführt werden.Exhaust gas from an anode side of the
Mittels der Kathoden-Abgasleitung 122b kann vorzugsweise Abgas von einer Kathodenseite der Brennstoffzellenvorrichtung 102 der separaten Brennkammervorrichtung 112 zugeführt werden.Exhaust gas from a cathode side of the
Das in der Anoden-Abgasleitung 122a geführte Anodenabgas ist vorzugsweise brennstoffhaltig.The anode waste gas conducted in the anode
Das in der Kathoden-Abgasleitung 122b geführte Kathodenabgas ist vorzugsweise oxidatorhaltig.The cathode off-gas conducted in the cathode off-
Die in
Mittels der Kompressorvorrichtung 116der Gasturbinenvorrichtung 108 wird Oxidator und/oder Brennstoff verdichtet und mit einem gegenüber Normaldruck erhöhten Druck mittels derZuführleitungen 120der Brennstoffzellenvorrichtung 102 zugeführt.
- The oxidizer and/or fuel is compressed by means of the
compressor device 116 of thegas turbine device 108 and fed to thefuel cell device 102 by means of thefeed lines 120 at a pressure that is higher than normal pressure.
In der Brennstoffzellenvorrichtung 102 wird der Brennstoff zum Erzeugen von Strom umgewandelt, insbesondere verbrannt.In the
Der einer Anodenseite der Brennstoffzellenvorrichtung 102 zugeführte Brennstoffstrom enthält vorzugsweise eine größere Menge Brennstoff als im Normalbetrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 102 umgesetzt werden kann.The fuel flow fed to an anode side of the
Ein die Brennstoffzellenvorrichtung 102 verlassender Anoden-Abgasstrom ist somit noch immer brennstoffhaltig.An anode exhaust gas flow leaving the
Mittels der Anoden-Abgasleitung 122a wird der brennstoffhaltige Anoden-Abgasstrom der separaten Brennkammervorrichtung 112 zugeführt.The fuel-containing anode exhaust gas flow is fed to the separate
Ferner wird mittels der Kathoden-Abgasleitung 122b ein Kathoden-Abgasstrom von der Kathodenseite der Brennstoffzellenvorrichtung 102 der separaten Brennkammervorrichtung 112 zugeführt.Furthermore, a cathode exhaust gas stream is supplied from the cathode side of the
Das Anodenabgas und das Kathodenabgas weisen eine hohe Temperatur, beispielsweise ungefähr 800 °C, sowie zumindest näherungsweise denselben Druck auf.The anode waste gas and the cathode waste gas have a high temperature, for example approximately 800° C., and at least approximately the same pressure.
Eine Vermischung des Anoden-Abgasstroms und des Kathoden-Abgasstroms miteinander kann daher beispielsweise zu einer unerwünschten Selbstzündung führen, wodurch das Verbrennungssystem 100 beschädigt werden könnte.Mixing of the anode exhaust gas stream and the cathode exhaust gas stream with one another can therefore lead to undesired auto-ignition, for example, which could damage the
Durch eine geeignete Ausgestaltung der Verbrennungsvorrichtung 104 kann dies jedoch verhindert werden (siehe insbesondere die nachfolgende Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen der Injektoren).However, this can be prevented by a suitable design of the combustion device 104 (see in particular the following description of the various embodiments of the injectors).
In der Brennkammervorrichtung 112 wird das brennstoffhaltige Anodenabgas mittels des oxidatorhaltigen Kathodenabgases und/oder mittels zusätzlich zugeführter Luft verbrannt und somit die noch in dem Anodenabgas enthaltene chemische Energie genutzt.In the
Das heiße Abgas aus der separaten Brennkammervorrichtung 112 wird über die Abgasleitung 124 der Brennkammervorrichtung 110 der Gasturbinenvorrichtung 108 zugeführt.The hot exhaust gas from the
Ferner kann der Brennkammervorrichtung 110 der Gasturbinenvorrichtung 108 mittels der Bypass-Leitung 128 ein aus der Kathoden-Abgasleitung 122b abgezweigter Teil des Kathoden-Abgasstroms aus der Brennstoffzellenvorrichtung 102 unter Umgehung der separaten Brennkammervorrichtung 112 zugeführt werden.Furthermore, a part of the cathode exhaust gas stream branched off from the cathode
In der Brennkammervorrichtung 110 der Gasturbinenvorrichtung 108 wird der in den zugeführten Fluidströmen enthaltenen Brennstoff und/oder zusätzlich verwendeter Brennstoff verbrannt und zum Antreiben der Turbinenvorrichtung 114 der Gasturbinenvorrichtung 108 verwendet.In the
Das Abgas der Brennkammervorrichtung 110 der Gasturbinenvorrichtung 108 wird hierzu über die Abgasleitung 126 der Turbinenvorrichtung 114 zugeführt.For this purpose, the exhaust gas of the
Die Abgasleitung 126 kann jedoch auch entbehrlich sein, wenn die Turbinenvorrichtung 114 sich direkt an die Brennkammervorrichtung 110 anschließt.However, the
Mittels der Turbinenvorrichtung 114 wird das aus der Brennkammervorrichtung 110 der Gasturbinenvorrichtung 108 ausströmende Abgas zur Umwandlung der darin enthaltenen Energie in kinetische Energie entspannt.The exhaust gas flowing out of the
Mittels der Turbinenvorrichtung 114 wird insbesondere die Kompressorvorrichtung 116 angetrieben.In particular, the
Eine in
Eine separate Brennkammervorrichtung 112 ist bei der in
Die Brennkammervorrichtung 110 der Gasturbinenvorrichtung 108 entspricht hinsichtlich Aufbau und Funktion vorzugsweise der separaten Brennkammervorrichtung 112 der ersten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 100.In terms of structure and function,
Eine Bypass-Leitung 128 ist entbehrlich.A
Im Übrigen die in
Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsformen von Injektoren und Zuführköpfen einer Brennkammervorrichtung der Verbrennungsvorrichtung 104 beschrieben. Grundsätzlich können dabei sämtliche Ausführungsformen von Injektoren bei sämtlichen Ausführungsformen von Zuführköpfen verwendet werden. Ferner eignen sich sämtliche Ausführungsformen von Zuführköpfen mit sämtlichen Ausführungsformen von Injektoren für die Verwendung in einer Brennkammervorrichtung 110 der Gasturbinenvorrichtung 108 und/oder in einer separaten Brennkammervorrichtung 112.Various embodiments of injectors and feed heads of a combustor of
Eine in
Der innere Fluidkanal 132 ist zumindest abschnittsweise von dem äußeren Fluidkanal 134 umgeben.The
Insbesondere sind der innere Fluidkanal 132 und der äußere Fluidkanal 134 koaxial zueinander angeordnet und weisen eine gemeinsame Mittelachse 138, insbesondere eine gemeinsame Symmetrieachse 140 auf.In particular, the
Vorzugsweise ist der gesamte Injektor 130 rotationssymmetrisch bezüglich der Symmetrieachse 140 ausgebildet.The
Der innere Fluidkanal 132 ist im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet und dient der Zuführung eines ersten Fluids zu dem Führungskanal 136 des Injektors 130.The
Der äußere Fluidkanal 134 ist im Wesentlichen zylindermantelförmig ausgebildet und umgibt den inneren Fluidkanal 132. Mittels des äußeren Fluidkanals 134 kann ein zweites Fluid dem Führungskanal 136 des Injektors 130 zugeführt werden.The outer
Das durch den inneren Fluidkanal 132 geführte erste Fluid, das durch den äußeren Fluidkanal 134 geführte zweite Fluid und die gemeinsam in dem Führungskanal 136 geführten Fluide werden in einer Strömungsrichtung 142, welche im Wesentlichen parallel zur Mittelachse 138 und/oder zur Symmetrieachse 140 des Injektors 130 ausgerichtet ist, durch den Injektor 130 hindurchgeführt.The first fluid routed through inner
Eine senkrecht zur Strömungsrichtung 142 genommene Querschnittsfläche des inneren Fluidkanals 132 ist längs der Strömungsrichtung 142 im Wesentlichen konstant.A cross-sectional area of the
Der äußere Fluidkanal 134 weist einen sich verjüngenden Abschnitt 144 auf, in welchem die senkrecht zur Strömungsrichtung 142 genommene Querschnittsfläche des äußeren Fluidkanals 134 längs der Strömungsrichtung 142 abnimmt.The outer
Der sich verjüngende Abschnitt 144 des äußeren Fluidkanals 134 ist an einem einem Brennraum 146 der Brennkammervorrichtung 110, 112 zugewandten Ende 148 des äußeren Fluidkanals 134, insbesondere direkt angrenzend an den Führungskanal 136, angeordnet.The
Der innere Fluidkanal 132 mündet an einem dem Brennraum 146 zugewandten Ende 150 des inneren Fluidkanals 132 in den Führungskanal 136.Inner
Ein Bereich 152, in welchem der innere Fluidkanal 132 und der äußere Fluidkanal 134 in den Führungskanal 136 münden, ist insbesondere ein Mündungsbereich 154 des Injektors 130.An
In dem Bereich 152, insbesondere dem Mündungsbereich 154, ist die Querschnittsfläche des inneren Fluidkanals 132, des äußeren Fluidkanals 134 und/oder des Führungskanals 136 minimal. Die durch den Injektor 130 hindurchgeführten Fluide weisen folglich in diesem Bereich 152 die höchste Strömungsgeschwindigkeit auf.In the
Der Führungskanal 136 des Injektors 130 weist vorzugsweise einen konstanten Abschnitt 156 auf, in welchem eine senkrecht zur Strömungsrichtung 142 genommene Querschnittsfläche des Führungskanals 136 längs der Strömungsrichtung 142 im Wesentlichen konstant ist.The
Der Führungskanal 136 erstreckt sich von dem dem Brennraum 146 zugewandten Ende 150 des inneren Fluidkanals 132 und/oder von dem dem Brennraum 146 zugewandten Ende 148 des äußeren Fluidkanals 134 bis zu einem dem Brennraum 146 zugewandten Ende 158 des Injektors 130.
Das dem Brennraum 146 zugewandte Ende 158 des Injektors 130 schließt insbesondere bündig mit einer Austrittsebene 160 eines Zuführkopfes 162 der Brennkammervorrichtung 110, 112 ab, in welchem der Injektor 130 angeordnet ist.The
Die Austrittsebene 160 ist beispielsweise als eine ebene Fläche ausgebildet, kann jedoch auch gekrümmt sein.The
Der Injektor 130 dient insbesondere der Zuführung von Oxidator und Brennstoff zu dem Brennraum 146.
Insbesondere ist das in dem inneren Fluidkanal 132 geführte erste Fluid ein Anodenabgas der Brennstoffzellenvorrichtung 102.In particular, the first fluid conducted in the
Das in dem äußeren Fluidkanal 134 geführte zweite Fluid ist insbesondere ein Kathodenabgas der Brennstoffzellenvorrichtung 102.The second fluid conducted in the outer
Alternativ hierzu kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das erste Fluid in dem inneren Fluidkanal 132 das Kathodenabgas und das zweite Fluid in dem äußeren Fluidkanal 134 das Anodenabgas ist.As an alternative to this, however, it can also be provided that the first fluid in the
In dem Führungskanal 136 des Injektors 130 können sich die Fluide zumindest in geringem Umfang miteinander vermischen.The fluids can mix with one another at least to a small extent in the
Insbesondere dann, wenn die Fluide eine hohe Temperatur aufweisen, kann es in dem Injektor 130 grundsätzlich zu einer Selbstzündung und/oder zu einem Flammenrückschlag aus dem Brennraum 146 in den Injektor 130 kommen.In particular when the fluids are at a high temperature, self-ignition and/or a flashback from
Durch eine geeignete Dimensionierung des Injektors 130 kann dies jedoch verhindert werden.However, this can be prevented by suitable dimensioning of the
So ist insbesondere bei der in
Die in
- Mittels des ersten Fluidkanals 132 wird ein erstes Fluid, beispielsweise brennstoffhaltiges Anodenabgas aus der
Brennstoffzellenvorrichtung 102, zugeführt. - Mittels des äußeren Fluidkanals 134 wird ein zweites Fluid, insbesondere oxidatorhaltiges Kathodenabgas aus der
Brennstoffzellenvorrichtung 102, zugeführt.
- A first fluid, for example fuel-containing anode waste gas from the
fuel cell device 102 , is supplied by means of the firstfluid channel 132 . - A second fluid, in particular an oxidizer-containing cathode exhaust gas from the
fuel cell device 102, is supplied by means of the outerfluid channel 134.
Aufgrund des sich verjüngenden Abschnitts 144 des äußeren Fluidkanals 134 und des konstanten Abschnitts 156 des Führungskanals 136 ist der Mündungsbereich 154, in welchem das in dem inneren Fluidkanal 132 geführte erste Fluid und das in dem äußeren Fluidkanal 134 geführte zweite Fluid zusammengeführt werden, ein Bereich 152 mit minimaler Querschnittsfläche. Die Fluide weisen somit in diesem Bereich 152 die höchste Strömungsgeschwindigkeit auf.Due to the
Vorzugsweise ergibt sich erst aufgrund des Flächensprungs an dem dem Brennraum 146 zugewandten Ende 158 des Injektors 130 in dem Brennraum 146 eine Rezirkulation der Fluide und somit erst in dem Brennraum 146 eine stabile Flammenfront.A recirculation of the fluids preferably only occurs in
Aufgrund der Strömungsgeschwindigkeit in dem Führungskanal 136 wird ein Flammenrückschlag vorzugsweise ebenso vermieden wie eine Selbstzündung des Gemisches der Fluide innerhalb des Führungskanals 136.Due to the flow speed in the
Vorzugsweise werden die Fluide bei der in
Bei einer in
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das in dem inneren Fluidkanal 132 geführte erste Fluid mit einem höheren Druck zugeführt wird als das in dem äußeren Fluidkanal 134 geführte zweite Fluid.For example, it can be provided that the first fluid guided in the
Hierdurch kann ein Treibstrahleffekt erzeugt werden, welcher zu einem Ansaugen des in dem äußeren Fluidkanal 134 geführten zweiten Fluids führt.As a result, a propellant jet effect can be generated, which leads to the second fluid guided in the outer
Im Übrigen entspricht die Betriebsweise der ersten Ausführungsform des Injektors 130 gemäß
Eine in
Insbesondere ist eine innere Oberfläche 166 der Wandung 168 des inneren Fluidkanals 132, welche dem in dem inneren Fluidkanal 132 geführten ersten Fluid zugewandt ist, zumindest abschnittsweise eine aufgeraute Oberfläche 164.In particular, an
So kann insbesondere vorgesehen sein, dass die innere Oberfläche 166 an dem dem Brennraum 146 zugewandten Ende 150 des inneren Fluidkanals 132 eine aufgeraute Oberfläche 146 ist.In particular, it can be provided that the
Ferner kann vorgesehen sein, dass eine äußere Oberfläche 170 der Wandung 168 des inneren Fluidkanals 132 zumindest abschnittsweise eine aufgeraute Oberfläche 164 ist.Furthermore, it can be provided that an
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die äußere Oberfläche 170 an dem dem Brennraum 146 zugewandten Ende 150 des inneren Fluidkanals 132 eine aufgeraute Oberfläche 164 ist.In particular, it can be provided that the
Unter einer aufgerauten Oberfläche 164 ist dabei insbesondere eine zur Erhöhung der Rauheit bearbeitete Oberfläche zu verstehen, beispielsweise eine mit einem Gewinde versehene Oberfläche.A roughened
Ergänzend kann bei einer (nicht dargestellten) Ausführungsform des Injektors 130 vorgesehen sein, dass eine Oberfläche 172 einer den äußeren Fluidkanal 134 umgebenden Wandung 174 zumindest abschnittsweise eine aufgeraute Oberfläche 164 ist.In addition, in one embodiment (not shown) of the
Mittels der aufgerauten Oberfläche 164, welche vorzugsweise als Mikroturbulator dient, können kleinskalige Wirbel erzeugt werden, um eine Mischung bei relativ geringem Druckverlust zu verbessern. Ferner kann sich hierdurch eine Grenzschichtturbulenz erhöhen und somit das Risiko einer Grenzschichtablösung minimiert werden.Small-scale vortices can be generated by means of the roughened
Im Übrigen stimmt die in
Eine in
In dem sich erweiternden Abschnitt 176 des Führungskanals 136 nimmt die senkrecht zur Strömungsrichtung 142 genommene Querschnittsfläche des Führungskanals 136 längs der Strömungsrichtung 142 kontinuierlich und stetig zu.In the widening
Insbesondere erstreckt sich der sich erweiternde Abschnitt 176 des Führungskanals 136 von dem Mündungsbereich 154 bis zu dem dem Brennraum 146 zugewandten Ende 158 des Injektors 130.In particular, the widening
Ein Winkel α, welchen eine Oberfläche 178 des Führungskanals 136 mit der Austrittsebene 160 einschließt, ist vorzugsweise größer als 90°, insbesondere ungefähr 120°.An angle α, which a
Hierdurch kann eine Druckrückgewinnung ermöglicht werden. Insbesondere kann durch die Umlenkung der Strömung am Austritt des Injektors 130 eine zusätzliche Vermischung der Fluide im Brennraum 146 erzeugt werden. Benachbarte Injektoren 130 des Zuführkopfes 162 sind vorzugsweise so dimensioniert, ausgebildet und/oder angeordnet, dass die Scherschichten zwischen den Fluiden von benachbarten Injektoren 130 aufeinandertreffen.In this way, a pressure recovery can be made possible. In particular, by deflecting the flow at the outlet of
Bei der in
Im Übrigen stimmt die in
In den
In
Die Anfasung 180 ist dabei an dem dem Brennraum 146 zugewandten Ende 150 des inneren Fluidkanals 132 so angeordnet, dass sich die Wandung 168 in der Strömungsrichtung 142 zu dem Ende 150 hin verjüngt.The
Insbesondere ist die Wandung 168 konisch verjüngend ausgebildet.In particular, the
Mittels der Anfasung 180 kann ein Flächensprung am Ende 150 des inneren Fluidkanals 132, an welchem sich eine unerwünschte Rezirkulation der Fluide ausbilden könnte, vermieden werden.By means of the
Bei der in
Die Abrundung 182 der Wandung 168 ermöglicht insbesondere eine konvexe Strömungsführung des in dem äußeren Fluidkanal 134 geführten Fluids.The rounding 182 of the
Eine in
Der mittlere Fluidkanal 184 ist zwischen dem inneren Fluidkanal 132 und dem äußeren Fluidkanal 134 angeordnet.The
Der mittlere Fluidkanal 184 umgibt somit den inneren Fluidkanal 132 und ist selbst von dem äußeren Fluidkanal 134 umgeben.The
Der mittlere Fluidkanal 184, der innere Fluidkanal 132 und der äußere Fluidkanal 134 sind koaxial zueinander angeordnet und weisen insbesondere dieselbe Symmetrieachse 140 auf.The
Der mittlere Fluidkanal 184 mündet in den Mündungsbereich 154, insbesondere in den Bereich 152 minimaler Querschnittsfläche des äußeren Fluidkanals 134 und/oder des Führungskanals 136.The
Durch die Verwendung eines weiteren Fluidkanals, nämlich des mittleren Fluidkanals 184, kann ein drittes Fluid, insbesondere ein von dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid verschiedenes Fluid, mittels des Injektors 130 zu dem Brennraum 146 zugeführt werden.By using a further fluid channel, namely the
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass mittels des inneren Fluidkanals 132 Anodenabgas aus der Brennstoffzellenvorrichtung 102 zugeführt wird, dass mittels des mittleren Fluidkanals 184 Kathodenabgas aus der Brennstoffzellenvorrichtung 102 zugeführt wird und dass mittels des äußeren Fluidkanals 134 zusätzliche Frischluft oder restliches Kathodenabgas aus der Brennstoffzellenvorrichtung 102 zugeführt wird.For example, it can be provided that anode waste gas is supplied from
Die zusätzliche Frischluft oder das restliche Kathodenabgas aus der Brennstoffzellenvorrichtung 102 wird insbesondere zugeführt, um die Luftzahl in dem Brennraum 146 zu erhöhen.The additional fresh air or the remaining cathode exhaust gas from the
Das in dem äußeren Fluidkanal 134 geführte Fluid kann insbesondere zur Kühlung der Wandung 174 dienen.The fluid conducted in the outer
Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass mittels des inneren Fluidkanals 132 Kathodenabgas aus der Brennstoffzellenvorrichtung 102 zugeführt wird, dass mittels des mittleren Fluidkanals 184 Anodenabgas aus der Brennstoffzellenvorrichtung 102 zugeführt wird und dass mittels des äußeren Fluidkanals 134 zusätzliche Frischluft oder restliches Kathodenabgas aus der Brennstoffzellenvorrichtung 102 zugeführt wird.Alternatively, it can be provided that cathode exhaust gas is supplied from
Der brennstoffhaltige Anoden-Abgasstrom aus der Brennstoffzellenvorrichtung 102, welcher mittels des mittleren Fluidkanals 184 zugeführt wird, wird dabei von der zusätzlichen Frischluft oder dem restlichen Kathodenabgas aus der Brennstoffzellenvorrichtung 102, welche oxidatorhaltig ist, ummantelt und/ oder von dem mittels des inneren Fluidkanals 132 zugeführten Kathoden-Abgasstrom aus der Brennstoffzellenvorrichtung 102 durchdrungen. Hierdurch kann eine Mischung verbessert werden. Ferner kann hierdurch eine effiziente Kühlung der Wandung 174 des äußeren Fluidkanals 134 ermöglicht werden. The fuel-containing anode exhaust gas stream from the
Im Übrigen stimmt die in
Bei der in
In
Die Brennkammervorrichtung 110, 112 umfasst eine den Brennraum 146 begrenzende Brennraumwandung 186.
Im Betrieb der Brennkammervorrichtung 110, 112 heizt sich die Brennraumwandung 186 stark auf.During operation of the
Zur Abkühlung und somit zum Schutz der Brennraumwandung 186 weist die Brennkammervorrichtung 110, 112 einen oder mehrere in dem Zuführkopf 162 angeordnete Kühlluftkanäle 188 auf.In order to cool down and thus protect the
Mittels der Kühlluftkanäle 188 kann parallel zur Brennraumwandung 186 kühle Luft eingeströmt werden, um einen direkten Kontakt der Flamme in dem Brennraum 146 mit der Brennraumwandung 186 zu vermeiden.Cool air can flow in parallel to the
Als Kühlluftkanal 188 kann beispielsweise Frischluft verwendet werden. Alternativ hierzu kann jedoch auch Kathodenabgas aus der Brennstoffzellenvorrichtung 102 verwendet werden.Fresh air, for example, can be used as the cooling
Eine in
Die konstanten Abschnitte 156 weisen jeweils für sich genommen längs der Strömungsrichtung 142 konstante Querschnittsflächen auf.The
Die konstanten Abschnitte 156 sind bezüglich der Strömungsrichtung 142 nacheinander angeordnet, so dass ein stromaufwärts angeordneter konstanter Abschnitt 156a und ein stromabwärts angeordneter konstanter Abschnitt 156b gebildet sind.The
Der stromaufwärts angeordnete konstante Abschnitt 156a des Führungskanals 136 grenzt an das dem Brennraum 146 zugewandte Ende 150 des inneren Fluidkanals 132 und an das dem Brennraum 146 zugewandte Ende 148 des äußeren Fluidkanals 134 an.The
Der stromabwärts angeordnete konstante Abschnitt 156b grenzt einerseits an den stromaufwärts angeordneten konstanten Abschnitt 156a und andererseits an die Austrittsebene 160 des Zuführkopfes 162 an.The
Mittels der konstanten Abschnitte 156a, 156b ist somit der gesamte Führungskanal 136 gebildet.The
Der stromaufwärts angeordnete konstante Abschnitt 156a und der stromabwärts angeordnete konstante Abschnitt 156b weisen im Wesentlichen dieselbe Symmetrieachse 140 auf.The upstream
Eine Querschnittsfläche des stromaufwärts angeordneten konstanten Abschnitts 156a ist kleiner als eine Querschnittsfläche des stromabwärts angeordneten konstanten Abschnitts 156b.A cross-sectional area of the upstream
Ein Übergang 190 zwischen dem stromaufwärts angeordneten konstanten Abschnitt 156a und dem stromabwärts angeordneten konstanten Abschnitt 156b ist als eine Stufe 192, das heißt als ein Flächensprung, ausgebildet.A
Hierdurch ergibt sich im Betrieb des Injektors 130 eine Rezirkulation der Fluide und somit eine zuverlässige Flammenankerung im Bereich des stromabwärts angeordneten konstanten Abschnitts 156b.This results in recirculation of the fluids during operation of the
Eine in
Vielmehr ist der stromabwärts angeordnete konstante Abschnitt 156b in einer senkrecht zur Strömungsrichtung 142 verlaufenden Richtung versetzt gegenüber dem stromaufwärts angeordneten konstanten Abschnitt 156a angeordnet.Rather, the
Durch eine solche exzentrische Anordnung der konstanten Abschnitte 156a, 156b kann eine Flammenankerung in dem stromabwärts angeordneten konstanten Abschnitt 156b ermöglicht, insbesondere optimiert, werden.With such an eccentric arrangement of the
Im Übrigen stimmt die in
Eine in
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass Injektoren 130 gemäß der in
Die Injektoren 130 können gleichmäßig oder, wie in
Durch eine ungleichmäßige Verteilung der Injektoren 130 ergibt sich eine ungleichmäßige Vermischung der Fluide in dem Brennraum 146, wodurch die Zuverlässigkeit und/oder Sicherheit der Verbrennung verbessert werden kann.A non-uniform distribution of the
Eine in
Ein Innenraum 194 zwischen den kreisförmig angeordneten Injektoren 130 wird dabei vorzugsweise so groß gewählt, dass sich eine große Rezirkulationszone in dem Brennraum 146 ausbilden kann.An
Im Übrigen stimmt die in
Eine in
Vorzugsweise werden die Injektoren 130 jedoch ungleichmäßig betrieben, das heißt, dass einzelne Injektoren 130a mit mehr Brennstoff beaufschlagt werden als die anderen Injektoren 130b.However, the
Hierdurch kann eine Homogenität der Mischung der Fluide im Brennraum 146 vermieden werden, wodurch die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Verbrennung erhöht werden kann.As a result, a homogeneity of the mixture of the fluids in the
Im Übrigen stimmt die in
Eine in den
Mittels des Kühlluftkanals 188 kann insbesondere die Brennraumwandung 186 vor einer Überhitzung geschützt werden.
Im Übrigen stimmt die in den
Eine in den
Die Kühlluftkanäle 188 sind dabei im Wesentlichen ringförmig angeordnet, insbesondere alternierend zwischen den Injektoren 130 angeordnet.The cooling
Mittels der Kühlluftkanäle 188 kann insbesondere Luft mit einem hohen Druck, insbesondere einem höheren Druck als ein Druck der mittels der Injektoren 130 zugeführten Fluide, zugeführt werden. Hierdurch kann eine innere Rezirkulationszone in dem Brennraum 146 verstärkt werden.In particular, air at a high pressure, in particular at a higher pressure than a pressure of the fluids supplied by means of the
Ein Kreisdurchmesser des Kreises, auf welchem die Kühlluftkanäle 188 angeordnet sind, ist vorzugsweise größer als ein Kreisdurchmesser des Kreises, auf welchem die Injektoren 130 angeordnet sind.A circle diameter of the circle on which the cooling
Im Übrigen stimmt die in den
Eine in
Im Übrigen stimmt die in
Eine in
Vielmehr ist der innere Fluidkanal 132 außermittig versetzt in dem äußeren Fluidkanal 134 angeordnet. Eine Symmetrieachse 140a des inneren Fluidkanals 132 ist somit parallel versetzt zu einer Symmetrieachse 140b des äußeren Fluidkanals 132 angeordnet.Rather, the
Durch eine solche versetzte Anordnung kann beispielsweise eine einseitig brennstoffreichere Scherschicht zur optimierten Verbrennung erzeugt werden.Such an offset arrangement can, for example, produce a shear layer that is richer in fuel on one side for optimized combustion.
Im Übrigen stimmt die in
Grundsätzlich können einzelne oder mehrere Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen von Verbrennungssystemen 100, Injektoren 130 und/oder Zuführköpfen 162 zur Bereitstellung von weiteren bevorzugten Ausführungsformen beliebig miteinander kombiniert werden.In principle, individual or multiple features of the described embodiments of
So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Zuführkopf 162 gemäß der in
BezugszeichenlisteReference List
- 100100
- Verbrennungssystemcombustion system
- 102102
- Brennstoffzellenvorrichtungfuel cell device
- 104104
- Verbrennungsvorrichtungcombustion device
- 106106
- Hochtemperatur-BrennstoffzellenvorrichtungHigh temperature fuel cell device
- 108108
- Gasturbinenvorrichtunggas turbine device
- 110110
-
Brennkammervorrichtung der Gasturbinenvorrichtung 108Combustion chamber device of the
gas turbine device 108 - 112112
-
Brennkammervorrichtung einer separaten Verbrennungsvorrichtung 104Combustion chamber device of a
separate combustion device 104 - 114114
- Turbinenvorrichtungturbine device
- 116116
- Kompressorvorrichtungcompressor device
- 118118
- Fluidführungfluid guidance
- 120120
- Zuführleitungsupply line
- 122122
- Abgasleitungexhaust pipe
- 122a122a
- Anoden-Abgasleitunganode exhaust line
- 122b122b
- Kathoden-AbgasleitungCathode exhaust line
- 124124
- Abgasleitungexhaust pipe
- 126126
- Abgasleitungexhaust pipe
- 128128
- Bypass-Leitungbypass line
- 130130
- Injektorinjector
- 130a130a
- Injektorinjector
- 130b130b
- Injektorinjector
- 132132
- innerer Fluidkanalinternal fluid channel
- 134134
- äußerer Fluidkanalouter fluid channel
- 136136
- Führungskanalguide channel
- 138138
- Mittelachsecentral axis
- 140140
- Symmetrieachseaxis of symmetry
- 140a140a
-
Symmetrieachse des inneren Fluidkanals 132Axis of symmetry of the
inner fluid channel 132 - 140b140b
-
Symmetrieachse des äußeren Fluidkanals 134Axis of symmetry of the outer
fluid channel 134 - 142142
- Strömungsrichtungflow direction
- 144144
-
sich verjüngender Abschnitt des äußeren Fluidkanals 134tapered section of outer
fluid channel 134 - 146146
- Brennraumcombustion chamber
- 148148
-
dem Brennraum 146 zugewandtes Ende des äußeren Fluidkanals 134the end of the outer
fluid channel 134 facing thecombustion chamber 146 - 150150
-
dem Brennraum 146 zugewandtes Ende des inneren Fluidkanals 132the end of the
inner fluid channel 132 facing thecombustion chamber 146 - 152152
- Bereich minimaler QuerschnittsflächeArea of minimum cross-sectional area
- 154154
- Mündungsbereichmouth area
- 156156
-
konstanter Abschnitt des Führungskanals 136constant section of the
guide channel 136 - 156a156a
- stromaufwärts angeordneter konstanter Abschnittupstream constant section
- 156b156b
- stromabwärts angeordneter konstanter Abschnittdownstream constant section
- 158158
-
dem Brennraum 146 zugewandtes Ende des Injektors 130end of
injector 130 facingcombustion chamber 146 - 160160
- Austrittsebeneexit level
- 162162
- Zuführkopffeeding head
- 164164
- aufgeraute Oberflächeroughened surface
- 166166
- innere Oberflächeinner surface
- 168168
-
Wandung des inneren Fluidkanals 132Wall of the
inner fluid channel 132 - 170170
- äußere Oberflächeouter surface
- 172172
-
Oberfläche der Wandung 174 des äußeren Fluidkanals 134Surface of the
wall 174 of the outerfluid channel 134 - 174174
-
Wandung des äußeren Fluidkanals 134Wall of the outer
fluid channel 134 - 176176
-
sich erweiternder Abschnitt des Führungskanals 136expanding section of the
guide channel 136 - 178178
- Oberflächesurface
- 180180
- Anfasungchamfering
- 182182
- Abrundungrounding off
- 184184
- mittlerer Fluidkanalmiddle fluid channel
- 186186
- Brennraumwandungcombustion chamber wall
- 188188
- Kühlluftkanalcooling air duct
- 190190
- Übergangcrossing
- 192192
- StufeStep
- 194194
- Innenrauminner space
- αa
- Winkelangle
- LL
-
Länge des Führungskanals 136Length of the
guide channel 136
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Also Published As
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R082 | Change of representative |
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R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |