DE1149335B - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Gasstromes am Einlass zu Einrichtungen fuer schwingende Reaktionssysteme - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Gasstromes am Einlass zu Einrichtungen fuer schwingende Reaktionssysteme

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Description

  • Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Gasstromes am Einlaß zu Einrichtungen für schwingende Reaktionssysteme Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Gasstromes am Einlaß zu Einrichtungen für schwingende Reaktionssysteme, insbesondere für schwingende Verbrennung und/oder Vergasung, bei welchen ein Teil der Reaktionsgase während der Ausstoßperiode durch den Eimaß des Reaktionsraumes zurückströmt.
  • Es ist bekannt, Verbrennung und Vergasung von Brennstoffen sowie andere chemische Reaktionen in schwingenden sowie in selbstschwingenden Reaktionssystemen, z. B. im Schmidtrohr, durchzuführen. Beispielsweise erfolgt die Verbrennung im Schmidtrohr in der Weise, daß in einen vorzugsweise rohrförmigen, einseitig offenen Reaktionsraum in regelmäßigen Abständen Brennstoff und Luft durch Einlaßventile angesaugt, gezündet und die Verbrennungsgase am offenen Ende ausgestoßen werden. Die Ansaugung, Zündung und das Ausstoßen erfolgen dabei selbsttätig durch die in .dem Rohr sich ausbildende Gassäule. Nach dem gleichen Verfahrensprinzip können durch Anwendung eines Brennstoffüberschusses brennbare Gase erzeugt werden, d. h. eine Vergasung durchgeführt werden. Die Durchführung chemischer Reaktionen, z. B. das Brennen von Kalkstein und Zement oder Verhütten erzhaltiger Gesteine kann nach einem älteren, nicht zum Stande der Technik gehörenden Vorschlag ebenfalls vorteilhaft in selbstschwingenden Reaktionssystemen durchgeführt werden.
  • Die bekannten Vorrichtungen für schwingende, insbesondere selbstschwingende Reaktionssysteme sind auf der Einlaßseite durch Ventile abgeschlossen. Bestehen diese Einlaßventile aus Ventilen mit bewegten Teilen, welche die Ausströmung während einer Verbrennungsperiode verhindern sollen, so werden sie schnell zerstört, da sie zur Erfüllung ihrer Aufgabe fast trägheitslos den Gasströmungen folgen müssen und demgemäß nur geringe Massen haben dürfen, welche leicht abgenützt werden. Man hat daher auch aerodynamische Ventile (Rückstromdrosseln) verwendet, welche gekennzeichnet sind durch eine Vielzahl besonders geformter Körper innerhalb des Lufteinlasses, welche an der dem Reaktionsraum zugewandten Seite eine Form hohen Strömungswiderstandes und an der der Lufzuführungsrichtung zugewandten Seite eine Form geringen Strömungswiderstandes besitzen.
  • Diese Vorrichtungen haben den Nachteil, daß die durch sie in den Reaktionsraum einströmende Verbrennungsluft periodisch der Atmosphäre entnommen wird und daß immer ein mehr oder weniger großer Anteil der im Reaktionsraum gebildeten Gase im Zeitpunkt der detonativen Verbrennung bzw. Umsetzung durch das aerodynamische Ventil in die Atmosphäre geblasen wird. Damit geht aber ein großer Teil der kinetischen Energie der Gasschwingung des Reaktionsraumes verloren. Es war wohl möglich, bei der Verwendung zu Strahlantrieben durch Abknickung um 180° des Einlaßrohres oder des Reaktionsrohres selbst, den aus dem aerodynamischen Ventil austretenden Gasstrahl auch noch zum Strahlantrieb heranzuziehen.
  • Solche Anordnungen eignen sich aber nicht zur Anwendung bei Verbrennungs-, Vergasungs- oder chemischen Reaktionssystemen, bei denen die Zufuhr von Brennstoff und Luft oder allgemein der festen, flüssigen und gasförmigen Reaktionsteilnehmer genau dosiert sein muß, da beim Anschluß von Rohrleitungen oder Drosselorganen an die Eintrittsöffnungen solcher aerodynamischer Anordnungen die Schwingung der Gassäule in den meisten Fällen aufhört oder die Reaktionsteilnehmer unter Überdruck zugeführt werden müssen.
  • Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Steuerung eines Gasstromes am Einlaß zu Einrichtungen für schwingende Reaktionssysteme, bei welchen ein Teil der Reaktionsgase während der Ausstoßperiode durch den Einlaß des Reaktionsraumes zurückströmt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die durch den Eimaß entweichenden Gase mit Frischgas vermischt und bis zur erneuten Ansaugung einer Füllung des Reaktionsraumes gespeichert und während der Ansaugung dem Reaktionsraum wieder zugeführt werden, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Diese Vorrichtung besteht aus einem aerodynamischen Ventil (auch Resonanzventil genannt) mit Düsen, deren Strömungswiderstand in der Rückströmrichtung aus dem Reaktionsraum. wesentlich höher ist als in der Einströmrichtung. Die Düsen münden, vom Reaktionsraum aus betrachtet, in einen Ansaugraum, in den die Frischgase von außen einströmen und der in der Nähe der Düsen in einen Resonanzraum übergeht, dessen akustische Länge der Zeit zwischen Beginn der Ausstoßperiode und erneuter Ansaugung entspricht. Die Übergangsstelle zwischen Ansaug- und Resonanzraum ist nach Art eines Strahlrohres so ausgebildet, daß bei Durchströmung in beiden Richtungen ein Ansaugen von Frischgas stattfindet.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird in der Weise durchgeführt, daß der während der Detonations-bzw. Auspuffperiode mit hoher Geschwindigkeit aus dem Reaktionsraum in den Resonanzraum strömende Gasanteil die in den Ansaugraum eingeführten frischen Reaktionsteilnehmer mit sich in den Resonanzraum reißt, in dem das Gemisch aus gasförmigen Reaktionsprodukten und frischen, insbesondere gasförmigen Reaktionsteilnehmern durch Führung entlang eines Strömungsweges in dem Resonanzraum unter Erhaltung der Strömungsenergie bzw. -geschwindigkeit gespeichert wird. Der Resonanzraum bietet das gespeicherte Gasgemisch in der Ansaugperiode des Reaktionsraumes der Ansaugöffnung wieder zeitgerecht an, da die akustische Länge des Resonanzraumes der Zeit zwischen Beginn der Ausstoßperiode und erneuter Ansaugung entspricht, d. h. die Fortpflanzungszeit des Gasgemisches entlang dem Strömungsweg im Resonanzraum entspricht der Zeit zwischen Ausstoß bzw. Detonation und Ans.augung. Bei Eigenschwingung im Reaktionsraum wird dies dadurch erreicht, daß die akustische. Länge des Strömungsweges gleich der halben Wellenlänge der Schwingung im. Reaktionsraum ist. Damit erscheint in der Zeit einer halben Schwingungsdauer nach der Ausstoßperiode des Reaktionsraumes im Resonanzraum ein Strömungsmaximum bzw. Druckmaximum mit Richtung der Strömung gegen die Eintrittsöffnung bzw. Ansaugöffnung des Reaktionsraumes für die Reaktionsteilnehmer, welches das Gemisch von Gasanteil und frischem Reaktionsteilnehmer gerade zur Zeit der Ansaugperiode vor die Eintrittsöffnung führt.
  • Die akustische Länge des Resonanzraumes wird zweckmäßig veränderlich gemacht, z. B. durch Hosenrohre wie bei der Posaune, um Änderungen der Zeit zwischen Ausstoß bzw. Detonation und Ansaugung, bzw. Änderungen der Schwingungszahl des Reaktionsraumes oder Änderungen der Eigenschaften (z. B. Dichte, Temperatur) der Reaktionsteilnehmer während des Betriebes angepaßt werden zu können.
  • Die Wirkung des erfindungsgemäßen Ventils bzw. Resonanzraumes ist weiter dadurch gekennzeichnet, daß bei richtiger Bemessung seines Volumens und seiner Strömungsquerschnitte an der Ansaugöffnung stetige Strömung herrscht, während der Reaktionsraum selbst die Reaktionsteilnehmer periodisch und sogar mit vergrößerter Füllung aufnimmt.
  • Man kann bei Eigenschwingung im Reaktionsraum die einzusaugenden Reaktionsteilnehmer, z. B. Luft, sogar Arbeit leisten lassen bei gleichem Durchsatz, wie er ohne Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sich einstellt, wenn man gleiches Verhältnis der aufgegebenen Reaktionsteilnehmer voraussetzt. Läßt man durch die Saugkraft des aerodynamischen Ventils keine Arbeit leisten, so erhöht sich der Durchsatz des Reaktionsraumes beträchtlich.
  • Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung werden an Hand der in den Abb. 1 bis 3 beispielsweise dargestellten Vorrichtungen näher erläutert, die Schnittzeichnungen verschiedener Ausführungsformen wiedergegeben. In den Abbildungen sind gleiche Vorrichtungsteile mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
  • Der im Reaktionsraum 1 umzusetzende Gasstrom tritt bei 2 in den Ansaugraum 3 ein, der zweckmäßig als Ringraum ausgebildet ist. Während der Ausstoßperiode strömt ein Teil des umgesetzten Gemisches aus dem Reaktionsraum 1 durch das zweckmäßigerweise schwach konisch verengte Düsenrohr 4, das an dem vom Reaktionsraum abgewandten Ende 5 vorteilhaft abgerundet ist, in den Resonanzraum 6. Dabei wird in den Ansaugraum 3 eingetretenes bzw. einströmendes, umzusetzendes Gas in den Resonanzraum 6 mitgerissen. Zwischen Ansaugraum 3 und Resonanzraum 6 ist eine blendenartige Verengung 7 vorhanden, die mit dem unteren Ende 5 des Düsenrohres 4 einen Ringspalt 8 begrenzt, dessen Durchtri.ttsquerschnitt mehr als doppelt so groß ist wie der Querschnitt der Düse 4 an dem dem Resonanzraum zugewandten Ende. Durch den Ringspalt 8 wird das Frischgas während der Ausstoßperiode des Reaktionsraumes 1 mit dem zurückströmenden Gas in den Resonanzraum 6 mitgerissen bzw. eingesaugt und während der Ansaugperiode des Reaktionsraumes durch das Düsenrohr 4 in den Reaktionsraum 1 eingeführt, d. h., das bzw. die umzusetzende(n) Gas(e) strömen kontinuierlich in den Ansaugraum 3 ein. Die konstruktive Ausbildung von Ansaugraum 3, Düsenrohr 4 und Resonanzraum 6 kann in verschiedener Weise erfolgen.
  • Abb. 1 zeigt eine Ausführungsform, die insbesondere für Reaktionsräume 1 mit relativ kleinem Querschnitt besonders einfach ausführbar ist, Abb. 3 zeigt eine andere, für Reaktionsräume 1 besonders großen Querschnitts vorteilhafte Ausführungsform, bei der das Rohr 4 in mehrere, z. B. ringförmig umeinander angeordnete Düsen 4 a aufgeteilt ist, die sich vor dem Ringspalt 8 wieder vereinigen. Dabei ist die Summe der Einzelquerschnitte der Düsen etwas größer als der Querschnitt für die wiedervereinigte Gasströmung. Im Resonanzraum 6 wird das Gasgemisch durch eine ring- oder schleifenförmige Ausbildung des Resonanzraumes selbst (Abb. 1) bzw. Einbauten 9 (Abb. 2 und 3) vorzugsweise so geführt, daß die Richtung des von der Blende 7 in den Resonanzraum strömenden Gasgemisches um 180° umgelenkt und wieder zur Blende 7 zurückgeführt wird, durch die es während der Ansaugperiode des Reaktionsraumes zurückströmt und durch die Düse 4, zusammen mit weiterem, aus Ansaugraum 3 eingesaugtem Frischgas in den Reaktionsraum 1 eintritt. Die Größe des Resonanzraumes 1 bzw. die Länge des Strömungsweges in demselben wird so bemessen, daß seine akustische Länge die Hälfte der Wellenlänge der Schwingung im Reaktionsraum beträgt. Es tritt dadurch eine halbe Schwingungsdauer nach der Ausstoßperiode des Reaktionsraumes 1 an der Blende 7 ein Strömungsmaximum mit gegenüber dem Eintritt in den Resonanzraum umgekehrter Strömungsrichtung auf, welches das Gasgemisch aus dem Resonanzraum .6 durch die Blende 7 gerade zur Zeit der Ansaugperiode des Reaktionsraumes 1 der Öffnung des Düsenrohres 4 zuführt. Die Strömungswege im Resonanzraum 6 haben etwa den 4fachen Querschnitt des unteren Endes von Düsenrohr 4. Am Eintritt ist der Resonanzraum zweckmäßigerweise konisch verengt und hat etwa den 3fachen Querschnitt des dem Resonanzraum zugewandten Endes von Düse 4. Es ist vorteilhaft, am Reaktionsraum 1 vor der Öffnung der Düse 4 einen Prallkörper 10 anzuordnen, derart, daß ein Ringspalt 11 verbleibt, dessen Durchtrittsquerschnitt größer oder gleich dem Austrittsquerschnitt der Düse 4 an der Mündung in den Reaktionsraum 1 ist.
  • Dieser an sich bekannte Prallkörper hat an der dem Reaktionsraum 1 zugewandten Seite eine Form hohen Strömungswiderstandes und an der der Düse 4 zugewandten Seite eine Form geringen Strömungswiderstandes. Seine Verwendung ist jedoch nicht von ausschlaggebender Bedeutung für die Wirkung des Resonanzventils, sein Zweck ist viehmehr, die Strahlung des Reaktionsraumes in die Eintrittsöffnung der Düse 4 zu vermindern und das Gasvolumen, welches vom Reaktionsraum 1 in den Resonanzraum 6 strömt, zu beschränken. Der Prallkörper 10 kann weggelassen werden, wenn der Resonanzraum 6 bzw. dessen Strömungsquerschnitte entsprechend größer bemessen werden bzw. wenn durch eine Verengung der Düsenmündung in den Reaktionsraum 1 eine geringfügig verminderte Ansaugung in Kauf genommen wird.
  • Es wurde ferner gefunden, daß die bekannten aerodynamischen Ventile (Rückstromdrosseln) nur dann anwendbar sind, wenn ein bestimmtes Verhältnis zwischen der akustischen Rohrlänge des Reaktionsraumes und dem Durchmesser der Eintrittsöffnung der Reaktionsteilnehmer eingehalten wird. Dieses kritische Verhältnis darf im allgemeinen 12: 1 nicht unterschreiten, weil sonst die Selbstschwingung aufhört. Durch Anwendung des erfindungsgemäßen aerodynamischen oder Resonanzventils läßt sich dieses kritische Verhältnis auf einen Wert unter 10:1 herabsetzen.
  • Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn die Reaktionsrohre für großtechnische Betriebseinheiten dimensioniert werden müssen. Da durch die gegebene Leistung und das oben definierte kritische Verhältnis Apparatlänge und Schwingungszahl bestimmt werden, gelangt man bei großtechnischen Einheiten zu großen Reaktionsrohrlängen und damit sehr niedrigen Schwingungszahlen, welche für die durchzuführende Reaktion oft ungünstig sind.
  • Die Verminderung des kritischen Verhältnisses erlaubt nun eine Verkürzung des Reaktionsrohres und Erhöhung der Schwingungszahl.
  • Weiter wurde gefunden, daß eine Steigerung der Durchsatzleistung des Reaktionsraumes sowie eine Steigerung der Regulierfähigkeit der Leistung dadurch erzielt werden, daß man die Reaktionsteilnehmer getrennt in den Reaktionsraum einführt und jeder Einführung ein gesondertes erfindungsgemäßes Resonanzventil zuordnet, dessen akustische Länge unter Berücksichtigung der Eigenschaften des zu fördernden Reaktionsteilnehmers (z. B. Dichte, Temperatur) auf die halbe Wellenlänge der Schwingung des Reaktionsraumes bemessen ist. Hierdurch wird erreicht, daß die Reaktionsteilnehmer im richtigen, gleichen Zeitpunkt einströmen, so daß sie im gewünschten Verhältnis auch im gleichen Zeitpunkt zusammentreffend miteinander reagieren können. Bei Verwendung einfacher Rückstromdrosseln entziehen sich durch Zeitverschiebung in der Einströmung der Reaktionspartner kleinere oder größere Anteile der Reaktion, da sie den reaktionsfähigen Partner nicht, oder nicht mehr, in der richtigen Konzentration vorfinden.
  • Eine solche Anordnung zeigt Abb. 2, bei der beispielsweise Luft bei 2 zugeführt wird, während ein Brennstoff (z. B. ein brennbares Gas oder in einem Traggas suspendierter Kohlenstaub), der verbrannt oder vergast werden soll, bei 12 in das zweite aerodynamische Ventil 13 aufgegeben wird, dessen Konstruktion und Wirkungsweise der vorher beschriebenen, im wesentlichen aus Ansaugraum, Resonanzraum und Zuführungsrohr zum Reaktionsraum bestehenden erfindungsgemäßen Vorrichtung gleicht.

Claims (3)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur Steuerung eines Gasstromes am Einlaß zu Einrichtungen für schwingende Reaktionssysteme, insbesondere für schwingende Verbrennung und/oder Vergasung, bei welchen ein Teil der Reaktionsgase während der Ausstoßperiode durch den Einlaß des Reaktionsraumes zurückströmt, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Einlaß entweichenden Gase mit Frischgasen vermischt und bis zur erneuten Ansaugung einer Füllung des Reaktionsraumes gespeichert und während der Ansaugung dem Reaktionsraum wieder zugeführt werden.
  2. 2. Aerodynamisches Ventil zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit Düsen von in Rückströmrichtung erhöhtem Strömungswiderstand, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (4) in einen Frischgas enthaltenden Ansaugraum (3) münden, welcher in der Nähe der Düsen in einen Resonanzraum (6) übergeht, und die Übergangsstelle zwischen Ansaugraum (3) und Resonanzraum (6) nach Art eines Strahlrohres so ausgebildet ist, daß bei Durchströmung in beiden Richtungen ein Ansaugen von Frischgas stattfindet und daß die akustische Länge des Resonanzraumes der Zeit zwischen Beginn der Ausstoßperiode und erneuter Ansaugung entspricht.
  3. 3. Aerodynamisches Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Resonanzraumes verstellbar ist, entsprechend den wechselnden Eigenschaften der Reaktionsgase und/oder der veränderten Zeit zwischen Beginn der Ausstoßperiode und erneuter Ansaugung. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 944 260; französische Patentschrift Nr. 1006 030; Stahl und Eisen, 1943, S. 240/241; Chaleur et Industrie, Dezember 1949, S. 307; Das Gas- und Wasserfach, 93/1952, S. 539 bis 541; VDI-Zeitschrift, 94 (1952), S. 1007/1008.
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