DE1207345B

DE1207345B - Method and device for mixing several fluids in a chamber

Info

Publication number: DE1207345B
Application number: DEF31502A
Authority: DE
Inventors: Reginald Percy Fraser; George Thomas Furman; North Wembley
Original assignee: NORTH WEMBLEY
Current assignee: NORTH WEMBLEY
Priority date: 1959-06-25
Filing date: 1960-06-24
Publication date: 1965-12-23

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Vermischen mehrerer Fluide in einer Kammer Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vermischen mehrerer Fluide in einer Kammer, bei dem ein erstes Fluidum als bezüglich der Kammerachse kegelförmig divergierender Hauptstrom und wenigstens ein weiteres Fluidum in einer zum Hauptstrom entgegengesetzten Richtung unter Druck der Kammer zugeführt werden.Method and device for mixing several fluids in one Chamber The invention relates to a method for mixing several fluids in one Chamber in which a first fluid is diverging conically with respect to the chamber axis Main flow and at least one further fluid in one opposite to the main flow Direction are supplied under pressure to the chamber.

Bei bekannten Ö1- oder Gasfeuerungen sind Luftzuführungskanäle in der Weise vorgesehen, daß sie der aus ihnen austretenden Luft eine der Strahlrichtung des Brennstoffes entgegengesetzte Strömungsrichtung erteilen. Die Verbrennungsluft wird einem konischen Verbrennungsraum zugeführt, wobei sich die Zuführungsöffnungen in den konischen Wandteilen befinden, so daß durch diese Art der Luftzuführung zahlreiche Wirbelzonen entstehen. Die zahlreichen kleinen Wirbel in unmittelbarer Nähe der konischen Außenwand können zwar eine gewisse Durchmischung der zugeführten Luft und des angesprühten Brennstoffes bewirken, die Vermischung beschränkt sich jedoch im wesentlichen auf die äußersten Randzonen der Kammer. Keinesfalls tritt hierbei eine gleichmäßige Durchmischung des Brennstoffes mit der zugeführten Luft ein, so daß, um eine vollständige Verbrennung des schlecht durchgemischten Brennstoff-Luft-Gemisches im inneren Bereich des konisch strömenden Luftgemisches zu erreichen, Luft im Überschuß zugeführt werden muß. Des weiteren kann bei den vorbekannten Anordnungen nicht der ganze, kegelförmige Mischraum für die Verbrennung ausgenutzt werden, da erst in der Nähe der Austrittsöffnung dieses Raumes eine einigermaßen hinreichende Vermischung zwischen Brennstoff und zugeführter Luft eintreten kann. In known oil or gas firing systems, air supply ducts are in provided in such a way that the air emerging from them one of the jet direction of the fuel in the opposite direction of flow. The combustion air is fed to a conical combustion chamber, with the feed openings are located in the conical wall parts, so that numerous by this type of air supply Vortex zones arise. The numerous small eddies in the immediate vicinity of the conical outer wall can cause a certain mixing of the air supplied and the fuel sprayed on, but the mixing is limited essentially on the outermost edge zones of the chamber. Under no circumstances occurs here a uniform mixing of the fuel with the air supplied, see above that to ensure complete combustion of the poorly mixed fuel-air mixture To achieve in the inner area of the conically flowing air mixture, air in excess must be supplied. Furthermore, in the previously known arrangements, the entire, conical mixing chamber can be used for combustion, since only in the proximity of the outlet opening of this space is a reasonably sufficient mixing can occur between fuel and supplied air.

Es wurde ferner bereits vorgeschlagen, zur Verwirklichung einer raschen Zündung einem strömenden Brenngemisch Flammgase als sogenannte Kehrströme entgegenzuführen. Diese Kehrströme tragen aber zur Durchmischung des eigentlichen Brenngemisches nichts bei. It has also been proposed to achieve a rapid Ignition a flowing combustion mixture to counterflame gases as so-called reverse currents. However, these sweeping currents do not contribute anything to the mixing of the actual fuel mixture at.

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, zwei unter Druck zugeführte Fluide innig miteinander zu vermischen. The invention is based on the object of providing two pressurized To mix fluids intimately with one another.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein weiteres Fluidum unter Druck als nicht wirbelnder Ringstrom von dem äußeren Rand der Kammer her konvergierend an der Basis des (vom ersten Fluidum gebildeten) Hauptstromkegels in dessen Inneres derart eingeführt wird, daß sich zwischen dem Hauptstrom und dem Ringstrom ein toroidförmiger, die Fluide durchmischender Wirbel bildet, der achsparallel mit der Kammer und zwischen den sich ihm als Tangenten anlegenden, kegelförmigen Fluidumströmen liegt, und daß durch ständige Fluidumnachlieferung der Austritt der vermischten Ströme aus der Kammer bewirkt wird. The object is achieved according to the invention in that another Fluid under pressure as a non-swirling toroidal stream from the outer edge of the chamber converging towards the base of the main flow cone (formed by the first fluid) is introduced into its interior in such a way that between the main stream and the Ring flow forms a toroidal vortex that mixes the fluids and is axially parallel with the chamber and between the conical ones that lay on it as tangents Fluid flow around is, and that by constant fluid replenishment of the outlet mixed currents from the chamber is effected.

Der durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugte toroidförmige Wirbel, der die gesamte Masse der miteinander zu vermischenden Medien enthält, führt zu einer innigen Vermischung der beiden Medien und damit zu einer besseren Verbrennung derselben. The toroidal vortex generated by the method according to the invention, which contains the entire mass of the media to be mixed with one another, leads to an intimate mixing of the two media and thus better combustion the same.

Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der weiteren Erläuterung. The following description of preferred embodiments of the invention serves for further explanation in connection with the drawing.

Es zeigt Fig. 1 schematisch einen Schnitt einer Mischkammer, in der die toroidförmige Mischung innerhalb des konisch divergierenden Hauptstromes erfolgt, und Fig.2 schematisch einen Schnitt einer Mischkammer, bei der eine toroidförmige Mischung sowohl an der Innen- als auch der Außenseite des konisch divergierenden Stromes vor sich geht.It shows Fig. 1 schematically a section of a mixing chamber in which the toroidal mixing takes place within the conically diverging main flow, and FIG. 2 schematically shows a section of a mixing chamber in which a toroidal Mix on both the inside and outside of the conically diverging Current is going on.

In dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 hat eine Mischkammer eine Vorderwand 1, eine im wesentlichen rechtwinklig zur Längsachse der Kammer angeordnete Rückwand 2 und eine zylindrische Hauptwand 3. In der Mitte der Vorderwand 1 ist eine Fluidumdispergierungsvorrichtung 4, beispielsweise in Form eines Druckzerstäubers oder eines Doppelfluidzerstäubers angeordnet. Der zentrale Teil der Rückwand 2 ist als Austrittsleitung 5 ausgebildet. In the embodiment according to FIG. 1 has a mixing chamber a Front wall 1, one arranged substantially at right angles to the longitudinal axis of the chamber Rear wall 2 and a cylindrical main wall 3. In the middle of the front wall 1 is one Fluid dispersing device 4, for example in the form a pressure atomizer or a double fluid atomizer arranged. The central one Part of the rear wall 2 is designed as an outlet line 5.

In Fig. 1 ist das Innere der Vorderwand 1 konisch und entspricht annähernd der Konizität des Hauptstromes A des durch den Zerstäuber 4 dispergierten Fluidums. In der Rückwand 2 ist ein ringförmiger Durchgang 6 angeordnet. Gegebenenfalls kann auch eine entsprechende kreisförmige Gruppe von Düsen oder auf dem Umfang im Abstand angeordneten Öffnungen von beispielsweise gekrümmter, rechtwinkliger Gestalt so vorgesehen sein, daß ein konvergierender, keinen Wirbel bildender Fluidumstrom B symmetrisch der Kammer in Gegenrichtung zugeführt wird, wobei dieser Strom B einer Fluidumdruckquelle X entnommen wird. Die beiden Ströme A, B haben, wie dargestellt, im wesentlichen die gleiche Konizität, und die Weite des zwischen ihnen vorhandenen Raumes ist ungefähr gleich dem Radius der Kammer, so daß der durch das Mischen der Fluiden entstehende Ringwirbel C beinahe die ganze Querschnittsfläche der Kammer einnimmt. In Fig. 1, the interior of the front wall 1 is conical and corresponds approximately the conicity of the main flow A of the dispersed by the atomizer 4 Fluid. An annular passage 6 is arranged in the rear wall 2. Possibly can also have a corresponding circular group of nozzles or on the perimeter in the Spaced openings of, for example, a curved, rectangular shape be provided so that a converging, no vortex forming fluid flow B is fed symmetrically to the chamber in the opposite direction, this stream B one Fluid pressure source X is removed. The two streams A, B have, as shown, essentially the same taper, and the width of that existing between them Space is roughly equal to the radius of the chamber, so that by mixing the The ring vortices C produced by fluids cover almost the entire cross-sectional area of the chamber occupies.

Durch die Pfeile ist annähernd die dynamische Strömung angedeutet. An jedem Querschnitt können die Fluiden innerhalb des Wirbels mehrmals zirkulieren, und wenn der verwendete Zerstäuber dem dispergiert aus ihm ausfließenden Strom A eine drehende Bewegung erteilt, so zirkuliert der Ringwirbel C als Ganzes wie ein sich drehendes Rad.The arrows approximately indicate the dynamic flow. At each cross-section, the fluids can circulate several times within the vortex, and if the atomizer used corresponds to the dispersed stream A flowing out of it If a rotating movement is given, the ring vortex C circulates as a whole like a spinning wheel.

Es sei darauf hingewiesen, daß Fig. 1 eine Anordnung zeigt, bei der der Ringwirbel C durch einen entgegen dem divergierenden Hauptstrom A fließenden Fluidumstrom B gebildet und aufrechterhalten wird, wobei dieser Strom B konvergiert und koaxial zu dem divergierenden Hauptstrom A angeordnet ist. It should be noted that Fig. 1 shows an arrangement in which the ring vortex C by a flowing counter to the diverging main stream A. Fluid circulating flow B is formed and maintained, this flow B converging and is arranged coaxially to the diverging main flow A.

Wenn die beiden konischen Ströme A, B den gleichen Konuswinkel haben, so hat der Raum zwischen ihnen die Form eines kegelförmigen Ringes von gleichförmiger Dicke oder Weite. Wenn die Konizitäten sich unterscheiden, so ändert sich die Stärke des Ringraumes zwischen den Strömen ständig-entlang dem Ring. If the two conical streams A, B have the same cone angle, so the space between them has the shape of a conical ring of uniform Thickness or width. If the conicities differ, the strength changes of the annulus between the streams constantly-along the ring.

Die Breite des Ringraumes zwischen den Strömen A, B bestimmt die Größe des aus Fluiden, beispielsweise einer Gasmischung aus diesen Fluiden, gebildeten Ringwirbels C, und diese Breite ist zum Teil durch die Form der Kammer festgelegt, in der die Mischung stattfindet. Wie dargestellt, nimmt der Ringwirbel C vorzugsweise einen wesentlichen Teil in bezug auf Länge und Breite der Kammer ein, wobei der minimale Durchmesser des Wirbels C ziemlich klein und der äußere Durchmesser im wesentlichen gleich dem Durchmesser oder der Weite der Kammer ist. The width of the annulus between the streams A, B determines the Size of the fluids, for example a gas mixture of these fluids, formed Annular vortex C, and this width is determined in part by the shape of the chamber, in which the mixing takes place. As shown, the ring vortex C takes preferably a substantial part in terms of length and width of the chamber, the the minimum diameter of the vertebra C is quite small and the outer diameter im is substantially equal to the diameter or the width of the chamber.

Vom geometrischen Standpunkt aus ergeben sich praktische Grenzen für die Größe und Form der Kammer und auch für die Konizitäten und den Abstand zwischen den Fluidumströmen A, B. Wenn, wie bereits erwähnt, ein wesentlicher Anteil der Weite der Kammer von dem Ringwirbel C eingenommen wird, ergibt sich eine praktische Grenze für die Steilheit der Konizitäten der beiden Ströme A, B, weil die Umschließungskammer dann sehr stark verlängert werden müßte, wenn die Spitzen der steilen Konusse weit voneinander entfernt sind. Andererseits gestatten konische Ströme mit einem weiten Konuswinkel Ringbildungen von entweder kleinen oder großen Dimensionen und von entsprechenden Kammern. From a geometrical point of view, there are practical limits for the size and shape of the chamber and also for the conicities and the distance between the fluid flows around A, B. If, as already mentioned, a substantial proportion of the The width of the chamber occupied by the ring vortex C results in a practical one Limit for the steepness of the conicities of the two streams A, B, because the containment chamber would then have to be lengthened very much if the tips of the steep cones are wide are distant from each other. On the other hand, conical streams allow a wide one Conical angle ring formations of either small or large dimensions and of appropriate Chambers.

In der Praxis reicht der Bereich der Konuswinkel der beiden Ströme A, B von ungefähr 450 bis ungefähr 1200, und das Verhältnis der Länge zur Weite (oder des Durchmessers) der Kammer kann zwischen ungefähr 0,5 und ungefähr 2,0 liegen. Die Erfindung ist im besonderen für Verbrennungskammern geeigneu, die in ihren Abmessungen gedrungen sind und eine große Wärmeabgabe, beispielsweise von mehr als 8,9 Mill. kcal/m3 pro Stunde (one million B.T. U.'s per cu. ft. per hour) haben. In practice, the range of the cone angles of the two streams is sufficient A, B from about 450 to about 1200, and the ratio of length to width (or the diameter) of the chamber can be between about 0.5 and about 2.0. The invention is particularly suitable for combustion chambers which, in their dimensions are squat and a large heat emission, for example of more than 8.9 million. kcal / m3 per hour (one million B.T. U.'s per cu. ft. per hour).

Wie bereits erwähnt, hat die Rückwand 2 der Kammer eine zentrale Ausgangsleitung 5, deren Durchmesser sich mit dem Durchmesser der Kammer ändert. Wenn es erwünscht ist, daß Kammern mit einem ständig zunehmenden Durchmesser eine ungefähr gleichförmige Ausgangsgeschwindigkeit aufweisen, so nimmt der Durchmesser der Austrittsleitung 5 mit dem Durchmesser der Kammer zu, jedoch nicht in einem einfachen Verhältnis, sondern in einem ständig zunehmenden Umfang. Schließlich kann der Durchmesser der Austrittsleitung gleich dem Durchmesser der Kammer werden. Wenn der Durchmesser der Austrittsleitung nicht im richtigen Verhältnis zunimmt, so ändert sich die Konizität des Gegenstromes B in der Kammer. As already mentioned, the rear wall 2 of the chamber has a central one Output line 5, the diameter of which changes with the diameter of the chamber. If it is desired that chambers with an ever increasing diameter one have approximately uniform output speed, the diameter increases the outlet line 5 with the diameter of the chamber, but not in one simple relationship, but to an ever increasing extent. Finally can the diameter of the outlet conduit will be equal to the diameter of the chamber. if the diameter of the outlet pipe does not increase in proportion, so changes the conicity of the countercurrent B in the chamber.

Zusätzlich zu den zwei Strömen A, B oder A, B1, die in die Kammer, wie oben erwähnt, eintreten, können noch ein oder mehrere zusätzliche Ströme der Kammer in Richtungen zugeführt werden, die im wesentlichen tangential zu dem Ringwirbel C oder in gleicher Strömungsrichtung wie dieser sind. Hierbei können der eine oder die mehreren zusätzlichen Ströme dicht entlang den Kammerwänden fließen, um so eine sogenannte Filmkühlung hervorzurufen. In addition to the two streams A, B or A, B1 flowing into the chamber, As mentioned above, one or more additional streams of the Chamber are fed in directions that are substantially tangential to the annular vortex C or in the same direction of flow as this. Here one or the several additional streams flowing tightly along the chamber walls, so one to cause so-called film cooling.

Ein derartiger zusätzlicher Strom kann beispielsweise radial nach innen dicht an der inneren Fläche der Hauptwand der Kammer fließen. Eine Mischkammer dieser Art ist in F i g. 2 dargestellt. Hier ist der aus den sich mischenden Fluiden bestehende Hauptringwirbel der gleiche wie in F i g. 1, d. h., es erfolgt ein Mischen des divergierenden Hauptstromes A und eines primären, ringförmigen, von einer Quelle X zuströmenden Stromes B von konisch konvergierender Gestalt, doch ist hier die Stirnwand 1 der Kammer so geformt, daß sich ein sekundärer Ringwirbel C 1 bilden kann. Dieser sekundäre Ringwirbel C1 wird an der Außenseite des divergierenden Hauptstromes A dadurch gebildet, daß ein von einer Fluidumdruckquelle Z zufließender Fluidumstrom D radial nach innen in der Nähe der Innenfläche der Stirnwand 1 durch einen Ringschlitz 7 (oder entsprechende Einlaßmittel) zugeführt wird, wobei sich im wesentlichen der durch die Pfeile dargestellte dynamische Fluß des Fluidums ergibt. In Fig. 2 ist ferner ein dritter, von einer Fluidumdruckquelle Y zugeführter Fluidumstrom B 2 dargestellt, der in die Kammer in zylindrischer Form und in Vorwärtsrichtung durch einen Ringschlitz 8 (oder gleichwertige Einlaßmittel) eintritt. Dieser ebenfalls keine Wirbel bildende Strom B 2 dient als Kühlfilm für die Hauptwand3 der Kammer, wenn diese als Verbrennungskammer verwendet wird.Such an additional flow can for example radially flow inside close to the inner surface of the main wall of the chamber. A mixing chamber of this type is shown in FIG. 2 shown. Here is the one from the mixing fluids existing main ring vertebrae the same as in FIG. 1, d. i.e., mixing occurs of the diverging main flow A and a primary, annular, from a source X flowing stream B of a conically converging shape, but here it is End wall 1 of the chamber shaped so that a secondary ring vortex C 1 is formed can. This secondary ring vortex C1 becomes on the outside of the diverging main stream A formed in that a fluid circulation flow flowing in from a fluid pressure source Z. D radially inward near the inner surface of the end wall 1 through an annular slot 7 (or corresponding inlet means) is supplied, essentially the dynamic flow of the fluid shown by the arrows results. In Fig. 2 is furthermore a third fluid circulation flow B 2 supplied from a fluid pressure source Y shown going through into the chamber in a cylindrical shape and in a forward direction an annular slot 8 (or equivalent inlet means) enters. This one too no vortex-forming stream B 2 serves as a cooling film for the main wall 3 of the chamber, when used as a combustion chamber.

Claims

Claims: 1. A method for mixing several fluids in one Chamber in which a first fluid as with respect to the chamber axis conically diverging main flow and at least one further fluid in one are fed into the chamber under pressure in the opposite direction to the main flow, characterized in that the further fluid is under pressure as non-swirling Annular flow from the outer edge of the chamber converging at the base of the main flow cone is introduced into its interior in such a way that between the main stream and the Ring flow of the further fluid is a toroidal vortex that mixes the fluids forms, which is axially parallel with the chamber and between it as tangents applying, conical fluid flows around, and that by constant fluid replenishment causing the mixed streams to exit the chamber.

2. The method according to claim 1, characterized in that a further, essentially cylindrical, annular fluid flow and supplied with the main flow is united.

3. The method according to claim 2, characterized in that the further Fluid flow combined with the edge of the main flow flowing in the same direction will.

4. The method according to claim 2 or 3, characterized in that the chamber concentric to the entry point of the main stream another, im substantially radially inwardly directed fluid flow is supplied, which is a toroidal Forms auxiliary eddies around the main stream.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that that one of the streams is a dispersed fuel and the other is a gaseous one Combustion carrier is such that the ring vortex consists of a well-mixed, combustible Mixture consists, which is at least partially burned in the chamber.

6. Device for performing the method according to one of the claims 1 to 5, with a chamber that has a front end wall on which one of the feeders a diverging main flow serving pressure fluid is arranged is, and a rear wall with a central, coaxial to the opening of the end wall Has outlet opening, characterized in that the rear wall (2) with a the inlet and supply device (6) comprising the outlet opening (5) for supplying a converging, conical circumferential fluid flow (B), which is the conical main flow (A) is directed in the opposite direction, is provided.

7. Device according to claim 6, characterized in that one further inlet and supply device (8) for supplying one of the main flow (A) rectified, essentially cylindrical fluid flow (B 2) is provided is.

8. Device according to claim 6 or 7, characterized by a further inlet and supply device (7) for supplying a fluid flow (D) in a substantially radially inward direction of the chamber near the end wall (1).

9. Device according to claims 6 to 8, characterized in that that the pressure fluid supply device (4) arranged in the front wall (1) is such is that the ring vortex (C) is given a vortex motion as a whole.

10. Device according to one of claims 6 to 9, characterized in that that the annular inlet and supply device (6) has a plurality of cylindrical Has nozzles.

11. Device according to one of claims 6 to 9, characterized in that that the annular inlet and supply device (6) has a plurality of curved, has right-angled openings.

Considered publications: German Patent Specifications No. 376 570, 398 795, 958 418; U.S. Patent No. 2745 250.