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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Mischen und Durchführen
von Verbrennungsreaktionen, insbesondere bei stöchiometrischem Mischungsverhältnis
von gasförmigen, flüssigen oder strömungsfähigen festen Stoffen mit- bzw. untereinander,
bestehend aus einer, sich von einer dem einströmenden ersten Medium einen Drall
aufzwingenden Strömungsleiteinrichtung, stromab zu einer zentrischen Austrittsöffnung
divergierend sich erstreckenden Misch- bzw. Reaktionskammer mit Einrichtungen zum
Einführen von mindestens einem zweiten Medium.
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Es ist eine Brennkammer zur kontinuierlichen Verbrennung von Brennstoff
in einem rasch fließenden Luftstrom bekanntgeworden, die aus einem Verbrennungsrohr
besteht, an dessen Eintrittsquerschnitt ein axiales Schaufelgitter angeordnet ist,
in dessen Nabenmitte sich die Öffnung eines Brenners befindet.
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An dem divergierenden Austrittsende des Verbrennungsrohres schließt
ein konvergierender Rohrabschnitt mit Einrichtungen für eine Nachverbrennung an.
Der in das Verbrennungsrohr einströmenden Verbrennungsluft wird durch das axiale
Schaufelgitter eine Schraubendrallbewegung aufgezwungen, die eine dem Brenner entgegenfließende,
zentrale Rückströmung bewirken soll. Diese Rückströmung soll durch einen einen Unterdruck
erzeugenden Strömungsabriß unmittelbar hinter dem axialen Schaufelgitter erzeugt
werden, der nicht größer als der Staudruck am Eintrittsquerschnitt des Verbrennungsrohres
sein kann.
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Dabei wirkt der konvergierende Rohrabschnitt infolge der dadurch bedingten
Beschleunigung der Brenngasströmung einer Rückströmung entgegen.
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In der bekannten Brennkammer wird damit eine Totwasserturbulenzströmung
erzeugt, die zu einer gewissen Mischung von Luft und Brennstoff führt.
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Hierdurch kann zwar eine relativ große Menge von Brennstoff in einem
Raum von verhältnismäßig kleinem Volumen ununterbrochen verbrannt werden.
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Eine möglichst vollständige Verbrennung kann jedoch erst erreicht
werden, wenn der mit Primärluft betriebenen Vorverbrennungsstufe eine mit Sekundärluft
betriebene Nachverbrennungsstufe nachgeschaltet wird. Das hat seinen Grund darin,
daß mit der bekannten Totwasserturbulenzströmung zu geringe Mischleistunen zwischen
zwei oder mehreren strömungsfähigen Stoffen erzielbar sind, weil unnötig hohe Strömungsverluste
in Kauf genommen werden müssen und demzufolge der Frequenzbereich der die Durchmischung
bewirkenden Wirbelbewegungen und damit die Durchmischungswirkung selbst relativ
beschränkt sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten
Art derart auszubilden, daß sich eine turbulente Strömung erzielen läßt, in dergrößtmögliche
Mischleistungen zwischen zwei oder mehreren strömungsfähigen Stoffen erzielbar sind
und die sich dabei abspielenden Vorgänge sich weitgehend optimal einstellen lassen,
wobei die unumgänglichen Strömungsverluste möglichst klein gehalten werden sollen.
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Zur Lösung der Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die
Strömungsleiteinrichtung als im Zentrum einen großen Unterdruck bewirkende, dort
eine Strömungsverdrängungsvorrichtung beinhaltende Einlaufspirale ausgebildet ist.
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Auf diese Weise läßt sich in der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine
nachfolgend näher beschriebene Turbulenzströmung erzielen.
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Der mit Drall in die Misch- und Reaktionskammer der erfindungsgemäßen
Vorrichtung eintretende Stoff strömt von der Eintrittsöffnung entlang der Wandfläche
zur Austrittsöffnung der Kammer, kehrt dort teilweise nach innen um und strömt infolge
des großen Unterdrucks im Zentrum der Einlaufspirale über eine hinreichend lange
Wegstrecke im Bereich der Kammerlängsachse bis mindestens zur Eintrittsöffnung zurück,
so daß zwei im wesentlichen paralleIe Strömungen von ungefähr gleich großer, aber
entgegengesetzt gerichteter Geschwindigkeit die betreffende Wegstrecke aneinander
entlanglaufen, in deren Berührungszone sich eine die Kammerachse röhrenförmig umgebende
Zone intensiver Turbulenz ausbildet. Durch die Strömungsverdrängungsvorrichtung
läßt sich die für die Ausbildung einer stabilen Rückströmung erforderliche Größe
des Unterdruckes im Zentrum der Einlaufspirale einstellen.
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Es zeigte sich, daß die Turbulenz in der Berührungszone der parallelen,
gegenläufigen Strömungen, wie sie in der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielbar
sind, schon bei wesentlich kleineren Reynoldschen Zahlen einsetzt als bei den bekannten
Totwasserturbulenzströmungen. Das bringt den Vorteil mit sich, daß in der erfindungsgemäßen
Vorrichtung turbulente Durchmischungen schon bei wesentlich kleineren Strömungsgeschwindigkeiten
und damit entsprechend kleineren Strömungsverlusten erreichbar sind. Außerdem lassen
sich mit Vorteil wesentlich zähflüssigere Medien überhaupt erst zur Turbulenz bringen.
Weiter zeigte es sich, daß der Frequenzbereich der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung
vorhandenen Wirbelbewegungen auch bei den höchsten Reynoldschen Zahlen in voller
Größe vorhanden ist, während er sich bei der Totwasserturbulenzströmung mit steigender
Reynoldscher Zahl immer weiter einengt und im Grenzfall gegen Null geht.
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Hierdurch kann in der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch bei höchsten
Geschwindigkeiten eine vollständige turbulente Durchmischung erreicht werden, was
in den bekannten Vorrichtungen mit einer Totwasserturbulenzströmung nicht der Fall
ist.
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Es ist weiter eine rohrförmige Brennkammer bekanntgeworden, bei der
der Eintritt der tangential eingeführten Verbrennungsluft sich am gleichen Ende
der Brennkammer befindet wie der Austritt. Bei der Vorrichtung nach der Erfindung
strömt jedoch der mit Drall eintretende Stoff vom Eintritt an entlang der Wandfläche
zum entgegengesetzten Austritt.
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Durch die bekannte Brennkammer soll erreicht werden, daß sich der
Drall der Verbrennungsluft zunächst entgegen der Hauptströmungsrichtung der Verbrennungsgase
zur Kühlung an der Wandung der Brennkammer entlangbewegt. Im Verlauf seines Weges
entlang der Wandung büßt der Drall der Verbrennungsluft durch Reibung an Wirksamkeit
ein, so daß der Unterdruck in Achsnähe an dem der Ein-und Austrittsöffnung der Brennkammer
entgegengesetzten Ende kleiner sein muß als in der Eintrittsöffnung. Die Verbrennungsluft
kehrt daher im Bereich des Brenners seine Strömungsrichtung um und verläßt zum größten
Teil die Brennkammer durch die zentrale Austrittsöffnung. Nur ein geringer Teil
der Strömung kann mit dem eintretenden Wirbelstrom umkehren.
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Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen. An Hand einer schematischen Zeichnung wird die Erfindung
für
ein Ausführungsbeispiel einer Misch- oder Brennkammer näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und F i
g. 2 eine perspektivische Darstellung des Ausführungsbeispiels nach F i g. 1.
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In einer Brennkammer 1 soll das durch Pfeile angedeutete Hauptströmungsmedium,
z. B. Luft 2, mit einem durch Pfeile angedeuteten anderen Strömungsmedium, z. B.
Brennstoff 3 vermischt und zur Reaktion gebracht werden. Zu diesem Zweck wird die
Luft 2 über eine Einlaufspirale 4 mit einem mäßigen Drall versehen, axial in die
sich in Durchsatzrichtung erweiternde Brennkammer 1 eingeführt. Wesentlich ist,
daß die Luft 2 dabei einen Drall erfährt, der dafür sorgt, daß sie die Brennkammer
1 von der Eintrittsöffnung 5 bis zur Austrittsöffnung 6 an der Wand anliegend durchströmt,
wobei sich im Zentrum der Einlaufspirale 2 ein starker Unterdruck einstellt, der
groß sein muß im Vergleich zu den Staudrücken in der Brennkammer selbst. Ein solcher
Unterdruck ist im Zentrum der koaxialen Einlaufspirale 4 bei richtiger Auslegung
stets vorhanden. Seine Saugkraft bewirkt, daß die entlang der Wandung von der Eintrittsöffnung
5 zur Austrittsöffnung 6 laufende Hinströmung 7 zum überwiegenden Teil nicht aus
der Austrittsöffnung 6 abströmt, sondern dort nach innen umkehrt und als zentrale
Rückströmung 8 etwa in Kammermitte bis mindestens zur Eintrittsöffnung 5 zurückströmt.
Dort stülpt sich die Rückströmung 8 nach außen um und strebt mit der Hinströmung
7 wieder der Austrittsöffnung 6 zu.
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Ist die Länge der Strecke, längs der sich Hin- und Rückströmung 7
und 8 berühren, hinreichend groß gegen die Dicke der sich berührenden Schichten,
so entsteht zwischen Hin- und Rückströmung eine Zone 9 außerordentlich intensiver
Turbulenz. Der Brennstoff 3, der mit Hilfe dieser Turbulenz mit der Luft 2 vermischt
werden soll, wird der Brennkammerl in der Nähe der Kammerachse, im Beispielsfalle
in der Austrittsöffnung, zugeführt.
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Der Brennstoff 3 wird von der Rückströmung 8 erfaßt, ins Kammerinnere
hineingezogen und gerät dann in die Turbulenzzone9, wo er sich mit der Luft 2 vermischt
und abbrennt. Die Flamme stellt sich in der Turbulenzzone 9 ein und umgibt den mit
der Rückströmung in die Brennkammer 1 transportierten Brennstoff röhrenförmig, wobei
dieser durch die Flammstrahlung intensiv erhitzt und für die anschließende Verbrennung
aufbereitet wird.
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Die Flamme selbst ist durch einen Kaltluftschleier von den Brennkammerwänden
getrennt, die dadurch relativ kühl gehalten werden können und nicht verzundern.
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Die mit Pfeilen angedeuteten Verbrennungsprodukte 10 treten am Austrittsende
6 aus der Brennkammer 1 aus. Es ist zwar nicht erforderlich, oft aber zweckmäßig,
der Brennkammer 1 eine Austritts-
spirale 11 zur Drallrückgewinnung nachzuschalten,
die sich konzentrisch an den Austrittsquerschnitt anschließt.
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Im Zentrum der Einlaufspirale 4 befindet sich eine Strömungsverdrängungsvorrichtung
12, die bewirkt, daß die in die Kammer eintretende Luftströmung etwas nach außen
gedrängt wird. Es kommen somit nicht alle Stromfäden in den Bereich der tiefsten
Druckabsenkung im Zentrum der Einlaufspirale 4.
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Dadurch wird der Strömungsverlust dieser Stromfäden, der beim Durchlaufen
einer irreversiblen Druckabsenkung bekanntlich immer entsteht, in dem Maße verringert,
wie diese Stromfäden aus dem Unterdruckzentrum abgedrängt werden. Entsprechend verringert
sich auch der Gesamtdruckverlust der Brennkammerl. Um diesen Effekt zur Bemessung
einer ausreichend großen Druckabsenkung im Zentrum der Einlaufspirale einstellen
zu können, läßt sich die im Beispielsfalle kegelförmig ausgebildete Strömungsverdrängungsvorrichtung
12 nach Lage und/oder Größe, also in ihrer Wirkung, verstellbar ausbilden, was mit
einschlägigen Vorrichtungen leicht möglich ist. Es kann beispielsweise die Strömungsverdrängungsvorrichtung
12 von außen her auswechselbar sein, so daß man während des Betriebes die gewünschten
Arbeitsbedingungen einregeln kann.