DE1451383B2 - Brenner fuer fluessige brennstoffe zur erzeugung einer durch einen verdichtungsstoss stabilisierten flamme - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner für flüssige Brennstoffe zur Erzeugung einer durch einen Verdichtungsstoß stabilisierten Flamme mit hoher Wärmekonzentration mit einer zwischen der Innenwand eines äußeren Rohrs und der Außenwand eines in dem äußeren Rohr gleichachsig angeordneten Injektorrohrs gebildeten konvergierend-divergierenden Austrittsdüse, deren Querschnittsverlauf so bemessen ist, daß ein gasförmiges sauerstoffhaltiges Verbrennungsmittel bei einem vorgegebenen Druck am Düsenhals die Schallgeschwindigkeit erreicht, und in welche eine in den divergierenden Teil an dem Injektorrohr vorgesehene Austrittsöffnung für flüssigen Brennstoff einmündet. ■:.

Das Auftreten eines Verdichtungsstoßes in dem sich erweiternden Teil der Düse oder auch am Ende dieses sich erweiternden Düsenteils ist eine wesentliche Voraussetzung für die angestrebte Wirkungsweise des Brenners. Im Bereich des Verdichtungsstoßes tritt ein sprunghafter Übergang von einer Überschallströmung zu einer Unterschallströmung sowie eine Verdichtung der Strömungsmittel ein. Des weiteren verursacht der Verdichtungsstoß eine feine Zerstäubung des Brennstoffes und dessen eingehende Vermischung mit dem gasförmigen sauerstoffhaltigen Verbrennungsmittel. Die hinter dem Verdichtungsstoß sich ausbildende ungeordnete Molekularbewegung führt zu einer sehr hohen Verbrennungsgeschwindigkeit und damit zu einer sehr kurzen Flamme mit großer Wärmeintensität selbst in einer Zone, in der die Ausströmungsgeschwindigkeit bei Werten unterhalb der Schallgeschwindigkeit größer ist als die normale Verbrennungsgeschwindigkeit. Der Verdichtungsstoß bildet für die Flammenfront eine unüberwindliche Schwelle. Die Flamme ist damit an den Verdichtungsstoß sehr geringer Dicke gebunden und wird auf diese Weise nachhaltig stabilisiert.

Zur Erzeugung einer Überschallströmung in dem sich erweiternden Düsenteil ist es notwendig, daß das Strömungsmedium im Bereich des Düsenhalses Schallgeschwindigkeit aufweist. Der lichte Querschnitt des Düsenhalses muß so klein sein, daß Schallgeschwindigkeit auch bei Minimalleistung des Brenners erzielt wird. Darüber hinaus ist es zur Erzeugung eines Verdichtungsstoßes notwendig, daß das mit Überschallgeschwindigkeit strömende Medium sich bis zu einem Druck entspannt, der deutlich unter dem Außendruck liegt. Ist dieser Druck von dem Außendruck nur wenig verschieden, so entstehen Machsche Wellen an Stelle von Verdichtungsstößen, die die Flamme nicht an einem genauen Punkt zu fixieren vermögen und die auch keine ausreichende Energie abgeben, um eine vollkommene Zerstäubung des Brennstoffes zu gewährleisten. Aus diesem Grund muß der sich erweiternde Teil der Düse eine solche Länge aufweisen, daß unter Berücksichtigung des Divergenzwinkels eine ausreichende Entspannung .gewährleistet ist.

Es ist bekannt, bei einem Brenner dieser Art die Brennerdüse als herkömmliche Lavaldüse mit einem konvergierend-divergierenden Mantel auszubilden, in welche ein Injektorrohr mit einer axial in den divergierenden Teil der Düse einmündenden Öffnung eingeführt ist. Eine solche Brennerkonstruktion hat den Nachteil, daß das Strömungsfeld im Bereich der Injektoröffnung erheblich gestört ist, weshalb sich meist schon in diesem Bereich eine im Vergleich zu dem gewünschten Verdichtungsstoß schwache Machsche Welle ausbildet. - - '.Vi':".'.

Des weiteren besteht bei derartigen Brennerdüsen im allgemeinen eine gewisse Gefahr der Zerstörung und Abnutzung der Düsenwände, und zwar vorzugsweise in dem vorderen Bereich, in welchem die Verbrennung stattfindet. Eine solche Abnutzung ist insbesondere bei Anwesenheit aggressiver Gase verhältnismäßig groß, und daher ist die Lebensdauer zumindest des bei dem vorgenannten bekannten Brenner gegebenenfalls austauschbar ausgebildeten Düsenfutters entsprechend klein.

Bei Unterschallbrennern ist es bereits bekannt (britische Patentschrift 467 218), das Injektorrohr im Bereich der Austrittsdüse doppelkegelförmig zu verdicken und in einer sich in Strömungsrichtung konisch verengenden Hülse verschiebbar anzuordnen. Damit ist es möglich, den Strömungsquerschnitt der auf diese Weise gebildeten Ringdüse und damit die Brennerleistung zu variieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brenner der eingangs beschriebenen Art so zu konstruieren, daß im Bereich der Austrittsöffnungen des Injektorrohrs eine möglichst kleine Störung des Strömungsfeldes auftritt, daß zudem eine Kompensation der an der Brennerspitze auftretenden Abnutzung vorgenommen werden kann und daß auf einfache Weise eine Verstellung der Brennerleistung möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Bereich der Austrittsdüse die rotationssymmetrische Innenmantelfläche des Außenrohrs in Längsrichtung geradlinig verläuft und die Außenmantelfläche des Injektorrohrs in an sich bekannter Weise als sich in Strömungsrichtung zunächst konisch erweiternder und sodann konisch verengender Doppelkegel ausgebildet ist, welcher an der sich verengenden Mantefläche mehrere mit dem Inneren des Injektorrohrs verbundene Austrittsöffnungen aufweist, und daß das Injektorrohr in an sich bekannter Weise in dem Außenrohr längsverschiebbar angeordnet ist.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Brenners, dessen Injektorrohr.so ausgebildet ist, daß sein vorderes Ende die Wandung einer Ringdüse bildet, besteht in seinem einfachen Aufbau. Seine Wartung ist äußerst einfach, und der Injektor kann auf einfache Weise ausgewechselt werden.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Brenners ist der, daß der ringförmige Querschnitt an der Stelle des Halses der Düse durch eine Längsverschiebung eines der beiden Rohre verändert werden kann, wenn das Ende des äußeren Rohres eine konische Verengung oder auch eine konischeJErweiterung aufweist. Hierbei muß darauf geachtet werden, daß durch eine übermäßige Divergenz eine Ablösung der Stromlinienfäden von den Wänden verursacht wird. Durch eine solche Veränderung des Ringquerschnittes des Düsenhalses kann überdies "die Betriebsweise des Brenners, insbesondere seine Mindestleistung eingeregelt werden. Gleichzeitig mit einer solchen Veränderung des ringförmigen Düsenquerschnittes kann auch die Menge des der Düse zugeführten Strömungsmittels und damit die Leistung des Brenners geändert werden.

Ein zusätzlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Brenners ist noch der, daß das Maß der Divergenz des sich erweiternden Teiles der Düse ein sehr viel größeres sein kann als bei einer herkömmlichen

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Lavaldüse. Im Falle der herkömmlichen Düsen kann stehen und in den sich erweiternden Teil 6 der Düse

der Divergenzwinkel im allgemeinen einen Wert von einmünden.

etwa 4 bzw. 8° am Scheitelpunkt nicht überschreiten, Die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Brenners ohne daß nicht befürchtet werden müßte, daß die mit einem Überschallgeschwindigkeitsbereich in dem Strömung sich von der Wand ablöst und zu Wirbeln 5 sich erweiternden Teil der Düse macht es notwendig, Anlaß gibt, die zu einer vorzeitigen Rückkehr zu einer daß der Querschnitt am Hals 7 der Düse klein genug Unterschallströmung führen. Der sich erweiternde ist, damit an dieser Stelle bei einem Mindestdurchsatz Teil soll darüber hinaus glatte Wandflächen auf- an gasförmigem sauerstoffhaltigem Verbrennungsweisen, damit keinerlei Rauhigkeit vorhanden ist, die mittel Schallgeschwindigkeit erreicht wird,
zu Wirbelablösungen Veranlassung geben könnte. io Entlang der Düse wächst die Geschwindigkeit des Im Falle des erfindungsgemäßen Brenners kann der Gases und sinkt der Druck des Gases. Wenn die Kegelwinkel an der Spitze des inneren Leitungs- Länge der Düse so bemessen ist, daß die Entspanrohres Werte von über 30° annehmen, ohne daß sich nung bis zu einem Druck erfolgt, der unterhalb des die Stromfäden von der Wand ablösen. Außendruckes liegt, so entsteht automatisch in dem

Wenn der Verdichtungsstoß im Inneren des sich 15 sich erweiternden Teil der Düse ein Druckstoß, der es

erweiternden Düsenteiles entsteht, so befindet sich ermöglicht, daß die Gase die Düse verlassen. Die

auch ein Teil der Flamme innerhalb dieses sich er- Düse ist natürlich entsprechend dem Gasdurchsatz so

weitemden Düsenteiles. In diesem Fall befindet sich ausgebildet, daß die Beaufschlagung des Gases mit

jedoch an den Innenwänden der Düse eine dünne Brennstoff vor dem Entstehungsort des Verdichtungs-

Gasschicht, die die Wandflächen vor einer direkten 20 Stoßes erfolgt. Die Wände der Düse müssen sorgfältig

Flammenberührung schützt und damit einen größe- bearbeitet sein, damit von etwaigen Rauhigkeiten der

κ ren Wärmeübergang von der Flamme auf die Wände Wandfläche keine Wirbel oder ein vorzeitiger Ver-

i) vermeidet. Die Erfahrungen haben gezeigt, daß ein dichtungsstoß ausgelöst wird.

mit einem Öl-Sauerstoff-Gemisch betriebener Bren- Der in der Zeichnung dargestellte Brenner wird

ner bei einer Leistung von 8 000 000 Kalorien/Stunde 25 zum Einblasen von in reinem Sauerstoff zerstäubtem

an freier Luft keine besondere Kühlung erforderlich Brennöl in die Düse eines Hochofens verwendet,

machte. Eine Mantelkühlung ist lediglich dann not- Die Menge Sauerstoff beträgt etwa die Hälfte der-

wendig, wenn der Brenner in die Glut eines Ofens jenigen Menge, die stöchiometrisch für die Verbren-

eingeführt wird. nung notwendig wäre, die sich in dem warmen Blas-

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des 30 wind der Hochofendüse vollzieht. Der Verdichtungs-

erfindungsgemäßen Brenners in schematischer Weise stoß, der in F i g. 1 bei 16 eingezeichnet ist, bewegt

dargestellt. Es zeigt sich in dem sich erweiternden Teil der Düse nach

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Achse des rückwärts, wenn die eingeblasene Menge Sauerstoff

Brenners und verringert wird; seine Lage ändert sich jedoch nur in

F i g. 2 einen Längsschnitt durch das vordere Ende 35 erträglichen Grenzen innerhalb des sich erweiternden

eines gegenüber Fig. 1 abgewandelten Brenners in Düsenteils; so daß der Betrieb des Brenners auch bei

vergrößertem Maßstab. einer Änderung der Sauerstoffzufuhr um etwa 50%

Der in F i g. 1 dargestellte Brenner wird mit einem nicht nachteilig beeinträchtigt wird.

Gemisch aus Heizöl und reinem Sauerstoff betrieben. In F i g. 2 ist eine Ausführungsform des erfindungs-

Der Brenner weist ein zylindrisches Außenrohr 1 auf, 40 gemäßen Brenners dargestellt, bei dem sich das vor-

in dessen Innerem koaxial ein Körper 2 angeordnet dere Ende 1 b des äußeren Rohres kegelförmig er^

ist, der die Form eines Doppelkegels mit den Mantel- weitert, wobei die innere Wandfläche 1 c dieses Roh-

flächen 3 und 4 aufweist. Durch die Mantelflächen 3 res mit der Achse des Brenners einen Winkel von

I): und 4 einerseits und die Innenfläche des Rohres 1 etwa 4° bildet. Der Körper 2 α weist einen kegel-

\ wird die Überschalldüse gebildet. Der sich verengende 45 f örmigen Teil 3 α in dem sich verengenden Teil der

Teil der Düse ist mit 5, der sich erweiternde Teil der Düse auf und einen kegelförmigen Teil 4 α in dem

Düse mit 6 und der Düsenhals mit 7 bezeichnet. sich erweiternden Teil der Düse. Die Durchbrüche

Das Außenrohr 1 ist in ein zylindrisches Form- 15 α sind gleichmäßig am Umfang des kegelförmigen stück 8 eingeschraubt, dessen Innenbohrung 9 den- Teiles 4 α verteilt. Der Außendurchmesser des Körselben Durchmesser aufweist wie die Bohrung des 50 pers 2 α an der Stelle des Düsenhalses ist gleich dem Außenrohres 1. An dem Formstück 8 ist seitlich ein Innendurchmesser des zylindrischen Teiles 1 a des Rohr 10 angebracht, durch das das gasförmige sauer- Außenrohres, so daß durch eine Längsverschiebung stoffhaltige Verbrennungsmittel eingeführt wird. Das des Innenrohres der Ringquerschnitt des Halses 7 a ■ rückseitige Ende des Formstückes 8 ist mittels eines praktisch von dem Wert Null bis zu einem maxieingeschraubten Stopfens 11 verschlossen, der eine 55 malen Wert, der von den übrigen Dimensionen des Innenbohrung aufweist, innerhalb der das Innenrohr Brenners abhängt, geändert werden kann. Diese Ein-12 ohne merklichen Reibungswiderstand verschoben Stellmöglichkeit des doppelkegelförmigen Körpers 2 a werden kann. Durch dieses Innenrohr 12 wird dem ermöglicht es, die Menge des gasförmigen sauerstoff Brenner der Brennstoff unter Druck zugeführt. haltigen Verbrennungsmittels bei einem konstanten Gleichzeitig dient dieses Innenrohr mit seinem vor- 60 Druck in der Zuleitung in weiten Grenzen zu ändern, deren Ende zur Bildung des doppelkegelförmigen Es ist bekannt, daß bei einer normalen Düse der Körpers 2. Das Innenrohr 12 kann mittels eines wei- Durchsatz lediglich von dem Druck des Gases und teren, in den Stopfen 11 eingeschraubten Stopfens 13, dem Querschnitt der Düse abhängt, der im vorliegender auf eine Ringscheibe 14 drückt, gegen Längs- den Fall durch den Hals der Düse bestimmt wird, verschiebung gesichert werden. Der Körper 2 ist auf 65 Man kann auch gleichzeitig das Verhältnis des Querdas vordere Ende des Innenrohres 12 aufgeschraubt schnittes am freien Ende der Düse zu dem Halsquer- und weist eine Mehrzahl von Durchbrüchen 15 auf, schnitt ändern und damit das Maß der Entspannung die mit dem Innenraum des Rohres 12 in Verbindung festlegen, so daß die günstigsten Bedingungen für die

Entstehung eines Verdichtungsstoßes geschaffen werden. Ragt die Spitze des kegelförmigen Teiles 4 a über das konisch erweiternde Ende 1 b des Außenrohres hinaus, so kann auch der Querschnitt am freien Ende der Düse durch eine Längsverschiebung des Körpers 2 α verändert werden. Damit verfügt man über ein weiteres Mittel, um die Wärmeleistung des Brenners zu regeln.

Man kann auch den kegelförmigen Teil 4 a des Körpers 2 α abstumpfen, wie dies mit der gestrichelten Linie 17 angedeutet ist, wodurch Wirbelbildungen hervorgerufen werden. Auf diese Weise wird eine innere Rückströmungszone gebildet, in der sich die Flamme festsetzen kann, was insbesondere dann zweckmäßig erscheint, wenn der Verdichtungsstoß eine zu geringe Energie aufweist. Diese Maßnahme kann dann nützlich sein, wenn der Brenner rasch und stark sich ändernden Betriebsbedingungen unterworfen ist.

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Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Brenner für flüssige Brennstoffe zur Erzeugung einer durch einen Verdichtungsstoß stabilisierten Flamme mit hoher Wärmekonzentration mit einer zwischen der Innenwand eines äußeren Rohres und der Außenwand eines in dem äußeren Rohr gleichachsig angeordneten Injektorrohrs gebildeten konvergierend-divergierenden Austrittsdüse, deren Querschnittsverlauf so bemessen ist, daß ein gasförmiges sauerstoffhaltiges Verbrerinungsmittel bei einem vorgegebenen Druck am Düsenhals die Schallgeschwindigkeit erreicht, urid in welche eine in den divergierenden Teil an dem Injektorrohr vorgesehene Austrittsöffnung für flüssigen Brennstoff einmündet, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Austrittsdüse die rotationssymmetrische Innenmantelfläche des Außenrohrs (1) in Längsrichtung geradlinig verläuft und die Außenmantelfläche (3,4) des Injektorrohres in an sich bekannter Weise als sich in Strömungsrichtung zunächst konisch erweiternder und sodann konisch verengender Doppelkegel ausgebildet ist, welcher an der sich verengenden Mantelfläche (4) mehrere mit dem Inneren des Injektorrohrs verbundene Austrittsöffnungen (15) aufweist, und daß das Injektorrohr (12) in an sich bekannter Weise in dem Außenrohr (1) längsverschiebbar angeordnet ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen