DE1451424C - Mit flüssigem Brennstoff betriebener Generator zum Erzeugen eines pulsierenden Heißgasstroms - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen mit flüssigem Brennstoff betriebenen Generator zum Erzeugen eines pulsierenden Heißgasstromes mit einem in Resonanz betriebenen, intermittierend arbeitenden ersten Brenner, der aus einer ^Brennkammer besteht, an die über einen sich verengenden Verbindungsteil ein Strahldüsenrohr angeschlossen ist und mit wenigstens einem dem ersten Brenner. nachgeschalteten zweiten Brenner, dessen Eintrittsäbschnitt ein sich erweiterndes Ejektorrohr aufweist, dessen Eintrittsöffnung, durch das ein gasförmiger Sauerstoffträger angesaugt wird, zu dem Strahldüsenrohraustritt des ersten Brenners weist und an das eine Brennkammer angeschlossen ist, die einen Austrittsabschnitt von kleinerem Durchmesser als den der Brennkammer aufweist und mit Brennstoffeinspritzdüsen in jedem Brenner.

Die Erfindung geht von einem bekannten Generator aus (deutsche' Auslegeschrift 1 071 878), bei dem der Heißgasstrom aus dem zweiten nachgeschalteten Brenner durch eine Öffnung austritt. Der zweite Brenner dient zur Erhöhung der von dem ersten intermittierend arbeitenden Brenner erzeugten Wärmemenge. Durch das intermittierende Arbeiten des ersten Brenners erfolgt im zweiten Brenner eine bessere Vermischung von Gas und Luft. Der austretende Heißgasstrom ist jedoch nicht pulsierend, sondern im wesentlichen kontinuierlich.

Es ist ferner bekannt (deutsche Patentschrift 619), die in einer ersten Brennkammer erzeugten Gase über ein Rückschlagventil in eine weitere Brennkammer zu leiten, die am Ende mit einem Auslaßventil versehen ist. Sobald der Druck in der zweiten Brennkammer absinkt, schließt sich das Auslaßventil, wird das Gas in der zweiten Brennkammer abgekühlt, das Rückschlagventil durch den Unterdruck geöffnet und brennbares Gemisch eingesaugt. Der Wirkungsgrad dieser Einrichtung läßt sich dadurch verbessern, daß die zweite Brennkammer durch Absperrglieder in einzelne Räume unterteilt wird. Es läßt sich mit dieser Einrichtung ein pulsierender ίο Heißgasstrom erzeugen. Der bauliche Aufwand ist jedoch erheblich. Es dürfte schwierig sein, einen pulsierenden Heißgasstrom von großem Volumen und einer gewünschten Frequenz zu erhalten.

Demgegenüber besteht die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe darin, einen einfach aufgebauten Generator zum Erzeugen eines pulsierenden Heißgasstromes großen Volumens zu schaffen.

Diese Aufgabe ist bei dem Generator der eingangs geschilderten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der nachgeschaltete Brenner ebenfalls ein über ein sich verengendes Verbindungsteil an die Brennkammer angefügtes Strahldüsenrohr besitzt, und dieser nachgeschaltete Brenner mit seinem Ejektor, seiner Brennkammer und seinem Strahldüsenrohr sowie dem Verbindungsteil und dem Austrittsabschnitt jeweils der durch den ersten Brenner vorgegebenen Frequenz entsprechend bemessen ist.

Der erste Brenner liefert ein verhältnismäßig geringes Gasvolumen mit einer verhältnismäßig hohen Frequenz, die im akustisch hörbaren Bereich über 100 Hertz liegt. Dieser Brenner arbeitet in Resonanz und intermittierend. In jedem weiteren nachgeschalteten Brenner wird das Volumen des Heißgasstromes erhöht, wobei durch die Strahldüse sowie durch die Bemessung die von dem ersten Brenner her aufgeprägte Frequenz des Gasstromes aufrechterhalten bleibt. Damit erhält man einen Heißgasstrom, dessen Frequenz von dem ersten Brenner bestimmt ist. Ein solcher pulsierender Heißgasstrom ist oft erwünscht. beispielsweise bei der Erprobung feuerfester Materialien, bei Versuchen mit inhomogenen Strömungen sowie bei der unmittelbaren Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie. Dabei ist es möglich, in eine Brennkammer über eine Zuleitung eine Lösung eines leicht ionisierbaren Stoffes, z. B. Kalium, einzuführen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind Brennkammern, Strahldüsen und Ejektoren von wenigstens einem mit der Zuleitung des Sauerstoffträgers verbundenen, abgeschlossenen Gehäuse umgeben. Die Gehäuse ermöglichen in einfacher Weise die Zuführung eines unter Überdruck stehenden Sauerstoffträgers. Ferner verhindern sie Wärmeverluste der Brenner durch Rückgewinnung der abgestrahlten Wärme.. .

An Hand der Zeichnung, die einen Schnitt durch einen Heißgasstromgenerator darstellt, wird in der nachfolgenden Beschreibung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert sowie eine Anleitung zur Bestimmung der Abmessungen der Brennkammern gegeben.

Der in der Zeichnung dargestellte Generator umfaßt drei Brenner 1, 2, 3, die jeweils hintereinander längs der Achse X-Y angeordnet und auf dem größeren Teil ihrer Längserstreckung von abgeschlossenen Gehäusen 4 und 5 umgeben sind, denen über Leitungen 6 und 7 Druckluft oder ein anderer, unter Druck stehender Sauerstoffträger zugeführt wird.

Der Brenner 1 weist eine Brennkammer 8 auf, die an ihrem vorderen Ende abgeschlossen und stromabwärts über einen kurzen konvergenten Verbindungsteil 9 an ein Strahldüsenrohr 10 angeschlossen ist, welches in das Gehäuse mündet. Im vorderen Abschnitt der Brennkammer 8 sind Brennstoffeinspritzdüsen 11 in der Nähe einer Zündkerze 12 angeordnet. Sie werden an eine Leitung 13 angeschlossen. Über Leitungen 14 wird Druckluft der Brennkammer 8 zugeführt, und zwar durch einen oder mehrere über den Umfang verteilte Rohranschlüsse, so daß der Sauerstoffträger gut verteilt wird und sich im Gebiet der Einspritzdüsen 11 eine starke Turbulenz ergibt.

Die Brennkammer afbeitet in akustischer Resonanz, wobei eine periodische Verbrennung des Brennstoffes mit einer Frequenz stattfindet, die von den räumlichen Abmessungen insbesondere von der Gesamtlänge des Brenners 1 und von dem Verhältnis zwischen den Volumen der Brennkammer 8 und dem Strahldüsenrohr 10 sowie von den Drücken der Brennstoff- und der Sauerstoffträgerzufuhr abhängt.

Daraus folgt für ein gegebenes Verhältnis zwischen dem Rauminhalt der Brennkammer und dem Rauminhalt des Strahldüsenrohres, daß die Frequenz um so höher ist, je kürzer der Brenner ist. Bei feststehender Gesamtlänge der Einheit ist die Frequenz um so niedriger, je größer der vor der Strahldüse gelegene Rauminhalt der Brennkammer ist. Bei gegebenen Abmessungen vergrößert sich die Frequenz, sobald der Druck der Brennstoff- und Sauerstoffträgerzufuhr erhöht wird.

Für die möglichen Frequenzänderungen bestehen Grenzen, die durch die Stabilität der mit Selbstzündung ablaufenden Verbrennung bedingt sind und die von der Eigenart des verwendeten Brennstoffes und seiner Zündverzögerung abhängen. Außerhalb dieser Grenzen ist eine Resonanzwirkung unmöglich oder instabil. Im Brenner findet dann eine ständige Verbrennung mit nur geringem thermischen Wirkungsgrad statt.

In der Praxis kann die Frequenz eines solchen Brenners entsprechend den geometrischen Abmessungen und der Zuleitungsdrücke zwischen einigen Hertz und 600 Hertz liegen und sogar noch darüber hinausgehen, falls ein Brennstoff mit geringer Zündverzögerung verwendet wird. Diese Verbrennungsfrequenz kann also je nach den Erfordernissen in sehr weiten Grenzen eingestellt werden.

Der zweite Brenner 2 ist stromabwärts von dem ersten Brennrohr angeordnet und besteht im wesentlichen aus einem zunehmend konvergenten Öffnungsabschnitt 15, an den sich ein divergentes, kegelförmiges Ejektorrohr 16 anschließt. Das Ejektorrohr 16 endet in einem sich erweiternden Verbindungsstück 17, durch den das divergente Ejektorrohr 16 mit der Brennkammer 18 verbunden ist, welche eine zylindrische Form hat und durch ein kurzes Strahldüsenrohr 19 verlängert wird. Das Strahldüsenrohr 19 endet in einem kurzen, konvergenten Austrittsabschnitt 20. In dem Bereich, in dem das divergente Ejektorrohr an die Brennkammer angeschlossen ist, ist die Vorrichtung zur Zuleitung des Brennstoffes angeordnet, welche von einer oder mehreren Einspritzdüsen 21 gebildet wird. Die Eintrittsöffnung der Brennkammer 18 bildet somit einen Ejektor zum Ansaugen eines Sauerstoffträgers.

Die Abmessungen des Brenners 2 hängen von denjenigen des Brenners 1 sowie von den Kennwerten ab, welche bei einem bestimmten Druckwert des zuzuführenden Sauerstoffträgers, d. h. bei dem in dem Gehäuse 4 herrschenden Druck, für den Ausgangsstrom verlangt werden. Für eine intermittierende Verbrennung in der zweiten Brennkammer, ohne den von dem ersten Brenner 1 aufgeprägten Arbeitstakt zu stören, gelten folgende Überlegungen:

Die Gesamtlänge des Brenners 2 soll im allgemeinen kleiner als das Fünffache des Durchmessers seiner Brennkammer 18 sein. Die Länge des Ejektors 15-16-17 soll die gleiche Größenordnung wie die Summe der Längen der Brennkammer 18 des sich konisch verengenden Verbindungsteiles, des Strahldüsenrohres 19 und des konvergenten Austrittsabschnittes 20 haben. Die Länge der Brennkammer 18 soll von gleicher Größenordnung wie die Länge des Strahldüsenrohres 19 mit dem Verbindungsteil sein, während deren Durchmesser über 70 % des Durchmessers der Brennkammer betragen soll. Der Winkel in der Mitte des konischen Teiles des divergenten Ejektorrohres 16 soll etwa 8° betragen; der kleinste Querschnitt dieses Abschnittes soll eine Fläche haben, die größer als die Querschnittsfläche des Strahldüsenrohres 10 des ersten Brenners 1 ist. Der dritte Brenner 3 hat eine ähnliche Form wie der vorhergehende Brenner. Er besteht ebenfalls aus einem Ejektor, der aus einem zunehmend konvergenten Öffnungsabschnitt 22, einem divergenten konisehen Ejektorrohr 23 und einem divergenten Verbindungsstück 24 gebildet ist, sowie aus einer zylindrischen Brennkammer 25, an die über einen konvergenten Verbindungsteil 26 ein Strahldüsenrohr 27 angeschlossen ist, welches entweder einen kreisförmigen Querschnitt oder einen Querschnitt aufweisen kann, welcher z. B. die Form eines Vierecks oder Rechtecks hat. In dem zuletzt genannten Fall ermöglicht der konvergente Verbindungsteil 26 den Übergang von der Kreisform des großen Querschnittes der Brennkammer 25 in die von zwei Abmessungen bestimmte, etwas kleinere Querschnittsform des Strahldüsenrohres 27. Brennstoffeinspritzdüsen 28 sind in dem Verbindungsstück 24 zwischen dem divergenten Ejektorrohr 23 und der Brennkammer 25 angeordnet.

Sauerstoffzuleitungen 29 werden vorzugsweise stromaufwärts der Einspritzdüsen für den Brennstoff in dem divergenten Ejektorrohr 23 angeordnet. Für die Bestimmung der Abmessungen des Brenners 3 sind vorzugsweise die folgenden Überlegungen zu beachten:

Die Summe der Längen des Ejektors 22-23-24, der Brennkammer 25 und des konvergenten Verbindungsteiles 26 soll kleiner als die Länge des Strahldüsenrohres 27 sein. Die Länge der Brennkammer 25 soll kleiner als das Doppelte des Kammerdurchmessers sein. Das divergente Ejektorrohr 23 soll einen Kegelwinkel von etwa 8° haben; seine kleinste Querschnittsfläche soll größer als die Querschnittsfläche des Strahldüsenrohres 19 des zweiten Brenners 2 sein.

Die Gehäuse 4 und 5 können zylindrisch sein und an den Enden durch zwei halbkugelförmige Teile abgeschlossen werden, welche Öffnungen mit Flanschen aufweisen, an denen Gegenflansche befestigt werden, die die Befestigungsmittel für die Brenner darstellen.

Die Öffnungen sind so ausgebildet, daß die Brenner leicht ein- und ausgebaut werden können.

Die beschriebene Einrichtung arbeitet in der folgenden Weise:

Wie erwähnt, arbeitet der erste Brenner 1 intermittierend mit einer bestimmten Frequenz, die einstellbar ist. Die kinetische Energie der periodisch das Strahldüsenrohr 10 verlassenden Gase sorgt dafür, daß der zweite Brenner 2 über seinen Ejektor periodisch mit dem im Gehäuse 4 enthaltenen Sauerstoffträger gefüllt wird. Das Sauerstoffträger-Brennstoffgemisch in der Brennkammer 18 wird periodisch unter der Einwirkung der aus dem ersten Brenner austretenden heißen Gase entzündet. Somit erfolgt die Verbrennung in dem resonanzfreien Brenner 2 mit der Frequenz, die von dem Brenner 1 bestimmt wird. Die Verbrennung in dem dritten Brenner erfolgt in entsprechender Weise, wobei zusätzlich Sauerstoff über die Leitungen 29 zugeführt wird. Die periodische Verbrennung wird außerdem durch die Einwirkung der Wärme unterstützt, welche durch die Wände der Brenner 2 und 3 mittels Konvektion und Strahlung übertragen wird. Dabei wird periodisch mit der vom Brenner 1 festgelegten Frequenz ein pulsierender Heißgasstrom erzeugt.

Die abgedichteten Gehäuse 4 und 5 ermöglichen die Speisung der Brenner 2 und 3 mit einem unter Überdruck stehenden Sauerstoffträger, wie Druckluft, die entweder in einem oder in beiden Gehäusen mit Sauerstoff angereichert sein kann.

Zusätzlich sind die Gehäuse mit einer Wärmeisolierung ausgestattet, welche die Wärmeverluste erheblich herabsetzen, da die von den Brennerwänden übertragene Wärme fast gänzlich im Sauerstoffträger zurückgewonnen wird. Außerdem wirken die Gehäuse als Schalldämpfer.

Druck und Menge des Brennstoffes zur Speisung der drei Brenner sind einstellbar. In gleicher Weise kann auch in den drei Zuführungsleitungen für den Sauerstoffträger der Druck gesondert eingestellt werden. Es ist erwünscht, daß der Zuführungsdruck für den Sauerstoffträger des Brenners 1 über dem Druck

ίο des Sauerstoffträgers im Gehäuse 4 liegt, der wiederum größer ist, als der Druck des Sauerstoffträgers im Gehäuse 5 für den Brenner 3.

Eine weitere Regelmäßigkeit besteht darin, daß auf die Temperaturen eingewirkt wird. Der Sauerstoffträger kann z. B. vor dem Einlaß in die Gehäuse 4 und 5 auf bestimmte Temperaturen vorgeheizt werden, die jedoch auf die Haltbarkeit des Materials abgestimmt sein müssen.

Schließlich kann auch das Ausmaß der Anreicherung des Sauerstoffträgers für die Nachverbrennung im Brenner 3 mit Sauerstoff durch Abänderung des Zuleitungsdruckes eingestellt werden, wodurch unmittelbar die Temperatur beeinflußt wird, welche die heißen Abschnitte des ausströmenden Gasstromes aufweisen. Daraus wird ersichtlich, daß auf diese Weise sehr einfach die Länge der abwechselnd sehr heißen und weniger heißen Strömungsabschnitte festgelegt werden kann, die vom Generator durch die Strahldüse 26, 27 abgegeben werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Mit flüssigem Brennstoff betriebener Generator zum Erzeugen eines pulsierenden Heißgasstromes mit einem in Resonanz betriebenen, intermittierend arbeitenden ersten Brenner, der aus einer Brennkammer besteht, an die über einen sich verengenden Verbindungsteil ein Strahldüsenrohr angeschlossen ist und mit wenigstens einem dem ersten Brenner nachgeschalteten zweiten Brenner, dessen Eintrittsabschnitt ein sich erweiterndes Ejektorrohr aufweist, dessen Eintrittsöffnung, durch das ein gasförmiger Sauerstoffträger angesaugt wird, zu dem Strahldüsenrohraustritt des ersten Brenners weist und an das eine Brennkammer angeschlossen ist, die einen Austrittsabschnitt von kleinerem Durchmesser als den der Brennkammer aufweist und mit Brennstoffeinspritzdüsen in jedem Brenner, dadurch gekennzeichnet, daß der nachgeschaltete Brenner ebenfalls ein über ein sich verengendes Verbindungsteil an die Brennkammer (18. 25) angefügtes Strahldüsenrohr (19, 27) besitzt, und dieser nachgeschaltete Brenner mit seinem Ejektor (15-16-17, 22-23-24), seiner Brennkammer (18. 25) und seinem Strahldüsenrohr (19, 27) sowie dem Verbindungsteil und dem Austrittsabschnitt jeweils der durch den ersten Brenner vorgegebenen Frequenz entsprechend bemessen ist.

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Brennkammern, Strahldüsen und Ejektoren von wenigstens einem mit der Zuleitung des Sauerstoffträgers verbundenen, abgeschlossenen Gehäuse (4, 5) umgeben sind.