DE1551772A1 - Brenner zum Betrieb mit stroemungsfaehigem Brennstoff - Google Patents

Description

Patentanwalt« WpUng.R.Beetzu, 4ιο~12.644ρ 10.8.1967 Dipl.-Ing. Umprecht _1CC1,„ München 22, Stelnsdorftir. 10 JOOl / / <

Commissariat ä 1'Energie Atomique, Paris (Prankreich)

Brenner zum Betriebe mit strömungsfähigem Brennstoff

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner mittlerer thermischer Leistung zum Betriebe mit strömungsfähigem fossilem Brennstoff, insbesondere zur Speisung der Arbeitskammer eines magnetohydrodynamischen Wandlers, welcher Brenner einen vorteilhaften Aufbau mit einem konischen Kopfstück, einer zylindrischen Brennkammer und einer Konusdüse aufweist.

Die bisher verfügbaren Geräte sind häufig mit Zündkerzen ausgestattet, die sich durch Strahlung abnutzen und durch Ablagerung von Kohlenstoff verschmutzen. Da die Mischung aus dem Brennstoff, dem Sündstoff und dem alkalischen Impfstoff nicht hinreichend in Bewegung gehalten wird, ist es erforderlich, die Zündvorrichtung während der gesamten Betriebsdauer des Brenners in Aktivität zu halten.

Schließlich gestattet der Aufbau der Wandungen der Brennkammer und der Eonuadüse der Brenner bekannter Bauart keinen längeren Betrieb» Dies zieht dann erhebliche Energieverluste ebenso wie eine Verschlechterung der feuerfesten Wand© nach aich.

41O-(B1826.3)-Dfffr (6) . .

Will man ohne feuerfesten Überzug auskommen, so kann man eine Brennkammer und eine Konusdüse verwenden, deren Wände aus mit Wasser gekühltem Metall besteheno Der Anteil der thermischen Verluste ist dann offensichtlich bedeutend und liegt in der Größenordnung von 15$ des gesamten llusses, insbesondere dann, wenn ea sich um einen MHD-Generator für Versuchszwecke handelt. Außerdem wirkt der Niederschlag von Alkalimetall auf den Wänden bei längerer Betriebsdauer sehr korrodierend.

Benutzt man dagegen einen feuerfesten Überzug, so ziehen das Schmelzen der ersten sehr heißen Schichten des feuerfesten Belages und die sich bildende zähflüssige Schlacke auf die Dauer eine Verminderung der Lebensdauer einer solchen Apparatur nach sich, die im übrigen den Vorteil bietet, fast die gesamte anfängliche thermische Leistung zu konservieren.

Der erfindungsgemäBe Brenner ist frei von den oben erwähnten Kachteilen, er arbeitet mit einem Zündstoff aus mit Sauerstoff angereicherter überhitzter Luft, er ist zur Abgabe eines Verbrennungsgases mit hoher Temperatur und großer Austrittsgeschwindigkeit bestimmt.

Der Brenner ist dadurch bemerkenswert, daß sein Kopfstück einen Injektor für die Einspeisung von Brennstoff und primärem Zündstoff aufweist, der in der Achse des Brenners angeordnet ist,

Der Injektor ist seinerseits mit einem konischen EopfstUek

■09821/0452

versehen, das tangentiale Öffnungen mit zur Brennerachse senkrechter Achse aufweist. Der primäre Zündstoff wird über den Injektor mittels auf dessen Oberfläche angebrachter schraubenlinienförmiger Nuten eingeführt«

Das Kopfstück des Brenners besitzt eine aus einer mit einem Strom eines seltenen G-ases gespeisten Plasmafackel bestehende Zündeinrichtung und einen Impfstoffinjektor.

Der Aufbau der Brennkammer ist so gewählt, daß er einen Kompromiß zwischen den beiden oben untersuchten Extremfällen darstellt» Die Brennkammer ist zylindrisch, ihre Innenwand besteht aus auf einen Stahlzylinder aufgebrachtem feuerfestem Beton und ist von einer zweiten Wand aus einem zu dem ersten Zylinder koaxialen Zylinder umgebene Die beiden Wände begrenzen einen Ringkanal, in dem in Richtung von der Konusdüse zu dem Kopfstück des Brenners Kühlluft umläuft, die als sekundärer Zündstoff dient. Die sekundäre Kühlluft tritt in das Innere der Brennkammer durch Injektionsöffnungen ein, die in der Nachbarschaft des Kopfstücks über die Betoninnenwandung verteilt sind.

Die zwischen den beiden Stahlzylinderwänden umlaufende Kühlluft wird durch einen Draht geführt, der schraibenlinienförmig angeordnet und mit einer der beiden Wände verschweißt ist·

Die Brennkammer besitzt außerdem eine dritte und eine vierte Wand aus zu den oben erwähnten Zylindern koaxialen Zylindern,

009821/0-452

wobei zwischen die zweite und die dritte Wand ein thermisch iso- ■ lierendes Material eingefügt ist, während die beiden letzten Wände einen von Kühlwasser durchströmten Ringraum bilden«

Abgesehen von diesen hauptsächlichen Merkmalen bezieht sich die Erfindung auf bestimmte Sekundärmerkmale, die im folgenden erwähnt werden·

Der summarisch beschriebene Brenner läßt sich mit gasförmigem (Propan, Erdgas, Generatorgas usw·) oder flüssigem (Kerosin, Heizöl usw·) Brennstoff betreiben, wobei es der Zündstoff, der mit Sauerstoff in wechselnden Verhältnissen angereicherte überhitzte Luft ist, gestattet, Verbrennungsgase mit hoher Temperatur zu erzielen, die eine für die Speisung der Brennkammer eines magnetohydrodynamischen Wandlers mit der Energie der Verbrennungsgase ausreichende Austrittsgeschwindigkeit besitzen· Dabei führen die Verbrennungsgase einen alkalischen Impfstoff mit sich, der aus «einem Kaliumsalz in wässriger Lösung oder in Form eines durch Gasdruck dispergierten Pulvers besteht·

Die beispielsweise aus einer mit Argon gespeisten Plasmafackel bestehende Zündeinrichtung ist an einen kontinuierlich arbeitenden Speisekreis angeschlossen und läßt sich fernsteuern. Der Plasmastrahl, der fast sofort eine 3ehr hohe Temperatur aufweist, löst eine augenblickliche Zündung des Brenners aus· Außerdem wird dem Brenngas und dem Zündstoff infolge ihrer tangentialen Einspeisung in dem Kopfstüok und am Eingang der Brennkammer

009821/0452

eine erhebliche Turbulenz aufgezwungen« Daraus ergibt sich in der Achse des Brenners ein Gaswirbel, der es ermöglicht, die Zündvorrichtung nur kurze Zeit in Betrieb zu halten und dennoch eine große Betriebssicherheit zu erreichen.

Schließlich ist es dank des ,Aufbaues der Brennkammer und der Konusdüse möglich, mit sehr langer Betriebsdauer zu arbeiten. Die thermischen Flußverluste sind sehr niedrig und die Erhaltung der feuerfesten Wände ausgezeichnet·

Zum besseren Verständnis der technischen Torteile der Erfindung wird nunmehr ein A.usführungsbeispiel näher beschrieben, das selbstverständlich weder hinsichtlich der Arbeitsweise noch hinsichtlich der Anwendungsgebiete eine Einschränkung der Erfindung bedeutet· In den Zeichnungen zeigern

Pig. 1 eine Gesamtansicht eines erfindungsgemäßen Brenners, der zur Speisung der Arbeitskammer eines MHD-Generators dient;

fig» 2 und 3 Querschnitte durch die Brennkammer des Brenners naeh Mg. 1 entlang der Schnittlinien A-A und B-Oj

Fig. 4 die mit Argonplasma arbeitende Zündeinrichtung, und JPig· 5 den Injektor für den alkalischen Impfstoff.

Her in der Fig. 1 dargestellte Brenner 2 hat eine mittlere Leistung. Der verwendete Brennstoff ist Propan, während der Zündstoff mit Sauerstoff angereicherte Luft ist. Der Brenner hat einen klassischen Aufbaut Ein konisches Kopfstück 4, eine zylindrische

009821/0452

Brennkammer 6 und eine Konusdüse 7, die den Übergang von dem kreisförmigen Querschnitt der Brennkammer 6 zu einem Querschnitt mit anderer Form ζ·Β· einem rechteckigen Querschnitt, gestattet, wobei der Brenner 2 zur Speisung der Arbeitskammer eines MHD-Generators bestimmt ist.

Das konische Kopfstück 4 des Brenners 2 hat einen Öffnungswinkel von 90°, es besteht aus Kupfer und besitzt eine doppelte Wand 8, die eine Kühlung des Kopfstücks 4 durch Einspritzung eines Wasserstrahls bei 10 ermöglicht· Das Kopfstück 4 besitzt entlang seiner Achse einen Injektor 12_f der zur Einführung des gasförmigen Brennstoffs (Propan) und des primären Zündstoffs (Sauerstoff) dient, eine normal zu der doppelten Wand 8 angeordnete und aus einer Plasmafackel bestehende Zündeinrichtung 14 (Fig· 4) und einen oder mehrere in der Fig. 1 nicht sichtbare Injektoren für einen alkalischen Impfstoff·

Der gasförmige Brennstoff des Propans wird bei 16 in einen axialen Kanal des Injektors 12 eingespeist, der primäre Zündstoff der Sauerstoff wird bei 18 eingeleitet· Er wird entlang schraubenlinienförmiger Nuten geführt, mit denen die Oberfläche des Injektors 12 versehen ist·

Das Kopfstück 20 des Injektors 12 ist mit tangentialen Öffnungen 22 versehen, deren Achsen stark gegen die Radialebenen geneigt verlaufen und im wesentlichen senkrecht zur Brennerachae geriohtet sind. Infolge dieser besonderen Anordnung der Injektions-

009821/0452

löcher beschreiben die Moleküle der Mischung aus dem Brennstoff und dem primären Zündstoff bei ihrem Eintreten in den Brenner 2 Bahnen 24 von der Form konischer Spiralen. Die beiden Gase treten in den Brenner unter Bildung von solchen Wirbeln ein, daß sich fast unmittelbar nach der Einspritzung eine innige Durchmischung einstellte Anschließend beschichtet diese Mischung die innere Oberfläche des Kopfstücks 4, wo die Zündvorrichtung 14 angeordnet ist«

Die zylindrische Brennkammer, δ des Brenners 2 hat eine zusammengesetzte Struktur« Die Innenwand 26 aus feuerfestem Beton ist auf das Innere eines StahlZylinders 28 aufgebracht. Außerdem besitzt die Brennkammer 6 drei Wände aus zueinander koaxialen Stahlzylindern 30, 32 und 34, wobei die relativ wenig von der ersten Wand 28 aus rostfreiem Stahl entfernte Wand 30 mit dieser einen Rinskanal 36 bildet, in dem in Richtung von der Konusdüse zum Kopfstück 4 Kühlluft umlauft«, Die weiter entfernten Wände 30 und 32 schließen zwischen sich eine Schicht 31 aus thermisch isolierendem Material ein* Die Außenwand 34 schließlich begrenzt zusammen mit der vorletzten Wand 32 einen Ringkanal für Kühlwasser. Die Innenwandung 26 ist aus einer Stampfschicht aus feuerfestem Beton mit hoher thermischer und chemischer Widerstandsfähigkeit gebildet, wobei diese Stampfschicht wie bereits erwähnt, das Innere eines Zylinders 28 aus rostfreiem Stahl 28 überzieht, der mit Verankerungsorganen versehen ist, die eine bessere Verankerung

009821/CUS2

des Betons ermöglichen. Die Wände 26 und 28 werden gemeinsam durch Montageringe 38 und 40 in korrekter lage gehalten, die zur Aufrechterhaltung der korrekten Relativlage der verschiedenen Bauelemente der Brennkammer 6 dienen«

Die in dem Ringkanal 36 zwischen den Zylindern 28 und 30 umlaufende Kühlluft wird als sekundärer Zündstoff benutzt und tritt zu diesem Zwecke über Bohrungen 53 in die Brennkammer 6 ein, die in dem Montagering 40 ebenso wie in den Wänden 26 und 28 in der Nähe des Kopfstückes 4 vorgesehen sind. Die Bohrungen 53 sind gegenüber den Radialebenen stark geneigt. Die Kühlluft tritt in den Ringkanal 36 über Öffnungen 49 ein, die in die Enden des Zylinders 32 eingearbeitet sind«.

Zu bemerken bleibt, daß die in dem Rinekanal 36 umlaufende luft durch einen spiralenförmig auf den Zylinder 28 aufgeschweißten Draht aus rostfreiem Draht geführt wird» Auf diese Weise vergrößert man die Berührungsfläche zwischen der Luft und der Wand 28, was wiederum den Wirkungsgrad für den Wärmeaustausch erhöht.

Das Kopfstück 4 des Brenners 2 ist ebenso wie die Konusdüse 7 an der Brennkammer 6 unter gemeinsamer Abstützung auf die stählernen Wände 32 und 34 befestigt. Die beiden Wände 32 und 34 sind mit Durchlässen 40, 42, 44 und 46 für vier Thermoelemente 41, 43» 45 und 47 versehen, die zur Messung der Temperatur an der Wand 26 dienen.

Die Konusdüse 7 besitzt einen Metallkörper 48, der mit einer

009821/0452

feuerfesten Stampfschicht 50 überzogen ist» deren ungleichmäßige Dicke vom kreisförmigen Einlaß 52 in Richtung auf den rechteckigen Auslaß 54 hin zunimmt· Eine die Konusdüse 7 umgebende Kammer 56 wird von einem Wasserstrom durchquert, der eine intensive und gleichmäßige Kühlung der Konusdüse 7 gewährleistet«

Auch bei der Konusdüse 7 sind Verankerungsorgane zur Verstärkung des mechanischen Zusammenhaltes der Stampfschicht vorgesehen, welche die Form auf die Innenwandung der Metallteile aufgeschweißter Ringe 58 besitzen. Die Konusdüse 7 ist an Bauelementen befestigt, die sich auf den äußeren Wänden 30, 32 und über eine Feder abstützen, die aus elastischen Scheiben 60 besteht, die auf Zugstäben 61 mit Gewinde aufmontiert sind·

Die Pig· 2 und 3 veranschaulichen Schnitte durch die Brenn-kammer 6, wobei die Schnittlinien in der Fig. 1 duroh die Linien A-A und B-G angedeutet sind·

Der erste Querschnitt verläuft entlang der Axialebene der Bohrungen 53 in dem Montagering 40· Man erkennt die die Brennkammer 6 bildenden zylindr.isehen Wände, ohne die stählerne Wand 28, die nicht sichtbar ist· Bemerkenswert ist die starke Neigung der Bohrungen 53 gegenüber den Radialebenen»

Der zweite Querschnitt B-O zeigt alle die Brennkammer 6 bildenden Wände, wobei eines (47) der zur Messung des feuerfesten ifberzuges 26 dienenden Thermoelemente sichtbar ist. Schließlich

009821/0482

- ίο -

erkennt man noch die Anordnung des Einlasses und des Auslasses bzw. 64 für das Kühlwasser auf den beiden Seiten der Brennkammer 6 in der gleichen Horizontalebene durch die Kammerachse,

Die Zündeinrichtung 14 ist, wie bereits erläutert, in Figo 4 im Längsschnitt dargestellt. Diese Einrichtung ist eine Plasmafackel, die beispielsweise mit Argon gespeist wird·

Man erkennt die Kathode 62, die aus einem Wolframstab besteht, und die dazu koaxiale Anode 64 aus Kupfer. Beide Elektroden werden über ein Isolierstück 66 in korrekter Relativlage gehalten, das als Verteiler für das bei 68 durch einen in die Anode 64 eingearbeiteten Einlaß eintretende Argon dient. Eine mechanische Einrichtung mit einer Feder 70 und einem Stößel 72, die über das Isolieratück 74 mit den Elektroden verbunden ist, gestattet eine Verschiebung der Kathode 62 gegenüber der Anode 64·

Die Zündung dieser Fackel erfolgt entweder mittels Kurzschließen der Elektroden oder mittels einer Hochspannungsentladung·

Der in der Fig. 1 nicht sichtbare Injektor 76 für den Impfstoff ist in der Fig. 5 dargestellt. Er besteht aus zwei zueinander koaxialen Bauteilen 78 und 80, die in zueinander konzentrisohe Rohre 82 und 84 auslaufen, aus denen bei 86 eingeführte komprimierte Luft bzw· eine bei 88 eingeführte wässrige Lösung von Kaliumsalz austritt· Beim Verlassen dea kleinen Ausgangsrohres 84 wird der karbonatisierte Wasserstrom durch den

009821/0452

Düsenstrahl der komprimierten luft zu Tröpfchen dispergiert* Der Injektor 76 ist mit einer Nadel 90 versehen, die sich in Längsrichtung verschieben läßt und in die Rohre 82 und 84 eindringen kann, um gegebenenfalls den Auslaß zu öffnen, ohne den Betrieb zu unterbrechen. Man sieht einen gefederten Stößel 92, der die Betätigung der Kadel 90 erleichtert.

Von der Anmelderin ist ein erfindungsgemäßer Brenner geba.ut worden, dessen mittlere Leistung bei 100 kW lag und dessen Konusdiise einen Austrittsquer schnitt von 1,5 x 2,5 cm hatte.

Vor der Inbetriebnahme ist an die Elektroden der Zündvorrichtung eine Spannung von 70 W angelegt worden« Sobald diese aktiviert wird, fließt im Kurzschluß ein Strom von 25 Amp., und der Argonverbrauch beläuft sich auf 1 bis 1,5 kg pro Stunde.

Die dem Injektor 12 zugeführte alkoholische Kalilösung steht unter einem Druck von 3 bis 5 kg.

Die J^mjDejratur des Gases am Ausgang liegt "F<ft-25OQ⁰O K, und die Austrittsgeschwindigkeit beträgt 500 m pro Sekunde«,

009821/0452

Claims (4)

1. Patentansprüche

   1· Brenner zum Betrieb mit strömungsfähigem Brennstoff und einem Zündstoff aus mit Sauerstoff angereicherter überhitzter Luft zur Abgabe eines Verbrennungsgases mit hoher Temperatur und großer Austrittsgeschwindigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem konischen Kopfstück (4), einer zylindrischen Brennkammer (6) und einer Konusdüse (7) besteht und daß das Kopfstück (4) einen in der Brennerachse liegenden Injektor (12) zum Einspeisen von Brennstoff und primärem Zündstoff aufweist«
2. 2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektor (12) mit einem konischen Kopfstück (20) versehen ist, das tangentiale öffnungen (22) mit zur Brennerachse senkrechten Achsen aufweist.
3. 3· Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Oberfläche des Injektors (12) mit schraubenlinienförmigen Hüten zur Einführung des primären Zündstoffs versehen ist.
4. 4. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopfstück (20) des Brenners (2) eine aus einer mit einem stetigen Argonstrom gespeisten Plasmafackel bestehende Zündeinrichtung (14) (Fig. 4) und mindestens einen Impfstoffinjektor (Fig.5) besitzt,

   5· Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand (26) der zylindrischen Brennkammer (6) aus auf einen Zylinder (28) aus rostfreiem Stahl aufgebrachtem feuerfestem

   009821/0452

   Beton besteht und von einer zweiten Wand aus einem zu dem Zylinder (28) koaxialen Stahlzylinder (30) umgeben ist, daß die beiden Wände (26, 28 und 30) einen Ringkanal (36) begrenzen, in dem in Richtung von der Konusdüse (7) zu dem Kopfstück (4) Kühlluft umläuft, die als sekundärer Zündstoff dient und duroh über die Oberfläche der Innenwand (26) verteilte Injektionsöffnungen (53) in die Brennkammer (6) eintritt.

   6· Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Führung für die zwischen den beiden zylindrischen Wänden (26, und 30) der Brennkammer (6) strömende Kühlluft ein Draht schraubenlinienförmig auf eine der beiden Wände (26, 28 oder 30) aufgeschweißt ist.

   7· Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (6) zusätzlich zu den beiden ersten Wänden (26, 28 und 30) eine dritte (32) und eine vierte (34) Wand aus dazu koaxialen Stahlzylindern besitzt und daß zwischen der zweiten Wand (30) und der dritten Wand (32) ein thermisoh isolierendes Material angeordnet ist, während die dritte Wand (32) und die vierte Wand (34) einen von Kühlwasser durehströmten Ringkanal bilden»

   009821/0452

   Leerseite

   ORIGINAL INSPECTED