DE19604384A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Unterdrückung von Flammen-/Druckschwingungen bei einer Feuerung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Unterdrückung von Flammen-/Druckschwingungen bei einer Feuerung, die einen Brenner aufweist, mit dem eine Flamme erzeugt wird, und einen Brennraum, in den die Flamme gerichtet ist, sowie eine entsprechende Vorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens.

Bei industriellen Verbrennungsanlagen wie Gasturbinen­ brennkammern, Winderhitzern Rückstandsverbrennungsan­ lagen oder Industrieöfen, aber auch bei Kleinfeuerungen wie Gasboilern: oder Heizkesseln im häuslichen Nutzungs­ bereich treten unter bestimmten, durch die feuerungs­ technischen Betriebsparameter wie thermische Leistung und Luftzahl festgelegten Bedingungen instabile Be­ triebszustände auf, die durch zeitperiodische Änderun­ gen der Flamme gekennzeichnet sind, die einhergehen mit Änderungen insbesondere des statischen Druckes in der Brennkammer sowie in dieser vor- oder nachgeschalteten Anlagenteilen. Das Auftreten dieser Verbrennungsinsta­ bilitäten bewirkt oftmals ein gegenüber dem stationären Betrieb der Anlage verändertes Verhalten und verursacht neben einer erhöhten Lärmbelästigung auch eine ver­ stärkte mechanische und/oder thermische Beanspruchung der Brennkammer bzw. der Brennkammerauskleidung.

Derartige Flammen-/Druckschwingungen können unter un­ günstigen Verhältnissen bis zur Zerstörung der Anlage führen, in der sie auftreten, so daß viel Aufwand ge­ trieben wird, um derartige Flammen-/Druckschwingungen zu vermeiden. So verändert man beispielsweise die Brennkammergeometrie durch spezielle Einbauten, was aber häufig nur zu einer Verschiebung der auftretenden Schwingungsfrequenzen führte und somit nicht zu einer generellen Lösung des Problemes beiträgt. Ansonsten werden bei auftretenden Flammen-/Druckschwingungen jeweils spezielle Maßnahmen auf empirischer Basis er­ griffen.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zu­ grunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem derartige Flammen-/Druckschwingungen mit nicht tolerierbaren Druckamplituden zu verhindern sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem Brennraum ein Gas zugeführt wird, das im Bereich von sich im Außenbereich an der Flamme ausbildenden Ringwirbeln so auf die Flamme trifft, daß das Gas mit in die Wirbel bei deren Bildung eingeschlossen wird.

Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß die Schwingungen im wesentlichen durch sich im Randbe­ reich der Flamme bzw. der Brennstoff und Luft enthal­ tenden Brennerströmung ausbildende Ringwirbel verur­ sacht bzw. energetisch unterhalten und verstärkt werden. Diese Ringwirbel, die durch Aufrollung der Randbereiche der brennstoffhaltigen Brennerströmung entstehen, schließen bei ihrer Bildung heiße Rauchgase mit ein, die ein schnelles Aufheizen des im Ringwirbel enthaltenen Brennstoff/Luft-Gemisches bewirken, was zu einer impulsartigen, druckschwingungsanregenden Abreak­ tion des Brennstoffes führt. Dabei ist ein wesentlicher Aspekt, daß die Temperaturerhöhung aufgrund der heißen Rauchgase im Wirbel eine erhebliche Ausdehnung des Zündfähigkeitsbereiches des im Wirbel eingeschlossenen brennstoffhaltigen Gemisches bewirkt. Das heißt, ein normalerweise nicht zündfähiges Brennstoff/Luft-Gemisch aus dem Randbereich der Brennerströmung wird aufgrund der durch Rauchgaseinschluß bedingten Temperaturerhö­ hung im Wirbel zündfähig und kann damit zu den genann­ ten Reaktionen führen.

Um diesen Effekt zu umgehen, wird mit dem Verfahren ge­ mäß der vorliegenden Erfindung in einem Bereich Gas vorgelegt, aus dem es bei der Wirbelbildung, also bei der Aufrollung der Randbereiche der brennstoff-/luft­ haltigen Brennerströmung, mit in den Wirbel einge­ schlossen wird und damit die Temperatur des im Ringwir­ bel enthaltenen Gemisches absenkt, da nun anstelle heißer Rauchgase ein vergleichsweise kaltes Medium bei der Wirbelbildung mit eingeschlossen wird. Diese Abküh­ lung bewirkt, daß das in den Ringwirbel eingeschlosse­ ne, brennstoffhaltige Gemisch nun außerhalb der norma­ lerweise in Zusammenhang mit heißen Rauchgasen vorlie­ genden Zündgrenzen ist, das heißt, es ist nicht mehr reaktions- bzw. zündfähig.

Die Zuführung von Gas erfolgt dabei vorzugsweise konti­ nuierlich, um zu jedem Zeitpunkt eine ausreichende Gas­ menge zum Einschluß in einen sich bildenden Ringwirbel im Brennraum bereitzustellen.

Grundsätzlich kann diese Absenkung der Gemischtempera­ tur auch erreicht werden, indem es sich bei dem zuge­ führten kalten Gas um ein ausreichend brennstoffhalti­ ges Medium oder reines Brenngas (zum Beispiel Methan oder Erdgas) handelt, wobei sich in diesem Fall die Brennstoffkonzentration bei der Temperaturabsenkung in den Ringwirbeln in den für eine Zündung "zu fetten" Be­ reich verschiebt.

Vorzugsweise ist das Gas aber nicht-brennstoffhaltig, das heißt der im Ringwirbel enthaltende Brennstoff wird verdünnt und die Brennstoffkonzentration wird ohne die mit dem sonst bei Rauchgaseinschluß einhergehende Tem­ peraturerhöhung im Wirbel in den "zu mageren" Bereich außerhalb der Zündgrenzen verschoben.

Bevorzugterweise handelt es sich bei dem nicht-brenn­ stoffhaltigen Gas um Luft, die überall in ausreichender Menge zur Verfügung steht. Die Luft hat insbesondere Umgebungstemperatur, wobei es aber grundsätzlich aus­ reicht, wenn sie im Verhältnis zu den heißen Rauchgasen als "kalt" angesehen werden kann. Es ist zwar auch denkbar, anstelle von Luft ein inertes Gas zu verwen­ den, was allerdings einen gewissen Kostennachteil zur Folge hätte.

Um den Abkühlungseffekt im gesamten toroidal ausgebil­ deten Ringwirbel sicherzustellen, wird das Gas gleich­ mäßig über den Umfang der Flamme verteilt zugeführt, insbesondere in einer im wesentlichen tangential in den Wirbel hineinlaufenden Strömung, wodurch das Eintreten des Gases in den Wirbel sicherzustellen ist.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine bekannte Feuerung mit einem Brenner und einem Brennraum derart weitergebildet, daß sie Gasaustritts­ öffnungen aufweist zur Gaszuführung zwecks Durchführung des bisher beschriebenen Verfahrens, das heißt die Gas­ zuführungen sind so angeordnet, daß das aus ihnen aus­ strömende Gas im Bereich der Bildung der Ringwirbel durch Aufrollung der Außenbereiche der Brennerströmung mit eingeschlossen wird.

Die genaue Lokalisierung dieser Wirbelaufrollung ist stark von der jeweiligen Brennkammergeometrie und -aus­ führung abhängig, wie auch die Frequenz und die Ampli­ tude der durch derartige Wirbel bewirkte Druckschwin­ gungen im wesentlichen brennkammerspezifisch sind, so daß die konstruktive Auslegung der Feuerung in bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren individuell angepaßt werden muß.

Bevorzugterweise wird die Feuerung mit einer Gasaus­ trittsöffnung in Form eines Spalts oder einer Spaltdüse ausgebildet, die die eigentliche Brennerströmung um­ schließt, wodurch an der Stelle des sich ausbildenden Ringwirbels aus dem Gasmantel entsprechend kühles Gas in den Wirbel mit eingezogen wird. Hieraus ergibt sich aber auch, daß die Ausströmung des zusätzlichen Gases sowohl parallel zur Brenner- bzw. Flammenachse als auch unter einem beliebigen Winkel zu dieser Achse erfolgen kann, solange gewährleistet ist, daß das Einbringen des Gases in den Wirbel sichergestellt ist. Insbesondere ist der Betrag der Geschwindigkeit, mit der das Gas aus den Gasaustrittsöffnungen austritt, wie auch die Orien­ tierung seines Geschwindigkeitsvektors in weiten Gren­ zen beliebig.

Dabei kann anstelle eines wie oben beschrieben einzel­ nen Spaltes auch eine Vielzahl einzelner, kleiner Gas­ austrittsöffnungen vorgesehen werden, die ringförmig um die Brennerströmung bzw. die Flamme herum angeordnet sind, wobei der Abstand zwischen einzelnen Gasaus­ trittsöffnungen derart gering zu wählen ist, daß eine ausreichende Zufuhr des kühlenden und verdünnenden Gases über den gesamten Umfang der Flamme an der Stelle der Wirbelaufrollung gewährleistet bleibt.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausfüh­ rungsbeispiels für eine Feuerung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei zeigt

Fig. 1 eine Prinzipskizze einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem sich an einer Flamme ausbildenden toroidalen Ringwirbel.

Fig. 1 ist ein Schnitt durch eine Feuerung, bei der ein Brenner 1 eine Flamme 2 erzeugt, die in einen Brennraum 3 gerichtet ist. Dem Brenner 1 wird über ein Rohr 4 ein Brenngas/Luft-Gemisch 5 zugeführt, das stromab des mit einem nicht dargestellten Drallge­ schränk versehenen Brenners entzündet wird und die sich entlang einer Mittelachse 6 erstreckende Flamme 2 bil­ det.

In einem gewissen axialen Abstand vom Brenner 1 rollen sich die Außenbereiche der Flamme 2 zu einem toroidalen Ringwirbel 7 auf, wobei zwischen dem Ringwirbel 7 und der Flamme 2 sich ein konvergenter Spalt 8 ausbildet, durch den der Wirbel um ihn herum befindliches Gas in sich einsaugt. Üblicherweise saugt er hier heiße Rauch­ gase aus dem Brennraum 3 ein, die so heiß sind, daß sich der Ringwirbel 7 auf eine Temperatur aufheizt, bei der es zu einer Entzündung des in dem Ringwirbel ent­ haltenen Brennstoff/Luft-Gemisches kommt. Hierdurch wird eine Druckschwingung angeregt bzw. durch die zur Druckschwingung phasenrichtige Abreaktion des in den periodisch gebildeten und verbrennenden Ringwirbeln enthaltenen Brennstoff/Luft-Gemisches unterhalten und verstärkt. Hierbei ist die Frequenz der Druckschwingung und die Bildungsfrequenz der toroidalen Ringwirbel identisch. Dies ist unabhängig davon, ob die Brenner­ ausströmung laminar oder turbulent ist.

Erfindungsgemäß wird jetzt durch Gasaustrittsöffnungen 10, die in der Brennraumwand 9 gleichmäßig um die Achse 6 verteilt angeordnet sind, Luft 11, vorzugsweise von Umgebungstemperatur, dem Brennraum 3 zugeführt, so daß sie gemäß den Pfeilen 12 in den konvergenten Spalt 8 tangential zum Ringwirbel 7 eingesaugt wird und dabei die heißen Rauchgase verdrängt. Damit wird die Tempera­ tur der Ringwirbel 7 abgesenkt und gleichzeitig der Brennstoffgehalt entsprechend verringert, so daß bei den Ringwirbeln keine Entzündung mehr auftritt und dem­ entsprechend keine entsprechende druckschwingungsanre­ gende periodische Verbrennung der Ringwirbel. Damit sind die oben beschriebenen Druckschwingungen bereits im Entstehen verhindert und dieser, die Feuerung sowohl mechanisch als auch thermisch stark belastende Effekt wird vermieden.

Die Anordnung der Gasaustrittsöffnungen 10 in ausrei­ chend gleichmäßiger Verteilung um die Mittelachse 6 der Flamme bewirkt, daß der toroidale Ringwirbel auf dem gesamten Umfang der Flamme 2 entsprechend abgekühlt wird, wobei durch eine entsprechende Neigung der Gas­ austrittsöffnungen 10 gegenüber der Flammenachse 6 sichergestellt wird, daß das austretende Gas möglichst zielgenau an die Stelle befördert wird, an der der Ringwirbel entsteht, so daß das Gas den sich dort aus­ bildenden Ringwirbeln auf bestmöglichste Weise zuge­ führt wird.

Zusammenfassend hat die Erfindung den Vorteil, daß un­ abhängig von der Art der Verbrennungsführung, das heißt diffusiv, teilvorgemischt oder voll vorgemischt, auf­ tretende Druckschwingungen zu vermeiden sind, die durch die periodische Abreaktion bzw. Verbrennung toroidaler, je nach Strömungsführung laminarer oder turbulenter Ringwirbel energetisch unterhalten bzw. verstärkt werden.

Claims (11)

1. Verfahren zur Unterdrückung von Flammen-/Druck­ schwingungen bei einer Feuerung, die einen Brenner (1) aufweist, mit dem eine Flamme (2) erzeugt wird, und ei­ nen Brennraum (3), in den die Flamme (2) gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß dem Brennraum (3) ein Gas (11) zugeführt wird, das im Bereich (8) von sich im Außenbereich an der Flamme (2) ausbildenden Ringwirbeln (7) so auf die Flamme trifft, daß das Gas (11) mit in die Wirbel eintritt.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas kontinuierlich zugeführt wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas (11) einen Brennstoffgehalt und eine Tempe­ ratur hat, daß das Brennstoff/Gas-Gemisch, das sich im Wirbel (7) bildet, außerhalb der von Temperatur und Brennstoffgehalt abhängigen Zündgrenzen ist.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas (11) nicht brennstoffhaltig ist.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas Luft ist.

6. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas (11) gleichmäßig über den Umfang der Flamme (2) verteilt zugeführt wird.

7. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas (11) im wesentlichen tangential zum Wirbel (7) zugeführt wird.

8. Feuerung mit einem Brenner (1) und einem Brennraum (3), dadurch gekennzeichnet, daß sie Gasaustrittsöffnungen (10) aufweist zur Gaszu­ führung zwecks Durchführung des Verfahrens gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasaustrittsöffnungen (10) gleichmäßig um eine Mittelachse (6) der Flamme (2) angeordnet sind.

10. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasaustrittsöffnungen (10) in den Seitenwänden (9) des Brennraumes (3) angeordnet sind.

11. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasaustrittsöffnungen (10) eine Neigung gegen­ über der Flammenachse (6) aufweisen.