DE19604384A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Unterdrückung von Flammen-/Druckschwingungen bei einer Feuerung - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Unterdrückung von Flammen-/Druckschwingungen bei einer FeuerungInfo
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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.
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19604384A DE19604384A1 (de) | 1996-02-07 | 1996-02-07 | Verfahren und Vorrichtung zur Unterdrückung von Flammen-/Druckschwingungen bei einer Feuerung |
AT97100753T ATE216052T1 (de) | 1996-02-07 | 1997-01-18 | Verfahren und vorrichtung zur unterdrückung von flammen-/druckschwingungen bei einer feuerung |
EP97100753A EP0789193B1 (de) | 1996-02-07 | 1997-01-18 | Verfahren und Vorrichtung zur Unterdrückung von Flammen-/Druckschwingungen bei einer Feuerung |
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JP9024194A JPH09310818A (ja) | 1996-02-07 | 1997-02-07 | 燃焼設備における炎及び圧力脈動を抑制するための方法及び装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19604384A DE19604384A1 (de) | 1996-02-07 | 1996-02-07 | Verfahren und Vorrichtung zur Unterdrückung von Flammen-/Druckschwingungen bei einer Feuerung |
Publications (1)
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DE19604384A1 true DE19604384A1 (de) | 1997-08-14 |
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DE19604384A Withdrawn DE19604384A1 (de) | 1996-02-07 | 1996-02-07 | Verfahren und Vorrichtung zur Unterdrückung von Flammen-/Druckschwingungen bei einer Feuerung |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE19604384A1 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2017137149A1 (de) | 2016-02-08 | 2017-08-17 | Büchner Horst | Verfahren zur thermischen materialbehandlung |
-
1996
- 1996-02-07 DE DE19604384A patent/DE19604384A1/de not_active Withdrawn
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2017137149A1 (de) | 2016-02-08 | 2017-08-17 | Büchner Horst | Verfahren zur thermischen materialbehandlung |
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8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |