DE19604385A1 - 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 einhergeben 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 in den Brennraum eine verdampfbare Flüssigkeit einge­ düst wird, so daß sie und/oder ihr gasförmiger Dampf von außen mit in die sich im Außenbereich an der Flamme ausbildenden Ringwirbel eintritt bzw. miteingeschlossen 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 ein effektiver Weg be­ schritten, um die Temperatur des im Ringwirbel enthal­ tenen Gemisches abzusenken.

Die Eindüsung erfolgt dabei vorzugsweise kontinuier­ lich, um zu jedem Zeitpunkt eine ausreichende Flüssig­ keitsmenge zum Einschluß in einen sich bildenden Ring­ wirbel im Brennraum bereitzustellen.

Hierbei wird die Flüssigkeit entweder so eingedüst, daß sie direkt in den Wirbel gelangt. Dort verdampft sie dann, wobei die hierfür notwendige Verdampfungsenergie dem sich im Wirbel befindlichen Gemisch entzogen wird. Dies führt zu einer entsprechenden Abkühlung dieses in dem Ringwirbel eingeschlossenen, brennstoffhaltigen Ge­ misches, das damit außerhalb der normalerweise im Zu­ sammenhang mit heißen Rauchgasen vorliegenden Zündgren­ zen ist, das heißt, es ist nicht mehr reaktions- bzw. zündfähig.

Vorteilhafterweise handelt es sich dabei bei der Flüs­ sigkeit um Wasser oder eine wäßrige Lösung, was im Rahmen dieser Anmeldung unter dem begriff "Wasser" zu­ sammengefaßt wird.

Bei der oben beschriebenen Verdampfung der Flüssigkeit innerhalb des Ringwirbels ergibt sich dann nicht nur eine Abkühlung des Gemisches im Wirbel sondern gleich­ zeitig wird das Gemisch durch den entstehenden Wasser­ dampf entsprechend verdünnt, so daß bei der Abkühlung die Brennstoffkonzentration im Ringwirbel in den "zu mageren" Bereich außerhalb der Zündgrenzen verschoben wird.

Grundsätzlich kann die Absenkung der Gemischtemperatur aber auch erreicht werden, indem es sich bei der zuge­ führten Flüssigkeit um einen flüssigen Brennstoff (zum Beispiel Heizöl, Benzin etc.) handelt, wobei sich in diesem Fall die Brennstoffkonzentration bei der Tempe­ raturabsenkung in den Ringwirbeln in den für eine Zün­ dung "zu fetten" Bereich verschiebt.

Außer einer Eindüsung der verdampfbaren Flüssigkeit direkt in den Wirbel ist es auch möglich, die Flüssig­ keit in einen Bereich einzudüsen, der im Einzugsbereich der Ringwirbel liegt. Die Verdampfung der Flüssigkeit im Randbereich der Flamme bzw. in den heißen Rauchgasen läßt dann eine Dampfwolke entstehen, die anstelle der heißen Rauchgase mit in den Ringwirbel eingeschlossen wird. Hierdurch wird die Temperatur des im Ringwirbel enthaltenen Gemisches abgesenkt, da nun anstelle heißer Rauchgase vergleichsweise kaltes Medium, zum Beispiel Wasserdampf, bei der Wirbelbildung mit eingesogen wird. Aufgrund dieser Temperaturabsenkung und Verdünnung wird ebenfalls bewirkt, daß das im Wirbel vorliegende Ge­ misch außerhalb der von der Temperatur abhängigen Zünd­ grenzen und damit nicht mehr reaktions- bzw. zündfähig ist.

Um den Abkühlungseffekt im gesamten toroidal ausgebil­ deten Ringwirbel sicherzustellen, wird die Flüssigkeit gleichmäßig über den Umfang der Flamme verteilt in den Brennraum eingedüst. Dabei ist es vorteilhaft, die Flüssigkeit im Zuge dieser Eindüsung zu zerstäuben, da die Flüssigkeit so eine größtmögliche Oberfläche er­ hält, was ihrer zügigen und vollständigen Verdampfung zuträglich ist.

Dabei ergibt sich aus dem oben Gesagten, daß es am gün­ stigsten ist, die Flüssigkeit direkt in den Ringwirbel einzubringen, die Flüssigkeit also vorteilhafterweise in Richtung auf den Ringwirbel in den Brennraum einzu­ düsen.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine bekannte Feuerung mit einem Brenner und und einem Brennraum derart weitergebildet, daß sie mindestens eine Austrittsöffnung für verdampfbare Flüssigkeit auf­ weist, so daß im Bereich der Wirbelbildung bei der Auf­ rollung der Außenbereiche der Brennerströmung ein aus­ reichender Einschluß von bereits verdampfter oder noch innerhalb der Wirbel zu verdampfender Flüssigkeit ge­ währleistet ist.

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 sind die Austrittsöffnungen zur Ein­ düsung der verdampfbaren Flüssigkeit als über den Um­ fang eng beabstandete Strahl- oder Zerstäubungsdüsen ausgeführt, so daß die erzeugten Flüssigkeitsstrahle oder Tropfenwolken bzw. die nach einer Verdampfung der Flüssigkeit vorliegenden Dampfwolken die Brennerströ­ mung bzw. die Flamme möglichst vollständig an der Stelle der Wirbelaufrollung umschließen. Die Eindüsung der verdampfbaren Flüssigkeit kann dabei sowohl paral­ lel zur Brenner- bzw. Flammenachse als auch unter einem beliebigen Winkel hierzu erfolgen. Insbesondere ist eine Zufuhr der Flüssigkeit durch radiale Bohrungen an der Brennkammerwand unter einem Winkel von etwa 90° zur Brenner- bzw. Flammenachse möglich, grundsätzlich ist aber die Orientierung des Geschwindigkeitsvektors der ausgedüsten Flüssigkeit als auch der Betrag ihrer Aus­ trittsgeschwindigkeit in weiten Grenzen variabel, so­ lange gewährleistet ist, daß die Ausdüsung so gewählt wird, daß ein ausreichender Einschluß der Flüssigkeit und/oder ihres Dampfes in den sich bildenden Ringwirbel gewährleistet ist.

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 Brennstoff/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 den Ringwirbeln 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 mit der Bildungsfrequenz der toroidalen Ringwirbel identisch. Dies ist unabhängig davon, ob die Brenner­ ausströmung laminar oder turbulent ist.

Erfindungsgemäß wird jetzt Düsen 10, die an der Brenn­ raumwand 9 gleichmäßig um die Achse 6 verteilt befe­ stigt sind, eine verdampfbare Flüssigkeit 11, vorzugs­ weise Wasser, durch die Brennraumwand 9 hindurch zuge­ führt und in den Ringwirbel 7 eingesprüht. Das in den Ringwirbel 7 eingesprühte Wasser verdampft dort, wobei es den heißen Wirbeln die hierfür notwendige Verdamp­ fungsenergie entzieht und sie abkühlt, wobei der sich bildende Dampf gleichzeitig die Brennstoffkonzentration im Ringwirbel absenkt.

Aufgrund dieser Temperaturabsenkung im Ringwirbel 7 und der gleichzeitigen Verringerung des Brennstoffgehaltes, tritt bei dem Ringwirbel keine Entzündung mehr auf und dementsprechend kein entsprechender Druckanstieg. 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 Düsen 10 in ausreichend gleichmäßiger Verteilung um die Mittelachse 6 der Flamme bewirkt, daß der toroidale Ringwirbel auf dem gesamten Umfang der Flamme 2 mit verdampfbarer Flüssigkeit dotiert wird und entsprechend abgekühlt wird, wobei durch eine entspre­ chende Neigung der Düsen 10 gegenüber der Flammenachse 6 sichergestellt wird, daß die eingedüste Flüssigkeit möglichst zielgenau an die Stelle gespritzt wird, an der der Ringwirbel entsteht.

Sollte die Flüssigkeit in dem Bereich benachbart zur Flamme oder in den Randbereich der Flamme 2 eingesprüht werden, bevor die Flammenströmung die toroidalen Ring­ wirbel bildet, so verdampft die Flüssigkeit dort und der entstehende Dampf verdrängt die heißeren Rauchgase. Dieser kühlere Dampf wird dann anstelle des Rauchgases in den Ringwirbel eingesogen was bei diesem ebenfalls zu einer niedrigeren Temperatur und Verdünnung und damit der Verhinderung von periodisch auftretenden Ab­ reaktionen der Ringwirbel führt.

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 (14)

1. Verfahren zur Unterdrückung von Flammen-/Druck­ schwingungen bei einer Feuerung, die einen Brenner (1) aufweist, mit dem eine Flamme (2) erzeugt wird, und einen Brennraum (3), in den die Flamme (2) gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in den Brennraum (3) eine verdampfbare Flüssigkeit (11) eingedüst wird, so daß sie und/oder ihr gasförmi­ ger Dampf von außen mit in die sich im Außenbereich an der Flamme (2) ausbildenden Ringwirbel (7) eintritt.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit kontinuierlich eingedüst wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit im Ringwirbel verdampft.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit Wasser ist.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit flüssiger Brennstoff ist.

6. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eindüsung der Flüssigkeit in den Brennraum auf den Bildungsort der Ringwirbel gerichtet ist.

7. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit bei der Eindüsung in den Brennraum zerstäubt wird.

8. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Wirbel ein Brennstoff-/Dampf-/Gas-/Luft-Ge­ misch bildet, das außerhalb der von Temperatur und Brennstoffgehalt abhängigen Zündgrenzen ist.

9. Feuerung mit einem Brenner (1) und einem Brennraum (3), dadurch gekennzeichnet, daß sie Düsen (10) aufweist zur Zuführung einer ver­ dampfbaren Flüssigkeit zwecks Durchführung des Verfah­ rens gemäß einem oder mehreren der vorherigen Ansprü­ che.

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

11. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (10) durch die Seitenwände (9) des Brenn­ raumes (3) mit Flüssigkeit zu versorgen sind.

12. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (10) eine Neigung gegenüber der Flammen­ achse (6) aufweisen.

13. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (10) Strahldüsen sind, deren Strahl auf den Ringwirbel (7) gerichtet ist.

14. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (10) Zerstäubungsdüsen sind.