DE2319494A1 - Brennkammer fuer fluessige oder gasfoermige brennstoffe - Google Patents

Brennkammer fuer fluessige oder gasfoermige brennstoffe

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DE2319494A1
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DE19732319494
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English (en)
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Hershel E Goodnight
Robert D Reed
John Smith Zink
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Zinklahoma Inc
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John Zink Co
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23DBURNERS
    • F23D11/00Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23DBURNERS
    • F23D14/00Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion Of Fluid Fuel (AREA)

Description

  • "Brennkammer für flüssige oder gasförmige Brennstoffe" Die Erfindung befasst sich mit einer Brennkammer für flüssige oder gasförmige Brennstoffe und betrifft insbesondere eine solche Kammer, in der Luft und Brennstoff innig miteinander vermischt werden, so dass am Kammerausgang eine im wesentlichen "flammenlose" Verbrennung stattfindet. Diese Brennkammer soll dabei so gebaut sein, dass sie dem Brennstoff-Luft-Gemisch eine lange Verweilzeit bietet, so dass mit einem minimalen Luftüberschuss eine vollständige Verbrennung erreicht werden kann und eine möglichst geringe Menge die Luft verschmutzender Verbrennungsprodukte erzeugt wird.
  • Bei der Verbrennung von flüssigen Brennstoffen besteht das Problem darin, eine ausreichende Sauerstoffmenge bereitzustellen, damit der in dem Brennstoff vorhandene Kohlenstoff und Wasserstoff vollständig zu Kohlendiozyd und Wasser verbrennen, und zwar ohne einen Luftmangel oder einen Luftüberschuss, aufgrund-dessen unerwünschte Verschmutzungsstoffe in die Atmosphäre gelangen könnten. Um eine solche Verbrennung zu erreichen, muss den Faktoren Flammen, Temperatur und Verweilzeit besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Je länger die Verweilzeit ist, desto niedriger ist die erforderliche Temperatur und umgekehrt. Jede Erhöhung der Temperatur oder Verweilzeit führt zu einer Kostensteigerung. In der US-PS 3 476 494 ist dargestellt, wie sich in einer Brennkammer durch Schaffung einer schrägen Auskehlung am Eintrittsende eine Vergrösserung der Verweil zeit erreichen lässt, wobei der eingeschlossene Winkel dieser Auskehlung annähernd demjenigen des Brennstoffsprühwinkels entspricht.
  • Mit solchen Konstruktionen lässt sich aber eine Verweilzeitverlängerung für eine vollständige Verbrennung insbesondere zum Abbau ausländischer Brennstoffe, wie Kohlenstofftetrachlorid, nicht erreichen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Brennkammer zu schaffen, die eine optimale Vermischung von flüssigem Brennstoff und Luft sowie eine lange Verweilzeit des Brennstoff-Luft-Gemisches ermöglicht, so dass eine vollständige Verbrennung mit einem minimalen Luftüberschuss stattfinden kann.
  • Zu diesem Zweck wird der druck- und geschwindigkeitsabhängige Brennstoff- und Luftstrom so gesteuert, dass sich eine lange Verweilzeit ergibt. Dies geschieht auf zweierlei Arten, nämlich erstens die Luft oder ein anderes die Verbrennung unterhaltende Gas wird dazu gebracht, sich auf einer schraubenförmigen Bahn im Inneren der Brennkammer zu bewegen, und zweitens durch Einbau einer Stirnwand am Austrittsende der Brennkammer wird ein Rückströmen der Luft in Richtung auf das Eintrittsende bewirkt, bevor die Luft schliesslich durch die Austrittsöffnung ausgetragen wird. Je länger der Strömur,gsweg des Luft-Brennstoff-Gemisches ist, je grösser ist auch die Verweilzeit, während das Rückströmen eine bessere Durchmischung von Luft und Brennstoff bewirkt.
  • Durch diese beiden Verbesserungen wird also eine vollständigere Verbrennung mit einem nur geringen Luftüberschuss erreicht, als dies bei den bekannten Brennkammern der Fall ist.
  • Die erfindungsgemässe Brennkammer hat die Form einer ylindrischen Kammer, die in einer ersten Stirnwand mit einer kreisrunden Eintrittsöffnung und in einer zweiten Stirnwand mit einer kreisrunden Austrittsöffnung versehen ist. Luft tritt unter Druck in einen kreisrunden Raum ein, wobei mehrere schräge Flügel oder Düsen vorhanden sind, die dem Luftstrom eine Tangential bewegung erteilen und dadurch einen schraubenförmigen Strömungswirbel in die Kammer hinein erzeugen. Flüssiger Brennstoff wird in die Kammer hineingesprüht, und zwar in Form einer weit geöffneten, kegelförmigen Fläche, wobei er sich mit der Luft vermischt und verbrennt. Die schraubenförmige Strömung bewirkt in Verbindung mit der Strömungseinschnürung der zweiten Stirnwand der Austrittsöffnung eine lange Verweilzeit und eine vollständige Verbrennung des Brennstoff-Luft-Gemisches.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
  • In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine geschnittene Seitenansicht einer Ausführungsform der Brennkammer, Fig. 2 eine Schnittansicht längs der Linie 2-2 in Fig. 1, Fig. 3 eine Schnittansicht längs der Linie 3-3 in Fig. 1 und Fig. 4, 5 und 6 andere Konfigurationen des keramischen Formstücks für die Brennkammer-Eintrittsöffnung.
  • In Fig. 1 ist eine senkrechte Schnittansicht der allgemein mit 10 bezeichneten Brennkammer gezeigt. Der Füllraum für die eintretende Verbrennungsluft ist mit 12 bezeichnet.
  • Die Brennkammer weist ein zylindrisches Gehäuse 14 auf, dessen Achse bei 15 dargestellt ist. Das Gehäuse ist auf seiner Innenwand 1 7 in an sich bekannter Weise mit einem hochtemperaturbeständigen oder keramischen Material ausgekleidet. Die Brennkammer 10 hat zwei Stirnwände 16 und 18, die ebenfalls mit einer Auskleidung versehen sind. Durch eine vorhandene Eintrittsöffnung 20 strömen Luft und Brennstoff in die Kammer ein,unddurch eine Austrittsöffnüng 22 verlassen die.heissen Verbrennungsprodukte diese Kammer. Ein Flansch 23 dient zur Befestigung der Brennkammer 10 an einem Boiler oder an einer anderen Vorrichtung, wo die Verbrennungsprodukte verwendet werden können. Ein bevorzugter Durchmesser für die Austrittsöffnung 22 ist annähernd der halbe Durchmesser der Innenwand 17 der Kammer, obgleich dies keine Beschränkung darstellen soll.
  • Der Eintrittsluftfüllraum 12 bildet einen in axialer Richtung kurzen Zylinder von im wesentlichen demselben Durchmesser wie das Gehäuse 14, der an dem Gehäuse durch Anschweissen oder mit Hilfe des Flansches 32 und der Schrauben 34 befestigt ist. Der Füllraum weist eine Innenwand 26 auf, die eine zentrale Öffnung hat, welche mit derjenigen der Wand 16 fluchtet, sowie eine Aussenwand 28, Mehrere Flügel 36 werden zwischen den Wänden 26, 28 durch Tragelemente, beispielsweise Zylinder 37, getragen. Diese Flügel sind gewöhnlich kürzer als der Füllraum und sind auf einem Kreis um die Achse 15 angeordnet und so geneigt, dass sie der Luft eine Tangentialbewegung erteilen. Auf der Achse 15 ist ein Brennstoffleitungsrohr 42 angeordnet, das mit einem Kreis Öffnungen 43 versehen ist, die so angeordnet sind, dass sie Brennstoff längs einer konischen Fläche in den angrenzenden Raum aussprühen, wie dies durch die Pfeile 46 angedeutet ist. Für diese Brennkammer lassen sich entweder flüssige oder gasförmige Brennstoffe verwenden. Eine Zündvorrichtung oder eine ständig brennende Flamme 44 lassen sich ebenfalls vorsehen.
  • Die zentrale Öfrnung 20 in der Wand 16 weist ein ringförmiges, keramisches Formstück 48 auf, das genau in die Öffnung passt. Dieses Formstück besitzt eine sich nach aussen zu erweiternde Oberfläche 50, mit der der Luftstrom in einen expandierenden schraubenförmigen Wirbel übergeführt werden kann.
  • Die in den Füllraum 12 eintretende Luft steht unter einem gewählten Druck und wird von einer nicht gezeigten Pumpe oder einem Gebläse geliefert. Sie strömt durch die Eintrittsöffnung 27 gemäss den Pfeilen 38A, 38B (Fig. 2) rund um den Umfang der auf einem Kreis angeordneten Flügel 36. Sie gelangt dann zwischen die Flügel, wie durch Pfeile 40A, 40B kenntlich gemacht ist, die eine Umfangsströmung erzeugen, welche sich bei ihrer Axialbewegung durch die Öffnung 20 hindurch zu einem Wirbel 52 ausdehnt. Die Länge des Strömungsweges der Luft in diesem Wirbel.ist natürlich viel grösser als die axiale Länge der Kammer, wodurch die Verweilzeit des Brennstoff-Luft-Gemisches gegenüber der einer Axialströmung länger ist.
  • Da die Flügel kürzer sind als die Füllkammer lang ist, stellt sich rund um den Umfang der Kammer ein im wesentlichen gleichförmiger Druck ein, und die Tangentialströmung der Luft zwischen den Flügeln 40A, 40B erfolgt gleichmässig rund um die Achse 15, wodurch sich ein Gleichgewichtswert für das Verhältnis von Luft zu Brennstoffeinstellt.
  • Die vorhandene Oberfläche 1 8A der Wand 18 erzeugt eine Wiedereintrittsströmung oder Rückströmung 56 und ein Zurückströmen des brennenden Brennstoff-Luft-Gemisches, bevor dieses Gemisch schliesslich aus der Öffnung 22 austritt. Dieses Zurückströmen ist die Ursache für eine längere Verweilzeit und auch für eine zusätzliche Durchmischung von Brennstoff und Luft. Dieser ausbalancierte Verhältniswert des Brennstoff-Luft-Gemisches in Verbindung mit der Vermischung in dem schraubenförmigen Wirbel, der bewirkten Rückströmung des Gemisches und der langen Verweilzeit schaffen die Bedingungen für eine wirksame und vollständige Verbrennung, die die Verwendung eines minimalen Luftüberschusses ermöglichen und auf diese Weise zu einem Minimum an Verschmutzungsteilchen in den Abgasen führen.
  • Ausserdem gestattet die lange Verweilzeit die Verbrennung schwer verbrennbarer Brennstoffe und die Oxydation von nur schwer umzusetzenden Materialien.
  • Bei der Konstruktion des Eintritts 20 ist der Durchmesser immer so klein wie möglich zu halten. Der Austritt 22 wird durch den zulässigen Druckverlust vorgeschrieben, der für den Austritt des gewünschten Volumens notwendig ist, wobei jedoch dieser Durchmesser immer kleiner ist als der Durchmesser der Innenwand 17, so dass eine Prallplatte für die Strömungsrückführung gebildet wird. Bei der Bestimmung des Innenwanddurchmessers müssen die jeweiligen zu verarbeitenden Brennstoffe hinsichtlich des benötigten Volumens, das für die Verweilzeit verlangt wird, in Rechnung gestellt werden. Gewöhnlich wird dabei eine minimale Zeit von etwa 0,5 sec. veranschlagt.
  • Obgleich sich die Flügel 36 in der Zeichnung nur zum Teil über die Länge der Fülikammer erstrecken, können sie sich natürlich auch von Wand zu Wand erstrecken, wie dies in gestrichelten Linien 36A in der Zeichnung dargestellt ist.
  • Anstelle des in Fig. 1 gezeigten Eintrittsformkörpers 48 können auch andere Formkörperkonfigurationen verwendet werden, wie sie in Teilschnitten in den Fig. 4, 5 und 6 dargestellt sind.
  • Ausserdem kann die Austrittsöffnung 22, die vorzugsweise koaxial zur Eintrittsöffnung angeordnet ist, gegenüber dieser auch versetzt also nicht koaxial liegen. Anstelle einer kreisförmigen Umrissform für die Austrittsöffnung 22 ist auch eine nicht kreisförmige denkbar.

Claims (5)

  1. PATENTANSPRÜCH E:
    Brennkammer für flüssige und gasförmige Brennstoffe zur vollständigen Verbrennung dieser Brennstoffe mit einem minimalen Luftüberschuss, gekennzeichnet durch eine mit einer hitzebeständigen Auskleidung versehene, zylindrische Kammer (10), die mit einer hitzebeständigen Verkleidung versehene Stirnwände (16, 17) aufweist, die im wesentlichen eben sind und lotrecht zur Achse (15) der Kammer liegen, eine erste einzelne, kreisrunde Öffnung (20) in der ersten Stirnwand (16) für den Eintritt des Brennstoffes und der Verbrennungsluft, eine zweite in der zweiten Stirnwand (18) befindliche Öffnung (22) für den Austritt heisser Verbrennungsprodukte, einen Eintrittsluftfüllraum (12), der koaxial zu der ersten Öffnung (20) angeordnet ist und an diese Öffnung angrenzt, mehrere auf einem Kreis konzentrisch zu der Kammerachse (15) in gleichförmigem Abstand angeordnete Flügel (36), die geneigt sind, um der eintretenden Luft eine Tangentialbewegung zu zerteilen, wobei die eintretende Luft vollständig durch die Flügel (36) und die erste Öffnung (20) hindurch in Form eines schraubenförmigen Wirbels (52) in die Kammer hineinströmt, ferner durch eine Brennstoffatfuhrvorrichtung, zu der eine Zufuhrleitung (42) gehört, die in der Kammerachse (15) liegt, sowie eine Öffnungsanordnung (43), die aus mehreren Öffnungen besteht, welche so ausgerichtet sind, dass sie Brennstoff in Form einer konischen Fläche konzentrisch zur Kammerachse (15) in die Kammer (24) hineinverteilen, und durch eine Zündvorrichtung (44) für das in die Kammer eintretende Luft-Brennstoff-Gemisch, so dass ein schraubenförmiger Wirbel aus Luft und brennendem Brennstoff in die Brennkammer (10) hineinzieht und sie auf einer schraubenförmigen Bahn durchquert, die länger ist als die Kammer lang ist, wobei die Verweilzeit gross genug ist, um eine vollständige Verbrennung des Brennstoffes mit einem minimalen Luftüberschuss zu erreichen.
  2. 2. Brennkammer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine hitzebeständige, ringförmige Auskleidung (48) für die erste Öffnung (20), wobei die innere Oberfläche dieser ringförmigen Auskleidung in Richtung auf die Kammer (24) eine sich nach aussen zu erweiternde, konische Fläche (50) bildet.
  3. 3. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der in der zweiten Wand (18) befindlichen Öffnung (22) im wesentlichen gleich der Hälfte des Durchmessers der Kammer beträgt.
  4. 4. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff ein Gas ist.
  5. 5. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff eine Flüssigkeit ist.
    L e e r s e i t e
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2739420A1 (de) * 1977-09-01 1979-03-15 Parsons Co Ralph M Verfahren und vorrichtung fuer die behandlung von industriellen abgasen
EP0021321A2 (de) * 1979-06-27 1981-01-07 Bayer Ag Drallbrenner
CN105605570A (zh) * 2016-03-14 2016-05-25 中南大学 旋流回流组合式油雾化烧嘴

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CN105605570A (zh) * 2016-03-14 2016-05-25 中南大学 旋流回流组合式油雾化烧嘴

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