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"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.
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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.
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Mit solchen Konstruktionen lässt sich aber eine Verweilzeitverlängerung
für eine vollständige Verbrennung insbesondere zum Abbau ausländischer Brennstoffe,
wie Kohlenstofftetrachlorid, nicht erreichen.
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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.
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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.
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Durch diese beiden Verbesserungen wird also eine vollständigere Verbrennung
mit einem nur geringen Luftüberschuss erreicht, als dies bei den bekannten Brennkammern
der Fall ist.
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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.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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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.
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In Fig. 1 ist eine senkrechte Schnittansicht der allgemein mit 10
bezeichneten Brennkammer gezeigt. Der Füllraum für die eintretende Verbrennungsluft
ist mit 12 bezeichnet.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ausserdem gestattet die lange Verweilzeit die Verbrennung schwer verbrennbarer
Brennstoffe und die Oxydation von nur schwer umzusetzenden Materialien.
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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.
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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.
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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.
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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.