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Rückführbrenner Die vorliegende Erfindung behandelt die Verbesserung
von Rückführbrennern, insbesondere von solchen für Kohlenwasserstoffe.
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Bei bekannten Brennern dieser Art wird durch die Injektorwirkung des
in ein Mischrohr eintretenden Strahls der Verbrennungsluft heißes Verbrennungsgas
aus der Brennkammer in einen Raum vor dem Mischrohr des Injektors zurückgesaugt
und in der Achse des Luftstrahls auch der Brennstoff in das Mischrohr eingedüst.
Dabei ist es unvermeidlich, daß der Brennstoff zuerst mit der Verbrennungsluft in
Verbindung kommt, ehe er sich mit heißem Rückführgas mischt. Nun ist es aber für
die Vorbereitung des Kohlenwasserstoffs auf eine schnelle und aldehydische Verbrennung
wichtig, daß der Brennstoffstrahl zuerst in das heiße Abgas eintritt, dort gegebenenfalls
verdampft und sich mit dem heißen C02 und H20 des Rückführgases umsetzt ehe nach
dieser Aufbereitung eine innige Mischung mit der Verbrennungsluft im Mischrohr erfolgt.
Bei einem bekannten Brenner wird diese Forderung dadurch erfüllt, daß die ituft
aus einer Ringdüse,oder einen Kranz von Luftdüsen, vor oder in dem Mischrohr erfolgt.
Abgesehen von dem schlechteren Wirkungsgrad solcher Ringdüsen bereitet die Zufuhr
der Luft zu diesen erhebliche konstruktive Schwierigkeiten.
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Die Aufgabe, den Brennstoff zunächst nur mit Abgas in Verbindung zu
bringen bei einfachem Aufbau des Brenners wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
die Brennstoffzufuhr in einer Mischkammer so erfolgt, daß der Brennstoff in den
Raum zwischen Buftaustritt und Mischrohreintritt unter einer Neigung seines Strahls
zur Achse des Mischrohrs eingeführt wird. Mit Ausnahme des treibenden Brennluftstrahls
ist die Mischkammer nur mit rückgeführtem, heißen Abgas erfüllt, in das der schräg
zur Achse des Treibstrahls eintretende Brennstoff auf einer längeren Wegstrecke
zunächst nur mit Abgas in Berührung kommt. Diese Anordnung ergibt nicht nur eine
ideale
Verdampfung und Vorverbrennung des Kohlenwasserstoffes, sondern ermöglicht auch
einen sehr einfachen Aufbau des Brenners.
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Die Neigung der Achsen zu einander ist besonders wirkungsvoll, wenn
ihr Winkel zwischen 20 und 350 oder 90° beträgt.
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Mit der Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung sind bei einfachem
konstruktivem Aufbau Brennstoffdüse und Zundkerze einfach und zugänglich unterzubringen,
bei gleichzeitiger Erfüllung der Forderund nach möglichst langem Kontakt des Brennstoffs
mit unverdünntem, heißen Rückgas.
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Die Erfindung ermöglicht auch die Anordnung mehrerer Einspritzdüsen,
insbesondere wenn diese windschief zur tuftstrahlachse erfolgt (wenn sich also die
Achsen von Brennstoff und Luftstrahlen weder schneiden noch zueinander parallel
angeordnet sind). Eine besonders einfache Anordnung der Düsen gemäß der Erfindung
ist in der senkrecht auf der Mischrohrachse liegenden Ebener Dort können auch mehrere
Brennstoffdüsen angeordnet sein, die sich gleichachsig gegenüberliegen oder mit
parallelen Achsen zu beiden Seiten des Luftstrahls liegen, wobei ein Drall der Abgasströmung
um den Luftstrahl erreicht wird. Natürlich kann die Zahl der Düsen auch größer sein.
Es ist auch möglich anstelle der Luftdüse mehrere Düsen anzuordnen. Dadurch ergibt
sich nicht nur eine Verbesserung der Rückführung les Abgases, denn die Unterteilung
des Luftstrahles gestattet die bessere Anpassung an Leistungsänderun gdes Brenners.
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So können bei verringerter Brennstoffmenge einzelne Düsen abgeschaltet
und die restlichen mit hoher Luftgeschwindigkeit weiter betrieben werden.
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Die erfindungsgemäße Anordnung der Düsen ermöglicht lange Flugwege
des Brennstoffes vor der Vermischung mit der Treibluft, so daß auch ein vorzeitiges
Aufprallen des Strahls auf feste Bauteile des Brenners vermieden wird, was auch
durch Ausschnitte im Luftrohr vermieden werden kann.
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Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Figuren 1 - 4 erläutert.
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Figur 1 stellt einen Brenner gemäß der Erfindung dar, bei dem die
aus der Luftdüse 1 austretende Verbrennungsluft infolge ihrer Injektorwirkung heiße
Abgase aus der Brennkammer 3 durch die Rückführbohrungen 4 in den Vorraum 5 zurückfördert.
Schräg zur Achse des des Mischrohrs 2 wird der Brennstoff aus der Düse 6 eingeführt.
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Die Achsen AA und BB des Brennstoffstrahls s-chneiden sich auf der
Mischrohrachse im Punkt 7. Auf dem Flugwege von der Düse 6 in das Mischrohr 2 wird
der Brennstoff durch das heiße Rückgas verdampft und aufbereitet, insbesondere durch
Umsetzungen der Kohlenwasserstoffe mit dem Kohlendioxyd und dem Wasserdampf des
heißen hbgases.. Das aufbereitete Brennstoffabgasgemisch wird erst in der Mischdüse
2 mit der Verbrennungsluft gemischt und brennt am Austritt des Mischrohres in der
Brennkammer 3, nachdem an dem heißen Ringwirbel an der Schulter 8 des Mischrohrendes
die Zündung erfolgt ist. Um. mehr Zeit für die Reaktion des Brennstoffs mit dem
Abgas zu gewinnen, liegt die Düse für den Brennstoff wesentlich weiter von dem Punkte
7 zurück als das Ende der Luftdüse. Sur besseren Verteilung des Abgases auf den
Brennstoffstrahl sind Lelltflächen oder Verteilervorrichtungen 9 vorgesehen. Das
Mischrohr 2 und Rückführkanäle 4 bildende Bauteil kann aus Metall, zum Beispiel
hitzebeständigem Guß, gefertigt werden oder, wie hier dargestellt, aus einem keramischen
Formkörper 10 und einem Metallmantel 11 bestehen. In beiden Bällen kann eine Kühlung
durch ein Kühlmedium, zum Beispiel die der Verbrennung zugeführte Buft oder durch
Kühlwasser im Mantel 12 erfolgen. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die -2emperatur
der-Rückführgase aus, die für die Verbrennungsvorbereitung eine optimale Temperatur
von etwa 800° C haben sollen. Da Die Verbrennungsgase beim Verlassen des Brennraums
3 wesentlich heißer sind, erfolgt in den kälteren Rückführrohren 4 die zur Vermeidung
des Kohlenwasserstoffzerfalls notwendige Kühlung. Die Zündung des Brenners erfolgt
durch eine Glüh-- oder Funkenkerze,
die bei 13 dargestellt ist.
Um ein Aufprallen von Brennstofftropfen auf das Ende des Luftrohre 1 zu vermeiden,
ist bei 14 dargestellt, wie dieses Rohr ausgeschnitten ist. Es ist auch noch gestrichelt
dargestellt, daß die Achse CC des Luftrohres gegen die --Mischrohrachse AA geneigt
sein kann. Dadurch wird die räumliche Anordnung von Zuluft und Brennstoffdüsen noch
verbessert. Eine besonders günstige Anordnung ergibt sich, wenn die Mischrohrachse
BB außermittig in den Brennraum 3 führt, wie dies in Figur 2 dargestellt ist Die
Figur 2 zeigt eine weitere Entwicklung der Erfindung, bei der anstelle der einzigen
DuSteinführung 1 eine Mehrzahl von Luft-F düsen 1' und 1'', die in einem Bündel
angeordnet und deren Achsen in das Mischrohr 2 gerichtet sind. Dabei können die
im Kreis angeordneten Düsen 1" auch eine leichte Neigung gegen die Achse AA des
Mischrohres-aufweisen. Die Achsen des Luftstrahls und des Brennstoffstrahls schneiden
sich im Punkt 7 auf der Achse AA des Mischrohrs, Auch-hier ist der Weg von der Düse
bis zur Mischstelle 7 für den Brennstoff wesentlich länger als de-r der Luft. Der
Verteiler 9' führt das Rückführgas dem Düsenstrahl gleichförmig zu und verhindert
einen übertritt von 4 auf kürzerem Wege nach 2.
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Abweichend von dieser Lage der Achsen ist in Figur 3 gezeigt, wie
die Achsen windschief zueinander angeordnet sein können. Es liegt die Achse des
Brennstoffstrahls 6 in einer Ebene, die senkrecht auf der des Buftstrahls 1 steht.
Die Mitte des Brennstoffkegels liegt hier jedoch seitlich von der Achse des Luftstrahls
1 und gibt dsbei dem Abgasbrennstoffgemisch eine kreisende Bewegung um den Luftstrahl.
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Aus Figur 4 ist zu ersehen, wie anstelle der einzelnen Düse mehrere
Düsen 6 vorgesehen sind. In dieser Anordnung wird die kreisende Bewegung des Abgasbrennstoffgemisches
um den Luftstrahl noch verstärkt durch den Austritt des Rückgases, über dessen
Kanälen
Leitflächen 16 die Abgase umlenken. Durch die Anordnung mehrerer Düsen kann der
Mischraum weiter verkleinert werden, was für die Verringerung der Wärmeverluste
durch die Oberfläche des Brennkopfes wichtig ist.
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Die erfindungsgemäße Anordnung der Brennstoffzufuhr ermöglicht eine
sehr gedrängte 4usführung der Mischkammer und damit geringere Wärmeverluste des
Brenners durch Konvektion und Abstrahlung.
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Eine kleinere Mischkammer ist auch besonders dann von Vorteil, wenn
der Brenner unter höheren Drucken (z.B. 10 atü) betrieben wird, wie z. B. bei-seiner
Anwendung in Turbinenbrennkammernoderin Kraftmaschinen mit innerer kontinuierlicher
Verbrennung. Bei dieser Ausführung müssen, schon um die Anordnung zu ermöglichen,
extrem hohe Energiemengen im Brennraum umgesetzt werden. Im letzteren Fall z. B.
10q KcaI/h . m3, was durch die erfindungsgemäße Anordnung der Brennstoffeinführung
in den Vorraum des Injektors ermöglicht wird. Die gerzUig;en Abmessungen des Brenners
und seiner heißen Teile lassen sich/leichter beherrschen als bei größeren Abmessungen.
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Patentansprüche -