DE2910333A1

DE2910333A1 - Hoechstleistungsbrennkammer

Info

Publication number: DE2910333A1
Application number: DE19792910333
Authority: DE
Inventors: Heino Dipl Ing Moeller
Original assignee: Kombinat VEB Narva
Current assignee: Kombinat VEB Narva
Priority date: 1978-04-10
Filing date: 1979-03-16
Publication date: 1979-10-25
Also published as: HU184158B; AU4578879A; JPS5531288A; GB2022235A; GB2022235B; YU47279A; FR2422904B1; SE7903094L; FR2422904A1; DD135758A1

Description

Hochstieistungsbrennkammer

Die Erfinduno betrifft eine Höchstleistungsbrennkammer, deren Anwendung in allen Bereichen möglich ist, die Brennstoffe mit geeigneten Sauerstoffträgern zum Zwecke der Wärme- oder Energieerzeugung, der Durchführung technologischer Thermoprozesse und der Lösung von Problemen des Umweltschutzes mittels thermischer Verfahren verwenden, beispielsweise in der Kraftwerkstechnik, im Energiemaschinenbau, in der Metallerzeugung und -wärmebehandlung, Glas- und Keramikindustrie, Chemieindustrie und in Anlagen zur Schadstoffbeseitigung.

Es sind bereits verschiedenartige Brenner-Brennkammer-Systeme bekannt, in denen gasförmige, pulverisierte oder flüssige Brennstoffe mit einem Sauerstofftrager zur Reaktion gebracht werden. Diese arbeiten mit den bekannten Strömungsformen Parallelstrom oder Kreuzstrom sowie mittels Vormischung, mit einer Flamineristabilisierung oder mit Überdruck. In Abhängigkeit von dem betriebenen technischen Aufwand werden dabei jedoch nur begrenzte Brennkammerbeiastungen erreicht. Mangel treten auch in der Regelbarkeit des Mischungsverhältnisses zwischen Brennstoff und Sauerstoffträger auf. Die Brennersysteme sind eng begrenzt für einen Brennstoff ausgelegt, so daß der Einsatz verschiedener Sauerstoffträger und Brennstoffe in einem Brennersystem kaum oder nicht möglich ist.

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Ein weiterer Nachteil besteht in der nur begrenzt möglichen Vorwärmung der Reaktionspartner. Bei Hochleistungsbrennern wurde darüber hinaus noch die Bildung schädlicher nitroser

Gase (NO -Gase) festgestellt.
χ

Zweck der Erfindung ist es, eine hinsichtlich der unterschiedlichsten Reaktionspartner sowie der verschiedensten Anwendungsgebiete universell einsetzbare Höchstleistungsbrennkammer mit einer auf das Brennkammervolumen bezogenen wesentlich erhöhten spezifischen Wärmeleistung zu schaffen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Höchstleistungsbrennkammer mit einer solchen Strömungsform der Reaktionspartner zu schaffen, die eine hohe Verbrennungsqualität gewährleistet .

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß im Brennkammerraum zwei ringförmige Düsensysteme derart gegenüberliegend angeordnet sind, daß die aus diesen austretenden Stoffströme, d. h. einerseits der Sauerstoffträger und andererseits der Brennstoff, als Ringstrahlen entgegengesetzt zu einander strömen» Der größere oder aggressivere Stoffstrom wird dabei als wandangelagerter, um die Achse rotierender oder nur. axial strömender Ringstrahl in den Brennkammerraum eingeblasen. Der kleinere oder nicht aggressive Stoffstrom tritt aus dem zweiten Düsensystem als freier Ringstrahl mit oder ohne Drall gleicher oder entgegengesetzter Richtung zum größeren Stoffstrom entgegengesetzt in den Brennkamraerraum ein. Zwischen der inneren freien Strahlgrenze des wandangelagerten Ringstrahles und der äußeren freien Strahlgrenze des entgegengesetzten freien Ringstrahles, bildet sich eine hochturbulente äußere Reaktionszone aus, die beim Erreichen der stöchiometrischen Mischung und der Anwesenheit einer Zündquelle sofort reagiert.

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Die nicht reagierenden Anteile des größeren Stoffstromes strömen entlang der Brennkammerwand, werden am Brennkammerboden umgelenkt und strömen in den freien Ringquerschnitt des Düsensystems für den kleineren Stoffstrom. Zwischen diesen umgelenkten und aufgeheizten Anteilen des größeren Stoffstromes und der Innenzone des kleineren Ringstromes kommt es zur Ausbildung einer weiteren Reaktionszone, die von der ersten vollständig abgeschirmt ist.

Erfindungsgemäß lassen sich zur Anordnung der Düsensysteme und zur Ausbildung der Brennkammer folgende geometrische Abhängigkeiten angeben:

Für den Abstand der Austrittsöffnungen der beiden Düsensysteme voneinander gilt die Beziehung

¹I "

1 - ^u 1 ' 4 . tan^ *

Die Höhe des Düsensystems für den kleineren Stoffstrom beträgt

2 ⁼ 2 * 1

und der Abstand zwischen diesem Düsensystem und dem Brennkammerboden

I₃ = Cf₃ · ^d± · .

Für den mittleren Durchmesser des Strömungsringes am Düsensystem des kleineren Stoffstromes gilt

^d2 -

und für den Durchmesser der Einschnürung am Brennkammeraustritt

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-^- 2310333

Hierin bedeuten O ....j. Korrekturfaktoren, die insbesondere von den zum Einsatz zu bringenden Reaktionspartnern abhängen, d.. den mittleren Durchmesser des Strömungs-Ringes am Düsensystem des größeren Stoffstromes und β den Strömungswinkel, der ebenfalls insbesondere von den Reaktionspartnern abhängt. Gemäß der Erfindung sind die Düsensysteme als Ringdüsen oder als ringförmig angeordnete Einzeldüsen ausgebildet. Der Brennkammerraum ist zylindrisch ausgebildet. Für den Fall, daß der größere, wandangelagerte Stoffstrom aus einem flüssigen Medium besteht, ist der Brennkammerraum günstigerweise im Bereich zwischen den beiden Düsensystemen sich zum Düsensystem des kleineren Stoffstromes hin konisch verjüngend auszubilden, so daß ein genügender Kontakt der mit Flüssigkeit benetzten Brennkammerwand mit dem entgegengesetzt strömenden freien Ringstrahl des anderen Reaktionspartners gewährleistet ist.

Die mit der erfindungsgemäßen Brennkammer erreichten Ströraungsverhältnisse der beiden Reaktionspartner bewirken deren optimale Vermischung und somit eine hohe Verbrennungsqualität. Flammenabrisse, die bei den bisher bekannten Systemen bei sehr hohen Strömungsgeschwindigkeiten auftraten, sind durch geringe Relativgeschwindigkeiten zwischen den beliebig schnellen freien Strahlen absolut ausgeschlossen. Selbst bei höchsten Strömungsgeschwindigkeiten der Reaktionspartner besteht eine ausreichend lange Kontaktzeit, um z. B. hochkonzentrierte nitrose Gase bei beliebigen Vorwärmtemperaturen mit Brenngasen zur vollständigen Reaktion zu bringen und sie somit für die Umwelt unschädlich zu machen.

Die Brennkammer gemäß der Erfindung arbeitet mit beliebigen Brennstoff-Sauerstoff-Verhältnissen und weist eine ausgezeichnete Regulierbarkeit auf. Außerdem ist die Verwendung beliebiger Sauerstoffträger und beliebiger Brennstoffe, d.h. in gasförmiger, flüssiger oder pulverisierter Konsistenz, möglich.

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Weiterhin läßt die erfindungsgemäße Brennkammer beliebig hohe Vorwärmtemperaturen für den Sauerstoffträger zu. Infolge der getrennten Zuführung von Brennstoff und Sauerstoffträger ergibt sich zudem noch eine problemlose Sicherheitstechnik .

Durch die erreichten sehr hohen Brennkammerbelastungen treten nur geringe Wärmeverluste auf» Die Brennkammer ist in allen Einbaulagen funktionsfähig.

Durch die Möglichkeit der Nutzung der inneren Reaktionszone für beliebige technische Oxidations- und Reduktionsprozesse erschließt sich für die erfindungsgemäße Brennkammer ein zusätzliches, sehr weites Anwendungsfeld, z. B. bei der Metallschmelzung, der Metallerwärmung, der Glasschmelzung, der Glas- und Keraraikerwärmung, beim Erwärmen von chemischen Produkten und bei Trockenprozessen.

Weiterhin ist eine Verbrennung beliebiger Abprodukte möglich. Die Erfindung ist auch zur Erzielung höchster Feuerraumbelastungen bei Hochleistungskesseln anwendbar, ebenso wie ihr Einsatz im Gasturbinenbau. Da das erfindungsgemäße Prinzip sich auf die verschiedensten Brennkammerdimensionen umsetzen läßt, ist es beispielsweise auch als Handbrenner realisierbar. Außerdem ist die Erzeugung von Schwelgasen, Dämpfen und anderen euch bei verschiedenen Drücken möglich.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der Zeichnung ist die erfindungsgemäße Höchstleistungsbrennkammer schematisch im Längsschnitt dargestellt.

Die Höchstleistungsbrennkammer besteht aus einem zylindrischen Brennkammerraum 1, in dem zwei ringförmige Düsensysteme 2; 3 angeordnet sind_e Diese Düsensysteme 2; 3 weisen eine solche Lage auf, daß ihre Austrittsfronten einander zugewandt sind.

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Durch das Düsensystem 2 gelangt der größere oder aggressivere Stoffst rom 4, der entweder direkt oder indirekt zwischen einem Brennkammerkühlmantel hindurch dem Düsensystem 2 zugeführt wird, in den Brennkammerraum 1. Der kleinere oder nicht aggressive Stoffstrom 6 erreicht über das andere Düsensystem 3, welches seitlich oder vom Boden aus gespeist wird, den Brennkammerraum 1. Durch die Lage der beiden Düsensysteme 2.% 3 strömen die beiden Stoffströme 4; 6 (S_auerstoffträger und Brennstoff) als Ringströme entgegengesetzt zueinander. Das Düsensystem 2 verleiht dem Stoffstrom 4 eine wandangelagerte, um die Achse rotierende oder nur axiale Strömung. Der Stoffstrom 6 verläßt das Düsensystem 3 als Freistrahl mit oder ohne gleich- oder entgegengesetztem Drall zum Stoffstrom 4. Diese Strömungsverhältnisse führen zur Ausbildung der gewünschten Reaktionszonen 7j 8 an den freien Strahlflächen der Stoffströme 4; 6. Dabei bildet sich die äußere Reaktionszone 7 zwischen der inneren freien Strahlfläche des Stoffstroraes 4 und der äußeren freien Strahlfläche des entgegengesetzt gerichteten Stoffstromes 6, während sich die innere Reaktionszone 8 zwischen den an der Brennkammerwand entlang strömenden und am Brennkammerboden umgelenkten Anteilen 4 des Stoffstromes 4 und der inneren freien Strahlfläche des Stoffstromes 6 herausbildet*

Der Brennkammeraustritt weist eine Einschnürung 9 auf_t durch die die Reaktionsprodukte 10 den Brennkammerraum 1 verlassen.

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Claims

Patentansprüche

Höchstleistunasbrennkammer, gekennzeichnet dadurch, daß im Brennkammerraum (1) einerseits ein Düsensystenr (2) für den Eintritt eines wandangelagerten Stoffstromes (4) angeordnet ist, dem ein zweites Düsensystem (3) derart gegenüberliegt, daß ein aus diesem als Freistrahl austretender Stoffstrom (6) mit dem wandangelagerten Stoffstrom (4) kegelförmige, hochturbulente Reaktionszonen (7,· 8) bildet.
2. Höchstleistungsbrennkammer nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Abstand der Austrittsöffnungen des Düsensystems (2) zu denen des zweiten Düsensystems (3)

1- =

■1 ^ 1 ' 4 . tan/3

ist, die Höhe des Düsensystems (3)

¹2 ⁼ V 2 * ^i

und der Abstand zwischen diesem Düsensystem (3) und dem Brennkammerbodeη

1₃ = <f₃ . Cl₁

betragen, der mittlere Durchmesser des Strömungsringes am Düsensystem (3)

^d2 = cf₄ ' ^dl

und der Durchmesser der Einschnürung (9) am Brennkammeraustritt

^d3 = <f 5 ' ^dl

sind, wobei (f « ··· ₅ Korrekturfaktoren sind, die insbesondere von den eingesetzten Reaktionspartnern abhängen, d₁ der mittlere Durchmesser des Strömungsringes am Düsensystem (2) und β der ebenfalls insbesondere von den Reaktionspartnern abhängige Strömungswinkel ist.

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BAD ORIGINAL
3, Höchstleistungsbrennkammer nach Anspruch 1 und Z, gekennzeichnet dadurch, daß die Düsensysteme (2; 3) als Ringdüsen oder ringförmig angeordnete Einzeldüsen ausgebildet sind.
4. Höchstleistungsbrennkammer nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß der Brennkammerraum (1) zylindrisch oder im Bereich des Abstandes (I₁) vom Düsensystem (2) zum zweiten Oüsensystem (3) sich konisch verjüngend ausgebildet ist.

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