DE3039560A1

DE3039560A1 - Verbrennungsverfahren und -einrichtung

Info

Publication number: DE3039560A1
Application number: DE19803039560
Authority: DE
Inventors: Shigetake Kawasaki Kanagawa Tamai
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-06-23
Filing date: 1980-10-20
Publication date: 1982-01-07
Also published as: GB2106422B; JPS5710011A; US4479773A; GB2078547B; JPS6249523B2; GB2106422A; GB2078547A; DE3039560C2

Description

BESCHREIBUNG

In einem konventionellen Verbrennungsverfahren wird die Verbrennung mit Hilfe einer Gasströmung ausgeführt, die in einem solchen Bereich ausgebildet ist, daß V Xuir O. Gegenwärtig wird, um flüssigen Brennstoff zu zerstäuben, ein Verfahren angewandt, in dem Unterschiede in den Geschwindigkeiten von Brennstoff und Gas benutzt werden, sowie ein Verfahren zum direkten Zerstäuben von Brennstoff durch Anwendung von Druck hierauf. In diesen beiden konventionellen Verfahren ist es notwendig, eine Hochgeschwindigkeitsgasströmung zu verwenden, die eine Sauerstoffquelle bildet, und eine Zerstäubungseinrichtung, um den Brennstoff zu verbrennen. Die Hochgeschwindigkeitsgasströmung beschleunigt die Verteilung der durch Verbrennung erzeugten Wärme und von unverbranntem Gas, und die Expansion von Gas aufgrund von erhöhter Temperatur erhöht den Betrag an äußerer Arbeit, so daß auf diese Weise der Energieveriust an die Atmosphäre mit dem Ergebnis erhöht wird, daß eine übermäßige Menge an Brennstoff benötigt wird, um hohe Temperaturen zu erzielen. Die Gasströmung ist ursprünglich instabil. Das heißt, sie ist in der Masse instabil, und daher kann kein geeignetes Luft-Brennstoff-Mischungsverhältnis erreicht werden.

Darüber hinaus wird während der Verbrennung aufgrund von Konvektion eine kühlende Gasströmung eingeführt, so daß sich die Dichte, Geschwindigkeit und Temperatur der Gasströmung räumlich und zeitlich mit dem Ergebnis ändern, daß die Temperaturänderung der Verbrennung ungleichmäßig ist. Eine Gasströmung, deren Geschwindigkeit höher in äußeren als in inneren Teilen ist, macht es der Zentrifugalkraft unmöglich, Brennstoff zu zerstäuben, der aus dem Brennpunkt der Düse strömt, und dementsprechend muß der

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Geschwindigkeitsunterschied des Brennstoffs und des Gases zum Zerstäuben des Brennstoffs angewandt werden. In diesem Falle wird der Brennstoff nur grob zerstäubt _r wodurch der Verbrennungswirkungsgrad erniedrigt wird. Das bedeutet, daß in einer Verbrennung, in der die vorstehend beschriebene Gasströmung angewandt wird, nichtadiabatische Änderungen stattfinden in denen die Entropie erhöht wird, wodurch es schwierig wird, den Verbrennungswirkungsgrad aufgrund von thermodynamisehen Betrachtungen zu verbessern, und der Verbrennungswirkungsgrad ist viel niedriger als der sehr hohe Verbrennungswirkungsgrad, der mit einer adiabatischen reversiblen Änderung erzielbar ist.

Kurz zusammengefaßt wird mit der Erfindung, um die oben erwähnten Schwierigkeiten zu überwinden, ein Verbrennungsverfahren zum Verbrennen eines rotierenden Gases bei einem geeigneten Mischungsverhältnis von Luft und Brennstoff, die am Brennpunkt einer Düse eines Dipols ausgestoßen werden, zur Verfügung gestellt, welche die folgenden Verfahrensschritte umfaßt: Erzeugen einer Gasbewegung in einer adiabatischen reversiblen Änderung, in der eine Druckverminderung in der Wirbelbewegung aufgrund einer Verbrennung eine fortschreitende, auf einen Wirbel angewandte Gasströmung erzeugt; Anwenden eines Druckimpulses auf die Wirbelbewegung; und Vermindern der Fortschreitungsgeschwindigkeit des Wirbels um einen Äquivalentbetrag zur Rotationsgeschwindigkeit des Wirbels aufgrund der NichtZweideutigkeit des Druckimpulses und Geschwindxgkeitspotentxals, so daß eine im Druck dem atmosphärischen Druck äquivalente Ebene nach einwärts bewegt wird, um einen Verbrennungsbereich zu verengen, um dadurch einen Verbrennungsbereich maximaler Energiedichte auszubilden. Die Gasmischung, die am Brennpunkt der Düse ausgestoßen wird, wird mit Hilfe der Zentrifugalkraft eines mit hoher Geschwindigkeit rotierenden Gases aufgrund des Druckimpulsstoßes vollständig verbrannt, so daß

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die Flamme des Mischungsgases bzw. der Gasmischung kontinuierlich aufrechterhalten und so ein sicherer Verbrennungsbereich ausgebildet wird. Die maximal mögliche Energie wird von thermischer Energie, welche durch Verbrennung erzeugt worden ist, und thermischer Energie aufgrund von adiabatischer Kontraktion erhalten. Ein Zerstäubungsbereich wird durch Verbrennung zu einem Bereich maximaler innerer Energie verengt, und es wird ein extrem hoher Verbrennungswirkungsgrad mit Hilfe von Temperaturen vor und nach der Verbrennung erreicht. Der Wärmeaustauschwirkungsgrad bzw. die Wärmeaustauschleistungsfähigkeit eines Wärmeaustauschers wird durch die Wärmeleitung von Gas in Potentialbewegung aufgrund von Verbrennung in einer adiabatischen reversiblen Änderung erhöht.

Außerdem wird mit der Erfindung eine Verbrennungseinrichtung zur Verfügung gestellt, die eine Zerstäubungsdüse hat, welche eine Einrichtung zum Ausbilden einer Mehrzahl von Gasströmungswegen aufweist, von denen jeder durch koaxiale Anordnung von zwei unterschiedlichen kreisförmigen Kegelstümpfen, die eine gemeinsame Spitze haben, und durch Projektion von zwei verschiedenen Strömungswegen von Strömungslinien, die sich zum Senkenpunkt eines Dipols erstrecken, auf die Oberflächen der kreisförmigen Kegelstümpfe zur Ausbildung der oberen und unteren Basen der Kegelstümpfe gebildet wird. Die Gasströmungswege sind in einer solchen Weise angeordnet, daß der Brennpunkt der Gasströmungswege mit dem Senkenpunkt des Dipols an der Spitze der kreisförmigen Kegelstümpfe übereinstimmt. Es ist ein Brennstoffweg vorgesehen, der sich gerade längs der Achse der kreisförmigen Kegelstümpfe in einer solchen Weise erstreckt, daß die Achse des Brennstoffwegs durch den Brennpunkt hindurchgeht, worin der Brennstoff, der am Brennpunkt zerstäubt worden ist, nur in einem konischen Bereich verbrannt wird, welcher durch Gasströmungen gebildet wird, die entlang den GasStrömungswegen

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verlaufen, so daß sie sich an dem Brennpunkt konzentrieren. Weiterhin kann in der Verbrennungseinrichtung nach der Erfindung ein Brennstoffsteuertank vorgesehen werden, der hermetisch abgedichtet ist, und einen Raum für Brennstoff sowie einen Raum über dem Brennstoff hat. Der Brennstoffsteuertank umfaßt eine Brennstoffzuführungsleitung, die in den Brennstoffsteuertank in einer solchen Weise eingefügt ist, daß das obere Ende der Brennstoffzuführungsleitung auf dem gleichen Niveau wie die Achse der Düse ist, sowie eine Luftleitung, die in den Brennstoffsteuertank in einer solchen Weise eingefügt ist, daß das obere Ende der Luftleitung mit atmosphärischem Druck verbunden und das untere Ende der Luftleitung vertikal unter das obere Ende der Brennstoffzuführungsleitung bewegbar ist, so daß aufgrund eines vertikalen Abstands zwischen dem oberen Ende der Brennstoffzuführungsleitung und dem unteren Ende der Luftleitung Brennstoff mit einem negativen Kopf zur Düse zugeführt wird, damit auf diese Weise ein geeignetes Mischungsverhältnis von Luft und Brennstoff erzielt wird.

Die Erfindung sei nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 6 der Zeichnung anhand einiger, besonders bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm, das zweidimensionale Strömungslinien eines Dipols veranschaulicht, die Spiralströmungswege gemäß der Erfindung bilden;

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung eines Verfahrens des Ausbildens von Spiralströmungswegen auf der konischen Oberfläche einer Düse in der Form eines kreisförmigen Kegelstumpfes;

Fig. 3A eine Stirnansicht der Düse und Fig. 3B eine teilweise als Schnittansicht ausgeführte Seitenansicht der Düse;

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Fig. 4 eine Schnittansicht, die den Aufbau eines Teils einer Verbrennungseinrichtung gemäß der Erfindung bildet, die mit der Düse versehen ist;

Fig. 5 eine zu Erläuterungszwecken dienende Darstellung, die die Anordnung bzw. Ausbildung eines Brennstoff steuertanks zeigt, der gemäß der Erfindung aufgebaut ist; und

Fig. 6A eine Photographie, die die Zustände einer Flamme bei der Düse gemäß der Erfindung zeigt, und Fig. 6B eine Photographie, die die Zustände einer Flamme bei einem konventionellen Strahlbrenner zeigt.

Gemäß der Erfindung wird die Verbrennung durch eine adiabatische reversible Änderung einer rotierenden Gasströmung in einer Potentialbewegung ausgeführt, die in einem Feld stattfindet, in dem V x (U =0, worin sich die Bewegung der Gasströmung grundsätzlich von derjenigen unterscheidet, die in einer nichtadiabatischen reversiblen Änderung vorhanden ist, in der Vx UJ ^ O. Gemäß der Erfindung wird eine neuartige Düse angewandt, die durch Verbesserung der Gasströmungs-Dipolwege einer Düse der grundsätzlichen Art, wie sie in der japanischen Patentschrift 776971, der US-Patentschrift 3 887 135 und der britischen Patentschrift 1 459 o97 beschrieben ist, erhalten wird. Der Brennstoff wird durch Luftströme zerstäubt, die von der erfindungsgemäßen Düse aus in eine Gasmischung ausgestoßen werden, die ein geeignetes Luft-Brennstoff-Mischungsverhältnis hat. Die Gasmischung wird spiralförmig, wie durch die Pfeile 8 in Fig. 4 angedeutet ist, in einem begrenzten konischen Bereich bewegt, dessen Spitze mit dem Brennpunkt der Düsen übereinstimmt. Bei diesem Vorgang werden ein planarer Wirbel, der senkrecht zur Achse der Düse ist, und eine fortschreitende Gas-

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strömung, die parallel zur Achse der Düse ist, als Komponenten der Gasströmung ausgebildet.

Änderungen in der Bewegung des Wirbels und der fortschreitenden Gasströmung wurden im Rahmen der Erfindung unter Anwendung von hydrodynamischen und thermodynamischen Prinzipien untersucht, um den Verbrennungsmechanismus aufzudecken, der aufgrund der adiabatischen reversiblen Änderung stattfindet und entsprechend eine in hohem Maße verbesserte Verbrennungs- und Wärmeaustausch-Leistungsfähigkeit bzw. einen in hohem Maße verbesserten Verbrennungs- und Wärmeaustausch-Wirkungsgrad zu erreichen.

Eine Gasströmung, die eine Wirbelbewegung hat, und eine Gasströmung, die eine fortschreitende Bewegung aufweist, welche auf dem vorstehend beschriebenen Dipolströmungsweg basieren, können als ein System betrachtet werden. In diesem Falle wird ein Energiegleichgewicht für das System gebildet. Wegen dieses Energiegleichgewichts wird bei der Stoffumwandlung die potentielle Energie durch Erzeugung von Wärmeenergie abrupt vermindert, und daher absorbiert der Wirbel die fortschreitende Gasströmung, und ein Druckimpuls wird auf die Wirbelbewegung ausgeübt. Als Ergebnis hiervon wird der Wirbel mit stetiger Bewegung durch die Verbrennung zu einem solchen mit nichtstetiger Bewegung verändert, und daher wird ein dynamisches Gleichgewicht zwischen dem Wirbel und der fortschreitenden Gasströmung hergestellt. Die rotierende Gasströmung mit nichtstetiger Bewegung kann durch die allgemeine Bernoulli¹sehe Gleichung dargestellt werden.

In dieser Gleichung sind die Ausdrücke H~ und ^ aufgrund des Druckimpulses viel größer als die Ausdrücke U und ^~.

ο ^

Daher können die Ausdrücke ü und ^r- vernachlässigt werden,

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so daß die allgemeine Bernoulli"sehe Gleichung in der Form der folgenden Gleichung (1) beschrieben werden kann (vgl. Hydrodynamik für die allgemeine Bernoulli¹sehe Gleichung und den Druckimpuls ):

(1)

Wendet man den ersten Hauptsatz der Thermodynamik auf die Gleichung (1) an, dann ergibt sich:

^ + kT = f (t) (2)

Für nichtstetige Bewegung ist der Wert ρ eine Funktion des Wertes p. Daher werden aus den Gleichungen (1) und (2) lineare funktionale Beziehungen für den Druck, das Potential und die Temperatur aufgestellt. Durch Integrieren der Gleichung (1) wird die folgende, den Druckimpuls angebende Gleichung (3) erhalten:

V(t) + -J ^fc pdt = Konst. (3)

Der zweite Ausdruck in der Gleichung (3) ist die Summe der Drücke, die während einer Zeitdauer t wirken, wobei der stetige Zustand 0 ist, d.h. also, der Druckimpuls. Wenn ein großer Druckimpuls auf die Wirbelbewegung einwirkt, wird der Gradient des Druckimpulses erhöht, was zur Folge hat, daß der Wert ρ (jj zunimmt. Die Potentialströmung ist eine Massenströmung und wird daher durch das Produkt aus ρ und Oü repräsentiert. Wenn infolgedessen der Gradient des Druckimpulses mit der Temperatur zunimmt, nimmt auch die Potentialströmung zu. Demgemäß wird, wenn der Wirbel die Potentialströmung P₁ OU₁ mit der Temperatur erhöht, die Potentialströmung ρj Uj~ der fortschreitenden Gasströmung erniedrigt.

Wie man deutlich aus Gleichung (3) entnehmen kann, wird die

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Dichte ρ durch das Verhältnis des Druckimpulses zum Geschwindigkeitspotential repräsentiert. Daher ist der Wert ρ wegen der Nichtmehrdeutigkeit von ρ und V eine Funktion des Potentials Y . Infolgedessen wird in der Potentialströmung ρ ω eine Proportionalbeziehung zwischen den Werten P₁ und tu begründet, und entsprechend wird eine Proportionalbeziehung für die Potentialströmung p_ Cün der fortschreitenden Gasströmung begründet. Wenn der Wirbel die Potentialströmung erhöht, dann erhöht der Wirbel infolgedessen auch die Rotationsgeschwindigkeit (χ)., während die fortschreitende Gas-Strömung die Geschwindigkeit co_? vermindert.

In dem Fall, in dem der Wirbel die Potentialströmung P₁Ul mit der Temperatur erhöht und die Rotationsgeschwindigkeit Cu₁ erhöht, wird wegen der Gleichung der Wirbelbewegung (to r = C), da der Wirbel die Rotationsgeschwindigkeit CO₁ erhöht, der Radius r.. im umgekehrten Verhältnis zur Geschwindigkeit vermindert. Andererseits wird die Geschwindigkeit Qj „ der fortschreitenden Gasströmung, die dieser Verminderung folgt, und die Isobare Oberfläche, die durch das Gleichgewicht zwischen dem atmosphärischen Druck und der durch die Düse ausgestoßenen Gasströmung gebildet wird, nach einwärts bewegt. Der Zerstäubungsbereich wird in einer adiabatisch reversiblen Weise vermindert, ohne daß dessen Entropie erhöht wird, so daß ein minimal bemessener Verbrennungsbereich von maximaler Energiedichte gebildet wird,in dem eine vollständige Verbrennung erzielt wird.

Die Gasströmung, deren Temperatur hoch ist und die mit einer hohen Geschwindigkeit rotiert, überträgt aufgrund des Druckimpulses auf den Brennstoff, der vom Brennpunkt der Düse ausgestoßen wird, eine extrem große Zentrifugalkraft, die dem Quadrat der Geschwindigkeit proportional ist, so daß der Brennstoff momentan zerstäubt und vollständig verbrannt wird. Demgemäß flackert die Flamme während der Verbrennung

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überhaupt nicht. Das bedeutet, daß die Flamme dynamisch ausgeglichen ist und der Verbrennungsbereich stets stabil aufrechterhalten wird.

Vorstehend wurden die Merkmale der Bewegung des Gases in dem Fall beschrieben, in dem die rotierende Strömung der Gasmischung aufgrund des Dipols eine adiabatische reversible Änderung mit Hilfe eines Druckimpulses ausführt. Ein spezielles Merkmal des Prinzips der Wärmeenergieerzeugung gemäß der Erfindung besteht darin, daß die Verbrennung während einer adiabatischen reversiblen Änderung Wärmeenergie liefert, die durch Materialumwandlung zur Potentialströmung erzeugt wird, und weiterhin Wärmeenergie, die während einer adiabatischen Kontraktion der Potentialströmung erzeugt wird, und die innere Energie des Verbrennungssystems wird maximiert, so daß dadurch eine neue Hochtemperaturwärmequelle von sehr hoher Wirksamkeit bzw. sehr hohem Wirkungsgrad für Potentialbewegung erhalten wird.

Der Verbrennungswirkungsgrad η, der sich bei Anwendung der Erfindung ergibt, wird wie folgt bestimmt. Wenn die innere Energie eines Mischungsgases vor der Verbrennung durch Q_Q repräsentiert wird, dann wird die innere Energie aufgrund der Materialumwandlung nach der Verbrennung durch Q₁ repräsentiert, der Betrag an Arbeit, der während der adiabatischen Kontraktion geleistet wird, ist Q„, und die Entropie ist S; dann gilt Q = ST und die Temperatur nach der Verbrennung wird durch T + T repräsentiert. Daher ergibt sich:

^TO

I = ¹" ^{4)

Infolgedessen besteht ein wichtiges Merkmal der Erfindung darin, daß ein Verbrennungsmechanismus zum Erzielen einer

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maximalen inneren Energie durch Verbrennung während einer adiabatischen reversiblen Änderung mit der Hilfe eines Druckimpulses entwickelt wird. Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Erzielen eines extrem hohen Wirkungsgrads bzw. einer extrem hohen Leistungsfähigkeit aus Gastemperaturen vor und nach der Verbrennung zur Verfügung gestellt.

Die folgenden Daten stellen die Ergebnisse von Vergleichsuntersuchungen mit einer gemäß der Erfindung aufgebauten Einrichtung und einem konventionellen Strahlbrenner dar, in denen bei beiden eine Flamme von etwa 1 m Länge und von einem maximalen Durchmesser von etwa 3o cm verwendet wurde. Die Verbrennungsleistungsfähigkeitswerte der Einrichtung nach der Erfindung und des Strahlbrenners sind angenähert folgende:

Temperatur des Brennstoffs (Kerosin)

1o°C = 2i 2

und Raumtemperatur: 1o°C = 283°K

Düsenluftdruck (Erfindung): 2,5 kg/cm

Düsen-Brennstoffauslaßdurchmesser

(Erfindung): 9 mm

Düsen-Brennstoffkopf (Erfindung): — 2 cm

Brennstoffverbrauch:

Erfindung 7,4 l/h

S trah!brenner 2 ο,ο l/h

Untersuchungsergebnisse:

Angenäherte mittlere Flammentemperatur:

Erfindung 127o°K

Strahlbrenner 117o°K

Verbrennungswirkungsgrad aus Gleichung (4):

Erfindung 78 %

Strahlbrenner 7o %

Wirkungsgrad, berechnet aus dem Brennstoffverbrauch:

Erfindung 1\ = 78 %

Strahlbrenner T) = 7o χ ^—- = 26 %

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Der Verbrennungswirkungsgrad für eine Einheitsmenge an Brennstoff wurde bei der Einrichtung nach der Erfindung zu 78 % und beim konventionellen Strahlbrenner zu 26 % ermittelt. Infolgedessen beträgt der Verbrennungswirkungsgrad der Einrichtung nach der Erfindung etwa das Dreifach desjenigen des konventionellen Strahlbrenners. Die Fig. 6A ist eine Photographie, welche die Flamme veranschaulicht, die in der Einrichtung nach der Erfindung erzeugt wird, während Fig. 6B die Flamme bei dem konventionellen Strahlbrenner zeigt.

Gemäß mehreren Untersuchungen, die unter Verwendung eines

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Düsenluftdrucks von 2 bis 3 kg/cm und eines Düsenbrennstoffkopfs von -2 bis -3 cm ausgeführt wurden, wurde gefunden, daß der Verbrennungswirkungsgrad erhöht wird, wenn der Düsen-Brennstoff auslaßdurchmesser erhöht wird. Selbst mit einem Düsen-Brennstoffauslaßdurchmesser von 2o mm wurde ein hoher Grad an Verbrennung ausgeführt.

Ein konventionelles Wärmeaustauschverfahren benutzt die Wärmeleitung von divergierendem Gas hoher Geschwindigkeit, wofür V x U) φ O. Andererseits wird in dem Wärmeaustauschverfahren gemäß der Erfindung eine Hochtemperatur-Wärmeleitung durch die langsame Bewegung von diffusionsfähigem Gas aufgrund der Potentialbewegung mit St χω= O, die mit der Hilfe der oben beschriebenen adiabatischen reversiblen Änderung vorgesehen wird, erzielt. Infolgedessen unterscheidet sich das konventionelle Wärmeaustauschverfahren im Prinzip grundsätzlich von dem Wärmeaustauschverfahren nach der Erfindung. Bei der Erfindung wird eine Düse verwendet, die Gas, das während einer adiabatischen reversiblen Änderung vollständig verbrannt worden ist, in einen Boiler oder eine andere geeignete Einrichtung einführt, so daß der Wärmeinhalt des sich langsam bewegenden Gases hoher Temperatur auf den Boiler oder die andere geeignete Einrichtung übertragen wird, so daß dadurch dessen bzw. deren Wärmeaustausch-Leistungs-

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fähigkeitsdaten verbessert werden. Mit anderen Worten bedeutet das, daß der Wärmeaustausch gemäß dem Verfahren nach der Erfindung unter Verwendung der Diffusion des Gases selbst ausgeführt wird. Zu diesem Zweck wird ein Auspuffrohr oder eine Saugeinrichtung in Kombination mit dem Auspuffrohr dazu verwendet, die Temperatur und Geschwindigkeit des Gases zu steuern, so daß die Wärmeaustausch-Leistungsfähigkeit bzw. der Wärmeaustausch-Wirkungsgrad der Einrichtung nach der Erfindung durch das Hochtemperaturgas, das sich im Vergleich mit einer konventionellen Einrichtung mit einer langsamen Geschwindigkeit bewegt, bemerkenswert verbessert wird.

Weiterhin wird, wenn eine rotierende Gasströmung in einer Potentialbewegung gemäß der Erfindung in den Zylinder einer Brennkraftmaschine eingeführt wird, das mechanische Energiepotential erhöht, und infolgedessen wird der Verbrennungswirkungsgrad der Brennkraftmaschine bis zu einem hohen Grad erhöht.

Das Verfahren nach der Erfindung kann nicht mit einer Düse verwirklicht werden, die spiralförmige Strömungswege hat, wie sie anhand der Fig. 2 der japanischen Gebrauchsmusterschrift 1175576, der Fig. 5 der japanischen Patentschrift 776971, in der US-Patentschrift 3 887 135 oder anhand der Fig. 5 der britischen Patentschrift 1 459 o97 beschrieben sind, und zwar aus dem folgenden Grund. Wenn die Schnittstelle der Gasströmungen in der oberen Schicht in dem Strömungsweg der Düse von der Schnittstelle der Gasströmungen in der unteren Schicht verschoben wird, stören sich blasendes Gas und gesaugtes Gas gegenseitig, was zur Folge hat, daß eine instabile oder nichtstetige Bewegung bei bzw. mit der Gasströmung auftritt. Das bedeutet, daß die Gasströmung eine turbulente Strömung wird. Dadurch wird die Herstellung einer linearen Beziehung für Druck, Potential und Tem-

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peratur, die wesentliche Verbrennungsbedingungen bei der Erfindung sind, gestört, und daher kann der gewünschte hohe Verbrennungswirkungsgrad nicht erzielt werden.

Dementsprechend umfaßt eine Verbrennungseinrichtung gemäß der Erfindung eine exakte Düse zum Konzentrieren der Gasströmung in ihrem wahren Brennpunkt (der Senkenpunkt des Dipols) und einen Brennstoffsteuertank, um den Brennstoffkopf bezüglich eines gegebenen Luftdrucks, der an der Düse angewandt wird, negativ zu halten, so daß Brennstoff mit einem geeigneten Mischverhältnis frei zugeführt wird, damit die gegenseitige Störung von Gasströmen ausgeschaltet und ein geeignetes Mischverhältnis von Luft und Brennstoff erzielt wird, so daß dadurch eine Hochtemperatur-Verbrennung ausgeführt wird. Die verbesserte Düse, der Brennstoffsteuertank und die Gesamteinrichtung nach der Erfindung seien nun unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung näher beschrieben.

Die Fig. 1 zeigt die Strömung eines zweidimensionalen Dipolpotentials, wenn eine Anzahl von Strömungslinien, die an einem Quellenpunkt a beginnen, längs vorbestimmter Kreisbahnen zu einem Senkenpunkt b zurückkehren. In Fig. 1 sind mit η und n¹ die einzelnen Strömungslinien bezeichnet, die zur Ausbildung eines Spiralgasströmungswegs gemäß der Erfindung ausgewählt werden. Die Fig. 2 veranschaulicht die Ausbildung eines Spiralströmungswegs. Wie in Fig. 2 gezeigt, haben zwei kreisförmige bzw. im Querschnitt kreisförmige Kegelstümpfe ABCD und A¹B¹C¹D¹, die einen gemeinsamen Brennpunkt oder eine gemeinsame Spitze haben, je eine untere Grundfläche, die beide den Radius R besitzen, und je eine obere Grundfläche, die den Radius r bzw. r¹ hat. Die beiden kreisförmigen bzw. im Querschnitt kreisförmigen Kegelstümpfe sind koaxial angeordnet, so daß eine Projektion des Brennpunkts f mit dem Senkenpunkt b auf der Ebene des Dipols zusammenfällt. Ein

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Kreis mit dem Radius R ist dargestellt, der die Strömungslinie η an einer Stelle m berührt und die Strömungslinie n¹ an einer Stelle m¹ schneidet. Dann sind Kreise mit dem Radius r und r¹ der oberen Grundflächen dargestellt, wobei der Kreis mit dem Radius r die Strömungslinien η und n¹ in den Punkten 1 und I¹ schneidet. Auf diese Weise wird die Projektion eines Strömungswegs, der den Oberflächenteil des Spiralströmungswegs bildet, auf einer Ebene mittels der beschränkten Strömungslinien ml und m'l¹ erhalten. In entsprechender Weise wird die Projektion der unteren Grundfläche des Spiralströmungswegs mittels der Strömungslinien ml·., und m'l_ erhalten. Unter Zugrundelegung von Kurven, die man durch Übertragen der Strömungslinien ml und m'l¹ auf die Oberfiäche der kreisförmigen Kegeistümpfe ABCD erhärt und die mit X bzw. Y bezeichnet sind, sowie Kurven, die man durch Übertragen der S trömungs linien ml., und ni'l·« auf die Oberfläche der kreisförmigen Kegelstümpfe A¹B¹C¹D¹ erhält und die mit X¹ bzw. Y¹ bezeichnet sind, werden beide Wände des Spiralströmungswegs durch die Kurven X und X¹ bzw. Y und Y¹ begrenzt.

Die Düse nach der Erfindung ist so ausgebildet, daß, wie in Fig. 3A, die eine Vorderansicht der Düse ist, und wie in Fig. 3B, die eine teilweise im Schnitt dargestel.lte Seitenansicht der Düse ist, zeigen, eine Anzahl von Spiralströmungswegen bzw. -nuten, die auf diese Weise ausgebildet worden sind, symmetrisch in einer solchen Weise auf der Oberfläche der Düse angeordnet sind, daß sie den Brennstoff aus laß 1' umgeben. Der Brennpunkt dieser Strömungswege fällt mit der Spitze der Düse zusammen.

Bei der Düse, die in der oben beschriebenen Weise aufgebaut ist, werden alle Strömungen des Gases längs der Strömungswege in dem Brennpunkt oder Senkenpunkt des Dipols konzentriert, und daher wird die gegenseitige Störung von Grup-

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pen von Gasströmungen in der Nähe des Brennpunkts in der konventionellen Düse vollständig ausgeschaltet. Die Gasströmung in einer Spiralbewegung mit einer stabilen Saugwirkung bewirkt ein maximales Drehmoment auf Brennstoff, der zum Brennpunkt ausgestoßen wird, so daß der Brennstoff mit einem hohen Grad zerstäubt und auf diese Weise die Funktion der Zerstäubung von Brennstoff durch die Düse verbessert wird.

Die Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht eines Teils einer Verbrennungseinrichtung gemäß der Erfindung, die eine Düse nach der Erfindung aufweist und von der der Brennstoffsteuertank entfernt worden ist. Eine Brennstoffzuführungs-Hauptleitung 13 ist mit einem BrennstoffStrömungsweg 1o verbunden, der sich längs der Achse eines Körpers 12 und eines Luftverteilers 11 zum Brennstoffauslaß 1¹ der Düse erstreckt. Durch die Saugwirkung am Brennpunkt der Düse 4¹ wird Brennstoff vom Brennstoffsteuertank zum Brennstoffauslaß 1' der Düse 4' zugeführt. Druckluft wird durch eine Luftzuführungsleitung 15 und einen Luftweg 14 in eine ringförmige Nut 1 eingeführt. Die Druckluft in der ringförmigen Nut 1 wird weiter zwangsweise durch dünne bzw. feine Wege 2 im Luftverteiler 11, die in den Körper 12 eingeschraubt sind und eine gasdichte Abdichtung mit demselben bilden, sowie in eine Luftkammer 3 strömen gelassen. Die auf diese Weise in die Luftkammer 3 eingeführte Druckluft wird zu Luftströmungen reguliert, die längs der Spiralströmungswege 4 strömen, welche symmetrisch auf der Oberfläche der Düse ausgebildet sind. Demgemäß werden die Luftströmungen zwangsweise spiralförmig bewegt, so daß sie sich am Brennpunkt 7 oder am Senkenpunkt 7 des Dipols der Düse konzentrieren. Eine Abdeckung 5 befindet sich in engem Kontakt mit der Oberfläche der Düse, so daß sie auf diese Weise eine Wand bzw. Abdeckung für die Spiralströmungswege bzw. -nuten 4 bildet.

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Die am Brennpunkt ausgestoßene Gasmischung führt eine Potentialbewegung längs einer Anzahl von spiralförmigen Kreisen 8 in einem beschränkten konischen Bereich 9 aus, dessen Spitze der Brennpunkt ist. Das bedeutet, daß sich die Mischung stabil spiralförmig bewegt.

Ein spezifisches vorteilhaftes Merkmal des Brennstoffsteuertanks nach der Erfindung besteht darin, daß das Brennstoffzuführungsrohr 16 so angeordnet ist, daß sich sein oberes Ende auf dem gleichen Niveau wie das Niveau der mittigen Achse der Düse befindet, und Brennstoff wird der Düse mit einem geeigneten Mischungsverhältnis zugeführt, wobei der Brennstoffkopf für einen gegebenen Düsenluftdruck negativ gehalten wird.

Die Fig. 5 zeigt den Aufbau eines Brennstoffsteuertanks, der das vorerwähnte Brennstoffzuführungsrohr 16 besitzt. Der Tank A ist hermetisch abgedichtet, wobei ein Raum C über dem Brennstoff B im Tank A vorgesehen ist. Ein Luftrohr 17 ist in einer solchen Weise in den Brennstoff B eingeführt, daß es durch das obere Ende mit der Atmosphäre in Verbindung steht, so daß der atmosphärische Druck am unteren Ende aufrechterhalten wird. Ein negativer Brennstoffkopf kann in Abhängigkeit von dem vertikalen Abstand zwischen dem oberen Ende des Brennstoffzuführungsrohrs 16 und dem unteren Ende des Luftrohrs 17 durch vertikales Bewegen des unteren Endes des Luftrohrs unter das obere Ende des Brennstoffzuführungsrohrs 16 ausgewählt bzw. eingestellt werden. Auf diese Weise kann, wenn der vertikale Abstand und demgemäß der negative Brennstoffkopf mit Bezug auf einen gegebenen Luftdruck eingestellt werden, während die Zustände der Flamme beobachtet werden, ein optimales Mischungsverhältnis für den Luftdruck und den der Düse zugeführten Brennstoff festgesetzt werden.

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Das andere Ende des Brennstoffzuführungsrohrs 16 ist durch eine flexible Leitung mit dem Brennstoffzuführungs-Hauptrohr 13 verbunden, das seinerseits mit dem Körper der Düse verbunden ist. Wenn ein Umschalten des BrennstoffSteuertanks durchgeführt wird, wobei sich die Tanks auf dem gleichen Niveau befinden, kann die Verbrennung noch kontinuierlich ausgeführt werden bzw. weitergehen. Das bedeutet, daß eine Verbrennung bei hohen Temperaturen unter einem extrem hohen Wirkungsgrad mit einer minimalen Menge an Brennstoff gemäß der Erfindung ausgeführt werden kann. Bei einer Verbrennung vom Saugtyp aufgrund eines negativen Kopfs wird die Zuführung von Brennstoff durch Unterbrechung der Luftdruckzuführung zur Düse automatisch unterbrochen. Daher wird ein Auftreten von Rückfeuer aufgrund einer Leckage von Brennstoff, wie es im konventionellen Verfahren auftreten kann, zwangsweise verhindert, so daß die Erfindung zur Verbesserung der Sicherheit des Betriebs der Einrichtung beiträgt.

Gemäß der Erfindung kann verbrennbares Material unter Anwendung des Prinzips der Verbrennung aufgrund einer adiabatischen reversiblen Änderung unabhängig von seinem Molekulargewicht und Mischungsverhältnis vollständig verbrannt werden. Daher kann eine Vielzahl von verschiedenen Brennstoffen in einem weiten Bereich von Anwendungen wirksam verwendet werden, und der Verbrennungswirkungsgrad von Brennkraftmaschinen kann gemäß der Erfindung bemerkenswert erhöht werden, so daß die Erfindung dadurch zur ökonomischen Verwendung von Energie beiträgt.

Kurz zusammengefaßt wird mit der Erfindung ein Verbrennungsverfahren unter Anwendung eines erfindungsgemäßen Verbrennungsprinzips zur Verfügung gestellt, in dem flüssiger Brennstoff durch eine Gasströmung zerstäubt wird, die von Strömungswegen einer Düse ausgestoßen wird, welche durch Strömungslinien gebildet sind, die sich zum Senkenpunkt des Di-

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pols in einer Potentialbewegung erstrecken. Auf die Bewegung des Gases zum Verbrennen der spiralförmig rotierenden Gasströmung, die durch die Mischung von Brennstoff und Gas gebildet wird, werden thermodynamische Prinzipien angewandt, Der Verbrennungswirkungsgrad und der Wärmeaustausch-Wirkungsgrad werden bemerkenswert verbessert. Die Erfindung betrifft außerdem eine Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens.

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■15

Leerseite

Claims

KRAUS & WEISERT

PAT ENTAf JWÄLTE

DR. WALTER KRAUS DIPLOMCHEMIKER · DR ING Α.χΝΕΚΛΤΕ WE:SER" DIPL-IVCi. FACHRICHTUNG CHEMIE IRMGARDSTRASSE 15 ■ D-8OOO MÜNCHEN 71 · TELEFON 089/797077-797078 · TELEX 05-212156 kpatd

TELEGRAMM KRAUSPATENT

2712 JS/BR

SHIGETAKE TAMAI
Kawasaki, Japan

Verbrennungsverfahren und -einrichtung

PATENTANSPRÜCHE

1 .) Verbrennungsverfahren zum Verbrennen eines rotierenden Gases bei einem geeigneten Mischungsverhältnis von Luft und Brennstoff, die an dem Brennpunkt einer Düsen eines Dipols ausgestoßen werden, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: Erzeugen einer Gasbewegung in einer adiabatischen reversiblen Änderung, in der eine Druckverminderung in der Wirbelbewegung aufgrund der Verbrennung eine fortschreitende, auf einen Wirbel angewandte Gasströmung hervorruft; Anwenden eines Druckimpulses auf die Wirbelbewegung; und Vermindern der Fortschreitungsgeschwindigkeit des Wirbels um einen Betrag, welcher der Rotationsgeschwindigkeit des Wirbels äquivalent ist, und zwar aufgrund der NichtZweideutigkeit des Druckimpulses und des Geschwindigkeitspotentials, so daß eine Ebene, die im Druck dem atmosphärischen Druck äquivalent ist, nach

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einwärts bewegt wird, so daß sie einen Verbrennungsbereich verengt und dadurch einen Verbrennungsbereich maximaler Energiedichte ausbildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gasmischung, die am Brennpunkt der Düse ausgestoßen wird, mit Hilfe der Zentrifugalkraft eines mit hoher Geschwindigkeit rotierenden Gases aufgrund des Stoßes des Druckimpulses vollständig verbrannt und die Flamme des Mischungsgases bzw. der Gasmischung kontinuierlich aufrechterhalten wird, so daß ein sicherer Verbrennungsbereich ausgebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Maximum an innerer Energie von Wärmeenergie, die durch Verbrennung erzeugt worden ist, und Wärmeenergie aufgrund adiabatischer Kontraktion erhalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß ein Zerstäubungsbereich durch Verbrennung in einen solchen maximaler innerer Energie verengt wird, und daß ein hoher Verbrennungswirkungsgrad mit Hilfe der Temperatur vor und nach der Verbrennung erzielt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Wärmeaustauschwirkungsgrad bzw. die Wärmeaustauschleistungsfähigkeit eines Wärmeaustauschers durch Wärmeleitung von Gas in Potentialbewegung aufgrund von Verbrennung in adiabatisch reversibler Änderung erhöht wird.

6. Verbrennungseinrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer zerstäubenden Düse, gekennzeichnet durch

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eine Einrichtung (4¹) zum Ausbilden einer Mehrzahl von Gasströmungswegen (4), von denen jeder durch koaxiale Anordnung von zwei unterschiedlichen kreisförmigen Kegelstümpfen (ABCD, A¹B¹C¹D¹)/ die eine gemeinsame Spitze haben und durch Projizieren von zwei unterschiedlichen Strömungswegen (n, n¹) unter Strömungslinien, die sich zum Senkenpunkt

(b) eines Dipols erstrecken, auf die Oberflächen der kreisförmigen Kegelstümpfe (ABCD, A¹B¹C¹D¹) zur Bildung von oberen und unteren Basen derselben, ausgebildet wird, wobei die GasStrömungswege (4) in einer solchen Weise angeordnet sind, daß der Brennpunkt (7) der GasStrömungswege (4) mit dem Senkenpunkt (b) des Dipols an der Spitze (f) der kreisförmigen Kegelstümpfe (ABCD, A¹B¹C¹D¹) übereinstimmt; und einen Brennstoffweg (1o), der sich geradlinig längs der Achse der kreisförmigen Kegelstümpfe (ABCD, A¹B¹C¹D¹) in einer solchen Weise erstreckt, daß die Achse des Brennstoffwegs (1o) durch den Brennpunkt (7) hindurchgeht, wobei Brennstoff, der in dem Brennpunkt (7) zerstäubt worden ist, nur in einem konischen Bereich (9) verbrannt wird, welcher durch Gasströmungen ausgebildet wird, die längs der Gasströmungswege (4) laufen, so daß sie sich in dem Brennpunkt (7) konzentrieren.

7. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß sie weiter folgendes umfaßt: einen Brennstoffsteuertank (A), der hermetisch abgedichtet ist und einen Raum für Brennstoff (B) sowie einen Raum (C) über dem Brennstoff (B) hat, wobei der Brennstof f steuertank (A) ein Brennstoffzuführungsrohr (16) aufweist, das in den Brennstoffsteuertank (A) in einer solchen Weise eingefügt ist, daß das obere Ende des Brennstoffzuführungsrohrs (16) auf dem gleichen Niveau wie die Achse der Düse (4') ist; und ein Luftrohr (17), das in den Brennstof fs teuertank (A) in einer solchen Weise eingefügt ist,

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daß das obere Ende dieses Luftrohrs (17) mit atmosphärischem Druck verbunden ist, und daß das untere Ende des Luftrohrs (17) vertikal unter das obere Ende des Brennstoffzuführungsrohrs (16) bewegbar ist, wobei Brennstoff (B) mit einem negativen Kopf aufgrund eines vertikalen Abstands zwischen dem oberen Ende des Brennstoffzuführungsrohrs (16) und dem unteren Ende des Luftrohrs (17) zur Düse (4¹) zugeführt wird, so daß ein geeignetes Mischungsverhältnis von Luft und Brennstoff erzielt wird.

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