DE3043957A1

DE3043957A1 - Drallkammer zum erzeugen umlaufender wirbelfaeden

Info

Publication number: DE3043957A1
Application number: DE19803043957
Authority: DE
Inventors: Otto Dr. 4551 Tönisvorst Carlowitz; Rudolf Prof. Dr.-Ing. 3380 Goslar Jeschar
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-11-21
Filing date: 1980-11-21
Publication date: 1982-07-08

Description

Die Erfindung betrifft eine Drallkammer zum Erzeugen um-
laufender Wirbelfäden in einer im Querschnitt kreisringförmigen Vorströmzone und einer zentralen axialen Rückströmzone mit einem tangentialen und einem axialen Fluideinlaß.
Derartige Drallkammern sind beispielsweise Teil eines Zyklonbrenners oder werden wegen der guten Durchmischung als chemische Reaktoren eingesetzt. Auch können derartige Drallkammern als Drallmischer für Fluide dienen, wobei diese Fluide Gase, Flüssigkeiten oder fluidisierte Feststoffe sein können.
Im VDI-Bericht Nr. 346, 1979, ist ein Zyklonbrenner aus einem Drallerzeuger mit einem tangentialen Lufteinlaß, einem zentrischen axialen Brennstoffeinlaß und einer sich daran axial anschließenden Drallkammer als Brennraum beschrieben. Der Drallerzeuger verjüngt sich konisch bis zu einem ringförmigen Brennraumeintritt, in dessen Bereich auch die Brennermündung liegt. Dieser Brennraumeintritt wird durch eine Eintrittswulst begrenzt, die in dem Brennraum über eine halbtorusförmige Ringnut übergeht.
Die aus dem Brenner und dem Drallerzeuger austretenden Gase strömen infolge der Zentrifugalkraft zur Brennraumwandung und bilden dort eine ringförmige axiale Vorströmzone, während zentrisch dazu eine axiale Rückströmzone entsteht, wenn der sogenannte kritische Drall überschritten wird. Die Rückströmzone ist bei dem bekannten Zyklonbrenner offen, so daß die rückströmenden Gase durch den Brennraumaustritt aus der Umgebung angesaugt werden. Entlang der Trennfläche zwischen der Vorströmzone und der Rückströmzone tritt ein Tangentialgeschwindigkeitssprung auf, der zur Bildung von umlaufenden Wirbelfäden führt, die die mittlere Wegstrecke der Gasmoleküle in dieser Drallströmung erheblich vergrößern. Dadurch stellt sich eine starke Verbesserung der Vermischung und der Verbrennung im Brennraum ein. Wichtig für einen möglichst großen Tangentialgeschwindigkeitssprung ist, daß die Rückströmung möglichst unverdrallt ist. Aus dem Bericht geht ferner hervor, daß sich eine Verengung des Brennraumaustritts ungünstig auf die Rückströmung auswirkt, die in diesem Falle nicht drallfrei ist. Es wurde zusätzlich festgestellt, daß die Rückströmung einen umso geringeren Drall aufweist, je größer eine sich an den Brennraum anschließende Querschnittserweiterung ist.
Es hat sich nun herausgestellt, daß das Auftreten von Wirbelfäden bei diesem bekannten Zyklonbrenner und auch bei anderen Anwendungsfällen im wesentlichen zufallsbedingt ist und sich nicht bei jedem Betriebszustand spontan erreichen läßt. Auch läßt sich oft aus baulichen Gründen an die Drallkammer nicht eine ausreichende Querschnittserweiterung anschließen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Drallkammer zu schaffen, bei der mit einfachen Mitteln und bei jedem Betriebszustand Wirbelfäden auftreten, um die mischungsfördernde Wirkung dieser Wirbelfäden und die daraus resultierende hohe Energie- bzw. Massenumsetzungsdichte vorteilhaft ausnutzen zu können.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß sich an die Drallkammer eine Erweiterung mit Drallverminderern und eine Verengung anschließen. Bei der erfindungsgemäßen Drallkammer wird nicht etwa die Rückströmung von außen angesaugt, sondern ein Teil der durch die Drallverminderer gerichteten Vorströmung gelangt in die Rückströmzone und wird in den Anfangsbereich der Drallkammer zurückgeführt. Hier vermischt sich dieser Teil erneut mit dem mit Drall zugeführten Fluid und dem axial eingeführten Fluid. Dient die Drallkammer als Mischkammer, so ergibt sich eine erhebliche Verbesserung der Durchmischung, was sowohl für Gase, Flüssigkeiten als auch für fluidisierte Feststoffe gilt. Wird die erfindungsgemäße Brennkammer bei einem Zyklonbrenner verwendet, so führt dies zu einer erheblichen Verbesserung des Ausbrandes und einer sehr hohen Energieumsetzungsdichte.
Überraschenderweise führt die sich an die Erweiterung anschließende Verengung bei der Erfindung nicht zu einer drallbehafteten Rückströmung mit ihren Nachteilen; vielmehr entsteht stets spontan wenigstens ein umlaufender Wirbelfaden.
Vorteilhafterweise sind die Drallkammer, die Erweiterung und die Verengung als Zylinder ausgebildet, wobei das Verhältnis des Durchmessers der Erweiterung zum Durchmesser der Drallkammer im Bereich von 1,8 bis 2,5 liegt und der Durchmesser der Verengung etwa gleich dem Durchmesser der Drallkammer sein kann. Auch für das Verhältnis der Länge der Erweiterung zum Durchmesser der Drallkammer gibt es ein bevorzugtes Verhältnis, das beste Ergebnisse liefert und im Bereich von 1,5 bis 2 liegt.
Die Drallverminderer können aus einem in die Erweiterung geführten tangentialen Fluideinlaß bestehen, der einen dem Drall in der Drallkammer entgegengesetzten Drall erzeugt.
Besonders vorteilhaft ist jedoch ein Drallverminderer aus mindestens einer, in der Erweiterung angeordneten Richtrippe.
Vorzugsweise entspricht die axiale Länge der Richtrippe etwa der halben axialen Länge der Erweiterung. Die Richtrippe sollte am verengungsseitigen Ende der Erweiterung angeordnet sein. Die zylndrische Erweiterung dient dazu, die in der Drallkammer erzeugte überkritische Drallströmung infolge der wirksamen Fliehkräfte radial nach außen zu führen. Im weiteren Verlauf gelangt die Strömung in den Bereich der Richtrippen, die den Drall der Strömung zerstören bzw. die Strömung richten. Infolge der Drallzerstörung gelangt unverdralltes Fluid in die in der Drallkammer vorhandene axiale Rückströmung. Dabei wirken die Wirbelfäden infolge ihrer Eigenrotation als von der Drallströmung selbst erzeugte Rührer und erhöhen auf diese Weise die Durchmischung der überkritischen Drallströmung.
Die Innenkanten der Richtrippen liegen vorzugsweise auf dem gleichen Durchmesser wie die Verengung und steigen vom Durchmesser der Verengung auf den Durchmesser der Erweiterung.
Vorzugsweise werden mindestens vier gleichmäßig über dem Umfang der Erweiterung angeordnete Rippen verwendet, deren Summe ihrer Breite kleiner oder gleich einem Zehntel des Umfangs der Erweiterung ist. Bei einem Zyklonbrenner mit einer erfindungsgemäßen Drallkammer sind die Reaktionspartner bzw. Vermischungspartner im allgemeinen bereits vor dem Eintritt in die Drallkammer zusammengeführt. Wird die Drallkammer in Verbindung mit einem Drallmischer oder einem Reaktor verwendet, ist die Zugabe der zweiten fluiden oder festen Komponenten durch eine auf der Achse der Drallkammer geführte Lanze möglich. Die Drallkammer kann je nach Verwendung aus verschiedenen Materialien bestehen. Wird sie in Verbindung mit einem Zyklonbrenner verwendet, so muß sie aus hitzebeständigem Stahl oder einem keramischen Werkstoff bestehen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Zyklonbrenners mit einer erfindungsgemäßen Drallkammer teilweise im Schnitt, Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch einen Teil des Zyklonbrenners gemäß Fig. 1, Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III in Fig. 2 und Fig. 4 einen Schnitt entsprechend Fig. 2 mit dem Strömungsverlauf.
Ein Zyklonbrenner 1 aus feuerfestem Material besteht aus einem Drallerzeuger 2, dessen zylindrischer Bereich mit einem tangentialen Lufteinlaß 3 versehen ist. Ein zentrischer axialer Brennstoffeinlaß 4 erstreckt sich vom zylindrischen Bereich bis ans Ende eines konischen Ubergangs mit einem ringförmigen Brennraumeintritt 5. In diesem Bereich vermischt sich das aus dem Brennstoffeinlaß 4 austretende Gas mit der in den Drallerzeuger 2 eingeführten Luft und strömt radial an einem Eintrittswulst 6 nach außen, der zwischen der Wandung einer als Brennraum dienenden Drallkammer 8 eine halbtorusförmige Ringnut 7 bildet.
An die Drallkammer 8 schließt sich eine zylindrische Erweiterung 9 an, in der auf dem Umfang gleichmäßig verteilt Richtrippen 11 angeordnet sind. Eine Verengung 10 bildet den Abschluß des Zyklonbrenners. Die Richtrippen 11 erstrecken sich etwa über die halbe Länge der Erweiterung 9 und sind von der Mitte der Erweiterung 9 zur Verengung 10 hin mit schrägverlaufenden Innenkanten versehen, deren Enden einerseits mit dem Umfang der Erweiterung 9 und andererseits mit dem Umfang der Ver-engung 10 abschließen.
Bezüglich der in Fig. 2 gegebenen Längen- und Durchmesser ist zu beachten, daß die Länge L1 der Drallkammer im Einzelfall von der Art der Verwendung als Zyklonbrenner, Mischer oder Reaktor abhängt und andererseits so groß gewählt werden muß, daß sich bei Eintritt in die zylindrische Erweiterung 9 eine überkritische Drallströmung ausbildet, d.h. daß sich die Strömung ausgehend vom Brennraumeintritt 5, d.h. einem kleineren Durchmesser als D1, vollständig an die Wand der Drallkammer 8 angelegt haben muß. Für das Verhältnis des Durchmessers D2 der Erweiterung 9 zum Durchmesser D1 der Drallkammer 8 gilt als optimaler Wert 1,8 bis 2,5. Der Durchmesser D3 der Verengung 10 wird normalerweise gleich dem Durchmesser D1 der Drallkammer 8 gewählt, wobei geringe Unterschiede in beiden Richtungen möglich sind. Die Länge L2 der Erweiterung 9 ist abhängig vom Durchmesser D1 der Drallkammer 8 und steht hierzu in einem Verhältnis von 1,5 bis 2. Die Länge L3 der Verengung 10 ist frei wählbar, während die Länge L4 der Richtrippen vorteilhafterweise gleich der halben Länge L2 der Erweiterung 9 entspricht. Für die Breite B der Richtrippen 11 hat sich gezeigt, daß die Summe der Breiten aller Richtrippen ein Zehntel des Umfanges der zylindrischen Erweiterung 9 nicht überschreiten sollte.
Bei einem Zyklonbrenner mit diesen Maßverhältnissen ergibt sich eine Strömung mit umlaufenden Wirbelfäden, die im Bereich der halbtorusförmigen Ringnut 7 eine geschlossene Rezirkulationszone bildet, während entlang der Wandung der Drallkammer 8 eine axiale, kreisringförmige von Wirbelfäden begleitete Vorströmung entsteht. Zentrisch dazu bildet sich eine axiale, keinen Drall aufweisende Rückströmung aus. Im Bereich der Erweiterung 9 legt sich die kreisringförmige Vorströmung an die erweiterte Wandung an und gelangt in den Bereich der Richtrippen 11, wo sie ihren Drall mehr oder weniger vollständig verliert. Hierdurch wird ein Teil der mit der Vorströmung in den Bereich der Erweiterung 9 gelangenden Gase als axiale und insbesondere drallfreie Rückströmung in die Drallkammer 8 zurückgesaugt und vermischt sich mit den zugeführten Gasen.
Bei dem dargestellten Zyklonbrenner führt dies dazu, daß der Ausbrand verbessert und der Energieumsatz innerhalb des Brennersystems intensiviert wird. Das bewirken die umlaufenden Wirbelfäden, die ein intensives Nachvermischen ergeben und damit eine Nachreaktionszone bzw. zweite Verbrennungsstufe einleiten. Versuche mit dem erfindungsgemäßen Zyklonbrenner haben gezeigt, daß sich über einen relativ großen Durchsatzbereich gute Ausbrandwerte erzielen lassen, wobei es möglich ist, neben den Parametern Luftzahl und Durchsatz auch die Drallstärke zu verändern und dadurch das Strömungsfeld zu beeinflussen.

Claims

"Drallkammer zum Erzeugen umlaufender Wirbelfäden" Patentansprüche : 1. Drallkammer zum Erzeugen umlaufender Wirbelfäden in einer im Querschnitt kreisringförmigen Vorströmzone und einer zentralen axialen Rückströmzone mit einem tangentialen und einem axialen Fluideinlaß, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine Erweiterung (9) mit Drallverminderern (11) und eine sich daran anschließende Verengung (10).
2. Drallkammer nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Erweiterung (9) und die Verengung (10) zylindrisch ausgebildet sind.
3. Drallkammer nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß das Verhältnis des Durchmessers D2 der Erweiterung (9) zum Drallkammerdurchmesser D1 gleich 1,8 bis 2,5 ist.
4. Drallkammer nach Anspruch 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Durchmesser D3 der Verengung (io) etwa gleich dem Drallkammerdurchinesser D1 ist.
5. Drallkammer nach Anspruch 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Verhältnis der Länge L2 der Erweiterung (9) zum Drallkammerdurchmesser D1 gleich 1,5 bis 2 ist.
6. Drallkammer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h einen tangentialen Fluideinlaß in die Erweiterung (9).
7. Drallkammer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h mindestens eine in der Erweiterung (9) angeordnete Richtrippe (11).
8. Drallkammer nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die axiale Länge L4 der Richtrippen (11) etwa gleich der halben axialen Länge L2 der Erweiterung (9) ist und die Richtrippen (ii) am verengungsseitigen Ende der Erweiterung (9) angeordnet sind.
9. Drallkammer nach Anspruch 7 oder 8, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Innenkanten der Nicht rippen (11) auf dem gleichen Durchmesser D3 liegen wie die Verengung (10).
10. Drallkammer nach Anspruch 7, 8 oder 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Innenkanten der Richtrippen (11) vom Durchmesser D3 der Verengung (10) auf dem Durchmesser D2 der Erweiterung (9) ansteigend ausgebildet sind.
11. Drallkammer nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 10, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h mindestens vier gleichmäßig über den Umfang der Erweiterung (9) angeordnete Richtrippen (11).
12. Drallkammer nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Summe der Rippenbreiten B höchstens einem Zehntel des Umfangs der Erweiterung (9) entspricht.