DE3512948A1

DE3512948A1 - Einblaselement fuer einen verbrennungsreaktor, insbesondere einen dampferzeuger

Info

Publication number: DE3512948A1
Application number: DE19853512948
Authority: DE
Inventors: Manfred 7156 Neulautern Ramsaier; Hans J. Prof. Dr.-Ing. 7109 Jagsthausen Sternfeld; Karlheinz Dr.-Ing. 7519 Eppingen Wolfmüller
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt Fuer Luft und Raumfahrt EV 5300 Bonn; Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1985-04-11
Filing date: 1985-04-11
Publication date: 1986-10-16
Also published as: GB2175683B; GB8608904D0; DE3512948C2; US4916904A; FR2580380B1; GB2175683A; JPH0144963B2; FR2580380A1; JPS62718A

Description

HOEGER₁ STELLRECHT & PARTNER

PATENTANWÄLTE UHLANDSTRASSE 14 ο ■ D 7OOO STUTTGART 1

A 46 571 u Anmelderin: Deutsche Forschungs- und

u - 202 Versuchsanstalt für Luft-

1. April 1985 und Raumfahrt e.V.

5300 Bonn

Postanschrift: Postfach 90 60 58 5000 Köln 90

Beschreibung

Einblaselement für einen Verbrennungsreaktor, insbesondere einen Dampferzeuger

Die Erfindung betrifft ein Einblaselement für einen Verbrennungsreaktor, insbesondere einen Dampferzeuger, in dem ein Brennstoff und ein Oxidator vermischt und miteinander umgesetzt werden, mit einer Zufuhr für den Brennstoff, einer Zufuhr für den Oxidator, einer Mischkammer für den Brennstoff und den Oxidator und mit einer Zündeinrichtung für ein Gemisch aus Brennstoff und Oxidator.

Verbrennungsreaktoren dieser Art können für verschiedene Reaktionspartner Verwendung finden, beispielsweise können als Brennstoffe Kohlenwasserstoffe verwendet werden, als Oxidator vorzugsweise Sauerstoffgas oder andere sauerstoffabgebende Gase. Eine besondere Anwendung findet ein solcher Reaktor bei der Verwendung von Wasserstoffgas als Brennstoff und von Sauer stoff gas als Oxidator, da eine derartige Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserdampf hoher Temperatur geeignet. Im folgendem wird zur Erläuterung der Erfindung ausschließlich auf der-

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artige Dampferzeuger und die entsprechenden Einblaselemente Bezug genommen, es wird jedoch ausdrücklich hervorgehoben, daß das Einblaselement der vorliegenden Erfindung auch für andere Reaktionspartner Verwendung finden kann.

Ein Dampferzeuger ist aus der deutschen Patentschrift 29 33 932 bekannt. Der dort beschriebene Dampferzeuger dient im wesentlichen der Herstellung von Dampf für Kraftwerke, d.h. der bekannte Dampferzeuger ist geeignet zum Einsatz in großen Anlagen, in denen große Dampfmengen benötigt werden.

Ausgehend von diesem bekannten als Dampferzeuger arbeitenden Reaktor ist es Aufgabe der Erfindung, ein Einblaselement für die Einleitung eines Brennstoffes und eines Oxidators in einen Reaktor vorzuschlagen, mit dem auf kleinstem Raum eine zuverlässige Zündung und gleichzeitig eine einwandfreie Vermischung der Reaktionskomponenten möglich ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Einblaselement der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Brennstoffzufuhr in einen Zündraum mit erweitertem Strömungsquerschnitt einmündet, daß der Zündraum einen Auslaß mit gegenüber dem Strömungsquerschnitt des Zündraums geringem Querschnitt aufweist, daß der Auslaß der Zündkammer sowie die Oxidatorzufuhr in die Mischkammer einmünden, daß eine Zündoxidatorzufuhr in den Zündraum einmündet und daß die Zündeinrichtung im Zündraum unmittelbar stromaufwärts des Auslasses angeordnet ist.

Bei dieser Gesamtanordnung wird also dem Brennstoff zum Zünden ein geringer Anteil Zündoxidator beigemischt. Dieses Gemisch wird in einem speziellen Zündraum gezündet, und zwar unmittelbar vor einem Auslaß, vor dem das Zündgemisch durch eine Querschnittsverengung rückgestaut wird. Das entzündete

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Gemisch tritt gemeinsam mit der Hauptoxidatorzufuhr in eine Mischkammer ein, in der die Reaktionspartner innig miteinander vermischt werden, so daß das aus der Mischkammer austretende Gasgemisch vollständig verbrennen kann. Nach dem Zünden kann die Zufuhr des Zündoxidators zum Zündraum unterbrochen werden, es wird dann durch den Zündraum reiner Brennstoff in die Mischkammer geleitet.

Günstig ist es, wenn die Zufuhr des Oxidators in die Mischkammer von dem Auslaß des Zündraums im wesentlichen koaxial umgeben ist. Es ergibt sich dann in der Mischkammer eine besonders wirksame Vermischung der beiden Gaskomponenten.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform durchsetzt die Oxidatorzufuhr den Zündraum koaxial, d.h. der Zündraum umgibt die zentrale Oxidatorzufuhr nach Art eines Ringraumes.

Es ist vorteilhaft, wenn die Brennstoffzufuhr parallel zur Längsachse des Zündraumes in unmittelbarer Nähe der Wände des Zündraumes und/oder der Außenwand der Oxidatorzufuhr und sich über den gesamten Umfang der Wände erstreckend in den Zündraum einmündet. Der Brennstoff bildet dann längs der Wände eine mit hoher Geschwindigkeit strömende Gasschicht, die die Wände des Zündraums und/oder die Wände der zentralen Oxidatorzufuhr wirksam kühlt. Es hat sich dabei als günstig erwiesen, wenn die Zündoxidatorzufuhr ebenfalls parallel zur Längsachse zwischen einer der Wand des Zündraumes benachbarten ersten Brennstoffzufuhr und einer der Außenwand der Oxidatorzufuhr benachbarten zweiten Brennstoffzufuhr in den Zündraum mündet. Durch diese Anordnung wird eine gute Durchmischung des Zündoxidators mit dem Brennstoff im Zündraum gewährleistet.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, daß der Zündraum zwischen den Einmündungen der Brennstoffzufuhr und der Zünd-

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oxidatorzufuhr einerseits und der Zündeinrichtung andererseits eine Vormischkammer bildet, deren Querschnitt kleiner ist als der des stromabwärts der Vormischkammer gelegenen Teils des Zündraumes, derart, daß die Strömungsgeschwindigkeit in der Vormischkammer über der Flammausbreitungsgeschwindigkeit liegt. Dadurch wird ein Zurückschlagen der in dem Zündraum gezündeten Flamme in Richtung auf die Einmündung der Gaszufuhren verhindert.

Eine besonders wirksame Durchmischung der Gaskomponenten läßt sich dadurch erreichen, daß sich die Mischkammer in Strömungsrichtung verengt.

Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Zündeinrichtung in einem seitlich in den Zündraum einmündenden Hohlraum derart angeordnet ist, daß die Reaktionspartner unmittelbar an ihr entlangströmen. Bei einer anderen Ausführungsform kann die Zündeinrichtung eine im Zündraum angeordnete, von dem Brennstoff und dem Zündoxidator durchströmte Katalysatorsubstanz sein. In beiden Fällen ist durch die Anordnung der Zündeinrichtung unmittelbar vor dem Auslaß sichergestellt, daß durch die in diesem Bereich erhöhte Strömungsgeschwindigkeit der Reaktionspartner durch Verbrennung entstehende Reaktionsprodukte, also beispielsweise Wasserdampf im Falle eines Dampferzeugers, mit den Reaktionsprodukten von der Zündeinrichtung entfernt wird, so daß im Bereich der Zündeinrichtung keine Ansammlung von Reaktionsprodukten möglich ist, die deren Funktion beeinträchtigen könnte.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:

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Fig. 1 eine schematische Längsschnittansicht eines Einblaselements und

Fig. 2 eine Ansicht ähnlich Figur 1 einer abgewandelten Ausführungsform eines Einblaselements .

Das in Figur 1 dargestellte Einblaselement wird in Verbindung mit einem Dampferzeuger erläutert, es dient also der Zufuhr von Wasserstoff- und Sauerstoffgas. Es ist in einem Gehäuseblock 1 angeordnet, an den sich eine in der Zeichnung nur angedeutete Brennkammer 2 eines Dampferzeugers anschließt. Durch den Gehäuseblock 1 führt eine zentrale Bohrung hindurch, die mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten Sauerstoffquelle verbunden ist und eine Sauerstoffzufuhr 3 bildet. Die Sauerstoffzufuhr 3 mündet in eine sich in Strömungsrichtung konisch verengende Mischkammer 4, die konzentrisch zur Sauerstoffzufuhr 3 angeordnet ist und an der Einmündungsseite der Sauerstoffzufuhr 3 einen Querschnitt aufweist, der größer ist als der Querschnitt der Sauerstoffzufuhr 3. Die sich konisch verengende Mischkammer 4 mündet in einen Auslaß 5 ein, der sich in die Brennkammer 2 öffnet.

Die zentrale Sauerstoffzufuhr ist von einem ringförmigen Zündraum 6 umgeben, der sich stromaufwärts der Mischkammer 4 konisch verengt und über einen schmalen, die Sauerstoffzufuhr 3 konzentrisch umgebenden Ringspalt 7 mit der Mischkammer 4 in Verbindung steht.

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Der Zündraum 6 ist unterteilt in eine stromaufwärts gelegene Vormischkammer 8 und in eine zwischen dieser Vormischkammer 8 und dem Ringspalt 7 gelegene Zündkammer 9, mit der ein seitlich angeordneter Hohlraum 10 in Verbindung steht. In diesem Hohlraum 10 ist eine Zündeinrichtung angeordnet, beispielsweise eine Glühkerze oder eine Zündelektrode. Der Hohlraum 10 kann auch als an sich bekanntes H--Resonanzrohr ausgebildet sein, mit dem eine Entzündung möglich ist.

Der Strömungsquerschnitt der Vormischkammer ist kleiner als der Querschnitt der Zündkammer 9, dies wird im dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch erreicht, daß die Wand 11 der Sauerstoffzufuhr 3 im Bereich der Vormischkammer dicker ausgebildet ist als im Bereich der Zündkammer. Dadurch läßt sich im Bereich der Vormischkammer 8 eine Strömungsgeschwindigkeit aufrechterhalten, die über der Flammausbreitungsgeschwindigkeit liegt, d.h. ein Zurückwandern einer in der Zündkammer gezündeten Flamme in die Vormischkammer.8 wird dadurch verhindert.

In die Vormischkammer 8 münden zwei konzentrische Ringspalte 12 und 13 ein, wobei der innere Ringspalt 12 unmittelbar an der Wand 11 der zentralen Sauerstoffzuführleitung 3 anliegt, während der äußere Ringspalt 13 unmittelbar an der Wand 14 der Vormischkammer 8 anliegt. Beide Ringspalte 12 und 13 stehen mit einem Ringverteilerraum 15 in Verbindung, in den eine parallel zur Sauerstoff zufuhr 3 verlaufende Wasserstoffzufuhr 16 einmündet,

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die in aus der Zeichnung nicht ersichtlicher Weise mit einer Wasserstoffquelle verbunden ist.

Durch die spezielle Anordnung der Ringspalte 12 und 13 in der Nähe der Wände 11 bzw. 14 wird erreicht, daß in die Vormischkammer einströmendes Wasserstoffgas in Form einer dünnen Schicht an der Wand 11 der Sauerstoffzufuhr 3 bzw. an der Wand 14 der Vormischkammer 8 entlangströmt und diese Wände dadurch sehr effektiv kühlt.

Die Ringspalte 12 und 13 und der Ringverteilerraum 15 werden durch einen die Sauerstoffzufuhr 3 koaxial umgebenden Ring 17 gebildet, der mittels Stegen 18 am Gehäuseblock 1 gehalten ist. Eine Zündsauerstoffzufuhr 19, die in nicht dargestellter Weise mit einer Sauerstoffquelle verbunden ist, führt durch einen der Stege 18 in den Ring 17 und mündet zwischen den beiden Ringspalten 12 und 13 achsparallel in die Vormischkammer 8 ein, und zwar in Umfangsrichtung des Zündraumes 6 gesehen in dem Bereich, in dem sich der Hohlraum 10 befindet, der die Zündeinrichtung aufnimmt.

Zum Betrieb des betriebenen Einblaselementes werden Sauerstoff und Wasserstoff in stöchiometrischem Verhältnis durch die Sauerstoffzufuhr 3 und die Wasserstoffzufuhr 16 eingeleitet. Zur Zündung wird außerdem über die Zündsauerstoffzufuhr Sauerstoff zugeführt; dieser kann von dem durch die zentrale Sauerstoffzufuhr 3 geleiteten Sauerstoff abgezweigt werden, so daß insgesamt ein

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stöchiometrisches Verhältnis erhalten bleibt, es ist aber auch möglich, durch die Zündsauerstoffzufuhr 19 zusätzliches Sauerstoffgas einzuleiten.

Das Zündsauerstoffgas vermischt sich in der Vormischkammer 8 intensiv mit dem über die Ringspalte 12 und 13 zuströmenden Wasserstoff, im Bereich vor dem die Zündeinrichtung enthaltenen Hohlraum 10 wird dieses Gasgemisch durch die Verengung des Zündraumes 6 zurückgestaut, so daß das hier befindliche, zündfähige Gasgemisch von der Zündeinrichtung gezündet werden kann. Aufgrund der erhöhten Strömungsgeschwindigkeit in der Vormischkammer 8 kann sich dabei die Zündflamme nicht entge'gen der Strömungsrichtung ausbreiten, sondern die Zündflamme wird über den Ringspalt 7 in die Vormischkammer 8 und von dieser in die eigentliche Brennkammer 2 geleitet. Sobald in diesem Bereich eine Zündung erfolgt ist, kann die Zufuhr von Sauerstoff durch die Zündsauerstoffzufuhr 19 eingestellt werden, die Zündeinrichtung wird abgeschaltet. Der gesamte Zündraum 6 ist dann nur noch von Wasserstoffgas durchströmt, der in der Mischkammer 4 mit dem Sauerstoff aus der zentralen Sauerstoffzufuhr 3 zusammentrifft und sich aufgrund der Verengung der Mischkammer 4 in dieser intensiv mit dem Sauerstoff vermischt. Dadurch wird eine vollständige Verbrennung des Gasgemisches in der sich anschließenden Brennkammer 2 sichergestellt.

Das in Figur 2 dargestellte abgewandelte Ausführungsbeispiel eines Einblaselementes unterscheidet sich nur ge-

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ringfügig von dem der Figur 1, einander entsprechende Teile tragen daher dieselben Bezugszeichen.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 2 fehlt der eine Zündeinrichtung aufnehmende Hohlraum 10/ statt dessen ist in die Zündkammer 9 zwischen der zentralen Sauerstoffzufuhr 3 und der Wand 14 ein katalytisch wirkender Zündkörper 20 eingesetzt, durch den das gesamte den Zündraum durchsetzende Gas hindurchströmt. Ein zündfähiges Gasgemisch wird in dieser Zündeinrichtung, die ein an sich bekannter Keramik-Katalysator sein kann, entzündet, j

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel mündet die Zündsauerstoffzufuhr nicht über den Ring 17 in die Vormischkammer ein, sondern über eine schräg seitlich in die Vormischkammer eintretende Zufuhrleitung 21. In diesem Fall ergibt sich durch die Drosselung des Gases in dem ringförmigen Zündkatalysator auch bei dieser im wesentlichen radialen Einleitung eine ausreichende Vermischung der beiden Gaskomponenten. Im übrigen wird dieses Einblaselement ebenso betrieben wie das der Figur 1 .

In beiden Fällen ist es wesentlich für eine einwandfreie Zündung, daß das zündfähige Gasgemisch in dem Zündraum durch dessen großen Querschnitt abgebremst wird und somit in diesem Teil seines Strömungsweges eine geringe Strömungsgeschwindigkeit aufweist, so daß hier eine ein-

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wandfreie Zündung erfolgen kann, ohne daß jedoch die Zündreaktion sich entgegen der Strömungsrichtung ausbreiten kann. Nach einer anfänglich großen Strömungsgeschwindigkeit ist daher eine Verlangsamung und in Strömungsrichtung dann wieder eine Beschleunigung durch entsprechende Verengung des Strömungsweges vorgesehen.

Mit dem beschriebenen Einblaselement ist eine verzögerungsfreie Bereitstellung von Heißdampf auf oder oberhalb der Siedelinie mit einem niedrigen Leistungsbereich von 1 bis 500 kW möglich, z.B. zur Versorgung von Sterilisatoren. Es ist dabei sowohl ein kontinuierlicher als auch ein intermittierender Betrieb möglich, wobei Dampfzustand und Leistung je nach Wahl variabel oder konstant gehalten werden können.

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Claims

HOEGER, STELLRECHT & PARTNER

PATENTANWÄLTE UHLANDSTRASSE 14 c · D 7000 STUTTGART 1

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_u _ 202 Versuchsanstalt für Luft-

April 1985 ^und Raumfahrt e.V.

5300 Bonn

Postanschrift:

Postfach 90 60 58 5000 Köln 90

Patentansprüche :

Einblaselement für einen Verbrennungsreaktor, in dem ein Brennstoff und ein Oxidator vermischt und umgesetzt werden, mit einer Zufuhr für den Brennstoff, einer Zufuhr für den Oxidator, einer Mischkammer für den Brennstoff und den Oxidator und mit einer Zündeinrichtung für ein Gemisch aus Brennstoff und Oxidator, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzufuhr (16) in einen Zündraum (6) mit erweitertem Strömungsquerschnitt einmündet, daß der Zündraum (6) einen Auslaß (Ringspalt 7) mit gegenüber dem Strömungsquerschnitt des Zündraums (6) geringerem Querschnitt aufweist, daß der Auslaß (Ringspalt 7) der Zündkammer (6) sowie die Oxidatorzufuhr (3) in die Mischkammer (4) einmünden, daß eine Zündoxidatorzufuhr (19; 21) in den Zündraum (6) einmündet und daß die Zündeinrichtung (Hohlraum 10; Katalysator 20) im Zündraum (6) unmittelbar stromaufwärts des Auslasses (Ringspalt 7) angeordnet ist.
2. Einblaselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidatorzufuhr (3) in die Mischkammer (4) von dem Auslaß (Ringspalt 7) des Zündraumes (6) im

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wesentlichen koaxial umgeben ist.
3. Einblaselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidatorzufuhr (3) den Zündraum (6) koaxial durchsetzt.
4. Einblaselement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzufuhr (16) parallel zur Längsachse des Zündraumes (6) in unmittelbarer Nähe der Wände (14) des Zündraumes (6) und/oder der Außenwand (11) der Oxidatorzufuhr (3) und sich über den gesamten Umfang der Wände (11, 14) erstreckend in den Zündraum (6) einmündet .
5. Einblaselement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündoxidatorzufuhr (19) ebenfalls parallel zur Längsachse zwischen einer der Wand (14) des Zündraumes (6) benachbarten ersten Brennstoffzufuhr (Ringspalt 13) und einer der Außenwand (11) der Oxidatorzufuhr (3) benachbarten zweiten Brennstoffzufuhr (Ringspalt 12) in den Zündraum (6) mündet.
6. Einblaselement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zündraum (6) zwischen den Einmündungen der Brennstoffzufuhr (16) und der Zündoxidatorzufuhr (19) einerseits und der Zündeinrichtung (Hohlraum 10; Katalysator 20) andererseits eine Vormischkammer (8) bildet, deren Querschnitt kleiner ist als der des stromabwärts der Vormischkam-

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mer (8) gelegenen Teils (Zündkammer 9) des Zündraumes (6), derart, daß die Strömungsgeschwindigkeit in der Vormischkammer (8) über der Flammausbreitungsgeschwindigkeit liegt.
7. Einblaselement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Mischkammer (4) in Strömungsrichtung verengt. .
8. Einblaselement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündeinrichtung in einem seitlich in den Zündraum (6) einmündenden Hohlraum derart (10) angeordnet ist, daß die Reaktionspartner unmittelbar an ihr entlangströmen.
9. Einblaselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündeinrichtung eine im Zündraum (6) angeordnete, von dem Brennstoff und dem Oxidator durchströmte Katalysatorsubstanz (20) ist.