Die Erfindung betrifft einen Dampferzeuger, insbesondere
einen Wasserstoff/Sauerstoffdampferzeuger, mit einem Ein
blaskopf, durch welchen ein Oxidator und ein Brennstoff in
eine sich an den Einblaskopf anschließende Brennkammer
eingeblasen werden und mit in die Brennkammer mündenden
Einspritzvorrichtungen für Wasser.
Bei derartigen Dampferzeugern besteht das Problem, den
Oxidator und den Brennstoff optimal in die Brennkammer
einzublasen, so daß eine vollständige Verbrennung erfolgt,
wobei vorzugsweise der Oxidator und der Brennstoff in
stöchiometrischen Verhältnissen eingeblasen werden und
eine vollständige Verbrennung erreicht werden soll.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen
Dampferzeuger der gattungsgemäßen Art zu schaffen, bei
welchem optimale Verbrennungsverhältnisse in der Brenn
kammer geschaffen werden.
Diese Aufgabe wird bei einem Dampferzeuger der eingangs
beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der
Einblaskopf mehrere Einblaselemente aufweist, welche den
Oxidator und den Brennstoff gemeinsam in die Brennkammer
einblasen und welche einen der beiden in eine innere
Zylinderströmung und den anderen in einer die innere
Zylinderströmung umschließenden Ringströmung führen.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin,
daß durch diese Art der Einblasung des Oxidators und des
Brennstoffs eine zuverlässige und vor allem stöchiome
trische Verbrennung der beiden möglich ist, was insbe
sondere bei Verwendung von Sauerstoff als Oxidator und
Wasserstoff als Brennstoff eine zwingende Notwendigkeit
darstellt.
Besonders zweckmäßig ist eine Lösung bei welcher die Ring
strömung und die Zylinderströmung von dem Einblaselement
direkt in die Brennkammer eingeblasen werden.
Ferner ist es von Vorteil, wenn die Ringströmung und die
Zylinderströmung mit parallel zueinander verlaufenden
Strömungsrichtungen im Einblaselement gebildet und in die
Brennkammer eingeblasen wird.
Als besonders günstig hat es sich hierbei erwiesen, wenn
die Ringströmung koaxial zur inneren Zylinderströmung ver
läuft.
Weiterhin hat sich bei der erfindungsgemäßen Ausbildung
des Einblaskopfes als zweckmäßig erwiesen, wenn der
Oxidator in der inneren Zylinderströmung und der Brenn
stoff in der äußeren Ringströmung geführt werden, so daß
die Brennstoffströmung jeweils die Strömung des Oxidators
umgibt.
Wie bereits eingangs erwähnt, ist vorzugsweise der Oxida
tor Sauerstoff und der Brennstoff Wasserstoff, wobei beide
in stöchiometrisch gehaltenen Massenstromverhältnissen zu
geführt werden.
Bei der Konzeption des erfindungsgemäßen Einblaskopfes hat
es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die
Einblaselemente in einem Innenbereich einer Bodenplatte
des Einblaskopfes angeordnet sind, welche einen den Innen
bereich umschließenden, einblaselementfreien Randbereich
aufweist, wobei sich dieser Randbereich vorzugsweise bis
zu einer die Brennkammer umschließenden Wand erstreckt.
Durch das Vorsehen dieses einblaselementfreien Randbe
reichs wird insgesamt eine bessere Energieumsetzung
stromabwärts der Einblaselemente und eine niedrigere
Wärmebelastung der Brennkammerwand erreicht.
Besonders vorteilhafte Relationen zwischen dem Innenbe
reich und dem Randbereich ergeben sich dann, wenn die
Fläche des Innenbereichs nicht mehr als das 0,6fache der
Gesamtfläche der Bodenplatte, gebildet aus der Summe der
Flächen des Innen- und des Randbereichs, beträgt.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen,
daß die Bodenplatte kreisförmig ausgebildet ist. Somit ist
es auch zweckmäßig, wenn der Innenbereich kreisförmig aus
gebildet ist und der Randbereich einen den Innenbereich
umgebenden Kreisringbereich darstellt.
Hinsichtlich der Ausbildung der Einblaselemente hat es
sich ferner als vorteilhaft erwiesen, wenn die Quer
schnittsfläche der Zylinderströmung größer als die Quer
schnittsfläche der Ringströmung gehalten ist, um insbe
sondere eine gute Vermischung zwischen dem Brennstoff und
dem Oxidator zu erreichen.
Auch bezüglich der einzelnen, die Zylinderströmung und die
Ringströmung führenden Rohre haben sich bei bestimmten
Relationen vorteilhafte Brenneigenschaften der Einblas
elemente ergeben.
So ist es besonders vorteilhaft, wenn die Länge des die
Zylinderströmung ausbildenden Innenrohrs des Einblas
elements das mindestens Dreifache von dessen Durchmesser
beträgt.
In gleicher Weise hat es sich alternativ oder zusätzlich
zu dem Vorgenannten als besonders günstig erwiesen, wenn
die Länge der die Ringströmung ausbildenden Mantelfläche
des Einblaselements mindestens das Dreifache des "äquiva
lenten" oder "hydraulischen" Durchmessers der Ringströmung
beträgt.
Bei den bislang beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde
lediglich auf die Anordnung der Einblaselemente, welche
während des Betriebs des Dampferzeugers die Zufuhr des
Oxidators und des Brennstoffs übernehmen, eingegangen. Es
wurde jedoch nichts darüber gesagt, wie eine Zündung des
Oxidator/Brennstoffgemischs erfolgen soll.
So sieht ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel
vor, daß in dem Randbereich der Bodenplatte eine Mündungs
öffnung einer Zündkammer oder Mündungsöffnungen mehrerer
Zündkammern angeordnet sind. Dadurch wird erreicht, daß
die Zündkammern außerhalb des Bereichs liegen, in welchem
die für den Betrieb vorgesehenen Einblaselemente angeord
net sind und somit die Einblaselemente ohne Rücksicht auf
die Zündkammern optimal angeordnet werden können.
Vorzugsweise sind, um eine gleichmäßige Zündung zu er
reichen, mehrere Zündkammern vorgesehen.
Während bei den Einblaselementen vorgesehen ist, daß diese
den Oxidator und den Brennstoff so in die Brennkammer ein
blasen, daß diese sich erst in der Brennkammer vollständig
vermischen, ist im Gegensatz dazu bei den Zündkammern vor
gesehen, daß in diesen der Oxidator und der Brennstoff zu
einem zündfähigen Gemisch vermischt werden.
Vorzugsweise ist dabei die Zündkammer so ausgebildet, daß
der in einer inneren Zylinderströmung zugeführte Oxidator
und der in einer die innere Zylinderströmung umschließen
den Ringströmung geführte Brennstoff, vor deren Austritt
aus der Bodenplatte in einem Zündraum, vollständig ver
mischt werden.
Günstigerweise ist der Zündraum so angeordnet, daß er sich
an ein inneres, die innere Zylinderströmung erzeugendes
Zylinderrohr anschließt.
Außerdem ist zweckmäßigerweise der Zündraum so angeordnet,
daß er von der Fortsetzung der die Ringströmung nach außen
begrenzenden Mantelfläche umgrenzt ist.
Zur Zündung des Gemischs aus Oxidator und Brennstoff ist
vorzugsweise ein Zündelement im Zündraum vorgesehen, wobei
insbesondere das Zündelement unmittelbar vor der Mündungs
öffnung angeordnet ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegen
stand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichne
rischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels; in der
Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen teilweisen Längsschnitt durch ein
schematisch dargestelltes Ausführungsbei
spiel eines erfindungsgemäßen Dampferzeugers;
Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung eines Einblas
kopfs, und
Fig. 3 einen Schnitt längs Linie 3-3 in Fig. 2.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Dampfer
zeugers, dargestellt in Fig. 1 umfaßt einen Einblaskopf
10, an welchen sich eine Brennkammer 12 anschließt, welche
von einem Brennkammergehäuse 14 umgeben ist. In diesem
Brennkammergehäuse sind im Abstand von dem Einblaskopf 10
mindestens einer oder auch mehrere Einspritzringe 16 ange
ordnet, mit welchen Wasser in die Brennkammer eingespritzt
wird, so daß sich an einem dem Einblaskopf 10 gegenüber
liegenden Ende ein Dampfstrom 18 ausbildet, welcher durch
eine Auslaßöffnung 20 aus dem Dampferzeuger austritt. Das
erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel wird vorzugsweise als
Wasserstoff/Sauerstoff-Dampferzeuger betrieben, bei
welchem ein Sauerstoffstrom GO2 und ein Wasserstoffstrom
GH2 dem Einblaskopf 10 in stöchiometrischen Verhältnissen
zugeführt werden, wobei dieser Einblaskopf 10 dann die
beiden Ströme in die Brennkammer 12 einbläst.
Wie in Fig. 2 dargestellt, bildet der die Brennkammer 12
abschließende und als Ganzes mit 10 bezeichnete Einblas
kopf eine Bodenplatte 22, welche mit einem äußeren Auf
lagerand 24 an einem Abschlußflansch 26 des Brennkammer
gehäuses 14 anliegt und sich in einer senkrecht zu einer
Längsachse 28 des Brennkammergehäuses verlaufenden Ebene
erstreckt.
In einem konzentrisch um die Längsachse 28 herumverlaufen
den, vorzugsweise kreisförmigen Innenbereich I ist die
Bodenplatte 22 mit einer Vielzahl von als Ganzes mit 30
bezeichneten Einblaselementen versehen, welche mit einer
Längsachse 32 parallel zur Längsachse 28 des Brennkammer
gehäuses ausgerichtet sind. Vorzugsweise sind dabei die
Einblaselemente 30 in einem regelmäßigen Muster in dem
Innenbereich I angeordnet und weisen im wesentlichen
konstante Abstände voneinander auf.
Jedes dieser Einblaselemente 30 umfaßt eine Bohrung 34,
welche sich von einer der Brennkammer 12 zugewandten
Frontseite 36 der Bodenplatte 22 durch die Bodenplatte 22
hindurch in Richtung von der Brennkammer 12 weg bis zu
einem Wasserstoffverteilerraum 38 erstreckt, und einem
nachfolgend beschriebenen Innenrohr 50. Der Wasserstoff
verteilerraum 38 wird dabei gebildet von einem Zwischen
raum zwischen der Bodenplatte 22 und einem parallel zu
dieser auf der der Brennkammer gegenüberliegenden Seite
sowie im Abstand zu dieser angeordneten Zwischenboden 40,
wobei die Zufuhr des Wasserstoffmassenstroms GH2 vorzugs
weise in einem Außenbereich des Wasserstoffverteilerraums
38, insbesondere über eine in radialer Richtung zur Längs
achse 28 verlaufende Wasserstoffzuleitung 42 erfolgt,
welche in den Wasserstoffverteilerraum 38 mündet.
Auf der dem Wasserstoffverteilerraum 38 gegenüberliegenden
Seite des Zwischenbodens 40 ist ein Sauerstoffverteiler
raum 44 vorgesehen, welcher einerseits durch den Zwischen
boden 40 und andererseits durch einen rückseitigen Deckel
46 des Einblaskopfs 10 gebildet wird. In diesen Sauer
stoffverteilerraum 44 mündet eine Sauerstoffzuleitung 48.
Außer durch die Bohrung 34 umfassen die Einblaselemente 30
auch noch das Innenrohr 50, welches den Zwischenboden 40
durchsetzt und von dem Sauerstoffverteilerraum 44 aus
gehend sich in Richtung der Brennkammer 12 erstreckt und
innerhalb der Bohrung 34 mit einem vorderen Ende 52 mün
det, wobei das vordere Ende 52 in einem Abstand a hinter
der Frontseite 36 der Bodenplatte 22 liegt.
Das Innenrohr 50 ist dabei koaxial zur Längsachse des je
weiligen Einblaselements 30 ausgerichtet und weist einen
Außendurchmesser auf, welcher kleiner als ein Innendurch
messer der Bohrung 34 ist, so daß, wie in Fig. 3 darge
stellt, zwischen dem Innenrohr 50 und der Bohrung 34 ein
Ringspalt 54 verbleibt.
Da das Innenrohr 50 von dem Sauerstoffverteilerraum 44
ausgeht, strömt durch dieses Innenrohr 50 eine Zylinder
strömung 56 von Sauerstoffgas, welche aus diesem Innenrohr
an dessen vorderem Ende 52 austritt.
Da die Bohrung 34 sich bis zu dem Wasserstoffverteilerraum
38 erstreckt, welcher von dem Innenrohr 50 aber vollstän
dig durchsetzt ist, strömt in dem Ringspalt 54 zwischen
dem Innenrohr 50 und der Bohrung 34 eine Ringströmung 58,
welche um die Zylinderströmung 56 bis zu dem vorderen Ende
52 des Innenrohrs 50 getrennt verläuft, so daß sich in dem
Einblaselement 30 beide Strömungen erst ab dem vorderen
Ende 52 des Innenrohrs vermischen können. Da das vordere
Ende 52 im Abstand a von der Frontseite 36 der Bodenplatte
22 angeordnet ist, beginnt eine Vermischung der Ring
strömung 58 mit der Zylinderströmung 56 in geringem Maße
schon vor der Frontseite der Bodenplatte 22 setzt sich
aber dann in verstärktem Maße in die Brennkammer 12 hinein
fort und erfolgt in dieser dann vollständig.
Erfindungsgemäß ist die für die Zylinderströmung zur Ver
fügung gestellte Querschnittsfläche FZ größer als die für
die Ringströmung zur Verfügung gestellte Querschnitts
fläche FR, wobei zusätzlich stets die Bedingung einzu
halten ist, daß Sauerstoff und Wasserstoff in stöchio
metrischen Verhältnissen miteinander eingeblasen werden.
Darüberhinaus ist in erfindungsgemäßer Weise die Länge LI
des Innenrohrs 50 größer als der dreifache Durchmesser des
Innenrohrs.
Außerdem ist in erfindungsgemäßer Weise auch die Länge LB
einer Mantelfläche der Bohrung 34 so gewählt, daß sie
größer ist als das dreifache des "äquivalenten" oder
"hydraulischen" Durchmessers der Ringströmung 58, wobei
sich dieser "äquivalente" oder "hydraulische" Durchmesser
gemäß der Formel D = 4FR/U errechnet, wobei U der Umfang
des Strömungsquerschnitts der Ringströmung 58 ist.
Der Innenbereich I der Bodenplatte 22, welcher mit den
Einblaselementen 30 versehen ist, ist noch zusätzlich um
geben von einem Randbereich R, welcher den Innenbereich I
kreisringförmig umschließt und bis zu einer Innenwand
fläche 60 des Brennkammergehäuses 14 reicht. Erfindungs
gemäß ist dieser Randbereich R nicht mit Einblaselementen
30 versehen.
Dagegen sind in dem Randbereich R vorzugsweise Zündkammern
62 vorgesehen, welche sich insbesondere in entgegenge
setzter Richtung zur Brennkammer 12 von der Bodenplatte 22
ausgehend erstrecken und mit ihrer vorderen Mündungsöff
nung 64 in der Frontseite 36 der Bodenplatte 22 münden.
Die Zündkammern 62 umfassen dabei ein eine Außenwand
desselben bildendes Hüllrohr 66 sowie ein koaxial in
diesem Hüllrohr 66 angeordnetes Zylinderrohr 68, welches
zwischen einer Innenwand des Hüllrohrs 66 und seiner
eigenen Außenwand einen Ringraum 70 zwischen dem Hüllrohr
66 bildet. Ein hinteres Ende des Zylinderrohrs 68 ist mit
einer Sauerstoffzuführleitung 72 verbunden, während ein
hinteres Ende des Ringraums 70 mit einer Wasserstoffzu
führleitung 74 verbunden ist, so daß ebenfalls eine
Zylinderströmung des Sauerstoffs von einer Ringströmung
von Wasserstoff umgeben ist.
Vorzugsweise endet das Zylinderrohr 68 in einem Abstand Z
vor der Mündungsöffnung 64, so daß sich in der Zündkammer
62 die Ringströmung des Wasserstoffs mit der Zylinder
strömung des Sauerstoffs vollständig vermischen können.
Vorzugsweise ist zwischen dem Ende des Zylinderrohrs 68
und der Mündungsöffnung 64 ein elektrischer Zünder 76 vor
gesehen, welcher die sich mit der Zylinderströmung des
Sauerstoffs vermischte Ringströmung des Wasserstoffs vor
der Mündungsöffnung 64 zündet, so daß aus der Mündungs
öffnung 64 in der Bodenplatte 22 ein brennender Strahl 78
aus Wasserstoff und Sauerstoff austritt, welcher dann in
der Lage ist, die im Innenbereich I aus der Bodenplatte 22
austretenden Wasserstoff/Sauerstoffströme zu zünden.
Hierzu wird vorzugsweise zwischen dem vorderen Ende des
Zylinderrohrs 68 und der Mündungsöffnung 64 ein Zündraum
80 ausgebildet, welcher die Länge Z aufweist und sich
zwischen dem vorderen Ende des Zylinderrohrs 68 und der
Mündungsöffnung 64 erstreckt. Vorzugsweise wird der Zünd
raum durch eine innere Mantelfläche 82 des Hüllrohrs 66
begrenzt, die ebenfalls zur Ausbildung der Ringströmung im
Bereich zwischen dem Hüllrohr 66 und dem Zylinderrohr 68
beiträgt und sich bis zur Mündungsöffnung 64 fortsetzt.
Zweckmäßigerweise ragt ein Zündkopf 84 des Zündelements 76
über diese innere Mantelfläche hervor und ist in einem
Bereich der vollständigen Vermischung des Oxidators mit
dem Brennstoff, vorzugsweise unmittelbar vor der Mündungs
öffnung 64 angeordnet.
Als Zündelement ist vorzugsweise eine Zündkerze oder eine
Glühkerze vorgesehen.
Vorzugsweise ist bei dem erfindungsgemäßen Einblaskopf die
Fläche FI des Innenbereichs so gewählt, daß sie kleiner
oder gleich dem 0,6fachen der Fläche FI + FRa, d. h. der
Summe der Fläche des Innenbereichs FI und der Fläche des
Randbereichs FRa beträgt.