DE4121067C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verbrennen brennbarer Stoffe mit einer Brennstoffdüse und mindestens einem Luftzufuhrkanal zur separaten Zufuhr von Verbrennungsluft und mit mindestens einer die Strömung von Brennstoff und Verbrennungsluft beeinflussenden Einbaufläche im Austrittsbereich der Brennstoffdüse und des Luftzufuhrkanals. Derartige Vorrichtungen sind beispielsweise aus VDI-Berichte Nr. 425, 1981, Seite 14 bekannt.

Bei der Verbrennung brennbarer Stoffe hängt die Qualität der Verbrennung im wesentlichen von der rechtzeitigen und voll­ ständigen Mischung des Stoffes mit der Verbrennungsluft ab. Eine unvollständige Verbrennung tritt immer dann auf, wenn eine zu späte und zu geringe Zufuhr von Sauerstoff in den sich aus­ bildenden Flammenkern erfolgt. Die Folge einer unvollständigen Verbrennung sind Rückstände des zu verbrennenden Stoffes im Rauchgas.

Sofern die Verbrennung eines Stoffes zum Zwecke der Energieer­ zeugung erfolgt, verringert die unvollständige Verbrennung den Gesamtwirkungsgrad. Wird dagegen die Verbrennung der Stoffe zur Entsorgung von chemischen Stoffen verwendet, ergibt sich zu­ sätzlich zur Wirkungsgradverschlechterung die Gefahr einer Um­ weltbelastung.

Die aus VDI-Berichte Nr. 425, 1981, Seite 14 bekannten Einbauflächen sind entweder als Drall erzeugende Flächen oder als Prallflächen ausgebildet. Mit einer Drallströmung kann lediglich eine Verdrehung der Flammströmung erreicht werden, nicht jedoch eine Vermischung von Brennstoff und Verbrennungsluft, weil in der Drallströmung bis auf Sekundäreffekte keine Durchdringung der einzelnen Teilströme bewirkt wird. Durch den Einsatz von Prallflächen entsteht ein turbulenter Strömungsnachlauf hinter der Prallscheibe mit Rückströmungseffekten und ungeordneter Turbulenz. Dieses auch Totwasserzone genannte Gebiet sorgt bei hohen Anströmgeschwindigkeiten für eine Verzögerung der Strömung und damit für ein örtliches Fixieren der Flamme. Durch die unregelmäßige Turbulenz im Totwassergebiet tritt zwar eine gewisse Vermischung der Teilströme von Brennstoff und Verbrennungsluft ein, diese beschränkt sich aber auf den inneren Teilbereich der Flammenströmung, d. h. auf den Flammenkern.

Sowohl bei den Drall erzeugenden Einbauflächen als auch bei Prallflächen erfolgt keine gezielte Vermischung der Brennstoffströmung mit der Verbrennungsluft im äußeren Bereich der Flamme. Deshalb entsteht hier infolge schlechter Vermischung und nicht optimaler Temperatur eine unvollständige Verbrennung mit Entstehen von Schadgasen, insbesondere CO.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der bekannten Art zum Verbrennen brennbarer Stoffe, insbesondere zur Entsorgung von chemischen Stoffen durch Verbrennung zu schaffen, die auch bei schwierigen und sich verändernden Randbedingungen eine vollständige Verbrennung sicherstellt.

Die Lösung dieser Aufgabenstellung durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Einbaufläche als ein Vorderkantenwirbelsystem in der Verbrennungsluft und/oder im Brenn­ stoffstrahl erzeugende Wirbeleinbaufläche ausgebildet ist.

Das mit der erfindungsgemäßen Wirbeleinbaufläche erzeugte Vorderkantenwirbelsystem wird hierbei durch von den beiden symmetrisch zur Hauptströmungsrichtung angestellten Kanten der Einbaufläche ausgehende Impulse induziert und ist stationär. Es entstehen zwei gegenläufig rotierende konische Potentialwirbel, die sich in Strömungsrichtung selbständig und kontinuierlich ausbreiten.

Durch diese Erzeugung eines Vorderkantenwirbelsystems werden die bisher getrennt strömenden Teilströme von Brennstoff und Verbrennungsluft eingerollt und zopfartig miteinander verflochten, wobei große Austauschflächen zwischen den Teilströmen entstehen, die eine intensive Vermischung im Gesamtbereich, d. h. über den gesamten Strömungsquerschnitt bewirken. Es ergibt sich somit durch eine gezielte, intensive und zeitlich frühe Zusammenführung von Brennstoff und Verbrennungsluft eine vollständige, das Entstehen von Schadgasen minimierende Verbrennung. Da bei dem Vorderkantenwirbelsystem kein toter Nachlauf entsteht, bleibt der Strömungswiderstand der erfindungsgemäßen Einbaufläche klein; außerdem wird der Mischvorgang in Strömungsrichtung aufrechterhalten. Insgesamt bewirkt die erfindungsgemäße Wirbeleinbaufläche eine vollständige Verbrennung des Brennstoffes innerhalb des sich ausbildenden Flammenkerns, so daß eine unvollständige Verbrennung mit der Folge von Brennstoffrückständen im Rauchgas unter allen Umständen vermieden wird.

Die Wirbeleinbaufläche kann hierbei entweder im Strömungsquerschnitt der Verbrennungsluft oder des Brennstoffes angeordnet sein; sie kann innerhalb des Kanalquerschnittes für die Verbrennungsluft bzw. für den Brennstoff oder in Strömungsrichtung von Verbrennungsluft bzw. Brennstoff hinter dem Kanal angeordnet werden. Sofern die Anordnung der Wirbeleinbaufläche hinter dem eigentlichen Kanal erfolgt, kann eine Lage bzw. Ausbildung der Wirbeleinbaufläche im Strömungsquerschnitt sowohl der Verbrennungsluft als auch des Brennstoffes gewählt werden.

Die Wirbeleinbaufläche zur Erzeugung des Vorderkantenwirbelsystems kann mit geraden oder gebogenen Vorderkanten ausgebildet sein, beispielsweise in der Form eines Deltas oder Rhombus oder einer Kreis- oder Ovalscheibe. Weiterhin ist es erfindungsgemäß möglich, mehrere derartige Wirbeleinbauflächen über den kreis- bzw. ringförmigen Strömungsquerschnitt des Brennstoffes und/oder der Verbrennungsluft verteilt anzuordnen.

In jedem dieser Fälle erzeugt die Wirbeleinbaufläche ein stationäres, dreidimensionales Vorderkantenwirbelsystem, das für eine sehr schnelle und intensive Mischung von Brennstoff und Verbrennungsluft sorgt und damit Ursache für eine vollständige Verbrennung des Brennstoffes ist. Die jeweilige Gestaltung und Anordnung der Wirbeleinbaufläche bzw. Wirbeleinbauflächen kann hierbei auf den Einzelfall abgestimmt werden.

Auf der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Verbrennungsvorrichtung schematisch darge­ stellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel anhand einer schematischen Seitenansicht sowie einer Vorderansicht bei Verwendung einer im Strömungsquerschnitt sowohl der Verbrennungsluft als auch des Brennstoffes ange­ ordneten Wirbeleinbaufläche,

Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung einer zweiten Ausführungsform mit insgesamt vier im Strömungsquerschnitt hinter dem Luftzufuhrkanal ange­ ordneten Wirbeleinbauflächen,

Fig. 3 eine weitere Darstellung entsprechend den Fig. 1 und 2 einer dritten Ausführungsform mit einer im Strömungs­ querschnitt hinter der Brennstoffdüse angeordneten Wirbeleinbaufläche,

Fig. 4 eine den Fig. 1 bis 3 entsprechende Darstellung einer vierten Ausführungsform, bei der eine Wirbeleinbau­ fläche im Austrittsbereich der Brennstoffdüse und ins­ gesamt sechs Wirbeleinbauflächen im Austrittsquer­ schnitt des Luftzufuhrkanals angeordnet sind,

Fig. 5 eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform einer Wirbeleinbaufläche,

Fig. 6 eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform einer derartigen Wirbeleinbaufläche,

Fig. 7 eine Draufsicht auf eine ovale Wirbeleinbaufläche und

Fig. 8 eine Draufsicht auf eine kreisförmige Wirbeleinbau­ fläche.

Die vier Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 1 bis 4 zeigen schematisch jeweils eine Brennstoffdüse 1, die bei allen Aus­ führungsbeispielen zentrisch in einem Luftzufuhrkanal 2 ange­ ordnet ist. Der aus der Brennstoffdüse 1 austretende brennbare Stoff soll unter Zufuhr der aus dem Luftzufuhrkanal 2 aus­ tretenden Verbrennungsluft verbrannt werden, wobei es auch denk­ bar ist, daß bereits dem der Brennstoffdüse 1 zugeführten brenn­ baren Stoff Primärluft zugegeben worden ist.

Um eine vollständige und rückstandsfreie Verbrennung zu er­ zielen, ist beim ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 eine deltaförmige Wirbeleinbaufläche 3 angeordnet, die schräg zur Strömungsrichtung des Brennstoffes und der Verbrennungsluft aus­ gerichtet ist und derart große Abmessungen aufweist, daß sie gemäß der Stirnansicht in Fig. 1 sowohl im Strömungsquerschnitt des Brennstoffes als auch der Verbrennungsluft liegt. Die beiden spitzwinklig zueinander verlaufenden Vorderkanten dieser Wirbeleinbaufläche 3 erzeugen ein stationäres Vorderkanten­ wirbelsystem, das innerhalb einer sehr kurzen Mischstrecke zu einer sehr intensiven Vermischung von Brennstoff und Verbrennungsluft führt. Dem Kern der in Fig. 1 eingezeichneten Flamme wird auf diese Weise rechtzeitig ausreichend viel Verbrennungsluft zugeführt, so daß sich eine rückstandsfreie Verbrennung ergibt.

Beim zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind insgesamt vier dreieckförmige Wirbeleinbauflächen 4 hinter der ringförmigen Mündung des Luftzufuhrkanals 2 angeordnet. Diese gleichmäßig über den Umfang des Luftzufuhrkanals 2 verteilten Wirbelein­ bauflächen 4 erzeugen gemäß der Darstellung im rechten Teil der Fig. 2 ebenfalls Vorderkantenwirbelsysteme, welche die aus dem Luftzufuhrkanal 2 austretende Verbrennungsluft auf kurzer Misch­ strecke der Strömung des aus der Brennstoffdüse 1 austretenden brennbaren Stoffes zumischen, so daß auch in diesem Fall eine vollständige Verbrennung erzielt wird.

Das dritte Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 zeigt eine von den voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen abweichende Anordnung einer ebenfalls dreieckförmigen Wirbeleinbaufläche 5. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist diese Wirbeleinbau­ fläche 5 in der Mündung des Luftzufuhrkanals 2, jedoch im Strömungsquerschnitt ausschließlich des aus der Brennstoffdüse 1 austretenden Brennstoffes angeordnet. Auch hierdurch ergibt sich eine intensive Vermischung von Brennstoff und Verbrennungsluft aufgrund eines stationären Vorderkantenwirbelsystems, das primär in der Strömung des Brennstoffes erzeugt wird, durch die stationären Wirbel jedoch eine intensive Zumischung der den Brennstoff umgebenden Verbrennungsluft bewirkt, so daß auch bei diesem Ausführungsbeispiel innerhalb einer sehr kurzen Misch­ strecke eine derart ausreichende Zumischung von Verbrennungsluft zum Brennstoff erfolgt, daß sich eine vollständige Verbrennung des brennbaren Stoffes ergibt.

Beim vierten Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist eine Aus­ führungsform gezeigt, bei der Wirbeleinbauflächen 6 und 7 sowohl innerhalb der Mündung der Brennstoffdüse 1 als auch des Luftzu­ fuhrkanals 2 angeordnet sind. Beim Ausführungsbeispiel befindet sich im Austrittsbereich der Brennstoffdüse 1 eine ovale Wirbel­ einbaufläche 6, während im ringförmigen Mündungsbereich des Luftzufuhrkanals 2 insgesamt sechs dreieckförmige Wirbeleinbau­ flächen 7 gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Bei dieser Aus­ führungsform werden sowohl in dem aus der Brennstoffdüse 1 aus­ tretenden Brennstoff als auch in der aus dem Luftzufuhrkanal 2 austretenden Verbrennungsluft Vorderkantenwirbelsysteme mit stationären Wirbeln erzeugt, die insgesamt durch ihr Zusammen­ treffen innerhalb einer sehr kurzen Mischstrecke eine voll­ ständige Vermischung von Brennstoff und Verbrennungsluft be­ wirken, so daß auch bei dieser Ausführungsform eine vollständige Verbrennung des brennbaren Stoffes erreicht wird.

Die Fig. 5 bis 8 zeigen bevorzugte Ausführungsformen der Wirbel­ einbauflächen. Die Fig. 5 zeigt eine bereits in den Fig. 1 bis 4 dargestellte deltaförmige bzw. dreieckförmige Wirbeleinbaufläche 3, wogegen die Wirbeleinbaufläche 8 als Rhombus ausgeführt ist. Die Wirbeleinbaufläche 6 nach Fig. 7 ist - wie bereits in Fig. 4 gezeichnet - oval ausgeführt; die Fig. 8 zeigt eine kreisförmige Wirbeleinbaufläche 9. Allen diesen Ausführungsformen ist gemein­ sam, daß sie, wenn sie unter einem spitzen Winkel zur Strömungs­ richtung angestellt werden, mit ihren zuerst angeströmten Vorderkanten ein Wirbelsystem erzeugen, das aus stationären Wirbeln besteht und hierdurch auf sehr kurzer Mischstrecke eine intensive und dennoch verlustarme Vermischung zur Folge hat.

Bezugszeichenliste

1 Brennstoffdüse
2 Luftzufuhrkanal
3 deltaförmige Wirbeleinbaufläche
4 dreieckförmige Wirbeleinbaufläche
5 dreieckförmige Wirbeleinbaufläche
6 ovale Wirbeleinbaufläche
7 dreieckförmige Wirbeleinbaufläche
8 rhombusförmige Wirbeleinbaufläche
9 kreisförmige Wirbeleinbaufläche

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Verbrennen brennbarer Stoffe mit einer Brenn­ stoffdüse und mindestens einem Luftzufuhrkanal zur separaten Zufuhr von Verbrennungsluft und mit mindestens einer die Strömung von Brennstoff und Verbrennungsluft beeinflussenden Einbauflächen im Austrittsbereich der Brennstoffdüse und des Luftzufuhrkanals, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbaufläche als ein Vorderkantenwirbelsystem in der Verbrennungsluft und/oder im Brennstoffstrahl erzeugende Wirbeleinbaufläche (3, 4, 5, 6, 7) ausgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbeleinbaufläche (4) im Strömungsquerschnitt der Verbrennungsluft angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbeleinbaufläche (5) im Strömungsquerschnitt des Brenn­ stoffes angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbeleinbaufläche (6, 7) innerhalb des Kanalquer­ schnittes für die Verbrennungsluft bzw. für den Brennstoff angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbeleinbaufläche (3, 4, 5) hinter dem Kanal für die Verbrennungsluft bzw. den Brennstoff angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbeleinbaufläche (3) hinter den Kanälen für die Ver­ brennungsluft und den Brennstoff im Strömungsquerschnitt sowohl der Verbrennungsluft als auch des Brennstoffes ange­ ordnet ist.

7. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Wirbeleinbaufläche (3, 8, 6, 9) mit geraden oder gebogenen Vorderkanten ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Wirbeleinbauflächen (4, 6, 7) über den kreis- bzw. ringförmigen Strömungsquer­ schnitt des Brennstoffes und/oder der Verbrennungsluft ver­ teilt angeordnet sind.