DE4418434C2 - Injektor und Verfahren zur Ansaugung oder Vermischung von Fluiden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Injektor und ein Verfahren zur Vermischung zweier Fluide und Ansaugung eines Fluids durch ein weiteres innerhalb einer rohrförmigen Mischkammer gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. 6.

Bei derartigen Ansaug- und Mischverfahren werden zwei Fluide, nämlich zwei gasförmige, zwei flüssige oder eine gasförmige und eine flüssige Phase, miteinander gemischt, wobei eine der beiden Phasen aufgrund höherer Strömungsgeschwindigkeit und -impulses die andere Phase ansaugt. Die entsprechenden Vorrichtungen werden als Injektoren, Ejektoren oder Strahldüsen bezeichnet.

Ein solches bekanntes Verfahren wird beispielsweise in Injektordüsen an Fackelbren­ nern realisiert, um bei Crackanlagen, insbesondere im Notfall, bspw. beim Ausfall eines Verdichters, anfallendes Gas zu verbrennen, um dadurch die Stillegung der gesamten Anlage zu vermeiden. In das unverbrannte Gas wird mittels des Injektors unmittelbar vor der Verbrennungszone ein Dampf/Luft-Gemisch eingebracht, welches ein Rußen der Flamme verhindern soll. Der Lufteintrag erfolgt bisher meist durch das Ansaugen über eine Dampfströmung, welche filmartig der Düsenkontur des Injektors folgt (Coanda-Effekt). Nachteilig wirkt sich dabei aus, daß durch Wandreibung Treibimpuls der Dampfströmung verlorengeht. Die schmalen Spalte für den Austritt des überhitzten Mitteldruckdampfes an der Eintrittsöffnung der Injektordüse machen die Konstruktion anfällig für Verstopfung und eine falsche Einstellung des Spaltes durch thermischen Verzug der Düse.

Ein weiterer Injektor ist in der GB-1 604 326 realisiert, wo in einer Mischkammer zentral eine zylindrische Zuleitung für das ansaugende Fluid angeordnet ist, welche an einem stromabwärts gelagerten Ende einen Düsenaufsatz aufweist, der den Strahl der Fluids auf die Achse der Mischkammer bündelt. Durch einen ringförmigen Spalt am stromaufwärts gelegenen Teil der Mischkammer in der Nähe des Düsenaufsatzes strömt das anzusaugende Fluid in die Mischkammer. Auch diese Konstruktion bedient sich eines Spalters, durch den einer der beiden Fluide der Mischkammer zugeführt wird, und weist somit die bereits erwähnten Nachteile der Spaltkonstruktion auf.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Injektor zusammen mit einem Verfahren zur Vermischung zweier Fluide und Ansaugung eines Fluids durch ein zweites innerhalb einer rohrförmigen Mischkammer anzugeben, wodurch obengenannte Nachteile vermieden werden und auf möglichst geringen Mischstrecken eine gute Durchmischung und/oder eine hohe Ansaugmenge erzielt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem Injektor der gattungsgemäßen Art in der Nähe der Eintrittsöffnung für das anzusaugende Fluid am Rand der rohrförmigen Mischkammer mehrere stromabwärts gerichtete Einzeldüsen mit Austrittsöffnungen für das ansaugende Fluid angeordnet sind. Bei einem gattungsgemäßen Verfahren wird das ansaugende Fluid in Form mehrerer Einzelstrahlen in Strömungsrichtung in die das andere Fluid enthaltende rohrförmige Mischkammer eingedüst.

Die erfindungsgemäßen Einzelstrahlen des ersten Fluids, die als Treibstrahlen für das angesaugte zweite Fluid dienen, besitzen eine größere Oberfläche als die bisherige Coanda-Wandströmung, so daß das Ansaugvermögen erhöht ist. Da aufgrund verminderter Wandreibung außerdem der Impulsübertrag innerhalb der Einzelstrahlen auf das zweite Fluid verbessert ist, wird die zur homogenen Mischung notwendige Strecke verringert. Zudem ist durch den verringerten Impulsübertrag an die Injektorwände und durch die stromabwärts, d. h. ins Innere des rohrförmig begrenzten Volumens gerichteten Einzeldüsen die Geräuscherzeugung herabgesetzt. Eine Verstopfungsgefahr durch angesaugte Schmutzpartikel kann durch geeignete Treibstrahldurchmesser ausgeschaltet werden.

Vorteilhaft ist eine Ausrichtung der Einzeldüsen mit einer radial auf die Achse der Mischkammer gerichteten Komponente. Dadurch werden die aus den Einzeldüsen aus­ tretenden Fluidstrahlen von den angrenzenden Wänden weggerichtet, wodurch zusätz­ lich einem Anhaften der Strömung an den Injektorwänden entgegengewirkt wird.

Es besteht die Möglichkeit, die Mischkammer als Düse, d. h. mit stromabwärts sich verändernden Innendurchmesser, zu gestalten. Bekannte Düsen sind beispielsweise Laval- oder Venturidüsen. Je nach gewünschtem Strömungsprofil, -geschwindigkeit, Durchsatzmenge und Druckverlauf wird eine geeignete Düsenform gewählt. Die Düsenform kann selbstverständlich auch frei konstruiert und entsprechend angepaßt werden.

Vorteilhaft ist, wenn die Mischkammer in mehrere Abschnitte unterteilt ist, wobei im Mischbereich der Fluide eine zylindrische Mischstrecke vorgesehen ist, an die sich stromabwärts eine kegelstumpfförmig erweiternde Diffusorstrecke anschließt. Diese Form bewährt sich insbesondere bei der Ansaugung von Umgebungsluft durch Dampfstrahlen mittels des erfindungsgemäßen Injektors. Beide Fluide mischen sich auf einer relativ kurzen zylindrischen Mischstrecke, der in der Regel ein leicht konusförmig zulaufender Abschnitt zur Ansaugunterstützung (Druckabfall) vorausgeht. Dieser Mischstrecke schließt sich ein im Querschnitt erweiterter Abschnitt an, der mit Vorteil sich kegelstumpfförmig verbreitert.

Wird auf der Eintrittsöffnung der Mischkammer ein die Einzeldüsen enthaltender Aufsatz angebracht, kann durch dessen Oberflächengestaltung die Ansaugmenge des einen Fluids erhöht und die Lärmbelastung noch weiter gesenkt werden. Außerdem können durch diese einfache Maßnahme bereits bestehende (Injektor-)Düsen umgerüstet werden.

Der erfindungsgemäße Injektor, der die Fluidmischung aus einer Austrittsöffnung ab­ gibt, läßt sich für den Eintrag eines Dampf/Luft-Gemisches in das unverbrannte Gas in Fackelbrennern besonders gut verwenden.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur homogenen Mischung zweier gas­ förmiger und/oder flüssiger Fluide. Ebenfalls ist es insbesondere zum Eintrag eines Dampf/Luft-Gemisches in das unverbrannte Gas in Fackelbrennern vorgesehen.

Im folgenden soll anhand der einzigen Zeichnung der erfindungsgemäße Injektor und das von ihm bewirkte Verfahren ausführlich erläutert werden.

In der Zeichnung sind schematisch zwei mögliche Varianten A und B eines erfindungs­ gemäßen Injektors dargestellt, wobei die beiden Varianten A und B durch die Mittellinie (Rotationsachse) getrennt gezeichnet sind.

Variante A (linker Teil der Zeichnung) stellt einen möglichen erfindungsgemäßen Injek­ tor dar mit einer Zuführungsleitung 10 für ein erstes Fluid, beispielsweise Wasser­ dampf, einem Ringraum 11 zur Verteilung dieses Fluids im Inneren des Injektors, von dem eine Zuführungsleitung 12 zur Vorkammer 13 ausgeht. Diese Vorkammer 13 ist bereits im Aufsatz 8 untergebracht. Dieser Aufsatz 8 enthält die Einzeldüsen 4. Vor Betrieb des Injektors ist dessen Eintrittsöffnung 1 zur Mischkammer 3 von dem zweiten Fluid, beispielsweise Luft, (statisch) umgeben. Bei Betrieb des Injektors werden mehrere Einzelstrahlen 9 aus dem ersten Fluid erzeugt, die das umgebende zweite Fluid ansaugen und zur Mischstrecke 6 transportieren. Von dort gelangt die Mischung in eine Diffusorstrecke 7, und schließlich tritt sie durch die Austrittsöffnung des Injektors wieder aus.

Variante B (rechter Teil der Zeichnung) ist analog zur Variante A rotationssymmetrisch zu lesen. Gleiche Komponenten tragen die gleichen Bezugsziffern. Der Aufsatz 8 ist hier deutlich niedriger, was insbesondere bei geringen Durchmessern der Einzelstrah­ len Vorteile bringt. Dann werden nämlich entsprechend mehr Einzeldüsen 4 im Aufsatz 8 angeordnet, wodurch eine größere Ansaugoberfläche entsteht als bei wenigen Ein­ zelstrahlen großen Durchmessers bei gleicher Gesamtmenge des Treibmittels wie Dampf. Entsprechend kürzer fällt die zum Ansaugen erforderliche Strecke aus.

Mit dem erfindungsgemäßen Injektor wird in diesem Ausführungsbeispiel Umgebungs­ luft als Primärluft zur Verbrennung von Gas in das Innere einer Fackel kurz vor der Verbrennungszone zugegeben. Bei Zugabe von 20-30% Primärluft erfolgt die Verbren­ nung mit der aus der Umgebung stammenden restlichen Sekundärluft rußfrei. Die Pri­ märluftzugabe erfolgt durch Ansaugung von Umgebungsluft mittels Dampfstrahlen, die erfindungsgemäß in Form mehrerer Einzelstrahlen 9 in Strömungsrichtung in das In­ nere des Injektors eingedüst werden. Der Hochdruckdampf weist eine Temperatur von etwa 250°C auf. Er tritt aus etwa 8 Einzeldüsen mit einem Durchmesser von 4 mm aus. Mit dieser Konfiguration gelingt die rußfreie Verbrennung von 300 t/h Gas mittels 160 t/h Wasserdampf als Treibmittel. Die Anzahl der Einzeldüsen kann im allgemeinen zwi­ schen etwa 4 bis etwa 32 betragen.

Um ein Anhaften der Strömung an die Wand zu vermeiden, werden die Einzelstrahlen 9 mit einer Richtungskomponente zusätzlich radial in Richtung auf die Achse 5 des Injektorvolumens gerichtet. Durch geeignete Oberflächengestaltung des Aufsatzes 8 läßt sich die Strömung der angesaugten Luft positiv beeinflussen und die Geräuschentwicklung reduzieren.

Claims (9)

1. Injektor zur Vermischung zweier Fluide und Ansaugung eines Fluides durch ein weiteres innerhalb einer rohrförmigen Mischkammer, welche eine Eintrittsöffnung für das anzusaugende Fluid aufweist und eine weitere, stromabwärts gerichtete Eintrittsöffnung für das ansaugende Fluid sowie eine Austrittsöffnung für das Gemisch am stromabwärts gelegenen Ende der Mischkammer, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe der Eintrittsöffnung (1) für das anzusaugende Fluid am Rand (2) der Mischkammer (3) mehrere stromabwärts gerichtete Einzeldüsen (4) mit Austrittsöffnungen für das ansaugende Fluid angeordnet sind.

2. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Einzeldüse (4) in der rohrförmigen Mischkammer (3) eine radiale, auf die Achse (5) der Mischkammer (3) gerichtete Richtungskomponente aufweist.

3. Injektor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkammer (3) als Düse gestaltet ist.

4. Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkammer (3) in mehrere Abschnitte unterteilt ist, wobei im Mischbereich der Fluide eine zylindrische Mischstrecke (6) vorgesehen ist, an die sich stromabwärts eine kegelstumpfförmig erweiternde Diffusorstrecke (7) anschließt.

5. Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Eintrittsöffnung (1) der Mischkammer (3) ein die Einzeldüsen (4) enthaltender Aufsatz (8) angebracht ist.

6. Verfahren zur Vermischung zweier Fluide und Ansaugung eines Fluides durch ein weiteres in einer Strömung innerhalb einer rohrförmigen Mischkammer, welcher das anzusaugende Fluid zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das ansaugende Fluid in Form mehrerer Einzelstrahlen (9) in Strömungsrichtung in die das andere Fluid enthaltende Mischkammer (3) eingedüst wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das ansaugende Fluid in Form von Einzelstrahlen (9) mit einer radialen Richtungskomponente in die rohrförmige Mischkammer (3) eingedüst wird.

8. Anwendung eines Injektors nach einem der Ansprüche 1 bis 5 für den Eintrag eines Dampf/Luft-Gemisches in das unverbrannte Gas in Fackelbrennern.

9. Anwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 6 bis 7 für den Eintrag eines Dampf/Luft-Gemisches in das unverbrannte Gas in Fackelbrennern.