DE69511005T2 - Gaseinspritzdüse - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft eine Gaseinspritzdüse, insbesondere eine Einspritzdüse zur Verwendung als Oxidationsmittelzuführdüse in einem Brenner. Eine solche Oxidationsmitteleinspritzdüse ist aus der europäischen Patentanmeldung Nr. 0545440 bekannt.
• Düsen dieser Art werden in gasbetriebenen, industriellen Brennern und Prozeßheizeinrichtungen verwendet, die eine stabile Flamme mit hoher Verbrennungsintensität verlangen. Die herkömmlich konstruierten Brenner enthalten ein Einspritzrohr zur Brennstoffzuführung und eine Düse zur Oxidationsmittelzuführung. Eine intensive Vermischung des Brennstoffs und des Oxidationsmittels in einer Verbrennungszone wird erreicht, indem das Oxidationsmittel durch die an der Brennerseite montierte Düse eingespritzt wird. Einem Oxidationsmittelstrom wird dadurch eine hohe Geschwindigkeit gegeben, die ein hohes Maß an internem und externem Umlauf von Verbrennungsprodukten und somit eine hohe Verbrennungsintensität liefert.
• Als allgemeiner Nachteil herkömmlicher Düsenkonstruktion befindet sich die Düsenvorderseite bei hohen Gasströmungsgeschwindigkeiten, wie sie bei industriellen Anwendungen verlangt werden, und ist einer Überhitzung ausgesetzt, die durch die hohen Verbrennungsintensitäten in große Nähe der Düsenvorderseite hervorgerufen werden. Heiße Verbrennungsprodukte strömen dadurch zu der Düsenseite zurück, was eine schnelle Erhitzung auf hohe Temperaturen und infolgedessen eine Zerstörung der Vorderseite ergibt.
• Die allgemein Zielsetzung dieser Erfindung ist, dieses Problem durch eine verbesserte Konstruktion einer Gaseinspritzdüse zu unterbinden.
• Dieser verbesserten Konstruktion liegt die Beobachtung zugrunde, daß eine stabile Flamme mit hoher Verbrennungsintensität in einem sicheren Abstand von der Düsenvorderseite erhalten wird, wenn die Düse mit einer äußeren Wand versehen wird, die ei ne durchgehend gekrümmte Form aufweist, wobei sich der optimale Krümmungsradius in Richtung zu dem Auslaßende der Düse verringert.
• Gemäß dieser Beobachtung umfaßt die Gaseinspritzdüse, die eine Austragskammer mit einer zylindrischen, inneren Wand und einer kreisförmigen Gasaustragsöffnung an ihrem Auslaßende, und eine äußere, konzentrisch die innere Wand umgebende Wand umfaßt, wobei die äußere Wand einem fortlaufend gekrümmten Verlauf in einem Bereich I an dem Auslaßende der Kammer folgt und scharfkantig mit der inneren Wand an der Austragsöffnung verbunden ist, wobei der gekrümmte Verlauf einen Krümmungsradius R aufweist, der die Beziehung erfüllt:
• R = (I-t)/Sinα
• worin
• I wie oben definiert ist,
• t der maximale Abstand zwischen der inneren und der äußeren Wand ist, und
• α der Endwinkel des Randes an der Austragsöffnung ist.
• Der gekrümmte Verlauf der äußeren Düsenwand verhindert eine Rückmischung der heißen Verbrennungsprodukte nahe der Düsenvorderseite.
• Die Temperatur an der Austragsöffnung wird stark verringert, wenn die Öffnung scharfrandig mit einem minimalen Endwikel versehen wird. Eine verringerte Erhitzung und eine geeignete mechanische Festigkeit der Düsenvorderseite werden bei Endwikeln zwischen 7º und 20º, vorzugsweise zwischen 12º und 18º, erhalten.
• Des weiteren ist bei einer Länge des Bereichs I zwischen 1,5 und 5, vorzugsweise zwischen 2 und 3, mal der Größe des Innendurchmessers der zylindrischen Austragskammer die Vermischungsintensität von Oxidationsmittel und Brennstoff um die Düsenvorderseite herum sehr niedrig, wodurch sich eine sehr niedrige, verringerte oder keine Verbrennung nahe der Düsenvorderseite ergibt. Das Oxidationsmittel wird dadurch bei hoher Geschwindigkeit ausgetragen. Somit findet das Vermischen und die Verbrennung des Brennstoffs mit dem Oxidationsmittel in einer Verbrennungszone statt, die in einem entfernten Abstand von der Düsenvorderseite ist.
• Ein richtiger Innendurchmesser der Düsenaustragskammer ist zwischen 0,010 und 0,050 Meter, vorzugsweise zwischen 0,025 und 0,028 Meter. Der Abstand t zwischen der inneren und der äußeren Wand entsprechend der maximalen Düsenwanddicke ist dadurch bei 0,002-0,008 Metern, vorzugsweise bei 0,003-0,006 Metern.
• Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, wobei die einzige Figur eine Schnittansicht einer Gaseinspritzdüse gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist.
• Die Figur zeigt eine Querschnittsansicht durch eine Gaseinspritzdüse 2. Die Düse 2 ist mit einem Gaskanal 8 versehen, der durch eine zylindrische Innenwand 4 begrenzt ist. Eine äußere Wand 6 umgibt den Gaskanal 8 in einem maximalen Abstand der Düsenwanddicke t.
• Die äußere Wand 6 verjüngt sich fortlaufend in Richtung zur Öffnung 10, wobei sie einen gekrümmten Verlauf folgt, der einen Krümmungsradius R über eine Länge I hat.
• Die äußere Wand 6 trifft die innere Wand 4 an der Öffnung 10, wobei ein scharfer Rand um die Öffnung herum mit einem Endwikel α gebildet wird.

Claims (9)

1. Gaseinspritzdüse, die eine Austragskammer mit einer zylindrischen, inneren Wand (4) und einer kreisförmigen Gasaustragsöffnung (10) an ihrem Auslaßende, und eine äußere, konzentrisch die innere Wand (4) umgebende Wand (6) umfaßt, wobei die äußere Wand (6) einem fortlaufend gekrümmten Verlauf in einem Bereich I an dem Auslaßende der Kammer folgt und scharfkantig mit der inneren Wand (4) an der Austragsöffnung (10) verbunden ist, wobei der gekrümmte Verlauf einen Krümmungsradius R aufweist, der die Beziehung erfüllt:

R = (I-t)/Sinα

worin

I wie oben definiert ist,

t der maximale Abstand zwischen der inneren und der äußeren Wand ist, und

α der Endwinkel des Randes an der Austragsöffnung ist.

2. Eine Gaseinspritzdüse gemäß Anspruch 1, wobei der Endwinkel α zwischen 7º und 20º ist.

3. Eine Gaseinspritzdüse gemäß Anspruch 1, wobei der Endwinkel α zwischen 12º und 18º ist.

4. Eine Gaseinspritzdüse gemäß Anspruch 1, wobei die Länge des Bereichs I zwischen 1,5 und 5 mal der Größe des Innendurchmessers der Austragskammer ist.

5. Eine Gaseinspritzdüse gemäß Anspruch 1, wobei die Länge des Bereichs I zwischen 2 und 3 mal der Größe des Innendurchmessers der Austragskammer ist.

6. Eine Gaseinspritzdüse gemäß Anspruch 1, wobei der Innendurchmesser der Austragskammer zwischen 0,010 und 0,050 Metern ist.

7. Eine Gaseinspritzdüse gemäß Anspruch 1, wobei der Innendurchmesser der Austragskammer zwischen 0,025 und 0,028 Metern ist.

8. Eine Gaseinspritzdüse gemäß Anspruch 1, wobei der Abstand t zwischen der äußeren und inneren Wand 0,002-0,008 Meter ist.

9. Eine Gaseinspritzdüse gemäß Anspruch 1, wobei der Abstand t zwischen der äußeren und inneren Wand 0,003-0,006 Meter ist.