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Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung großer Mengen Gase von hohem
Druck durch Verbrennung Die Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung großer Mengen
Gase von hohem Druck, z. B. ioo atü oder mehr, und vergleichsweise niedriger Temperatur
durch kontinuierliche Verbrennung eines Brennstoffes, z. B. Benzol, mit Sauerstoff
(Luft) unter erhöhtem Druck und unter Zusatz eines wärmebindenden Mediums, etwa
Ammoniak, Wasser od. dgl., im Reaktionsraum.
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Die Erzeugung hochgespannter Gase durch Verbrennen unter Druck in
einem geschlossenen Raum kommt beispielsweise für den Betrieb von Gasturbinen in
Betracht. Eine ähnliche Aufgabe ist ferner beim Rückstoßantrieb von Fahrzeugen od.
dgl. zu lösen. In allen diesen Fällen bereitet die Beherrschung der Temperatur bzw.
die Ableitung der bei der Verbrennung entwickelten Reaktionswärme bisher beträchtliche
Schwierigkeiten. Auch durch intensive Kühlung der Reaktionsraumwände läßt sich die
große Wärmemenge, die bei der Verbrennung unter Druck je Volumeneinheit des Reaktionsraumes
frei wird, nur bis zu einem gewissen Grad ableiten. Abgesehen davon würden aber
damit Energieverluste verbunden sein, die diesen Weg von vornherein ausschließen.
Man hat deshalb daran gedacht, in den Reaktionsraum während der Verbrennung ein
Medium einzuführen, das bei gleichbleibendem Druck unter Volumenvergrößerung bzw.
bei gleichbleibendem Volumen unter Druckerhöhung Wärme bindet, wie z. B. Ammoniak
bei Erhitzung bis zum Zersetzungspunkt,
Wasser bei der Verdampfung
oder andere Stoffe. Auf diese Weise müßte es theoretisch möglich sein, einen ganz
erheblich größeren Teil der in Form von Wärme auftretenden Reaktionsenergie in Volumenarbeit
umzuwandeln als nur bei äußerer Kühlung der Reaktionsraumwände. Praktisch hat sich
jedoch gezeigt, daß z. B. beim Verbrennen von Benzol mit Sauerstoff unter Druck
die Reaktion durch Einführen von Ammoniak -in den Reaktionsraum so gestört wird,
daß nicht einmal eine vollständige Verbrennung -des Benzols im Dauerbetrieb zu erreichen
war; mehr oder weniger große Teile des Benzols entzogen sich der Umsetzung mit Sauerstoff,
so daß elementarer Kohlenstoff (Ruß) entstand. Andererseits blieb die Wärmekonzentration
örtlich doch so hoch, daß auf eine allgemeine Kühlung der Reaktionsraumwände nicht
verzichtet werden konnte, um ihr Durchbrennen zu verhindern.
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Die Erfindung besteht nun im Prinzip darin, daß die Druckverbrennung
des Brennstoffs mit .Sauerstoff (Luft) innerhalb einer zusammenhängenden dünnschichtigen
Hülle des unter' Volumenvergrößerung in obigem Sinne wärmebindenden Mediums durchgeführt
wird. Es wird also das wärmebindende Medium derart in den Reaktions-bzw. Verbrennungsraum
eingespritzt, daß es um die Reaktions- oder Verbrennungszone herum einen zusammenhängenden
Schleier bildet, der an oder nahe an dem Eintritt des Brenngemisches beginnt und
sich von dort etwa kegelförmig erweitert, so daß in dem von diesem Schleier begrenzten
Hohlraumdie Verbrennung vor sich gehen kann, bevor eine wesentliche Vermischung
des wärmebindenden Mediums mit den Verbrennungsprodukten erfolgt.
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Der technische Fortschritt, der durch die Erfindung erreichbar ist,
ergibt sich unter anderem daraus, daß es möglich ist, in einem Reaktionsraum von
etwa 2,5 1 Inhalt je Stunde im Dauerbetrieb 6oo ooo WE oder mehr zu entwickeln und
die Temperatur der aus diesem Reaktionsraum austretenden gespannten Gase von etwa
ioo atü auf ungefähr 5oo bis 6oo° oder tiefer zu halten, d. h. auf einer Temperatur,
der die üblichen Baustoffe für Turbinenräder od. dgl. gewachsen sind. Die Temperatur
der Primärreaktion (Umsetzung des Benzols mit Sauerstoff) wurde dabei zu annähernd
35oo° festgestellt, so daß also durch die Erfindung der ganze Temperaturbereich
zwischen 3500 und 5oo° oder tiefer zur Vergrößerung der Volumenarbeit ausgenutzt
worden ist. Zum Vergleich mag darauf hingewiesen werden, daß z. B. eine übliche
Kesselfeuerung nur etwa 500 ooo WE/h/cbm Feuerraum entwickelt und dabei nur Verbrennungsgase
von praktisch Atmosphärendruek.liefert: Ein weiteres wichtiges Merkmal des erfindungsgemäßen
Verfahrens besteht darin, @daß das wärmebindende Medium vor .dem Eintritt in den
Reaktionsraum zur Kühlung bzw. Ableitung von Wärme aus der Eintrittsdüse des Brenngemisches
dient. Hierdurch wird ohne Energieverlust ein wirksamer Schutz der in der Regel
aus einem metallischen Baustoff, z. B. Eisen, bestehenden Einspritzdüse des Brenngemisches
gegen Verbrennen erreicht. Auf dem gleichen Gedanken beruht die erfindungsgemäße
Maßnahme, die Wände des Reaktionsraumes im Bedarfsfall indirekt mit dem wärmebindenden
Medium vor dessen Eintritt in den Reaktionsraum zu kühlen, z. B. indem dasselbe
durch eine in den Reaktionsraumwänden angeordnete Rohrschlange geleitet wird.
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Sodann hat es sich als vorteilhaft erwiesen, durch die Zuleitungen
der Verbrennungseinrichtung für Sauerstoff, Brennstoff oder wärmebindendes Medium
vor Beginn des Betriebes und nach Unterbrechung der Reaktionsmittelzufuhr einen
inerten Stoff, z. B. Stickstoffgas, durchzuleiten. Hierdurch wird in wirksamer Weise
einem Zurückschlagen der Reaktion in die meist aus Metall (Eisen oder Stahl) bestehenden
Zuleitungsrohre vorgebeugt.
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Die Erfindung erstreckt sich ferner auf eine zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens dienende Einrichtung, deren einzelne wichtige Merkmale
aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform der Einrichtung gemäß der
Erfindung ersichtlich sind.
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In der Zeichnung zeigt Abb. i. die erfindungsgemäße Einrichtung in
einem Längsschnitt, Abb.2 einen senkrechten Querschnitt durch die Einrichtung nach
Linie II-II der Abb. i, Abb.3 einen Längsschnitt durch die Eintrittsdüse für das
Brenngemisch und das wärmebindende Medium in größerem Maßstab, Abb. q. eine Vorderansicht
eines Teiles der Eintrittsdüse in größerem Maßstab, Abb. 5 einen Längsschnitt durch
einen Teil der Eintrittsdüse mit schematischer Darstellung des durch das wärmebindende
Medium erzeugten dünnschichtigen und kegelförmigen Schleiers und schließlich Abb.
6 schematisch die Zuführungsleitungen für den Brennstoff, für Sauerstoff und das
wärmebindende Mittel sowie für ein inertes Schutzgas.
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Die in Abb. i dargestellte Einrichtung umfaßt ein rohrartiges druckfestes
Gehäuse i, das an einem Ende durch den Deckel2 dicht verschlossen wird und an dessen
anderem Ende ein Flansch 3 für den Anschluß der Leitung zum weiteren Transport des
erzeugten Gases zu seiner Verwendungsstelle vorgesehen ist. An der Innenseite des
Mantels i ist eine. Rohrschlange q. angeordnet, durch welche das wärmebindende Mittel,
hier z. B. N H3, zugeführt wird, bevor es in den Reaktionsraum gelangt. In dem von
den Kühlrohren begrenzten Hohlraum ist eine feuerfeste Auskleidung 5 vorgesehen,
die einen etwa doppelt kegelförmigen Verbrennungsraum 6 und jenseits der Verengung
7 einen mit einem feuerfesten Gitterwerk 8 od. dgl. ausgesetzten Raum g bildet,
in dem etwa noch nicht umgesetzte Teile der Reaktionsstoffe ausreagieren können,
bevor die Gase in die Nutzgasleitung austreten. Diese Form des Verbrennungsraumes
trägt dem Umstand Rechnung, daß die Primärreaktion am günstigsten dann verläuft,
wenn sie unter Volumenvergrößerung vor sich gehen kann und daß die erstrebte Druckerhöhung
erst
nach Beendigung der Primärreaktion im wesentlichen durch die dann einsetzende Zersetzung
bzw. Verdampfung des zugeführten wärmebindenden Mediums herbeigeführt wird.
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Im Deckel 2 des Gehäuses i ist ein rohrstutzenartiger Körper io befestigt,
der am inneren Ende die Verschraubung i i trägt. Innerhalb des Stutzens io ist die
Zuleitung 12 für Sauerstoff und innerhalb derselben das Rohr 13 für Brennstoff,
z. B. Benzol, angebracht. Auf dem Rohr 12 ist noch der kegelige Düsenkörper 14 befestigt,
der in Abb. q. dargestellt ist. Das Rohr 13 endet in einer oder mehreren Öffnungen
15, die tangential oder annähernd tangential zur Rohrachse verlaufen und in den
Ringraum 16 münden, durch den der Sauerstoff zutritt. Die Vermischung des Brennstoffs
mit Sauerstoff wird in dem kurzen Mischkanal 17 vollendet, der in dem Düsenteil
14 ausgebildet ist, so daß das Brenngemisch unter Bildung einer besenartigen Flamme
in den Raum 6 austritt, wie in Abb. 5 bei 18 angedeutet.
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Das wärmebindende Medium wird durch den Ringraum zwischen dem Stutzen
io bzw. der Verschraubung i i einerseits und dem Rohr 12 zugeführt. Am Ende dieses
Zwischenraumes bilden die Einschnitte i9 im Körper 14 mit der Verschraubung i i
eine Reihe von Kanälen, die konisch zueinander verlaufen und ferner schräg zur Achse
des Körpers 1q.. Hierdurch wird eine Drehbewegung des aus dem Ringkanal 2o in den
Verbrennungsraum austretenden Mediums hervorgerufen, so daß in letzterem ein dünnschichtiger
Schleier von annähernd kegeliger Form durch das wärmebindende Medium gebildet wird,
wie in Abb. 5 durch die dick ausgezogenen Linien 21 angedeutet. Dieser Schleier
hüllt die Flamme 18 allseitig ein, so daß in dem von dem Schleier begrenzten Raum
die Verbrennung ohne Beeinträchtigung vor sich gehen kann. Erst in einiger Entfernung
von dem Eintritt des Brenngemisches geht die anfangs weitgehend laminare Strömung
des wärmebindenden Mediums und des Brenngemisches in turbulente Strömung über, wobei
gleichzeitig eine Vermischung der beiden Ströme eintritt, die nun zu einem Wärmeaustausch
zwischen den hoch erhitzten Verbrennungsprodukten und dem wärmebindenden Medium
führt. Wenn Ammoniak angewandt wird, tritt dadurch eine endotherme Zersetzung unter
beträchtlicher Volumenvergrößerung ein. Die Verbrennung des zugeführten Brennstoffs
ist indessen im wesentlichen vor der Vermischung der Verbrennungsprodukte mit dem
wärmebindenden Medium beendet, so daß dessen Wärmeaufnahme ohne Einfluß auf den
Verbrennungsvorgang bleibt.
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Die dargestellte Einrichtung ergibt ferner eine wirksame Ableitung
der auf die Eintrittsdüse für das Brenngemisch aufgestrahlten Wärme, indem die Eintrittsdüse
14. außen durch :das kalt oder nur mäßig vorgewärmte wärmebindende Medium gekühlt
wird. Auf diese Weise ist es gelungen, trotz sehr hoher Temperaturen in der Flamme
18 eine Zerstörung der Düse 1.4 durch Abschmelzen oder Verbrennen zu verhindern.
Das wärmebindende Medium wird durch die Leitung 29 (Abb. 6) zugeführt. Die Leitung
29 steht in Verbindung mit dem Anfang 26 der Rohrschlange q., die um die feuerfeste
Auskleidung des Reaktionsraumes herum angeordnet ist. Nach Vorwärmung strömt das
Medium durch Rohr 22 in eine im Deckel 2 vorgesehene Bohrung 23 (Abb. 3), die mit
dem Ringraum 2o in Verbindung steht.
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Brennstoff, z. B. Benzol, wird durch die Leitung 2,4 mit dem erforderlichen
Vordruck zugeführt, der durch das Ventil 25 geregelt werden kann. An die Brennstoffzuleitung
ist eine Leitung 27 für ein inertes Gas, z. B. .Stickstoff, angeschlossen. Vor Inbetriebnahme
der Einrichtung und bei Unterbrechung des Betriebes kann inertes Gas eingeleitet
werden, um zu verhindern, daß Sauerstoff in die Zuleitungen eindringt und nach der
Zündung die Reaktion in die Zuleitungen zurückschlägt.
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Sauerstoff, worunter hier sowohl reiner Sauerstoff oder mit Sauerstoff
angereicherte Luft oder auch Luft, alles selbstverständlich unter dem erforderlichen
Vordruck stehend, verstanden werden, wird durch die Leitung 28 in den Ringkanal
zwischen den Rohren 12, 13 der Einspritzdüse zugeführt. Vorzugsweise dient die erfindungsgemäße
Einrichtung zur Umsetzung von Brennstoffen mit Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherter
Luft. Als Brennstoff kommen in Betracht flüssige Stoffe, insbesondere brennbare
Kohlenwasserstofföle, wie Benzol, oder Gemische von Kohlenwasserstoffölen, ferner
auch gasförmige Brennstoffe, wie Gasol, d. h. ein Propan-Butan-Gemisch, oder auch
Leuchtgas und andere.
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Bei Inbetriebnahme der Einrichtung muß das Brenngemisch zunächst im
Reaktionsraum gezündet werden. Hierzu ist in der Reaktionsraumwand an einer oder
mehreren Stellen eine Zündkerze 30 vorgesehen. Nach einer gewissen Betriebszeit
ist die Temperatur der\Vände des Reaktionsraumes derart erhöht, daß die Verbrennung
ohne Zündung vor sich geht. An dem im Brenngasstrom liegenden hoch erhitzten Gitterwerk
8 kommen etwa nicht umgesetzte Anteile des Brenngemisches mit Sicherheit zur Zündung,
so daß das Gasgemisch am Ausgang des Gitterwerks 8 völlig ausreagiert ist.
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Vor der Verengung 7 des Reaktionsraumes 6 sind im Gasstrom noch rippenartige
Vorsprünge 31 an den Reaktionsraumwänden vorgesehen (Abb. i und 2). Diese Rippen
dienen zur Sicherung einer einwandfreien Zündung des Brenngemisches, da sie wegen
der relativ geringen Masse vergleichsweise schnell auf hohe Temperaturen kommen
und von ihnen wegen der größeren Entfernung von der Rohrschlange :4. nur wenig Wärme
abgeleitet wird.