EP0789193B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Unterdrückung von Flammen-/Druckschwingungen bei einer Feuerung - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Unterdrückung von Flammen-/Druckschwingungen bei einer Feuerung Download PDF

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EP0789193B1
EP0789193B1 EP97100753A EP97100753A EP0789193B1 EP 0789193 B1 EP0789193 B1 EP 0789193B1 EP 97100753 A EP97100753 A EP 97100753A EP 97100753 A EP97100753 A EP 97100753A EP 0789193 B1 EP0789193 B1 EP 0789193B1
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EP
European Patent Office
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flame
fluid
gas
liquid
combustion chamber
Prior art date
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EP97100753A
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English (en)
French (fr)
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EP0789193A3 (de
EP0789193A2 (de
Inventor
Horst Dr.-Ing. Büchner
Wolfgang Prof. Dr.-Ing. Leuckel
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DVGW Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches eV
Original Assignee
DVGW Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches eV
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Priority claimed from DE19604385A external-priority patent/DE19604385A1/de
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Publication of EP0789193A3 publication Critical patent/EP0789193A3/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
    • F23C7/02—Disposition of air supply not passing through burner
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
    • F23L7/00—Supplying non-combustible liquids or gases, other than air, to the fire, e.g. oxygen, steam
    • F23L7/002—Supplying water
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2203/00—Flame cooling methods otherwise than by staging or recirculation
    • F23C2203/30—Injection of tempering fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2210/00—Noise abatement

Definitions

  • the invention relates to a method for suppressing flame / pressure vibrations in a furnace that has a burner with which one Flame is generated, and a combustion chamber into which the flame is directed, as well a corresponding device for implementing the method.
  • the present invention is therefore based on the object of specifying a method with which such flame / pressure vibrations with intolerable Pressure amplitudes are to be prevented.
  • combustion chamber Fluid is supplied, which periodically in the area of itself in the outer area at the flame toroidal ring vertebrae forming on the flame so that the Fluid, which is a gas or an evaporable liquid, with is enclosed in the vortex when it is formed and has a fuel content and a temperature, so it ate in the ring vortex forming fuel / air / fluid mixture outside of that of temperature and fuel content dependent ignition limits.
  • the invention is based on the knowledge that the vibrations essentially through itself in the edge area of the flame or the fuel and air containing torch flow forming ring vortices caused or energetic entertained and strengthened.
  • These ring vortices created by rolling up the Edge areas of the fuel-containing burner flow arise, close their formation hot flue gases with a, which quickly heats up in the ring vortex contained fuel / air mixture cause what leads to a pulse-like, pressure vibration stimulating reaction of the fuel leads. It is an essential one Aspect that the temperature rise due to the hot flue gases in the vortex a considerable expansion of the ignitability range in the vortex enclosed fuel-containing mixture causes.
  • the method according to the present Invention an effective way to control the temperature of the ring vertebra to lower the mixture contained and thus at a reduced temperature level Not to produce more ignitable and reactive mixture in the vertebrae.
  • the fluid is a gas
  • it becomes presented in an area from which it is involved in vortex formation, So when rolling up the edge areas of the fuel / air containing Burner flow, included in the vortex and thus the temperature of the mixture contained in the ring vortex lowered, because now instead of hot smoke gases a comparatively cold medium included in the vortex formation becomes.
  • This cooling causes the enclosed in the ring vortex, fuel-containing mixture now outside the normal range in connection with hot flue gases Ignition limits are, that is, they are no longer reactive or ignitable.
  • the fluid is an evaporable liquid that is injected into the combustion chamber is so that it and / or its gaseous vapor from the outside with in the ring vortices forming on the outside of the flame entry.
  • the liquid is injected, for example, so that it is direct got into the vertebra. There it evaporates, whereby the the necessary heat of vaporization that is in the vortex Mixture is withdrawn. This leads to a corresponding one Cooling of this fuel-containing contained in the ring vortex Mixture, which is then the present one decreased temperature level in the ring vortices outside the there are ignition limits, that is, it is not more reactive or ignitable.
  • the liquid is advantageously Water or an aqueous solution, which is part of this avoidance is summarized under the term "water”.
  • the lowering of the mixture temperature can also be achieved by adding liquid a liquid fuel (e.g. heating oil, petrol, etc.) is, in which case the fuel concentration is the lowering of temperature in the ring vortices in the for ignition "too fat" area shifts.
  • a liquid fuel e.g. heating oil, petrol, etc.
  • Fluid is preferably fed continuously, to have a sufficient amount of gas or Liquid or vapor for inclusion in an emerging Provide ring vortices in the combustion chamber.
  • the mixture temperature can also be reduced by being cold in the fluid supplied Gas around a sufficiently fuel-containing medium or pure Fuel gas (for example methane or natural gas), where in in this case the fuel concentration when the temperature drops in the ring vertebrae in the area "too rich" for ignition shifts.
  • a sufficiently fuel-containing medium or pure Fuel gas for example methane or natural gas
  • the gas is preferably not fuel-containing, that is to say Fuel contained in the vortex is diluted and the fuel concentration is without that with the otherwise with flue gas inclusion accompanying temperature increase in the vortex in the "to lean "range shifted outside the ignition limits.
  • the non-fuel-containing one Gas to air that is available everywhere in sufficient quantities stands.
  • the air in particular has ambient temperature, it being but basically sufficient if they are in relation to the hot ones Flue gases can be viewed as "cold”. It is also conceivable to use an inert gas instead of air, but it is would result in a certain cost disadvantage.
  • the gas will flow evenly over the Distributed circumference of the flame, especially in an im essentially tangential flow into the vortex, thereby ensuring the entry of the gas into the vortex.
  • Liquid as a fluid is also spread evenly over the circumference the flame is injected into the combustion chamber. It is advantageous to atomize the liquid in the course of this injection, because the liquid gets as large a surface as possible, rapid and complete evaporation is beneficial.
  • a known method for carrying out the method according to the invention is known Firing with a burner and a combustion chamber either further developed such that it has gas outlet openings for gas supply in order to carry out the previously described Process, that is, the gas supplies are arranged so that the gas flowing out of them in the area of the formation of the Ring vortex d. H. over its entire scope by rolling up the Outside areas of the burner flow is included.
  • a well-known furnace with a burner and a combustion chamber is developed in such a way that it has at least one outlet opening for vaporizable liquid, so that in the area the vortex formation when rolling up the outer areas of the Burner flow is sufficient over the entire circumference of the vortex Inclusion of already evaporated or still within the Vortex liquid to be evaporated is guaranteed.
  • this roll of vertebrae is very different from that depending on the combustion chamber geometry and design, such as also the frequency and the amplitude of such vortices caused pressure vibrations essentially specific to the combustion chamber are, so that the constructive design of the furnace with respect can be individually adapted to the method according to the invention got to.
  • the furnace is preferably used for a gas to be supplied a gas outlet opening in the form of a gap or a gap nozzle trained, which surrounds the actual burner flow, whereby at the location of the ring vortex developing from the Gas jacket draws cool gas into the vortex accordingly becomes.
  • this also means that the outflow of the additional Gases both parallel to the burner or flame axis as well as at any angle to this axis can, as long as it is ensured that the introduction of the gas in the vertebra is ensured.
  • the amount of speed with which the gas emerges from the gas outlet openings, as well as the orientation of its velocity vector in wide limits as desired.
  • Liquid In the case of a furnace with vaporizable to be injected into the combustion chamber Liquid are the outlet openings for injection than over the circumference of closely spaced jet or atomizing nozzles executed so that the liquid jets or droplet clouds generated or those present after evaporation of the liquid Steam clouds the burner flow or the flame if possible completely enclose at the point of the roll.
  • the injection of the evaporable liquid can both parallel to the burner or flame axis as well as under one any angle to do this.
  • FIG. 1 is a section through a furnace in which a burner 1 generates a flame 2, which is directed into a combustion chamber 3.
  • the Burner 1 is supplied with a fuel gas / air mixture 5 via a pipe 4, the downstream of with a swirl cabinet, not shown provided burner is ignited and which is along a Center axis 6 extends flame 2 forms.
  • gas outlet openings 10 which in the combustion chamber wall 9 is evenly distributed around the axis 6 are, air 11, preferably of ambient temperature, the Combustion chamber 3 supplied so that they according to the arrows 12 in the convergent gap 8 is sucked tangentially to the ring vortex 7 and displacing the hot smoke gases. So that is the temperature the ring vortex 7 is lowered and at the same time the fuel content reduced accordingly, so that none at the ring vertebrae Inflammation occurs and accordingly no corresponding periodic combustion which stimulates pressure vibrations Ring vortices. So that are the pressure vibrations described above already prevented from developing and this, both the firing mechanically as well as thermally stressful effect is avoided.
  • the arrangement of the gas outlet openings 10 in sufficient uniform distribution around the central axis 6 of the flame causes the toroidal ring vertebra to cover the entire circumference the flame 2 is cooled accordingly, with a corresponding Inclination of the gas outlet openings 10 with respect to the Flame axis 6 ensures that the escaping gas is conveyed as precisely as possible to the point at which the ring vortex arises so that the gas the ring vortices that form there is fed in the best possible way.
  • FIG. 2 shows a furnace similar to that shown in FIG. 1 Furnace shown, the same parts with the same reference numerals are provided.
  • the combustion chamber is considered Fluid is not supplied with gas but an evaporable liquid.
  • the arrangement of the nozzles 13 in a sufficiently uniform distribution around the central axis 6 of the flame causes the toroidal Annular vortices on the entire circumference of the flame 2 with evaporable Liquid is doped and cooled accordingly, whereby by a corresponding inclination of the nozzles 13 towards one another the flame axis 6 ensures that the injected liquid is injected as precisely as possible to the point at which the Ring vortex arises.
  • the invention has the advantage that independent on the type of combustion control, i.e. diffusive, partially premixed or fully premixed, occurring pressure vibrations are to be avoided by the periodic abreaction or combustion toroidal, laminar or turbulent depending on the flow Ring vertebrae are energetically maintained or strengthened.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Unterdrückung von Flammen-/Druckschwingungen bei einer Feuerung, die einen Brenner aufweist, mit dem eine Flamme erzeugt wird, und einen Brennraum, in den die Flamme gerichtet ist, sowie eine entsprechende Vorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens.
Bei industriellen Verbrennungsanlagen wie Gasturbinenbrennkammern, Winderhitzern, Rückstandsverbrennungsanlagen oder Industrieöfen, wie sie beispielsweise aus der DE-A-43 08 731, der EP-A-0 344 784 oder der EP-A-0 483 554 bekannt sind, aber auch bei Kleinfeuerungen wie Gasboilern oder Heizkesseln im häuslichen Nutzungsbereich treten unter bestimmten, durch die feuerungstechnischen Betriebsparameter wie thermische Leistung und Luftzahl festgelegten Bedingungen instabile Betriebszustände auf, die durch zeitperiodische Änderungen der Flamme gekennzeichnet sind, die einhergehen mit Änderungen insbesondere des statischen Druckes in der Brennkammer sowie in dieser vor- oder nachgeschalteten Anlageteilen. Das Auftreten dieser Verbrennungsinstabilitäten bewirkt oftmals ein gegenüber dem stationären Betrieb der Anlage verändertes Verhalten und verursacht neben einer erhöhten Lärmbelästigung auch eine verstärkte mechanische und/oder thermische Beanspruchung der Brennkammer bzw. der Brennkammerauskleidung. Derartige Flammen-/Druckschwingungen können unter ungünstigen Verhältnissen bis zur Zerstörung der Anlage führen, in der sie auftreten, so daß viel Aufwand getrieben wird, um derartige Flammen-/Druckschwingungen zu vermeiden. So verändert man beispielsweise die Brennkammergeometrie durch spezielle Einbauten, was aber häufig nur zu einer Verschiebung der auftretenden Schwingungsfrequenzen führte und somit nicht zu einer generellen Lösung des Problems beiträgt. Ansonsten werden bei auftretenden Flammen-/Druckschwingungen jeweils spezielle Maßnahmen auf empirischer Basis ergriffen.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem derartige Flammen-/Druckschwingungen mit nicht tolerierbaren Druckamplituden zu verhindern sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem Brennraum ein Fluid zugeführt wird, das im Bereich von sich im Außenbereich an der Flamme periodisch ausbildenden torodialen Ringwirbeln so auf die Flamme trifft, dass das Fluid, bei dem es sich um Gas oder um eine verdampfbare Flüssigkeit handelt, mit in die Wirbel bei deren Bildung eingeschlossen wird und einen Brennstoffgehalt und eine Temperatur hat, so aß das sich im Ringwirbel bildende Brennstoff/Luft/Fluid-Gemisch außerhalb der von Temperatur und Brennstoffgehalt abhängigen Zündgrenzen ist.
Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß die Schwingungen im wesentlichen durch sich im Randbereich der Flamme bzw. der Brennstoff und Luft enthaltenden Brennerströmung ausbildende Ringwirbel verursacht bzw. energetisch unterhalten und verstärkt werden. Diese Ringwirbel, die durch Aufrollung der Randbereiche der brennstoffhaltigen Brennerströmung entstehen, schließen bei ihrer Bildung heiße Rauchgase mit ein, die ein schnelles Aufheizen des im Ringwirbel enthaltenen Brennstoff/Luftgemisches bewirken, was zu einer impulsartigen, druckschwingungsanregenden Abreaktion des Brennstoffes führt. Dabei ist ein wesentlicher Aspekt, daß die Temperaturerhöhung aufgrund der heißen Rauchgase im Wirbel eine erhebliche Ausdehnung des Zündfähigkeitsbereiches des im Wirbel eingeschlossenen brennstoffhaltigen Gemisches bewirkt.
Um diesen Effekt zu umgehen, wird mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ein effektiver Weg beschritten, um die Temperatur des in den Ringwirbein enthaltenen Gemisches abzusenken und somit ein bei erniedrigtem Temperaturniveau nicht mehr zünd- und reaktionsfähiges Gemisch in den Wirbeln zu erzeugen.
Bei einer Ausführungsform, bei der das Fluid ein Gas ist, wird dieses in einem Bereich vorgelegt, aus dem es bei der Wirbelbildung, also bei der Aufrollung der Randbereiche der brennstoff/lufthaltigen Brennerströmung, mit in den Wirbel eingeschlossen wird und damit die Temperatur des im Ringwirbel enthaltenen Gemisches absenkt, da nun anstelle heißer Rauchgase ein vergleichsweise kaltes Medium bei der Wirbelbildung mit eingeschlossen wird. Diese Abkühlung bewirkt, daß das in den Ringwirbel eingeschlossene, brennstoffhaltige Gemisch nun außerhalb der normalerweise in Zusammenhang mit heißen Rauchgasen vorliegenden Zündgrenzen ist, das heißt, es ist nicht mehr reaktions- bzw. zündfähig.
Bei einer anderen Ausführungsform handelt es sich bei dem Fluid um eine verdampfbare Flüssigkeit, die in den Brennraum eingedüst wird, so daß sie und/oder ihr gasförmiger Dampf von außen mit in die sich im Außenbereich an der Flamme ausbildenden Ringwirbel eintritt.
Dabei wird die Flüssigkeit beispielsweise so eingedüst, daß sie direkt in den Wirbel gelangt. Dort verdampft sie dann, wobei die hierfür notwendige Verdampfungswärme dem sich im Wirbel befindlichen Gemisch entzogen wird. Dies führt zu einer entsprechenden Abkühlung dieses in dem Ringwirbel eingeschlossenen, brennstoffhaltigen Gemisches, das sich damit dann bei dem nun vorliegenden erniedrigten Temperaturniveau in den Ringwirbeln außerhalb der dort herrschenden Zündgrenzen befindet, das heißt, es ist nicht mehr reaktions- bzw. zündfähig.
Vorteilhafterweise handelt es sich dabei bei der Flüssigkeit um Wasser oder eine wäßrige Lösung, was im Rahmen dieser Anmeidung unter dem Begriff "Wasser" zusammengefaßt wird.
Bei der oben beschriebenen Verdampfung der Flüssigkeit innerhalb des Ringwirbels ergibt sich dann nicht nur eine Abkühlung des Gemisches im Wirbel sondern gleichzeitig wird das Gemisch durch den entstehenden Wasserdampf entsprechend verdünnt, so daß bei der Abkühlung die Brennstoffkonzentration im Ringwirbel in den "zu mageren" Bereich außerhalb der Zündgrenzen verschoben wird.
Grundsätzlich kann die Absenkung der Gemischtemperatur aber auch erreicht werden, indem es sich bei der zugeführten Flüssigkeit um einen flüssigen Brennstoff (zum Beispiel Heizöl, Benzin etc.) handelt, wobei sich in diesem Fall die Brennstoffkonzentration bei der Temperaturabsenkung in den Ringwirbeln in den für eine Zündung "zu fetten" Bereich verschiebt.
Außer einer Eindüsung der verdampfbaren Flüssigkeit direkt in den Wirbel ist es auch möglich, die Flüssigkeit in einen Bereich einzudüsen, der im Einzugsbereich der Ringwirbel liegt. Die Verdampfung der Flüssigkeit im Randbereich der Flamme bzw. in den heißen Rauchgasen läßt dann eine Dampfwolke entstehen, die anstelle der heißen Rauchgase mit in den Ringwirbel eingeschlossen wird. Hierdurch wird die Temperatur des im Ringwirbel enthaltenen Gemisches abgesenkt, da nun anstelle heißer Rauchgase vergleichsweise kaltes Medium, zum Beispiel Wasserdampf, bei der Wirbelbildung mit eingesogen wird. Aufgrund dieser Temperaturabsenkung und Verdünnung wird ebenfalls bewirkt, daß das im Wirbel vorliegende Gemisch außerhalb der von der Temperatur abhängigen Zündgrenzen und damit nicht mehr reaktions- bzw. zündfähig ist.
Die Zuführung von Fluid erfolgt dabei vorzugsweise kontinuierlich, um zu jedem Zeitpunkt eine ausreichende Menge an Gas oder Flüssigkeit bzw. Dampf zum Einschluß in einen sich bildenden Ringwirbel im Brennraum bereitzustellen.
Grundsätzlich kann die Absenkung der Gemischtemperatur auch erreicht werden, indem es sich bei dem als Fluid zugeführten kalten Gas um ein ausreichend brennstoffhaltiges Medium oder reines Brenngas (zum Beispiel Methan oder Erdgas) handelt, wobei sich in diesem Fall die Brennstoffkonzentration bei der Temperaturabsenkung in den Ringwirbeln in den für eine Zündung "zu fetten" Bereich verschiebt.
Vorzugsweise ist das Gas aber nicht-brennstoffhaltig, das heißt der im Ringwirbel enthaltene Brennstoff wird verdünnt und die Brennstoffkonzentration wird ohne die mit dem sonst bei Rauchgaseinschluß einhergehende Temperaturerhöhung im Wirbel in den "zu mageren" Bereich außerhalb der Zündgrenzen verschoben.
Bevorzugterweise handelt es sich bei dem nicht-brennstoffhaltigen Gas um Luft, die überall in ausreichender Menge zur Verfügung steht. Die Luft hat insbesondere Umgebungstemperatur, wobei es aber grundsätzlich ausreicht, wenn sie im Verhältnis zu den heißen Rauchgasen als "kalt" angesehen werden kann. Es ist zwar auch denkbar, anstelle von Luft ein inertes Gas zu verwenden, was allerdings einen gewissen Kostennachteil zur Folge hätte.
Um den Abkühlungseffekt im gesamten toroidal ausgebildeten Ringwirbel sicherzustellen, wird das Gas gleichmäßig über den Umfang der Flamme verteilt zugeführt, insbesondere in einer im wesentlichen tangential in den Wirbel hineinlaufenden Strömung, wodurch das Eintreten des Gases in den Wirbel sicherzustellen ist.
Flüssigkeit als Fluid wird ebenfalls gleichmäßig über den Umfang der Flamme verteilt in den Brennraum eingedüst. Dabei ist es vorteilhaft, die Flüssigkeit im Zuge dieser Eindüsung zu zerstäuben, da die Flüssigkeit so eine größtmögliche Oberfläche erhält, was ihrer zügigen und vollständigen Verdampfung zuträglich ist.
Dabei ergibt sich aus dem oben Gesagten, daß es am günstigsten ist, die Flüssigkeit direkt in den Ringwirbel einzubringen, die Flüssigkeit also vorteilhafterweise in Richtung auf den Ringwirbel in den Brennraum einzudüsen.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine bekannte Feuerung mit einem Brenner und einem Brennraum entweder derart weitergebildet, daß sie Gasaustrittsöffnungen aufweist zur Gaszuführung zwecks Durchführung des bisher beschriebenen Verfahrens, das heißt die Gaszuführungen sind so angeordnet, daß das aus ihnen ausströmende Gas im Bereich der Bildung der Ringwirbel d. h. über ihren gesamten Umfang durch Aufrollung der Außenbereiche der Brennerströmung mit eingeschlossen wird.
Oder eine bekannte Feuerung mit einem Brenner und einem Brennraum wird derart weitergebildet, daß sie mindestens eine Austrittsöffnung für verdampfbare Flüssigkeit aufweist, so daß im Bereich der Wirbelbildung bei der Aufrollung der Außenbereiche der Brennerströmung ein über den gesamten Wirbelumfang ausreichender Einschluß von bereits verdampfter oder noch innerhalb der Wirbel zu verdampfender Flüssigkeit gewährleistet ist.
Die genaue Lokalisierung dieser Wirbelaufrollung ist stark von der jeweiligen Brennkammergeometrie und -ausführung abhängig, wie auch die Frequenz und die Amplitude der durch derartige Wirbel bewirkte Druckschwingungen im wesentlichen brennkammerspezifisch sind, so daß die konstruktive Auslegung der Feuerung in bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren individuell angepaßt werden muß.
Bevorzugterweise wird die Feuerung für ein zuzuführendes Gas mit einer Gasaustrittsöffnung in Form eines Spalts oder einer Spaltdüse ausgebildet, die die eigentliche Brennerströmung umschließt, wodurch an der Stelle des sich ausbildenden Ringwirbels aus dem Gasmantel entsprechend kühles Gas in den Wirbel mit eingezogen wird. Hieraus ergibt sich aber auch, daß die Ausströmung,des zusätzlichen Gases sowohl parallel zur Brenner- bzw. Flammenachse als auch unter einem beliebigen Winkel zu dieser Achse erfolgen kann, solange gewährleistet ist, daß das Einbringen des Gases in den Wirbel sichergestellt ist. Insbesondere ist der Betrag der Geschwindigkeit, mit der das Gas aus den Gasaustrittsöffnungen austritt, wie auch die Orientierung seines Geschwindigkeitsvektors in weiten Grenzen beliebig.
Dabei kann anstelle eines wie oben beschrieben einzelnen Spaltes auch eine Vielzahl einzelner, kleiner Gasaustrittsöffnungen vorgesehen werden, die ringförmig um die Brennerströmung bzw. die Flamme herum angeordnet sind, wobei der Abstand zwischen einzelnen Gasaustrittsöffnungen derart gering zu wählen ist, daß eine ausreichende Zufuhr des kühlenden und verdünnenden Gases über den gesamten Umfang der Flamme an der Stelle der Wirbelaufrollung gewährleistet bleibt.
Bei einer Feuerung mit in den Brennraum einzudüsender verdampfbarer Flüssigkeit sind die Austrittsöffnungen zur Eindüsung als über den Umfang eng beabstandete Strahl- oder Zerstäubungsdüsen ausgeführt, so daß die erzeugten Flüssigkeitsstrahlen oder Tropfenwolken bzw. die nach einer Verdampfung der Flüssigkeit vorliegenden Dampfwolken die Brennerströmung bzw. die Flamme möglichst vollständig an der Stelle der Wirbelaufrollung umschließen. Auch die Eindüsung der verdampfbaren Flüssigkeit kann dabei sowohl parallel zur Brenner- bzw. Flammenachse als auch unter einem beliebigen Winkel hierzu erfolgen. Insbesondere ist eine Zufuhr der Flüssigkeit durch radiale Bohrungen an der Brennkammerwand unter einem Winkel von etwa 90° zur Brenner- bzw. Flammenachse möglich, grundsätzlich ist aber sowohl die Orientierung des Geschwindigkeitsvektors der ausgedüsten Flüssigkeit als auch der Betrag ihrer Austrittsgeschwindigkeit in weiten Grenzen variabel, solange gewährleistet ist, daß die Ausdüsung so gewählt wird, daß ein ausreichender Einschluß der Flüssigkeit und/oder ihres Dampfes in den sich bildenden Ringwirbel gewährleistet ist.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels für eine Feuerung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei zeigt
Figur 1
eine Prinzipskizze einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem sich an einer Flamme ausbildenden toroidalen Ringwirbel und Gas als zugeführtem Fluid.
Figur 2
eine Prinzipskizze einer Vorrichtung entsprechend Figur 1 mit verdampfbarer Flüssigkeit als zugeführtem Fluid.
Figur 1 ist ein Schnitt durch eine Feuerung, bei der ein Brenner 1 eine Flamme 2 erzeugt, die in einen Brennraum 3 gerichtet ist. Dem Brenner 1 wird über ein Rohr 4 ein Brenngas/Luftgemisch 5 zugeführt, das stromab des mit einem nicht dargestellten Drallgeschränk versehenen Brenners entzündet wird und die sich entlang einer Mittelachse 6 erstreckende Flamme 2 bildet.
In einem gewissen axialen Abstand vom Brenner 1 rollen sich die Außenbereiche der Flamme 2 periodisch zu toroidalen Ringwirbeln 7 auf, wobei zwischen dem Ringwirbel 7 und der Flamme 2 sich ein konvergenter Spalt 8 ausbildet, durch den der Wirbel um ihn herum befindliches Gas in sich einsaugt. Üblicherweise saugt er hier heiße Rauchgase aus dem Brennraum 3 ein, die so heiß sind, daß sich der Ringwirbel 7 auf eine Temperatur aufheizt, bei der es zu einer Entzündung des in dem Ringwirbel enthaltenen Brennstoff/Luftgemisches kommt. Hierdurch wird eine Druckschwingung angeregt bzw. durch die zur Druckschwingung phasenrichtige Abreaktion des in den periodisch gebildeten und verbrennenden Ringwirbeln enthaltenen Brennstoff/Luftgemisches unterhalten und verstärkt. Hierbei ist die Frequenz der Druckschwingung und die Bildungsfrequenz der toroidalen Ringwirbel identisch. Dies ist unabhängig davon, ob die Brennerausströmung laminar oder turbulent ist.
Erfindungsgemäß wird jetzt durch Gasaustrittsöffnungen 10, die in der Brennraumwand 9 gleichmäßig um die Achse 6 verteilt angeordnet sind, Luft 11, vorzugsweise von Umgebungstemperatur, dem Brennraum 3 zugeführt, so daß sie gemäß den Pfeilen 12 in den konvergenten Spalt 8 tangential zum Ringwirbel 7 eingesaugt wird und dabei die heißen Rauchgase verdrängt. Damit wird die Temperatur der Ringwirbel 7 abgesenkt und gleichzeitig der Brennstoffgehalt entsprechend verringert, so daß bei den Ringwirbeln keine Entzündung mehr auftritt und dementsprechend keine entsprechende druckschwingungsanregende periodische Verbrennung der Ringwirbel. Damit sind die oben beschriebenen Druckschwingungen bereits im Entstehen verhindert und dieser, die Feuerung sowohl mechanisch als auch thermisch stark belastende Effekt wird vermieden. Die Anordnung der Gasaustrittsöffnungen 10 in ausreichend gleichmäßiger Verteilung um die Mittelachse 6 der Flamme bewirkt, daß der toroidale Ringwirbel auf dem gesamten Umfang der Flamme 2 entsprechend abgekühlt wird, wobei durch eine entsprechende Neigung der Gasaustrittsöffnungen 10 gegenüber der Flammenachse 6 sichergestellt wird, daß das austretende Gas möglichst zielgenau an die Stelle befördert wird, an der der Ringwirbel entsteht, so daß das Gas den sich dort ausbildenden Ringwirbeln auf bestmöglichste Weise zugeführt wird.
In der Figur 2 ist eine Feuerung ähnlich der in Figur 1 gezeigten Feuerung dargestellt, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
Bei der Feuerung gemäß Figur 2 wird jedoch dem Brennraum als Fluid nicht Gas zugeführt sondern eine verdampfbare Flüssigkeit.
Durch Düsen 13, die an der Brennraumwand 9 gleichmäßig um die Achse 6 verteilt befestigt sind, wird die verdampfbare Flüssigkeit 14, vorzugsweise Wasser, durch die Brennraumwand 9 hindurch zugeführt und in den Ringwirbel 7 eingesprüht. Das in den Ringwirbel 7 eingesprühte Wasser verdampft dort, wobei es den heißen Wirbeln die hierfür notwendige Verdampfungswärme entzieht und sie abkühlt, wobei der sich bildende Dampf gleichzeitig die Brennstoffkonzentration im Ringwirbel absenkt.
Aufgrund dieser Temperaturabsenkung im Ringwirbel 7 und der gleichzeitigen Verringerung des Brennstoffgehaltes, tritt bei dem Ringwirbel keine Entzündung mehr auf und dementsprechend kein entsprechender Druckanstieg. Damit sind die oben beschriebenen Druckschwingungen bereits im Entstehen verhindert und dieser, die Feuerung sowohl mechanisch als auch thermisch stark belastende Effekt wird vermieden.
Die Anordnung der Düsen 13 in ausreichend gleichmäßiger Verteilung um die Mittelachse 6 der Flamme bewirkt, daß der toroidale Ringwirbel auf dem gesamten Umfang der Flamme 2 mit verdampfbarer Flüssigkeit dotiert wird und entsprechend abgekühlt wird, wobei durch eine entsprechende Neigung der Düsen 13 gegenüber der Flammenachse 6 sichergestellt wird, daß die eingedüste Flüssigkeit möglichst zielgenau an die Stelle gespritzt wird, an der der Ringwirbel entsteht.
Sollte die Flüssigkeit in dem Bereich benachbart zur Flamme oder in den Randbereich der Flamme 2 eingesprüht werden, bevor die Flammenströmung die toroidalen Ringwirbel bildet, so verdampft die Flüssigkeit dort und der entstehende Dampf verdrängt die heißeren Rauchgase. Dieser kühlere Dampf wird dann anstelle des Rauchgases in den Ringwirbel eingesogen, was bei diesem ebenfalls zu einer niedrigeren Temperatur und Verdünnung und damit der Verhinderung von periodisch auftretenden Abreaktionen der Ringwirbel führt.
Zusammenfassend hat die Erfindung den Vorteil, daß unabhängig von der Art der Verbrennungsführung, das heißt diffusiv, teilvorgemischt oder voll vorgemischt, auftretende Druckschwingungen zu vermeiden sind, die durch die periodische Abreaktion bzw. Verbrennung toroidaler, je nach Strömungsführung laminarer oder turbulenter Ringwirbel energetisch unterhalten bzw. verstärkt werden.

Claims (17)

  1. Verfahren zur Unterdrückung von Flammen-/Druckschwingungen bei einer Feuerung, die einen Brenner (1) aufweist, mit dem eine Flamme (2) erzeugt wird, und einen Brennraum (3), in den die Flamme (2) gerichtet ist,
    dadurch gekennzeichnet, daß dem Brennraum (3) ein Fluid (11, 14) zugeführt wird, das im Bereich von sich im Außenbereich an der Flamme (2) periodisch ausbildenden toroidalen Ringwirbeln (7) so auf die Flamme trifft, daß es mit in die Wirbel bei deren Bildung eingeschlossen wird, wobei das Fluid ein Gas (11) oder eine verdampfbare Flüssigkeit (14) ist und einen Brennstoffgehalt und eine Temperatur hat, so daß das sich im Ringwirbel bildende Brennstoff/Luft/Fluid-Gemisch außerhalb der von Temperatur und Brennstoffgehalt abhängigen Zündgrenzen ist.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid (11, 14) kontinuierlich zugeführt wird.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid (11, 14) gleichmäßig über den Umfang der Flamme (2) verteilt zugeführt wird.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Gas (11) Luft ist.
  5. Verfahren gemäß Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Gas (11) im wesentlichen tangential zum Wirbel (7) zugeführt wird.
  6. Verfahren gemäß Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit (14) Wasser ist.
  7. Verfahren gemäß Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit (14) flüssiger Brennstoff ist.
  8. Verfahren gemäß Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Eindüsung der Flüssigkeit (14) in den Brennraum (3) auf den Bildungsort der Ringwirbel (7) gerichtet ist.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit (14) bei der Eindüsung in den Brennraum (3) zerstäubt wird.
  10. Feuerung mit einem Brenner (1) mit dem eine Flamme (2) erzeugt wird, und einem Brennraum (3), in den die Flamme (2) gerichtet ist, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß sie Zuführungen (10, 13) aufweist zur Zuführung eines Fluids, das im Bereich von sich im Außenbereich an der Flamme (2) periodisch ausbildenden toroidalen Ringwirbeln (7) so auf die Flamme trifft, daß es mit in die Wirbel bei deren Bildung eingeschlossen wird, wobei das Fluid ein Gas (11) oder eine verdampfbare Flüssigkeit (14) ist und einen Brennstoffgehalt und eine Temperatur hat, so daß das sich im Ringwirbel (7) bildende Brennstoff/Luft/Fluid-Gemisch außerhalb der von Temperatur und Brennstoffgehalt abhängigen Zündgrenzen ist.
  11. Feuerung gemäß Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungen (10, 13) gleichmäßig um eine Mittelachse (6) der Flamme (2) angeordnet sind.
  12. Feuerung gemäß Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungen (10, 13) in den Seitenwänden (9) des Brennraumes (3) angeordnet sind.
  13. Feuerung gemäß Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungen (10, 13) eine Neigung gegenüber der Flammenachse 6) aufweisen.
  14. Feuerung gemäß Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungen (10) Gasaustrittsöffnungen sind.
  15. Feuerung gemäß Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungen (13) Düsen für verdampfbare Flüssigkeiten sind.
  16. Feuerung gemäß Anspruch 15,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen Strahldüsen sind, deren Strahl auf den Ringwirbel (7) gerich et ist.
  17. Feuerung gemäß Anspruch 15,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen Zerstäuberdüsen sind.
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