EP1255077A2 - Device for the combustion of a gaseous mixture of fuel and oxidant - Google Patents
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- EP1255077A2 EP1255077A2 EP02405325A EP02405325A EP1255077A2 EP 1255077 A2 EP1255077 A2 EP 1255077A2 EP 02405325 A EP02405325 A EP 02405325A EP 02405325 A EP02405325 A EP 02405325A EP 1255077 A2 EP1255077 A2 EP 1255077A2
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Definitions
- the invention relates to a device for burning a gaseous fuel-oxidizer mixture, especially for a power plant.
- a premix burner is known from EP 0 833 105 A2, in which in an interior a conical inner body tapering in the direction of flow is arranged. An outer casing of the interior is tangential Arranged arranged air intervention channels through which a combustion air flow flows into the interior. This can cause a swirl flow in the interior form, which then with at least one fuel nozzle Fuel is enriched. The mixture is then formed in the downstream mixing tube of the two media. The mixing tube then goes over one Cross-sectional jump into a combustion chamber, taking place in the area of the plane of the cross-sectional jump forms a backflow zone, which the stability of the combustion guaranteed. To form such a mixing tube, the known premix burner a relatively large installation space. If you leave that Mixing tube away, reduces the stability and homogeneity of the flames in the Combustion chamber. There is also the risk of pressure pulsations.
- Catalysts are known from US Pat. No. 5,202,303 and US Pat. No. 5,328,359 corrugated or folded sheet material are constructed, their folds or Waves form a multiplicity of flowable channels. With the flow such a catalyst becomes part of a fuel-oxidizer mixture burned. To avoid overheating with such a catalyst, the combustion must be limited to only part of the flow through the catalyst Mixture can be limited. For this purpose, only some of the channels, e.g. through an appropriate coating, catalytically active, while the other channels are catalytically inactive. When flowing through the catalyst then only finds combustion within the catalytically active channels instead of flowing through the catalytically inactive channels the catalyst cools. With conventional catalysts, however, the catalyst exit temperatures are too low to sufficiently stabilize the flames in the combustion chamber.
- the invention seeks to remedy this.
- the invention as set out in the claims is concerned with the problem for a device of the beginning mentioned type to specify an embodiment, in particular with regard Compactness of their structure and stability and homogeneity of the flames in the combustion chamber, is improved.
- the invention is based on the general idea of the fuel-oxidizer mixture to produce a swirl flow and the temperature of the mixture with a catalyst before entering the combustion chamber.
- the device according to the invention has a flow-through catalyst swirl generator arrangement in which part of the fuel-oxidizer mixture burns and creates a swirl flow.
- Proposal can provide stability and homogeneity in the combustion chamber Flames increased and the risk of pulsation reduced.
- the catalyst swirl generator arrangement in such a way that that they have a catalyst and a downstream immediately after Has swirl generator.
- the catalyst swirl generator arrangement has a catalyst which as Swirl generator is formed.
- the catalyst or the catalyst body is designed so that the flow emerging from it the desired Has swirl. This design allows two functions, namely the catalytic combustion and the swirl generation in a compact component to get integrated.
- the catalyst swirl generator arrangement expediently has several, essentially flowable through parallel to one another, i.e. in the same direction Channels, some of which, especially about half, are catalytic active and the others are catalytically inactive.
- the channels can around a longitudinal central axis of the catalyst swirl generator arrangement is distributed be, with this longitudinal central axis in the main flow direction the catalyst swirl generator assembly extends.
- the channels can be inclined with respect to the longitudinal central axis be such that the longitudinal direction of the channels each opposite a straight line runs inclined, which extends parallel to the longitudinal central axis. hereby an arrangement is proposed for the channels, which causes that on the outflow side the catalyst swirl generator arrangement, i.e. at the outlet ends of the channels, the desired swirl flow emerges.
- the pressure drop when flowing through the catalyst swirl generator arrangement can reduce the inclination of the channels relative to the longitudinal central axis in the direction of flow, in particular steady or step-like and continuous or progressively, increasing, with the inclination of the channels at the entrance can have the value zero, that is to say the channels then run at their entry parallel to the longitudinal central axis.
- the catalyst swirl generator arrangement radial to the longitudinal central axis several layers of a corrugated or have folded first web material, the waves or folds of which are catalytic form active or inactive channels, being radial between two adjacent Layers an intermediate layer of a smooth second sheet material is arranged.
- This structure ensures that radially adjacent shafts or Wrinkles cannot penetrate into each other, so that the channels are always constant Have flow cross sections.
- a device 1 according to the invention has a flow-through Catalyst swirl generator arrangement 2, whose upstream side 3 is a gaseous one Fuel-oxidizer mixture 4 is supplied, which in Fig. 1 by arrows is symbolized.
- the device 1 forms a burner with an inflow line 30, in which the catalyst swirl generator arrangement 2 is arranged.
- the invention Catalyst swirl generator arrangement 2 is designed so that in it part of the fuel-oxidizer mixture 4 burns and that on an outflow side 5 a swirl flow emerges, which is symbolized by an arrow 6.
- the catalyst swirl generator arrangement 2 is immediately before an abrupt one Cross-sectional expansion 7 (cross-sectional jump) arranged at the entrance a combustion chamber 8 is formed. This can cause the swirl flow to burst immediately.
- a central recirculation zone 9 can thereby be formed in the combustion chamber 8.
- Corresponding vertebrae 10 are indicated by closed arrow lines.
- the recirculation zone 9 forms a kind of anchoring for a homogeneous flame front 11 in the combustion chamber 8.
- a stabilization of the flame front 11 results from the fact that the central vortex 10 mixes the products of homogeneous combustion in the combustion chamber 8 with the partially burned products of the catalytic Support combustion in the catalyst swirl generator arrangement 2. This corresponds to an internal exhaust gas recirculation, which intensively preheats the entire mixture and at the same time reduces the local speeds to values that correspond to the flame speed.
- Such a device comes e.g. for use in power plants and serves to generate hot gases for operating a turbine, in particular a gas turbine.
- part of the fuel-oxidizer mixture burns 4 when flowing through the catalyst swirl generator arrangement 2, whereby the temperature of the introduced at the entry of the combustion chamber 8 Fuel-oxidizer mixture increased. These high temperatures also improve the flame stability and avoid the development of pulsations.
- the exact position of the flame front 11 in the combustion chamber 8 can by Geometry and / or the arrangement and / or the structure of the catalyst swirl generator arrangement 2 are influenced.
- the catalyst swirl generator arrangement 2 preferably consists of a catalyst 14, which is designed as a swirl generator. It is also possible to Swirl generator and the catalyst as separate components in the flow direction are arranged one behind the other. Such an embodiment is additionally indicated in Fig. 1 by a broken line which the Border 15 between an upstream catalyst 16 and a swirl generator 17 immediately downstream of the catalytic converter 16 symbolizes.
- the catalyst swirl generator arrangement 2 a plurality of through-flow channels which run essentially parallel to one another 18 and 19 on.
- the one channels are designed as catalytically active channels 18, while the other channels are designed as catalytically inactive channels 19.
- catalytically active channels 18 and catalytically inactive alternate Channels 19 from, whereby the cooling effect for the catalyst 14 or the catalyst swirl generator arrangement 2 is improved.
- the channels 18, 19 are one Longitudinal central axis 20 of the cylindrical, in particular circular cylindrical, here Catalyst swirl generator arrangement 2 in the radial direction and in the circumferential direction distributed.
- the longitudinal central axis 20 runs parallel to the main flow direction of the catalyst swirl generator arrangement 2.
- This relationship is exemplary in FIG. 2 shown on a single channel 18, i.e. one with a broken line shown longitudinal direction 21 of this channel 18 is opposite by an angle ⁇ a line 22 also represented by a broken line, which extends parallel to the longitudinal central axis 20.
- This angle of inclination ⁇ must be chosen large enough to ensure that the central recirculation zone 9 can form in the combustion chamber 8.
- the angle of inclination ⁇ may not be chosen too large to avoid a too large pressure drop at the cross-sectional expansion 7.
- there are suitable ones Values for the angle ⁇ for example between 30 ° and 60 °, which e.g. swirl numbers ⁇ can correspond from 0.4 to 1.2. If the outflow side 5 of the catalyst swirl generator arrangement 2 positioned immediately in front of the cross-sectional expansion 7 is, the angle of inclination ⁇ and thus the pressure loss of the arrangement 2 can be reduced.
- all channels 18, 19 have along them entire length the same inclination ⁇ with respect to the longitudinal central axis 20.
- the inclination ⁇ of the channels 18, 19 with respect to the longitudinal central axis 20 in the flow direction the catalyst swirl generator arrangement 2 increase. This change in slope can be done steadily and progressively.
- the inclination ⁇ of the channels 18, 19 radially from the inside increase outwards. This means that with channels 18, 19, the radially further inside are arranged, the inclination ⁇ can be smaller than in channels 18, 19, the are arranged radially further outside.
- the catalyst swirl generator arrangement 2 can be on the upstream side 3 containing first longitudinal section 23 and a the outflow side 5 have second longitudinal section 24.
- These longitudinal sections 23, 24 are indicated in Figure 2 by curly brackets.
- the longitudinal cuts 23, 24 can - as here - be about the same size.
- the channels 18 and 19 in the first longitudinal section 23 parallel to Longitudinal central axis 20 extend while they are in the second longitudinal section 24 Have inclination with respect to the longitudinal central axis 20, optionally in the flow direction can increase.
- the swirl generator 17 is in the rear longitudinal section 24 of the arrangement 2 is formed.
- the catalyst swirl generator arrangement 2 expediently be constructed in that a corrugated or folded first Web material 25 placed on a flat or smooth second web material 26 becomes. With respect to the longitudinal central axis 20, this forms in the radial direction a stratification, the ones formed by the first sheet material 25 Layers are separated radially from each other by intermediate layers second sheet material 26 are formed. With this construction, the second ensures Web material 26 that the waves and folds of the first web material 25 of the one layer not in the waves and folds of the first sheet material 25 one radially neighboring layer can protrude. Rather, the intermediate layers ensure from the second sheet material 26 constant channel cross sections. The individual channels 18 and 19 are the waves or folds of the first web material 25 is formed.
- the catalytically active Channels 18 can expediently have one side of the first web material 25, as shown in FIG. 3 each the top, coated with a catalytically active coating 27 his. The opposite underside of the first web material 25 is then uncoated, whereby the catalytically inactive channels 19 arise.
- the layers of the second web material 26 can also be one-sided be coated with the catalyst coating 27 to the catalytically active Form channels 18.
- the web materials 25, 26 expediently consist of a Metal sheet that is preformed and coated if necessary is.
- the web materials 25 and 26 can be concentric with respect to the longitudinal central axis 20 be layered. However, an embodiment is preferred in which the sheet materials 25 and 26 are spirally layered with respect to the longitudinal central axis 20 are. This results in a particularly simple way of Herteln the catalyst swirl generator arrangement 2:
- the stacked web materials 25 and 26 are placed on a spindle 28 wound up after winding up the center of the catalyst swirl assembly 2 forms and extends concentrically to the longitudinal central axis 20.
- the spindle 28 thus carries the web material 25, 26, its diameter so is chosen large that the winding of the corrugated or folded first web material 25 is still feasible with reasonable effort.
- the complete winding can be secured, for example, by tension wires 29, which are circumferential include the winding and this at least until the catalyst swirl generator arrangement is installed 2 keep in shape in a burner or the like.
- This spindle 28 is expediently designed in such a way that, with its help, the central one Recirculation zone 9 or the flame front 11 in the combustion chamber 8 (see FIG. 1) can be influenced in particular with regard to shape and position.
- the spindle 28 is designed as a flow-through tube, which is a central Flow through the catalyst swirl generator arrangement 2 with the fuel-oxidizer mixture 4 enables.
- the tubular one can then expediently be formed
- Spindle 28 has an outlet nozzle or an outlet orifice at its outlet end have, and it may also be appropriate, the exit end form that it converges in the direction of flow. Through these measures can aerodynamic quantities of the flow entering the combustion chamber 8 be changed, depending on the position and extent of the flame front 11 and / or the central recirculation zone 9.
- the swirl generator In order to be able to generate the desired swirl, the swirl generator is required Structure a minimum length L, which results from the fact that the channel diameter divided by the tangent of the angle of inclination ⁇ .
- the hereby determined Length is relatively short, so that the construction explained above with reference to FIG separate catalyst 16 and separate swirl generator 17 in the direction of flow builds relatively short.
- the integrated design of the catalyst swirl generator arrangement 2 is also then of particular advantage if the arrangement 2, as explained above with reference to FIG. 1, has two or more longitudinal sections 23, 24, in which the channels 18, 19 differ from each other in terms of their inclination.
- the channels 18, 19 in the upstream first longitudinal section 23 opposite the The longitudinal central axis 20 is not inclined, so that it is parallel to the main flow direction extend while being inclined in the downstream longitudinal section 24 are and so train the swirl generator.
- the one-piece construction of the catalyst swirl generator arrangement 2 reduces pressure losses in the transition between the successive longitudinal sections 23, 24.
- a significant advantage of the catalyst swirl generator arrangement presented here 2 is seen in the fact that in the arrangement 2 according to the invention the ignition a homogeneous combustion reaction within the channels 18 avoided can be reduced, which also reduces the risk of flashbacks is.
- the channels 18 can be sufficient small flow cross-sections, for example between 1 mm and 5 mm can be equipped. This has the consequence that very large Form surfaces, which counteracts flame formation (thermodynamic Flame extinction). This allows the along the length of the channels 18 homogeneous ignition can be avoided.
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verbrennen eines gasförmigen Brennstoff-Oxidator-Gemischs, insbesondere für eine Kraftwerksanlage.The invention relates to a device for burning a gaseous fuel-oxidizer mixture, especially for a power plant.
Aus der EP 0 833 105 A2 ist ein Vormischbrenner bekannt, bei dem in einem Innenraum ein sich in Strömungsrichtung verjüngender kegelförmiger Innenkörper angeordnet ist. Eine äußere Ummantelung des Innenraums ist durch tangential angeordnete Lufteingriffskanäle durchbrochen, durch welche ein Verbrennungsluftstrom in den Innenraum strömt. Hierdurch kann sich im Innenraum eine Drallströmung ausbilden, die dann über mindestens eine Brennstoffdüse mit einem Brennstoff angereichert wird. Im nachgeschalteten Mischrohr erfolgt dann die Gemischbildung der beiden Medien. Das Mischrohr geht anschließend über einen Querschnittssprung in einen Brennraum über, wobei sich im Bereich der Ebene des Querschnittssprungs eine Rückströmzone bildet, welche die Stabilität der Verbrennung gewährleistet. Zur Ausbildung eines derartigen Mischrohrs benötigt der bekannte Vormischbrenner einen relativ großen Einbauraum. Läßt man das Mischrohr weg, reduziert sich die Stabilität und Homogenität der Flammen in der Brennkammer. Des weiteren besteht die Gefahr von Druckpulsationen. A premix burner is known from EP 0 833 105 A2, in which in an interior a conical inner body tapering in the direction of flow is arranged. An outer casing of the interior is tangential Arranged arranged air intervention channels through which a combustion air flow flows into the interior. This can cause a swirl flow in the interior form, which then with at least one fuel nozzle Fuel is enriched. The mixture is then formed in the downstream mixing tube of the two media. The mixing tube then goes over one Cross-sectional jump into a combustion chamber, taking place in the area of the plane of the cross-sectional jump forms a backflow zone, which the stability of the combustion guaranteed. To form such a mixing tube, the known premix burner a relatively large installation space. If you leave that Mixing tube away, reduces the stability and homogeneity of the flames in the Combustion chamber. There is also the risk of pressure pulsations.
Aus der US 5 202 303 und der US 5 328 359 sind Katalysatoren bekannt, die aus gewelltem oder gefaltetem Bahnmaterial aufgebaut sind, wobei ihre Falten oder Wellen eine Vielzahl von durchströmbaren Kanälen bilden. Bei der Durchströmung eines derartigen Katalysators wird ein Teil eines Brennstoff-Oxidator-Gemischs verbrannt. Um bei einem solchen Katalysator eine Überhitzung zu vermeiden, muß die Verbrennung auf nur einen Teil des den Katalysator durchströmenden Gemischs beschränkt werden. Zu diesem Zweck sind nur einige der Kanäle, z.B. durch eine entsprechende Beschichtung, katalytisch aktiv ausgebildet, während die anderen Kanäle katalytisch inaktiv sind. Bei der Durchströmung des Katalysators findet dann nur innerhalb der katalytisch aktiven Kanäle eine Verbrennung statt, während die Durchströmung der katalytisch inaktiven Kanäle den Katalysator kühlt. Bei herkömmlichen Katalysatoren sind jedoch die Katalysatoraustrittstemperaturen zu niedrig, um die Flammen in der Brennkammer hinreichend zu stabilisieren.Catalysts are known from US Pat. No. 5,202,303 and US Pat. No. 5,328,359 corrugated or folded sheet material are constructed, their folds or Waves form a multiplicity of flowable channels. With the flow such a catalyst becomes part of a fuel-oxidizer mixture burned. To avoid overheating with such a catalyst, the combustion must be limited to only part of the flow through the catalyst Mixture can be limited. For this purpose, only some of the channels, e.g. through an appropriate coating, catalytically active, while the other channels are catalytically inactive. When flowing through the catalyst then only finds combustion within the catalytically active channels instead of flowing through the catalytically inactive channels the catalyst cools. With conventional catalysts, however, the catalyst exit temperatures are too low to sufficiently stabilize the flames in the combustion chamber.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Vorrichtung der eingangs genannten Art eine Ausführungsform anzugeben, die insbesondere hinsichtlich Kompaktheit ihres Aufbaus und Stabilität und Homogenität der Flammen in der Brennkammer, verbessert ist.The invention seeks to remedy this. The invention as set out in the claims is concerned with the problem for a device of the beginning mentioned type to specify an embodiment, in particular with regard Compactness of their structure and stability and homogeneity of the flames in the combustion chamber, is improved.
Dieses Problem wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This problem is solved by the subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, aus dem Brennstoff-Oxidator-Gemisch eine Drallströmung zu erzeugen und die Temperatur des Gemischs vor dem Eintritt in die Brennkammer mit einem Katalysator zu erhöhen. Zu diesem Zweck weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine durchströmbare Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung auf, in der ein Teil des Brennstoff-Oxidator-Gemischs verbrennt und die eine Drallströmung erzeugt. Durch den erfindungsgemäßen Vorschlag kann in der Brennkammer die Stabilität und Homogenität der Flammen erhöht und die Pulsationsgefahr reduziert werden. Darüber hinaus kann eine derartige Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung in der Strömungsrichtung relativ kurz bauen, so daß die Vorrichtung insgesamt einen kompakten Aufbau besitzt.The invention is based on the general idea of the fuel-oxidizer mixture to produce a swirl flow and the temperature of the mixture with a catalyst before entering the combustion chamber. To For this purpose, the device according to the invention has a flow-through catalyst swirl generator arrangement in which part of the fuel-oxidizer mixture burns and creates a swirl flow. By the invention Proposal can provide stability and homogeneity in the combustion chamber Flames increased and the risk of pulsation reduced. Furthermore, can such a catalyst swirl generator arrangement in the flow direction relative build short, so that the device has a compact overall structure.
Grundsätzlich ist es möglich, die Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung so auszubilden, daß sie einen Katalysator und einen stromab unmittelbar daran anschliessenden Drallerzeuger aufweist. Bevorzugt wird jedoch eine Ausführungsform, bei der die Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung einen Katalysator aufweist, der als Drallerzeuger ausgebildet ist. Mit anderen Worten, der Katalysator bzw. der Katalysatorkörper ist so ausgebildet, daß die daraus austretende Strömung den gewünschten Drall aufweist. Durch diese Bauweise können zwei Funktionen, nämlich die katalytische Verbrennung und die Drallerzeugung, in ein kompaktes Bauteil integriert werden.In principle, it is possible to design the catalyst swirl generator arrangement in such a way that that they have a catalyst and a downstream immediately after Has swirl generator. However, an embodiment in which which the catalyst swirl generator arrangement has a catalyst which as Swirl generator is formed. In other words, the catalyst or the catalyst body is designed so that the flow emerging from it the desired Has swirl. This design allows two functions, namely the catalytic combustion and the swirl generation in a compact component to get integrated.
Zweckmäßig besitzt die Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung mehrere, im wesentlichen parallel zueinander, also in der gleichen Richtung verlaufende, durchströmbare Kanäle, von denen die einen, insbesondere etwa die Hälfte, katalytisch aktiv und die anderen katalytisch inaktiv ausgebildet sind. Die Kanäle können um eine Längsmittelachse der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung verteilt angeordnet sein, wobei sich diese Längsmittelachse in der Hauptdurchströmungsrichtung der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung erstreckt. Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform können die Kanäle gegenüber der Längsmittelachse geneigt sein, derart, daß die Längsrichtung der Kanäle jeweils gegenüber einer Geraden geneigt verläuft, die sich parallel zur Längsmittelachse erstreckt. Hierdurch wird für die Kanäle eine Anordnung vorgeschlagen, die bewirkt, daß an der Abströmseite der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung, also an den Austrittsenden der Kanäle, die gewünschte Drallströmung austritt. The catalyst swirl generator arrangement expediently has several, essentially flowable through parallel to one another, i.e. in the same direction Channels, some of which, especially about half, are catalytic active and the others are catalytically inactive. The channels can around a longitudinal central axis of the catalyst swirl generator arrangement is distributed be, with this longitudinal central axis in the main flow direction the catalyst swirl generator assembly extends. According to an advantageous one Embodiment, the channels can be inclined with respect to the longitudinal central axis be such that the longitudinal direction of the channels each opposite a straight line runs inclined, which extends parallel to the longitudinal central axis. hereby an arrangement is proposed for the channels, which causes that on the outflow side the catalyst swirl generator arrangement, i.e. at the outlet ends of the channels, the desired swirl flow emerges.
Um den Druckabfall bei der Durchströmung der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung zu reduzieren, kann die Neigung der Kanäle gegenüber der Längsmittelachse in der Strömungsrichtung, insbesondere stetig oder stufenförmig sowie kontinuierlich oder progressiv, zunehmen, wobei die Neigung der Kanäle am Eintritt den Wert Null aufweisen kann, das heißt, die Kanäle verlaufen dann an ihrem Eintritt parallel zur Längsmittelachse.The pressure drop when flowing through the catalyst swirl generator arrangement can reduce the inclination of the channels relative to the longitudinal central axis in the direction of flow, in particular steady or step-like and continuous or progressively, increasing, with the inclination of the channels at the entrance can have the value zero, that is to say the channels then run at their entry parallel to the longitudinal central axis.
Gemäß einer besonderen Weiterbildung kann die Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung radial zur Längsmittelachse mehrere Schichten aus einem gewellten oder gefalteten ersten Bahnmaterial aufweisen, dessen Wellen oder Falten die katalytisch aktiven bzw. inaktiven Kanäle bilden, wobei radial zwischen zwei benachbarten Schichten eine Zwischenschicht aus einem glatten zweiten Bahnmaterial angeordnet ist. Dieser Aufbau gewährleistet, daß radial benachbarte Wellen oder Falten nicht ineinander eindringen können, so daß die Kanäle stets gleichbleibende Strömungsquerschnitte aufweisen.According to a special development, the catalyst swirl generator arrangement radial to the longitudinal central axis several layers of a corrugated or have folded first web material, the waves or folds of which are catalytic form active or inactive channels, being radial between two adjacent Layers an intermediate layer of a smooth second sheet material is arranged. This structure ensures that radially adjacent shafts or Wrinkles cannot penetrate into each other, so that the channels are always constant Have flow cross sections.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Further important features and advantages of the invention result from the subclaims, from the drawings and from the associated description of the figures based on the drawings.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder funktional gleiche oder ähnliche Bauteile beziehen. Es zeigen, jeweils schematisch,
- Fig. 1
- eine stark vereinfachte Prinzipdarstellung einer Vorrichtung nach der Erfindung,
- Fig. 2
- eine perspektivische Ansicht auf eine Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung bei einer bevorzugten Ausführungsform,
- Fig. 3
- einen Teilquerschnitt durch die Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung gemäß Fig. 2.
- Fig. 1
- a greatly simplified schematic diagram of a device according to the invention
- Fig. 2
- 2 shows a perspective view of a catalyst swirl generator arrangement in a preferred embodiment,
- Fig. 3
- 3 shows a partial cross section through the catalyst swirl generator arrangement according to FIG. 2.
Entsprechend Fig. 1 weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 eine durchströmbare
Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2 auf, deren Anströmseite 3 ein gasförmiges
Brennstoff-Oxidator-Gemisch 4 zugeführt wird, das in Fig. 1 durch Pfeile
symbolisiert ist. Die Vorrichtung 1 bildet einen Brenner mit einer Zuströmleitung
30, in der die Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2 angeordnet ist. Die erfindungsgemäße
Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2 ist so ausgebildet, daß darin
ein Teil des Brennstoff-Oxidator-Gemischs 4 verbrennt und daß an einer Abströmseite
5 eine Drallströmung austritt, was durch einen Pfeil 6 symbolisiert ist.
Die Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2 ist dabei unmittelbar vor einer abrupten
Querschnittserweiterung 7 (Querschnittssprung) angeordnet, die am Eintritt
einer Brennkammer 8 ausgebildet ist. Hierdurch kann die Drallströmung sofort aufplatzen.1, a device 1 according to the invention has a flow-through
Catalyst
Bei einer hinreichend großen Drallzahl kann sich dadurch in der Brennkammer 8
eine zentrale Rezirkulationszone 9 ausbilden. Entsprechende Wirbel 10 sind durch
geschlossene Pfeillinien angedeutet. Die Rezirkulationszone 9 bildet eine Art Verankerung
für eine homogene Flammenfront 11 in der Brennkammer 8. Eine Stabilisierung
der Flammenfront 11 ergibt sich dadurch, daß die zentralen Wirbel 10
eine Vermischung zwischen den Produkten der homogenen Verbrennung in der
Brennkammer 8 mit den teilweise verbrannten Produkten der katalytischen Verbrennung
in der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2 unterstützen. Dies entspricht
einer internen Abgasrückführung, die eine intensive Vorheizung der Gesamtmischung
bewirkt und gleichzeitig die lokalen Geschwindigkeiten auf Werte
reduziert, die der Flammengeschwindigkeit entsprechen. Dieser Vorgang wird in
entsprechender Weise auch durch eine Rezirkulationszone 12 unterstützt, die
durch die plötzliche Querschnittserweiterung 7 erzeugt wird. Entsprechende Wirbel
13 sind hier ebenfalls durch geschlossene Pfeillinien angedeutet. Die so erreichte
Flammenstabilisierung unterstützt zusätzlich die komplette Verbrennung
und reduziert die Emission von Schadstoffen, wie z.B. CO und NOx, aufgrund der
verbesserten Durchmischung.With a sufficiently large number of swirls, a
Eine derartige Vorrichtung kommt z.B. bei Kraftwerksanlagen zum Einsatz und dient dort zur Erzeugung heißer Gase zum Betrieb einer Turbine, insbesondere einer Gasturbine.Such a device comes e.g. for use in power plants and serves to generate hot gases for operating a turbine, in particular a gas turbine.
Wie bereits weiter oben erläutert verbrennt ein Teil des Brennstoff-Oxidator-Gemischs
4 bei der Durchströmung der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2, wodurch
sich am Eintritt der Brennkammer 8 die Temperatur des eingeleiteten
Brennstoff-Oxidator-Gemischs erhöht. Diese hohen Temperaturen verbessern zusätzlich
die Flammenstabilität und vermeiden die Entstehung von Pulsationen.As already explained above, part of the fuel-oxidizer mixture burns
4 when flowing through the catalyst
Die genaue Position der Flammenfront 11 in der Brennkammer 8 kann durch die
Geometrie und/oder die Anordnung und/oder den Aufbau der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung
2 beeinflußt werden.The exact position of the
Die Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2 besteht vorzugsweise aus einem Katalysator
14, der als Drallerzeuger ausgebildet ist. Ebenso ist es möglich, den
Drallerzeuger und den Katalysator als separate Bauteile auszubilden, die in Strömungsrichtung
hintereinander angeordnet sind. Eine derartige Ausführungsform
ist in Fig. 1 zusätzlich durch eine unterbrochene Linie angedeutet, welche die
Grenze 15 zwischen einem stromauf angeordneten Katalysator 16 und einem
stromab des Katalysators 16 unmittelbar daran anschließenden Drallerzeuger 17
symbolisiert. The catalyst
Entsprechend den Fig. 2 und 3 weist die Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2
mehrere, im wesentlichen parallel zueinander verlaufende, durchströmbare Kanäle
18 und 19 auf. Die einen Kanäle sind als katalytisch aktive Kanäle 18 ausgebildet,
während die anderen Kanäle als katalytisch inaktive Kanäle 19 ausgebildet sind.
Zweckmäßig wechseln sich katalytisch aktive Kanäle 18 und katalytisch inaktive
Kanäle 19 ab, wodurch die Kühlwirkung für den Katalysator 14 bzw. die Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung
2 verbessert wird. Die Kanäle 18, 19 sind um eine
Längsmittelachse 20 der hier zylindrisch, insbesondere kreiszylindrisch, ausgebildeten
Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2 in radialer Richtung und in Umfangsrichtung
verteilt angeordnet. Die Längsmittelachse 20 verläuft dabei parallel
zur Hauptdurchströmungsrichtung der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2.According to FIGS. 2 and 3, the catalyst swirl generator arrangement 2
a plurality of through-flow channels which run essentially parallel to one another
18 and 19 on. The one channels are designed as catalytically
Um den Drallerzeuger in den Katalysator 14 zu integrieren, sind die Kanäle 18, 19
gegenüber der Längsmittelachse 20 geneigt, das heißt, die Längsrichtungen der
Kanäle 18, 19 verlaufen gegenüber einer Geraden jeweils geneigt, die parallel zur
Längsmittelachse 20 verläuft. Dieser Zusammenhang ist in Fig. 2 exemplarisch
anhand eines einzelnen Kanals 18 gezeigt, d.h. eine durch eine unterbrochene Linie
dargestellte Längsrichtung 21 dieses Kanals 18 ist um einen Winkel α gegenüber
einer ebenfalls durch eine unterbrochene Linie dargestellte Geraden 22 geneigt,
die sich parallel zur Längsmittelachse 20 erstreckt.In order to integrate the swirl generator into the
Dieser Neigungswinkel α muß groß genug gewählt werden, um sicherzustellen,
daß sich die zentrale Rezirkulationszone 9 in der Brennkammer 8 ausbilden kann.
Darüber hinaus darf der Neigungswinkel α auch nicht zu groß gewählt werden, um
einen zu großen Druckabfall an der Querschnittserweiterung 7 zu vermeiden. Zumindest
bei radial weiter außen angeordneten Kanälen 18, 19 liegen geeignete
Werte für den Winkel α beispielsweise zwischen 30° und 60°, was z.B. Drallzahlen
Ω von 0,4 bis 1,2 entsprechen kann. Sofern die Abströmseite 5 der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung
2 unmittelbar vor der Querschnittserweiterung 7 positioniert
ist, können der Neigungswinkel α und somit der Druckverlust der Anordnung
2 reduziert werden. This angle of inclination α must be chosen large enough to ensure
that the
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 besitzen alle Kanäle 18, 19 entlang ihrer
gesamten Länge die gleiche Neigung α gegenüber der Längsmittelachse 20. Bei
einer hier nicht gezeigten anderen Ausführungsform kann die Neigung α der Kanäle
18, 19 gegenüber der Längsmittelachse 20 in der Durchströmungsrichtung
der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2 zunehmen. Diese Neigungsveränderung
kann zweckmäßig stetig und progressiv erfolgen. Insbesondere kann die Neigung
α an der Anströmseite der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2 den Wert
α = 0° aufweisen. Durch diese Gestaltung der Kanäle 18, 19 kann der Strömungswiderstand
der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2 optimiert werden. Bei einer
anderen Ausführungsform kann die Neigung α der Kanäle 18, 19 radial von innen
nach außen zunehmen. Das bedeutet, daß bei Kanälen 18, 19, die radial weiter innen
angeordnet sind, die Neigung α kleiner sein kann als bei Kanälen 18, 19, die
radial weiter außen angeordnet sind. Diese Maßnahmen vereinfachen die Herstellung
der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2.In the embodiment according to FIG. 2, all
Beispielsweise kann die Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2 einen die Anströmseite
3 enthaltenden ersten Längsabschnitt 23 sowie einen die Abströmseite
5 aufweisenden zweiten Längsabschnitt 24 besitzen. Diese Längsabschnitte 23,
24 sind in Fig. 2 durch geschweifte Klammern gekennzeichnet. Die Längsschnitte
23, 24 können - wie hier - etwa gleich groß sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
können die Kanäle 18 und 19 im ersten Längsabschnitt 23 parallel zur
Längsmittelachse 20 verlaufen, während sie im zweiten Längsabschnitt 24 eine
Neigung gegenüber der Längsmittelachse 20 besitzen, die optional in Strömungsrichtung
zunehmen kann. Hierdurch wird der Drallerzeuger 17 im hinteren Längsabschnitt
24 der Anordnung 2 ausgebildet. Zweckmäßig erstreckt sich der zweite
Längsabschnitt 24 über etwa ein Fünftel, ein Viertel oder ein Drittel der Gesamtlänge
der Anordnung 2.For example, the catalyst
Entsprechend den Fig. 2 und 3 kann die Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2
zweckmäßig dadurch aufgebaut werden, daß ein gewelltes oder gefaltetes erstes
Bahnmaterial 25 auf ein flaches oder glattes zweites Bahnmaterial 26 aufgelegt
wird. Bezüglich der Längsmittelachse 20 bildet sich dadurch in radialer Richtung
eine Schichtung aus, wobei die durch das erste Bahnmaterial 25 gebildeten
Schichten durch Zwischenschichten radial voneinander getrennt sind, die vom
zweiten Bahnmaterial 26 gebildet sind. Bei diesem Aufbau gewährleistet das zweite
Bahnmaterial 26, daß die Wellen und Falten des ersten Bahnmaterials 25 der
einen Schicht nicht in die Wellen und Falten des ersten Bahnmaterials 25 einer radial
benachbarten Schicht hineinragen können. Vielmehr gewährleisten die Zwischenschichten
aus dem zweiten Bahnmaterial 26 gleichbleibende Kanalquerschnitte.
Die einzelnen Kanäle 18 und 19 werden dabei durch die Wellen oder Falten
des ersten Bahnmaterials 25 gebildet. Zur Ausbildung der katalytisch aktiven
Kanäle 18 kann zweckmäßig eine Seite des ersten Bahnmaterials 25, gemäß Fig.
3 jeweils die Oberseite, mit einer katalytisch aktiven Beschichtung 27 beschichtet
sein. Die gegenüberliegende Unterseite des ersten Bahnmaterials 25 ist dann unbeschichtet,
wodurch die katalytisch inaktiven Kanäle 19 entstehen. Alternativ
oder zusätzlich können auch die Schichten des zweiten Bahnmaterials 26 einseitig
mit der Katalysatorbeschichtung 27 beschichtet sein, um die katalytisch aktiven
Kanäle 18 auszubilden. Zweckmäßig bestehen die Bahnmaterialien 25, 26 aus einem
Metallblech, das entsprechend vorgeformt und gegebenenfalls beschichtet
ist.According to FIGS. 2 and 3, the catalyst
Die Bahnmaterialien 25 und 26 können bezüglich der Längsmittelachse 20 konzenrisch
geschichtet sein. Bevorzugt wird jedoch eine Ausführungsform, bei der
die Bahnmaterialien 25 und 26 bezüglich der Längsmittelachse 20 spiralförmig gechichtet
sind. Hierdurch ergibt sich eine besonders einfache Möglichkeit zur Hertelung
der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2:The
Die aufeinander gelegten Bahnmaterialien 25 und 26 werden auf eine Spindel 28
aufgewickelt, die nach dem Aufwickeln das Zentrum der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung
2 bildet und sich konzentrisch zur Längsmittelachse 20 erstreckt.The stacked
Die Spindel 28 trägt somit das Bahnmaterial 25, 26, wobei ihr Durchmesser so
groß gewählt ist, daß das Aufwickeln des gewellten oder gefalteten ersten Bahnmaterials
25 noch mit vertretbarem Aufwand realisierbar ist. Die vollständige Wicklung
kann beispielsweise durch Spanndrähte 29 gesichert werden, die umfangsmäßig
die Wicklung umfassen und diese zumindest bis zum Einbau der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung
2 in einen Brenner oder dergleichen in Form halten.The
Zweckmäßig wird diese Spindel 28 so ausgebildet, daß mit ihrer Hilfe die zentrale
Rezirkulationszone 9 bzw. die Flammenfront 11 in der Brennkammer 8 (vgl. Fig. 1)
insbesondere hinsichtlich Form und Position beeinflußt werden kann. Beispielsweise
ist die Spindel 28 als durchströmbares Rohr ausgebildet, das eine zentrale
Durchströmung der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2 mit dem Brennstoff-Oxidator-Gemisch
4 ermöglicht. Zweckmäßig kann dann die rohrförmig ausgebildete
Spindel 28 an ihrem Austrittsende eine Austrittsdüse oder eine Austrittsblende
besitzen, wobei es außerdem zweckmäßig sein kann, das Austrittsende so
auszubilden, daß es in Strömungsrichtung konvergiert. Durch diese Maßnahmen
können aerodynamische Größen der in die Brennkammer 8 eintretenden Strömung
verändert werden, die sich auf die Position und Ausdehnung der Flammenfront
11 und/oder der zentralen Rezirkulationszone 9 auswirken.This
Ebenso ist es möglich, in die Spindel 28 eine Lanze für eine Brennstoff- und/oder
Oxidator-Injektion zu integrieren.It is also possible to insert a lance for a fuel and / or into the
Um den gewünschten Drall erzeugen zu können, benötigt die drallerzeugende
Struktur eine minimale Länge L, die sich dadurch ergibt, daß der Kanaldurchmesser
durch den Tangens des Neigungswinkels α dividiert wird. Die hierdurch ermittelte
Länge ist relativ kurz, so daß auch die oben zu Fig. 1 erläuterte Bauweise mit
separatem Katalysator 16 und separatem Drallerzeuger 17 in Strömungsrichtung
noch relativ kurz baut. Bei der integrierten Bauform kann sich die axiale Länge des
als Drallerzeuger ausgebildeten Katalysators 14, also der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung
2, nach den Anforderungen der katalytischen Konversion des Systems
richten. In order to be able to generate the desired swirl, the swirl generator is required
Structure a minimum length L, which results from the fact that the channel diameter
divided by the tangent of the angle of inclination α. The hereby determined
Length is relatively short, so that the construction explained above with reference to FIG
Die integrierte Bauweise der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung 2 ist auch dann
von besonderem Vorteil, wenn die Anordnung 2, wie oben mit Bezug auf Fig. 1 erläutert,
zwei oder mehr Längsabschnitte 23, 24 besitzt, in denen sich die Kanäle
18, 19 hinsichtlich ihrer Neigung voneinander unterscheiden. Beispielsweise sind
die Kanäle 18, 19 im stromauf liegenden ersten Längsabschnitt 23 gegenüber der
Längsmittelachse 20 nicht geneigt, so daß sie parallel zur Hauptdurchströmungsrichtung
verlaufen, während sie im stromab liegenden Längsabschnitt 24 geneigt
sind und so den Drallerzeuger ausbilden. Die einteilige Bauweise der Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung
2 reduziert dabei Druckverluste beim Übergang zwischen
den aufeinanderfolgenden Längsabschnitten 23, 24. Während bei einer
Bauweise mit separaten Längsabschnitten 23, 24 für den Übergang von dem einen
Längsabschnitt 23 zum anderen Längsabschnitt 24 zur Erzielung einer hinreichenden
Durchmischung ein Mindestabstand zwischen den aufeinander folgenden
Längsabschnitten 23, 24 eingehalten werden muß, entfällt bei der einstückigen
Ausbildung der Längsabschnitte 23, 24 ein derartiger Übergangs- und Mischbereich,
so daß die erfindungsgemäße Anordnung 2 besonders kurz bauen kann.The integrated design of the catalyst
Ein bedeutender Vorteil der hier vorgestellten Katalysator-Drallerzeuger-Anordnung
2 wird darin gesehen, daß bei der erfindungsgemäßen Anordnung 2 die Zündung
einer homogenen Verbrennungsreaktion innerhalb der Kanäle 18 vermieden
werden kann, wodurch gleichzeitig die Gefahr von Flammenrückschlägen reduziert
ist. Um dieses Ziel zu erreichen, können einerseits die Kanäle 18 mit hinreichend
kleinen Strömungsquerschnitten, die beispielsweise zwischen 1 mm bis 5
mm liegen können, ausgestattet werden. Dies hat zur Folge, daß sich sehr große
Oberflächen ausbilden, was einer Flammenbildung entgegenwirkt (thermodynamische
Flammenauslöschung). Hierdurch kann entlang der Länge der Kanäle 18 die
homogene Zündung vermieden werden. Andererseits unterstützt eine katalytisch
aktive Oberfläche innerhalb des Drallerzeugers die Adsorption von Radikalen der
homogenen Phase, wodurch die Entzündung und ein Flammenrückschlag vermieden
werden (chemische Flammenauslöschung). A significant advantage of the catalyst swirl generator arrangement presented here
2 is seen in the fact that in the
- 11
- Vorrichtungcontraption
- 22
- Katalysator-Drallerzeuger-AnordnungCatalyst swirl-generator arrangement
- 33
- Anströmseite von 2Upstream side of 2
- 44
- Brennstoff-Oxidator-GemischFuel-oxidizer mixture
- 55
- Abströmseite von 2Downstream side of 2
- 66
- Drallströmungswirl flow
- 77
- QuerschnittserweiterungCross-sectional widening
- 88th
- Brennkammercombustion chamber
- 99
- zentrale Rezirkulationszonecentral recirculation zone
- 1010
- Wirbelwhirl
- 1111
- Flammenfrontflame front
- 1212
- Rezirkulationszonerecirculation zone
- 1313
- Wirbelwhirl
- 1414
- Katalysatorcatalyst
- 1515
- Grenzeborder
- 1616
- Katalysatorcatalyst
- 1717
- Drallerzeugerswirl generator
- 1818
- katalytisch aktiver Kanalcatalytically active channel
- 1919
- katalytisch inaktiver Kanalcatalytically inactive channel
- 2020
- Längsmittelachse von 2Longitudinal central axis of 2
- 2121
- Längsrichtung von 18, 19Longitudinal direction of 18, 19
- 2222
- GeradeJust
- 2323
- erster Längsabschnittfirst longitudinal section
- 2424
- zweiter Längsabschnittsecond longitudinal section
- 2525
- erstes Bahnmaterialfirst web material
- 2626
- zweites Bahnmaterialsecond web material
- 2727
- katalytische Beschichtungcatalytic coating
- 2828
- Spindelspindle
- 2929
- Spanndrahttension wire
- 3030
- Zuströmleitunginflow
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AK | Designated contracting states |
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AX | Request for extension of the european patent |
Extension state: AL LT LV MK RO SI |
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