EP4086511A1 - Static mixing element and static flow mixing device - Google Patents
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- EP4086511A1 EP4086511A1 EP21172238.4A EP21172238A EP4086511A1 EP 4086511 A1 EP4086511 A1 EP 4086511A1 EP 21172238 A EP21172238 A EP 21172238A EP 4086511 A1 EP4086511 A1 EP 4086511A1
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Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23D—BURNERS
- F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
- F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
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-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F23M9/00—Baffles or deflectors for air or combustion products; Flame shields
- F23M9/08—Helical or twisted baffles or deflectors
Definitions
- the invention relates to a static mixer element for use in a combustion chamber of an industrial boiler that can be heated by a burner device, the static mixer element comprising a base body with a material thickness that is formed from a heat-resistant material and has a through-channel.
- the invention also specifies a static flow mixing device for use in a combustion chamber of an industrial heating boiler, which comprises at least one static mixer element and at least one base plate for receiving a base section of the static mixer element.
- heating boilers or steam boilers with a combustion chamber known as a flame tube are known from the prior art, which are also known as flame tube/smoke tube boilers or shell boilers.
- a boiler type is used as an industrial boiler wherever the supply of heating water and/or process steam for industrial applications is concerned.
- such boilers or steam boilers can provide thermal output of up to around 40 MW (megawatts).
- heating boiler for the supply of heating water at temperatures of up to around 80°C and of a steam boiler for the provision of process steam, for example at temperatures of 180°C and steam pressures of 10 bar, for example.
- steam boiler for the provision of process steam, for example at temperatures of 180°C and steam pressures of 10 bar, for example.
- industrial heating boiler below includes both the heating boilers mentioned above and corresponding steam boilers for the supply of process steam.
- Such industrial heating boilers usually comprise a horizontally arranged, tubular or cylindrical combustion chamber, on the first end face or top surface of which a burner device protrudes into the flame tube. Firing is usually done with natural gas or fuel oil.
- the flue gas can also be deflected several times in the longitudinal direction of the industrial heating boiler.
- a so-called 3-pass flame tube boiler comprises a second and a further, third flue gas pass downstream in the flow direction of the flue gas, which is also usually designed as a tube bundle heat exchanger.
- Such heat storage elements are intended to delay the cooling of the combustion chamber by dissipating heat, but have the disadvantage that such heat storage elements only act as displacement bodies within the combustion chamber and impede the flow of the flue gas within the combustion chamber or can lead to a high pressure loss in the combustion chamber, as well as a reduction in the combustion chamber volume relevant for combustion. This is problematic insofar as the discharge of the flue gas in the downstream chimney can be impaired due to an excessive pressure loss due to installations in the combustion chamber and subsequently the operation of the boiler is disrupted by such installations.
- the complete combustion process can be negatively influenced due to the reduced free combustion chamber volume.
- the hot fuel gas stream from the burner device is turbulently swirled when it hits such a heat storage element standing transversely in the direction of flow inside the combustion chamber, but the flow around and swirling of the gas stream is undirected and random.
- Another disadvantage is that when using heat storage elements made of a refractory fireclay material, such as an oven insulation of a boiler, such a heat storage element absorbs the exhaust heat of the flue gas flow only very slowly.
- An estimate of the transient heat conduction in a heat storage element can be determined using the combination of Biot number (Bi), Fourier number (Fo) and the dimensionless mean temperature ( ⁇ ) in the heat storage element.
- the Biot number reflects the ratio of the thermal resistance within a solid body to the convective heat transfer resistance in the surrounding fluid. With large Biot numbers (Bi >>1), the convective heat transfer becomes so large that the surface temperature of the body corresponds to the temperature of the surrounding fluid and, due to the low heat conduction in the solid body, shows a clear gradient to the temperature inside the body.
- Another disadvantage is that if several such heat storage elements are arranged one behind the other in the inflow direction of the flue gas within the combustion chamber, the downstream heat storage elements are positioned in the flow shadow of the first heat storage element that is subjected to the frontal flow, which is why the downstream heat storage elements, in particular made of refractory material, are heated even more slowly than the frontal one flown, in the direction of flow foremost or first heat storage element.
- the combustion chamber or the flame tube must in any case be operated without internal installations in the form of such heat storage elements.
- the static mixer element in a static mixer element for use in a combustion chamber of an industrial heating boiler that can be heated with a burner device, the static mixer element comprises a base body with a material thickness which is formed from a heat-resistant material and which has a through-channel, the through-channel running in its longitudinal axis direction from a front side of the base body , the so-called inflow side, through the base body to a rear side of the base body opposite the inflow side, the so-called outflow side, the through-channel with its inlet opening being positioned essentially centrally on the inflow side of the static mixer element and several spaced-apart flow guide elements being arranged on the inflow side , which are each in the form of flat vanes, which protrude from the inflow side, are formed, and which each starting from an edge portion of the unit ritt opening of the through-channel run in the distal direction up to the outer edge of the inflow side, with a swirl surface being arranged between two flow guide elements, which is recessed in comparison to the flow guide elements
- a static mixer element Due to its structured inflow side with a plurality of flow elements and intermediate swirl surfaces, a static mixer element according to the invention offers the additional advantage that the inflow side has a high specific surface area for a gaseous medium or a fuel gas to flow around.
- specific surface area means the sum of all interfaces between the structured base body, in particular on its inflow side, and a gaseous phase, i.e. the fuel gas flowing around a static mixer element, in relation to the volume of the static mixer element (m 2 surface/m 3 volume).
- the term "structured" inflow side is used synonymously with a high specific surface area.
- flow guide element is generally understood below to mean elevations in the form of flat vanes that protrude from the inflow side and impart a directed twisting movement to an inflowing gaseous medium or here to the fuel gas within a combustion chamber of an industrial boiler.
- the static mixer element is expediently positioned within a gas flow in such a way that the inflow direction of the combustion gas essentially corresponds to the direction of the longitudinal axis of the through-channel.
- the structured inflow side of the static mixer element is aligned essentially transversely to the inflow direction of the fuel gas.
- Such flow guide elements can be designed, for example, as straight or curved ribs or webs, or as straight or curved blade sections. According to the invention, the flow guide elements each run in the distal direction or in the radial direction, starting from the through-channel towards the outer edge of the inflow side.
- the swirl surfaces arranged between the flow guide elements are set back somewhat in the inflow direction of the combustion gas compared to the elevations of the flow guide elements and inclined by an angle of inclination ⁇ relative to a frontal plane of the inflow side, falling obliquely to the edge of the inflow side.
- This means that hot combustion gas flowing in the direction of the longitudinal axis of the passage channel is deflected outwards by the static mixer element in the distal or radial direction when it hits one of the sloping swirl surfaces and hits the combustion chamber wall of the industrial heating boiler distributed as evenly as possible over a wide area.
- the swirl surfaces are inclined at an angle of inclination ⁇ of 20° to 70°, preferably 30° to 60°, particularly preferably 45°, towards the outer edge of the inflow side.
- the through-channel has a through-channel length which essentially corresponds to the material thickness of the base body, and the several flow guide elements each have the material thickness of the base body at least in sections, with the recessed swirl surfaces in sections of the base body having a reduced material thickness are arranged.
- the through-channel with a through-channel length that essentially corresponds to the material thickness of the base body is implicitly essentially perpendicular to the inflow side of the base body.
- the inflow side of the base body is thus essentially transverse to the inflowing fuel gas and is uniformly flown around by it.
- a swirl flow can thus be imparted particularly effectively to the inflowing combustion gas by the flow guide elements.
- the swirl surfaces which slope downwards in the outflow direction and are located in indentations in the base body or in indentations on the inflow side, are also subjected to a uniform flow of fuel gas in this design and ensure a uniformly directed deflection of the combustible gas along the edge of the inflow side in a lateral direction.
- the entire inner surface of the combustion chamber is advantageously evenly charged with hot combustion gas deflected by the swirl surfaces.
- the plurality of flow guide elements on the inflow side of the static mixer element can each be designed in the form of curved guide vanes with a radius of curvature.
- the desired twisting movement which is imposed on the fuel gas flow when it flows around at least one static mixer element, which is positioned inside a combustion chamber of an industrial boiler, can be precisely set or calculated.
- the pressure loss which can increase as a result of the flow around the static mixer element with a rotating swirl movement, must be taken into account.
- a static mixer element according to the invention can be particularly effective if the flow guide elements each have a variable guide element height in relation to the respective adjoining swirl surfaces, the guide element height increasing along a guide element length from the passage channel to the outer edge of the inflow side. With increasing guide element height, an increased swirl flow can be applied to the deflected portion of the fuel gas.
- the guide element height on the inside of the guide elements adjacent to the through-channel can be from 20% to 50% of the material thickness of the static mixer element and/or the guide element height on the outside of the guide vanes adjacent to the edge of the inflow side can be from 50% to 100% of the material thickness of the static mixer element.
- a static mixer element can have a base section with bearing surfaces on its underside and an edge of the inflow side with a round, preferably semicircular, edge contour on its upper side.
- the use of a base section increases the stability of a static mixer element. This is particularly advantageous because of the dynamic pressure that occurs during operation, which is generated by the fuel gas flowing around a static mixer element.
- a round, preferably semi-circular edge contour in the area of the upper side of a static mixer element offers the advantage of the most uniform possible gap spacing between the combustion chamber wall and the edge of the inflow side of the static mixer element during operation when installed transversely to the direction of flow of the combustion gas within a substantially cylindrical flame tube or a corresponding combustion chamber to offer.
- a static mixer element is expediently set up in the operating position within the combustion chamber of a boiler transversely to the direction of flow of the hot fuel gas.
- a static mixer element can be designed in one piece and preferably include an expansion joint with a joint width that extends from the passage channel to the edge of the inflow side through the entire material thickness of the static mixer element. If necessary, an expansion joint can be used to prevent thermal stresses from building up in a static mixer element during operation, which could possibly lead to cracks in the base body.
- a static mixer element can be designed in two parts or in several parts, with the individual parts of the static mixer element being able to be connected to one another in a form-fitting manner using plug-in connections.
- Such plug-in connections can, for example, comprise pin-shaped connecting elements which are arranged on one of the parts of the static mixer element and which are provided in corresponding recesses on another part of the two-part or multi-part static mixer element.
- the configuration as a two-part or multi-part static mixer element is advantageous in particular in the case of larger static mixer elements which, for example, have a diameter or a width on the inflow side of 500 mm or 600 mm.
- the assembly of such a static mixer element in its operating position within a combustion chamber of an industrial heating boiler is considerably facilitated by the multi-part structure, since the static mixer elements can become very heavy with increasing size.
- the through-channel can have an inlet opening with a free cross-sectional area and with an inner diameter on the inflow side and a diffuser section with a diffuser angle ⁇ in relation to the outflow side on the outflow side. wherein the diffuser section extends to the outlet opening of the through-channel on the outflow side and an inner diameter at the outlet opening is larger than the inner diameter at the inlet opening.
- the divergent diffuser section which widens towards the outlet opening in the direction of flow of the fuel gas, can have a diffuser angle ⁇ of 90° to 160°, preferably 120°, for example, and can be modeled on the diffuser of a Laval nozzle.
- the through-channel has one or more connecting devices on the inflow side for the captive attachment of corresponding coupling elements of an adjustment ring within the through-channel.
- Two longitudinal slots which are arranged on opposite wall sections and in the direction of the longitudinal axis of the through-channel and which serve as guides for a plug-in connection, can preferably be provided as parts of the connection device.
- two longitudinal slits running in the direction of the longitudinal axis and arranged on opposite wall sections of the through-channel together with transverse slits respectively downstream of the longitudinal slits can also be provided, with the transverse slits being positioned transversely thereto at the end of the longitudinal slits.
- These longitudinal slots and downstream Transverse slots can serve as guides for a lockable plug-in connection, for example in the form of a bayonet lock, and can be provided as parts of the connection device for fastening an adjustment ring within the through-channel.
- a static flow mixing device which is suitable for use in a combustion chamber of a heating boiler and which comprises at least one static mixer element and at least one base plate to which the at least one static mixer element can be connected.
- the at least one standing plate has one or more recesses for receiving a base section of a static mixer element in a form-fitting manner.
- a static flow mixing device can also include a base plate, which can be positioned at the bottom, i.e. below the base plate, and which expediently has base feet to compensate for any unevenness and allows the static mixer elements to be positioned exactly horizontally in the operating position within a cylindrical combustion chamber.
- a static flow mixing device can optionally also comprise one or more base plates, which can be placed between the base plate and a base plate if necessary.
- a static flow mixer device can comprise a plurality of components which can be connected to one another in the form of a stack and which can be used to adjust the height of the at least one static mixer element in its operating position within a combustion chamber of a heating boiler.
- One or more components, which the set includes a static flow mixing device can expediently also be designed in such a way that they can be positively connected to one another and, in the event of a turbulent flow of hot combustion gas within the combustion chamber, are connected in a stationary manner in their relative position in the assembly of the components.
- a static flow mixing device which also includes at least one adjustment ring with a longitudinal axis direction, an outer diameter and a free inner diameter
- the at least one adjustment ring can be fastened, preferably coaxially, on the inflow side within the through-channel of a static mixer element.
- the free inner diameter of an adjustment ring defines its inner free cross-sectional area.
- the free cross-sectional area of the through-channel can be changed or reduced by inserting an adjusting ring into the through-channel.
- the flow profile or the flow cross section in the through-channel of a static mixer element can be adjusted in a particularly simple and cost-effective manner.
- the main body of the static mixer element can, for example, in a specific Geometry and size suitable for the combustion chamber dimensions of a defined industrial boiler can be manufactured in larger quantities.
- the at least one adjustment ring can expediently have external coupling elements, with the at least one adjustment ring being captively fastened on the inflow side within the through-channel of a static mixer element, preferably to connecting devices within the through-channel.
- an adjustment ring can be attached particularly easily and securely within the through-channel.
- the inserted adjusting ring can also support the individual parts of the static mixer element statically and improve the overall stability of the structure of such a static flow mixing device.
- a higher stability of the structure is additionally achieved by a modular adjustment ring.
- two or more static mixer elements in a static flow mixing device, can be fastened one behind the other on one or more base plates, with the passage channels of the two or more static mixer elements preferably being arranged coaxially one behind the other, and with at least those downstream of a first static mixer element on the inflow side Static mixer elements, preferably all static mixer elements, are each equipped with an adjustment ring fastened in their respective through-channel.
- the two or more adjustment rings can be arranged such that the inner diameters of the adjustment rings decrease in the static mixer elements arranged one behind the other on the outflow side.
- the inside diameters of the adjustment rings are therefore smaller on the outflow side, viewed in the inflow direction of the combustion gas.
- the use of different inner diameters means that the fuel gas flowing along the horizontal axis of the combustion chamber is distributed over a number of static mixer elements.
- a combustion chamber of an industrial heating boiler that can be heated with a combustion device can be specified with a static flow mixing device according to the invention, the flow mixing device being positioned in the combustion chamber in such a way that the inflow side of the at least one static mixer element is essentially transverse to an inflow direction of a gaseous flow medium is set up, wherein the longitudinal axis direction of the at least one through-channel and/or the longitudinal axis direction of the at least one adjustment ring is/are arranged parallel to the longitudinal axis direction of the combustion chamber, preferably coaxially with the longitudinal axis direction of the combustion chamber.
- a flow path of the fuel gas flow leads through the one or more through-channels arranged one behind the other several static mixer elements positioned one behind the other, where appropriate several plug-in rings, the free inner cross-sectional areas of which can preferably taper in the outflow direction.
- One or more further flow paths of the hot combustion gas stream can be defined on the outside when flowing around the one or more static mixer elements, the combustion gas being deflected to the wall of the combustion chamber by hitting the inclined swirl surfaces.
- the guide elements or guide vanes ensure that a controlled turbulent swirl flow is imposed on the fuel gas flow.
- an industrial boiler having a combustion chamber in which a static flow mixing device according to the invention is positioned.
- a combustion chamber or to an industrial heating boiler with a combustion chamber that is or are equipped with static mixer elements according to the invention or with a static flow mixing device according to the invention.
- the other figures are schematic representations of CFD calculations, each in diagram form based on the flow velocity (Flow velocity) in [m/s], the heat flux density (Convection_Wall_Heatflux) in [W/m2] and the temperature (Temperature-Celsius ) in [°C] illustrate differences between the flow conditions in a combustor without internals compared to the same combustor with internals in the form of static flow mixing devices according to the invention.
- the heat flux density increased heat transport is represented by negative values, which are illustrated as "white areas" in the figures below. The smaller the local value of the heat flux density, the greater the outward heat flow.
- FIGS. 1 to 4 12 each show different views of a first embodiment variant of a static mixer element 10 according to the invention.
- the static mixer element 10 is made here in one piece from a heat-resistant ceramic material and has a base body with a front side 11, which is referred to below as the inflow side 11, and a rear side 12, which is referred to as the outflow side 12 below.
- the rear outflow side 12 is opposite the front inflow side 11 .
- the inflow side 11 here has an upper or lateral edge 13 with an essentially semicircular contour.
- the static mixer element 10 On its underside, the static mixer element 10 has a base section 14 with a width 15 and with bearing surfaces 16.
- the bearing surfaces 16 of the base section 14 are each inclined here and serve as standing surfaces for the static mixer element 10 in conjunction with a standing plate, such as those shown in 7 is shown.
- the base body of the static mixer element 10 has a width 17, a maximum material thickness 18 or initial depth and a height 19.
- the base body of the static mixer element 10 also has a through-channel 20 which, with its inlet opening 21, is positioned essentially centrally on the inflow side 11 of the static mixer element 10 is.
- the through-channel 20 has its outlet opening 22 on the outflow side 12 .
- a free cross-sectional area 23 of the through-channel 20 is essentially circular here with an inner diameter D E of the through-channel 20 in the region of its inlet opening 21 .
- the inlet opening 21 is bordered here by a peripheral edge section 24 or edge web on the inflow side 11, this edge section 24 or edge web having an outer diameter D R .
- the through-channel 20 is designed as a diffuser section 25 from about halfway up to the outlet opening 22, with an inner diameter D A of the diffuser section 25 at the outlet opening 22 being larger than the inner diameter D E of the through-channel 20 in the region of its inlet opening 21
- a diffuser angle ⁇ is selected here, for example, at 120°.
- the direction of the longitudinal axis 26 of the through-channel 20 is symbolized by a dot-dash line 26 .
- the through-channel 20 thus runs in the direction of the longitudinal axis 26 and with a channel length 27 from the front or inflow side 11 of the base body through the base body to the rear or outflow side 12 of the base body.
- the longitudinal axis direction 26 of the through channel 20 corresponds to the X-axis direction.
- the Y axis direction indicates the lateral width direction 17 of the static mixer element 10
- the Z axis direction indicates the height direction 19 of the static mixer element 10 .
- the static mixer element 10 is structured on the inflow side 11 and has a plurality of swirl surfaces 28 which are each inclined towards the outer edge 13 of the inflow side 11 at an angle of inclination ⁇ . Furthermore, a plurality of flow guide elements 30 spaced apart from one another are arranged on the inflow side 11 and are each in the form of flat guide vanes 31 which protrude from the inflow side 11 .
- the flow guide elements 30 each run from the edge section 24 of the inlet opening 21 of the through-channel 20 approximately in the distal or radial direction to the outer edge 13 of the inflow side 11.
- the guide vanes 31 have a guide vane width 32 or width 32 of the flow guide element 30 and a guide vane length 33 or length 33 of the flow guide element 30.
- the guide vanes 31 are designed here in the form of curved guide vanes 31 with a radius of curvature 34 .
- the radius of curvature 34 of a guide vane 31 can be specified as a first, somewhat larger radius of curvature R, which is measured at a first flank 35 of the guide vane 31, which is concavely curved.
- R the radius of curvature
- the guide vane 31 protrudes beyond the lower-lying swirl surface 28 adjoining the first flank 35 by an inner guide vane height 36 or guide element height 36, which on the inside of the guide vane 31 adjoins the edge section 24 around the inlet opening 21 of the through-channel 20 is measured.
- An outer guide vane height 37 or guide element height 37 is measured on the first flank 35 on the edge 13 of the inflow side 11 .
- the ratio between the larger radius of curvature R on the first flank 35 and the smaller radius of curvature r on the second flank 38 of the guide vane 31 or the flow guide element 30 depends essentially on the selection of the guide vane width 32 and on the size of the radii of curvature R, r.
- a radius of curvature 34 which is, so to speak, a mean value of the two radii of curvature R and r.
- the vane 31 projects beyond the second flank 38 adjacent, deeper swirl surface 28 by an inner vane height 39 or vane height 39, which is on the inside of the vane 31 adjacent to the Edge section 24 around the inlet opening 21 of the passage channel 20 is measured.
- An outer guide vane height 40 or guide element height 40 is measured on the second flank 38 on the edge 13 of the inflow side 11 .
- the flow guide elements 30 are therefore increased by a vane height 36, 37, 39, 40 in comparison to the respective adjoining swirl surfaces 28.
- the material thickness 18 of the base body of the static mixer element 10 is reduced in the region of the recessed swirl surfaces 28 and has only a reduced material thickness 18.1 or 18.2 in the region of the swirl surfaces 28. Due to the recesses in the base body in the area of the inclined swirl surfaces 28, the total weight of the static mixer element 10 according to the invention is reduced in comparison to a base body with a constant material thickness 18 and with a smooth, unstructured front side.
- the reduced overall weight and the associated saving in material of a static mixer element 10 according to the invention offers numerous advantages: a static mixer element 10 according to the invention can be produced inexpensively due to the material saved compared to an unstructured base body and is easier to handle.
- the static mixer element 10 shown here has an expansion joint 45 with a joint width 46, which extends along the top side of the static mixer element 10 along its entire material thickness 18 from the passage 20 to the edge 13 extends.
- this static mixer element 10 works in operation within a combustion chamber of an industrial boiler, as is the case, for example, in 18 shown schematically is in 1 and partly also in the following figures also an inflow direction 1, symbolized as arrow 1, sketched, which is intended to illustrate the inflow direction of a gaseous medium, the flue gas, within the combustion chamber of an industrial boiler, not shown here.
- the inflow direction 1 essentially corresponds to the X-axis direction or the longitudinal axis direction 26 of the through-duct 20.
- such a static mixer element 10 is arranged during operation within a combustion chamber of an industrial heating boiler in such a way that the longitudinal axis direction 26 of the through-duct 20 is essentially in the inflow direction 1 of the flue gas is oriented.
- the inflow side 11 of the base body is thus essentially transverse to the inflow direction 1 of the flue gas.
- a first flow path 2 of the gaseous medium leads in the direction of the longitudinal axis 26 through the through-channel 20 of the static mixer element 10 .
- Another second Flow path 3 of the gaseous medium shows schematically the course of the flow of the flue gas as it flows around the static mixer element 10 on the outside along the flow guide elements 30 offset by a twisting movement and deflected in the lateral or axial direction by the static mixer element 10 in the direction of an inner wall of the combustion chamber, not shown here, when it hits the twisting surface 28 .
- an inflow plane ⁇ is also indicated with a dot-dash contour line.
- the inflow plane ⁇ conceptually forms a frontal plane on the structured inflow side 11, in which those contour sections are located which, viewed in the inflow direction 1 of the flowing medium in the X-axis direction, are flown against first.
- the inflow plane ⁇ comprises those contour sections on the inflow side 11 which protrude farthest from the inflow side 11 as elevations against the inflow direction 1 .
- the curved front surfaces of the guide vanes 31 each with a guide vane width 32 and a guide vane length 33, as well as the peripheral edge section 24 or edge web, which borders the inlet opening 21 of the through channel 20 on the inflow side 11.
- the velocity profiles are shown in vector representation at the inflow plane ⁇ or frontal plane of the structured inflow side 11 of static mixer elements 10 according to the invention.
- the swirl surfaces 28 between the guide vanes 31 are located somewhat downstream of the inflow plane ⁇ or the frontal plane in the inflow direction 1 or in the X-axis direction, which is why they are also shown in the illustrations 31 and 32 are not shown.
- Each adjustment ring 60 is essentially cylindrical in shape and has an outer diameter d A , an inner diameter d I and a wall thickness of the cylinder jacket, which in each case results from the difference between the outer diameter d A to inner diameter d I results.
- Each adjusting ring 60 has an edge 61 on one of the edges of the cylinder jacket, which has an enlarged edge diameter compared to the outer diameter d A and which projects beyond the cylinder jacket of the adjusting ring 60 to the outside.
- a longitudinal axis direction 62 of the setting ring 60 is symbolized by a dash-dotted line 62 .
- a length 63 or depth of the setting ring 60 is measured on the outside away from the edge 61 and indicates the length or height of the cylinder jacket of the setting ring 60 .
- Figure 5A 1 shows a first adjusting ring 60.1 with an outer diameter d A and with a first inner diameter d I .1.
- Figure 5B 1 shows a second adjustment ring 60.2 with an outer diameter d A that is the same as the outer diameter d A of the first adjustment ring 60.1, and with a second inner diameter d I .2 that is smaller than the first inner diameter d I .1. Consequently, the second adjustment ring 60.2 has a reduced free cross-sectional area in comparison to the first adjustment ring 60.1.
- the wall thickness of the cylinder jacket is greater in the case of the second adjustment ring 60.2 than in the case of the first adjustment ring 60.1.
- Figure 5C shows a third adjustment ring 60.2 with an outer diameter d A that is the same as the outer diameter d A of the first and second adjustment rings 60.1, 60.2, and with a third inner diameter d I .3 that is smaller than the first inner diameter d I .1 and is smaller than the second inner diameter d I .2. Consequently, the third adjustment ring 60.3 has a further reduced free cross-sectional area in comparison to the second adjustment ring 60.2. The wall thickness of the cylinder jacket is even greater for the third setting ring 60.3 than for the second setting ring 60.3.
- One or more connecting devices 50 are provided within the through-channel 20 on the inflow side, i.e. starting from the inlet opening 21, which preferably comprise two longitudinal slots 51, which are arranged on opposite wall sections and in the direction of the longitudinal axis 26 of the through-channel 20 and which serve as guides for a plug-in connection.
- the illustrations Figures 1 to 4 show a particularly preferred variant in the form of guides of a lockable plug-in connection or a bayonet catch with two longitudinal slots 51 running in the direction of the longitudinal axis 26 and arranged on opposite wall sections of the through-channel 20, together with transverse slots 52, which are each arranged downstream of the longitudinal slots 51.
- the transverse slots 52 are each positioned at the end of the longitudinal slots 51 transversely thereto.
- each adjustment ring 60 has external coupling elements 53 which protrude laterally beyond the outer cylindrical surface of the adjustment ring 60.
- the coupling elements 53 are designed in the form of protruding pins or buttons and correspond with the longitudinal slots 51 and the transverse slots 52.
- Each adjusting ring 60 is designed in such a way that it can be inserted into the inlet opening 21 of a through-channel 20, with the coupling elements 53 on the adjusting ring 60 engaging in the corresponding longitudinal slots 51 on the walls of the through-channel 20.
- the adjusting ring 60 is inserted coaxially with its longitudinal axis direction 62 in the direction of the longitudinal axis 26 of the through-channel 20 in the X-axis direction until the peripheral edge 61 of the adjusting ring 60 rests against the edge section 24 of the through-channel 20 .
- the connection device 50 is designed as a lockable plug-in connection
- the inserted adjustment ring 60 can be captively secured by rotating it about its longitudinal axis direction 62 .
- the coupling elements 53 engage in the transverse slots 52 of this bayonet lock.
- the adjusting ring 60 can be separated from the static mixer element 10 again by turning it in the opposite direction of rotation and by pulling it out in the direction of the longitudinal axis 26 of the through-channel 20 .
- FIG. 12 shows a base plate 70 as part of a static flow mixing device according to the invention.
- the base plate 70 is essentially cuboid here and has two base feet 71 on its underside, which extend in the longitudinal direction of the base plate 70 in the form of strips.
- the base feet 71 offer the advantage of being able to compensate for unevenness in the ground at the installation site of a static flow mixing device, in particular inside a combustion chamber of an industrial heating boiler.
- lateral guide profiles 72 are arranged in the longitudinal direction, which can serve to guide other components.
- FIG. 7 shows a pedestal 80 as part of a static flow mixing device according to the invention.
- the standing plate 80 shown here has two recesses 81 on its upper side, into each of which a base section 14 of a static mixer element 10 can be inserted in a form-fitting manner.
- the two recesses 81 each have sloping bearing surfaces here, which correspond to the sloping bearing surfaces 16 of the base section 14 of a static mixer element 10 .
- Lateral guide grooves 82 on the underside of the base plate 80 serve to accommodate the guide profiles 72 of the base plate 70, as shown in 6 is shown.
- FIG 8 12 illustrates a first embodiment of a static flow mixer device 100 according to the invention with two static mixer elements 10 according to FIG 1 , with a base plate 70 according to 6 and with a stand plate 80 according to 7 .
- a plurality of base plates 75 are additionally interposed here between the base plate 70 and the standing plate 80 .
- the two static mixer elements 10 are arranged one behind the other as viewed in the X-axis direction or in the inflow direction 1 of the inflowing medium or flue gas, in such a way that the longitudinal axis directions 26 of the passage channels 20 are positioned coaxially.
- the front static mixer element 10 which is in 8 is shown in the foreground of the image, there is a first adjustment ring 60.1 with a first inner diameter d I .1 in the through-channel 20.
- the second, rear static mixer element 10 there is a second adjusting ring 60.2 in the through-channel 20 with a second inner diameter d I .2, which is smaller than the first inner diameter d I .1.
- the central opening of a static mixer element prevents excessive back pressure and excessive pressure loss in the combustion chamber. Due to the tapering inner diameter, the centrally arranged combustion gas of the combustion jet can be divided into several static mixer elements and then deflected.
- 10 12 shows a second embodiment of a static flow mixing device 100 according to the invention with six static mixer elements 10 positioned one behind the other according to the embodiment of FIG 1 .
- the six static mixer elements 10 are fastened here in pairs on three standing plates 80 arranged one behind the other, viewed in the X-axis direction or in the direction of flow 1, with the through-channels 20 of the six static mixer elements 10 being arranged coaxially 26 one behind the other.
- Corresponding base plates 70 and base plates 75.1 to 75.3 serve as a stand for the static mixer elements 10.
- the first or foremost static mixer element 10 on the inflow side has a through-channel 20 without an adjusting ring.
- the further downstream static mixer elements 10 in the X-axis direction, ie the second to sixth static mixer elements 10, are each equipped with an adjusting ring 60.1, 60.2, 60.3, 60.4, 60.5 fastened in their respective through-channel 20.
- the several adjustment rings 60.1, 60.2, 60.3, 60.4, 60.5 are arranged in such a way that the inside diameters d I .1, d I .2, d I .3, d I .4, d I .5 of the adjustment rings 60.1, 60.2, 60.3, 60.4, 60.5 in X-axis direction of the downstream static mixer elements 10 decrease or become smaller.
- several static mixer elements 10 can also be arranged.
- FIG. 11 shows a second embodiment of a static mixer element 10 according to the invention, wherein 12 in an exploded view the individual parts of the in 11 illustrated structure shown.
- the static mixer element 10 shown here is constructed in two parts and comprises a lower first part 10.1 and an upper second part 10.2, which can be positively connected by means of a plug connection 55.
- two connecting elements 56 in the form of connecting pins are arranged here on the lower first part 10.1, which can be brought into engagement with corresponding recesses 57 on the upper second part 10.2 of the divided static mixer element 10.
- An adjusting ring 60 which in turn can also be inserted into the through-channel 20 in this embodiment variant of a divided static mixer element 10, advantageously also serves as a support for the two parts 10.1 and 10.2 and stabilizes them in their connected position. Additional expansion joints are not required in this design with a divided base body.
- FIG. 13 shows in an exploded view the individual parts of a third embodiment of a static flow mixing device 100 according to the invention with two static mixer elements 10 according to 11 .
- the illustrations 14 and 15 relate to a third embodiment of a static mixer element 10 according to the invention, which is assembled from three individual parts 10.1, 10.2 and 10.3.
- the individual parts 10.1 to 10.3 can in turn be positively connected to one another by means of plug connections 55. Additional expansion joints on the base body are not required in this version either.
- the illustrations 16 and 17 10 show a fourth embodiment of a static flow mixer device 100 according to the invention with two static mixer elements 10 according to FIG 15 .
- FIG. 18 shows the view into a combustion chamber 200 of an industrial boiler.
- the combustion chamber 200 is essentially cylindrical with a longitudinal axis direction 201 and with an inner diameter 202.
- On its first end face, which is in 18 As can be seen in the image on the left, a burner device 210 with a burner flame 211 protrudes into the combustion chamber 200.
- the burner flame 211 is aligned essentially coaxially with the longitudinal axis 201 of the combustion chamber 200 for this purpose.
- the so-called Turning chamber in which the flue gas is deflected by about 180° and in a second flue gas pass, which is 18 is indicated only schematically in the background of the image as a bundle of cut-away tubes of a tube bundle heat exchanger, in the opposite direction to the flow direction 1 further to a flue gas chimney.
- Inside the combustion chamber 200 there is a static flow mixing device 100 with six static mixer elements 10 arranged one behind the other according to the invention.
- the static mixer elements 10 are positioned such that the longitudinal axes 26 of their passages 20 are each arranged coaxially with the longitudinal axis 201 of the combustion chamber 200 and thus also essentially coaxially with the burner flame 211 .
- the turbulence of the combustion gas is advantageously already intensified in the combustion chamber, as is shown in the figures 22 - compared to the corresponding 19 without installations - or in 28 - compared to the corresponding 25 without internals - is illustrated.
- the installations according to the invention significantly increase the convective heat transport on the combustion chamber wall (see the figures 23 or. 29 ).
- the design according to the invention of a static flow mixing device each with six static mixer elements arranged one behind the other, each structured with swirl surfaces and flow guide elements, and the suitable use of adjustment rings distributes the interaction or deflection of the inflowing combustion gas over several static mixer elements, as is the case in the illustrations 31 or. 32 can be removed. As a result, locally high heat flow densities, which can disadvantageously occur during operation in a combustion chamber without built-in components, can be minimized.
- the interaction of the fuel gas with the specifically high surface area of the static mixer elements according to the invention increases their surface temperature, whereby the use of static mixer elements according to the invention or a static flow mixing device according to the invention also increases the thermal radiation transport to the combustion chamber wall.
- the use of static mixer elements according to the invention or a static flow mixing device according to the invention within a combustion chamber of an industrial heating boiler advantageously lowers the temperature and speed of the combustion gas already in the combustion chamber, which also reduces the subsequent flue gas path in the area of the turning chamber and when it enters the second flue gas flue downstream thermally less exposed.
- the heat transport in the combustion chamber can be analyzed in a differentiated manner.
- the heat flow at the combustion chamber wall increases significantly as a result of the installation of static mixer elements according to the invention or a static flow mixing device according to the invention in a combustion chamber.
- a diameter of 600 mm can be increased by suitably adapting and enlarging the static mixer elements (see the accompanying figures 28, 29, 30 such as 32 ) even an increase in heat flow by 58% compared to the corresponding combustor without internals (see 25 to 27 ) be determined. While the portion of heat transport through thermal radiation in the empty combustion chamber (see 26 ) is only about 7%, the proportion of radiation due to heat radiation is increased to 33% by installing static mixer elements according to the invention in the same combustion chamber (see 29 ). This advantageous effect can be explained well by the increased heat radiation of the static mixer elements according to the invention.
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Statikmischerelement (10) zum Einsatz in einer Brennkammer (200) eines mit einer Brennervorrichtung (210) beheizbaren Industrieheizkessels, wobei das Statikmischerelement (10) einen Grundkörper mit einer Materialstärke (18) umfasst, der aus einem hitzebeständigen Material gebildet ist und der einen Durchgangskanal (20) aufweist. Der Durchgangskanal (20) verläuft in seiner Längsachsenrichtung (26) von einer vorderen Anströmseite (11) durch den Grundkörper hindurch bis zu einer rückseitigen Abströmseite (12), wobei an der Anströmseite (11) mehrere Strömungsleitelemente (30) angeordnet sind, die jeweils in Form von flächigen Leitschaufeln (31) von der Anströmseite (11) abstehen, und die (30) jeweils von einem Randabschnitt (24) des Durchgangskanals (20) zum äußeren Rand (13) der Anströmseite (11) verlaufen, wobei zwischen den Strömungsleitelementen (30) jeweils vertieft liegende Drallfläche (28) angeordnet ist, welche (28) zum äußeren Rand (13) der Anströmseite (11) hin schräg abfallend geneigt (a) ist. Weiters wird eine statische Strömungsmischeinrichtung (100) angegeben.The invention relates to a static mixer element (10) for use in a combustion chamber (200) of an industrial boiler that can be heated with a burner device (210), the static mixer element (10) comprising a base body with a material thickness (18), which is formed from a heat-resistant material and which has a through-channel (20). The through-channel (20) runs in the direction (26) of its longitudinal axis from a front inflow side (11) through the base body to a rear outflow side (12), with several flow guide elements (30) being arranged on the inflow side (11), each of which in protrude from the inflow side (11) in the form of flat guide vanes (31), and which (30) each run from an edge section (24) of the through-channel (20) to the outer edge (13) of the inflow side (11), with between the flow guide elements ( 30) each recessed swirl surface (28) is arranged, which (28) towards the outer edge (13) of the inflow side (11) is inclined (a) in a sloping manner. A static flow mixing device (100) is also specified.
Description
Die Erfindung betrifft ein Statikmischerelement zum Einsatz in einer Brennkammer eines Industrieheizkessels, der mittels einer Brennervorrichtung beheizbar ist, wobei das Statikmischerelement einen Grundkörper mit einer Materialstärke umfasst, der aus einem hitzebeständigen Material gebildet ist und der einen Durchgangskanal aufweist.The invention relates to a static mixer element for use in a combustion chamber of an industrial boiler that can be heated by a burner device, the static mixer element comprising a base body with a material thickness that is formed from a heat-resistant material and has a through-channel.
Weiters wird im Rahmen der Erfindung auch eine statische Strömungsmischeinrichtung zum Einsatz in einer Brennkammer eines Industrieheizkessels angegeben, welche zumindest ein Statikmischerelement sowie zumindest eine Standplatte zur Aufnahme eines Sockelabschnitts des Statikmischerelements umfasst.Furthermore, the invention also specifies a static flow mixing device for use in a combustion chamber of an industrial heating boiler, which comprises at least one static mixer element and at least one base plate for receiving a base section of the static mixer element.
Aus dem Stand der Technik sind je nach Anwendungsfall Heizkessel bzw. Dampfkessel mit einer als Flammrohr bezeichneten Brennkammer bekannt, die auch als Flammrohr-Rauchrohr-kessel oder Großwasserraumkessel bezeichnet werden. Ein solcher Heizkesseltyp wird überall dort als Industriekessel verwendet, wo es um die Versorgung mit Heizwasser und/oder Prozessdampf für industrielle Anwendungen geht. Je nach Ausführung und Baugröße können mit solchen Heizkesseln bzw. Dampfkesseln bis etwa 40 MW (Megawatt) an thermischer Leistung bereitgestellt werden.Depending on the application, heating boilers or steam boilers with a combustion chamber known as a flame tube are known from the prior art, which are also known as flame tube/smoke tube boilers or shell boilers. Such a boiler type is used as an industrial boiler wherever the supply of heating water and/or process steam for industrial applications is concerned. Depending on the design and size, such boilers or steam boilers can provide thermal output of up to around 40 MW (megawatts).
Je nach Ausführung spricht man üblicherweise von einem Heizkessel für die Versorgung mit Heizwasser bei Temperaturen bis etwa 80°C sowie von einem Dampfkessel für die Bereitstellung von Prozessdampf, beispielsweise bei Temperaturen von 180°C und Dampfdrücken beispielsweise von 10 bar. Der Einfachheit halber umfasst im Folgenden der Begriff "Industrieheizkessel" sowohl die vorstehend genannten Heizkessel, als auch entsprechende Dampfkessel für die Versorgung mit Prozessdampf.Depending on the design, one usually speaks of a heating boiler for the supply of heating water at temperatures of up to around 80°C and of a steam boiler for the provision of process steam, for example at temperatures of 180°C and steam pressures of 10 bar, for example. For the sake of simplicity, the term “industrial heating boiler” below includes both the heating boilers mentioned above and corresponding steam boilers for the supply of process steam.
Derartige Industrieheizkessel umfassen üblicherweise eine horizontal angeordnete, rohrförmige bzw. Zylinder-förmige Brennkammer, an deren erster Stirnseite bzw. Deckfläche eine Brennervorrichtung in das Flammrohr ragt. Die Feuerung erfolgt meist mittels Erdgas oder mit Heizöl. An der der Brennervorrichtung gegenüberliegenden Stirnseite bzw. Deckfläche des Flammrohres befindet sich eine sogenannte Wendekammer, in der das Brenngas bzw. Rauchgas aus dem Flammrohr in Längsrichtung des Industrieheizkessel umgelenkt wird und in einen sogenannten zweiten Rauchgaszug gelangt, der üblicherweise als Rohrbündelwärmetauscher ausgeführt ist. Das Rauchgas kann dabei je nach Bauweise des Industrieheizkessels auch mehrfach in Längsrichtung des Industrieheizkessels umgelenkt werden. So umfasst beispielsweise ein sogenannter 3-Zug-Flammrohr-Heizkessel einen zweiten und einen in Strömungsrichtung des Rauchgases nachgelagerten weiteren, dritten Rauchgaszug, der ebenfalls meist als Rohrbündelwärmetauscher ausgeführt ist.Such industrial heating boilers usually comprise a horizontally arranged, tubular or cylindrical combustion chamber, on the first end face or top surface of which a burner device protrudes into the flame tube. Firing is usually done with natural gas or fuel oil. On the front side or top surface of the flame tube opposite the burner device there is a so-called turning chamber, in which the fuel gas or flue gas from the flame tube is deflected in the longitudinal direction of the industrial boiler and enters a so-called second flue gas flue, which is usually designed as a tube bundle heat exchanger. Depending on the design of the industrial heating boiler, the flue gas can also be deflected several times in the longitudinal direction of the industrial heating boiler. For example, a so-called 3-pass flame tube boiler comprises a second and a further, third flue gas pass downstream in the flow direction of the flue gas, which is also usually designed as a tube bundle heat exchanger.
Aus dem Stand der Technik ist weiters bekannt, Wärmespeicherelemente aus hitzebeständigem Material, beispielsweise aus Keramik oder aus Edelstahl, in der Brennkammer eines Industrieheizkessels zu positionieren. Es sind dazu bereits im Wesentlichen Scheibenförmige Wärmespeicherelemente mit unterschiedlichen geometrischen Konturformen beispielsweise in Sechseckform oder in Kreisringform mit innenliegenden Durchgangsbohrungen bekanntgeworden. Die äußere Oberfläche dieser Wärmespeicherelemente ist im Wesentlichen glatt und unstrukturiert. Die Scheibendicke bzw. Materialstärke solcher scheibenförmiger Wärmespeicherelemente ist meist konstant. Derartige Wärmespeicherelemente sollen das Auskühlen der Brennkammer durch Wärmeabgabe verzögern, haben jedoch den Nachteil, dass solche Wärmespeicherelemente lediglich als Verdrängungskörper innerhalb der Brennkammer wirken und die Strömung des Rauchgases innerhalb der Brennkammer behindern oder zu hohem Druckverlust in der Brennkammer führen können, sowie zu einer Verringerung des für die Verbrennung relevanten Feuerraumvolumens führen können. Dies ist insofern problematisch, da wegen eines zu hohen Druckverlusts aufgrund von Einbauten in der Brennkammer der Abzug des Rauchgases im nachfolgenden Kamin beeinträchtigt sein kann und in weiterer Folge der Heizkesselbetrieb durch derartige Einbauten gestört wird. Außerdem kann bei einer hohen Anzahl von Wärmespeicherelementen, die in einer Brennkammer positioniert werden, aufgrund des verringerten freien Feuerraumvolumens der vollständige Verbrennungsvorgang negativ beeinflusst werden.It is also known from the prior art to position heat storage elements made of heat-resistant material, for example ceramic or stainless steel, in the combustion chamber of an industrial boiler. Essentially disc-shaped heat storage elements with different geometric contour shapes, for example in the shape of a hexagon or in the shape of a circular ring with internal through-holes, have already become known for this purpose. The outer surface of these heat storage elements is essentially smooth and unstructured. The disc thickness or material thickness of such disc-shaped heat storage elements is mostly constant. Such heat storage elements are intended to delay the cooling of the combustion chamber by dissipating heat, but have the disadvantage that such heat storage elements only act as displacement bodies within the combustion chamber and impede the flow of the flue gas within the combustion chamber or can lead to a high pressure loss in the combustion chamber, as well as a reduction in the combustion chamber volume relevant for combustion. This is problematic insofar as the discharge of the flue gas in the downstream chimney can be impaired due to an excessive pressure loss due to installations in the combustion chamber and subsequently the operation of the boiler is disrupted by such installations. In addition, with a large number of heat storage elements that are positioned in a combustion chamber, the complete combustion process can be negatively influenced due to the reduced free combustion chamber volume.
Der heiße Brenngasstrom aus der Brennervorrichtung wird beim Auftreffen auf ein solches in Strömungsrichtung querstehendes Wärmespeicherelement im Inneren der Brennkammer zwar turbulent verwirbelt, allerdings erfolgt die Umströmung und Verwirbelung des Gasstroms dabei ungerichtet und zufällig.The hot fuel gas stream from the burner device is turbulently swirled when it hits such a heat storage element standing transversely in the direction of flow inside the combustion chamber, but the flow around and swirling of the gas stream is undirected and random.
Überdies ist von Nachteil, dass beim Einsatz von Wärmespeicherelementen aus einem feuerfesten Schamott-Material, wie beispielsweise einer Ofenisolierung eines Heizkessels, ein solches Wärmespeicherelement die Abgaswärme des Rauchgasstromes nur sehr langsam aufnimmt. Eine Abschätzung der instationären Wärmeleitung in einem Wärmespeicherelement lässt sich anhand der Kombination von Biot-Zahl (Bi), Fourier-Zahl (Fo) sowie der dimensionslosen Mittentemperatur(Θ) im Wärmespeicherelement ermitteln. Die Biot-Zahl gibt das Verhältnis vom Wärmeleitwiderstand innerhalb eines festen Körpers zum konvektiven Wärmeübergangswiderstand im umgebenden Fluid wieder. Bei großen Biot-Zahlen (Bi >>1) wird der konvektive Wärmeübergang so groß, dass die Oberflächentemperatur des Körpers der Temperatur des umgebenden Fluid entspricht und durch die geringe Wärmeleitung im festen Körper einen deutlichen Gradienten zur Temperatur im Körperinneren aufweist.Another disadvantage is that when using heat storage elements made of a refractory fireclay material, such as an oven insulation of a boiler, such a heat storage element absorbs the exhaust heat of the flue gas flow only very slowly. An estimate of the transient heat conduction in a heat storage element can be determined using the combination of Biot number (Bi), Fourier number (Fo) and the dimensionless mean temperature (Θ) in the heat storage element. The Biot number reflects the ratio of the thermal resistance within a solid body to the convective heat transfer resistance in the surrounding fluid. With large Biot numbers (Bi >>1), the convective heat transfer becomes so large that the surface temperature of the body corresponds to the temperature of the surrounding fluid and, due to the low heat conduction in the solid body, shows a clear gradient to the temperature inside the body.
Somit kann bei Wärmespeicherelementen mit den typischerweise verwendeten feuerfesten Materialien und hohen Schichtdicken eine erhöhte Kerntemperatur erst nach mehreren Stunden erreicht werden (z.B. nach 8 Stunden bei Kerntemperaturen von über 700 °C). Das wirkt sich auch nachteilig auf eine angenommene Wärmespeicherung aus.In the case of heat storage elements with the refractory materials typically used and high layer thicknesses, an increased core temperature can therefore only be reached after several hours (e.g. after 8 hours with core temperatures of over 700 °C). This also has a negative effect on an assumed heat storage.
Da die bisher bekannt gewordenen Wärmespeicherelemente eine vergleichsweise kleine Wärmekapazität in Bezug zur vorliegenden Heizwassermenge eines Industrieheizkessels aufweisen (ca. 5% der Heizwassermenge, die aber nur bei maximaler gleichmäßiger Erwärmung der Wärmespeicherelemente theoretisch erreichbar wäre), ist deren Wärmespeicherwirkung vergleichsweise gering. Unter Einbeziehung der instationären Wärmeleitung in ein Wärmespeicherelement (unter Berücksichtigung der Biot-Zahl) werden meist nur mehr Wärmekapazitäten von 2 bis 3% im Vergleich zur Speicherwirkung der Heizwassermenge eines typischen Industrieheizkessels erreicht.Since the heat storage elements that have been known to date have a comparatively small heat capacity in relation to the available heating water volume of an industrial boiler (approx. 5% of the heating water volume, which could theoretically only be achieved with maximum uniform heating of the heat storage elements), their heat storage effect is comparatively low. Including the transient heat conduction in a heat storage element (taking into account the Biot number), heat capacities of only 2 to 3% are usually achieved compared to the storage effect of the heating water volume of a typical industrial boiler.
Weiters ist von Nachteil, dass im Falle der Anordnung von mehreren solcher Wärmespeicherelemente in Anströmrichtung des Rauchgases hintereinander innerhalb der Brennkammer die abstromseitig nachangeordneten Wärmespeicherelemente im Strömungsschatten des frontal angeströmten ersten Wärmespeicherelements positioniert sind, weshalb die nachgeordneten Wärmespeicherelemente insbesondere aus FeuerfestMaterial noch langsamer erwärmt werden als das frontal angeströmte, in Anströmrichtung vorderste bzw. erste Wärmespeicherelement.Another disadvantage is that if several such heat storage elements are arranged one behind the other in the inflow direction of the flue gas within the combustion chamber, the downstream heat storage elements are positioned in the flow shadow of the first heat storage element that is subjected to the frontal flow, which is why the downstream heat storage elements, in particular made of refractory material, are heated even more slowly than the frontal one flown, in the direction of flow foremost or first heat storage element.
Gemäß den Vorgaben der Hersteller von Industrieheizkesseln sowie der gängigen Literatur zur Auslegung von Industrieheizkesseln sind die Brennkammer bzw. das Flammrohr auf jeden Fall ohne innenliegende Einbauten in Form von derartigen Wärmespeicherelementen zu betreiben.According to the specifications of the manufacturer of industrial heating boilers and the current literature on the design of industrial heating boilers, the combustion chamber or the flame tube must in any case be operated without internal installations in the form of such heat storage elements.
Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, die aus dem Stand der Technik bekannt gewordenen Nachteile solcher Wärmespeicherelemente zu überwinden und dazu ein Statikmischerelement bereitzustellen, das zum Einsatz in einer Brennkammer eines gattungsgemäßen Industrieheizkessels geeignet ist und mit dem im laufenden Betrieb eines Industrieheizkessels, der mit einem erfindungsgemäßen Statikmischerelement innerhalb seiner Brennkammer ausgerüstet ist, möglichst die folgenden Vorteile im Vergleich zu einer Brennkammer ohne Einbauten erzielt werden können:
- Intensivierte und relativ vergleichmäßigte Wärmestrom-Verteilung in der Brennkammer an der für den Wärmetransport in das Heizmedium wichtigen Oberfläche der Brennkammerwand;
- Intensivierte und relativ vergleichmäßigte Verwirbelung von Brenngas in der Brennkammer;
- bei Einhaltung der durch die Kesselnorm EN 12953 vorgeschriebenen maximalen Wärmestromdichte an der Brennkammerwand von 0,24 W/mm2;
- Erhöhung des Anteils der Wärmestrahlung für den Wärmetransport in der Brennkammer;
- Verringerung von Turbulenzen in der der Brennkammer nachfolgenden Wendekammer;
- Dadurch de facto gleichbleibender Druckverlust in Brennkammer und Wendekammer bis zum Eintritt in den zweiten Rauchgaszug;
- Verringerung von thermischen Schäden, die oft an der Wendekammerrückwand sowie am sonst thermisch belasteten Eintritt in den zweiten Rauchgaszug auftreten können;
- Verringerung von Kesselvibrationen, die oft durch Turbulenzen in der Wendekammer hervorgerufen werden;
- Verringerung von Schäden durch die im Betrieb anliegenden Zugkräfte an den Schweißnähten der Brennkammer, die aufgrund der hydrodynamischen Auftriebskräfte der Brennkammer auftreten;
- Brennstoffeinsparung durch einen erhöhten Wärmetransport in das Heizmedium bereits in der Brennkammer.
- Intensified and relatively even heat flow distribution in the combustion chamber on the surface of the combustion chamber wall that is important for heat transport into the heating medium;
- Intensified and relatively equalized turbulence of fuel gas in the combustion chamber;
- in compliance with the maximum heat flow density at the combustion chamber wall of 0.24 W/mm 2 prescribed by boiler standard EN 12953;
- Increasing the proportion of thermal radiation for heat transport in the combustion chamber;
- Reduction of turbulence in the turning chamber following the combustion chamber;
- As a result, de facto constant pressure loss in the combustion chamber and reversing chamber until entry into the second flue gas flue;
- Reduction of thermal damage that can often occur on the rear wall of the reversing chamber and on the otherwise thermally stressed entry into the second flue gas pass;
- Reduction of bowl vibrations often caused by turbulence in the turning chamber;
- Reduction of damage caused by operational tensile forces on the combustor welds that occur due to the hydrodynamic buoyancy forces of the combustor;
- Fuel savings through increased heat transport into the heating medium already in the combustion chamber.
Diese Aufgaben werden bei einem Statikmischerelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teiles von Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.These objects are achieved in a static mixer element according to the preamble of
Erfindungsgemäß verläuft bei einem Statikmischerelement zum Einsatz in einer Brennkammer eines mit einer Brennervorrichtung beheizbaren Industrieheizkessels, wobei das Statikmischerelement einen Grundkörper mit einer Materialstärke umfasst, der aus einem hitzebeständigen Material gebildet ist und der einen Durchgangskanal aufweist, der Durchgangskanal in seiner Längsachsenrichtung von einer Vorderseite des Grundkörpers, der sogenannten Anströmseite, durch den Grundkörper hindurch bis zu einer der Anströmseite gegenüberliegenden Rückseite des Grundkörpers, der sogenannten Abströmseite, wobei der Durchgangskanal mit seiner Eintrittsöffnung im Wesentlichen zentrisch an der Anströmseite des Statikmischerelements positioniert ist und wobei an der Anströmseite mehrere voneinander beabstandete Strömungsleitelemente angeordnet sind, die jeweils in Form von flächigen Leitschaufeln, die von der Anströmseite abstehen, ausgebildet sind, und welche jeweils ausgehend von einem Randabschnitt der Eintrittsöffnung des Durchgangskanals in distaler Richtung bis zum äußeren Rand der Anströmseite verlaufen, wobei zwischen zwei Strömungsleitelementen jeweils eine im Vergleich zu den Strömungsleitelementen vertieft liegende Drallfläche angeordnet ist, welche zum äußeren Rand der Anströmseite hin schräg abfallend geneigt ist, wobei die Strömungsleitelemente im Vergleich zu einer angrenzenden Drallfläche um eine Leitschaufelhöhe erhöht sind.According to the invention, in a static mixer element for use in a combustion chamber of an industrial heating boiler that can be heated with a burner device, the static mixer element comprises a base body with a material thickness which is formed from a heat-resistant material and which has a through-channel, the through-channel running in its longitudinal axis direction from a front side of the base body , the so-called inflow side, through the base body to a rear side of the base body opposite the inflow side, the so-called outflow side, the through-channel with its inlet opening being positioned essentially centrally on the inflow side of the static mixer element and several spaced-apart flow guide elements being arranged on the inflow side , which are each in the form of flat vanes, which protrude from the inflow side, are formed, and which each starting from an edge portion of the unit ritt opening of the through-channel run in the distal direction up to the outer edge of the inflow side, with a swirl surface being arranged between two flow guide elements, which is recessed in comparison to the flow guide elements and inclined towards the outer edge of the inflow side, the Flow guide elements are increased compared to an adjacent swirl surface by a vane height.
Ein erfindungsgemäßes Statikmischerelement bietet aufgrund seiner strukturierten Anströmseite mit mehreren Strömungselementen und dazwischenliegenden Drallflächen den zusätzlichen Vorteil, dass die Anströmseite eine hohe spezifische Oberfläche für die Umströmung mit einem gasförmigen Medium bzw. einem Brenngas aufweist. Unter dem Begriff einer "spezifischen Oberfläche" wird die Summe aller Grenzflächen zwischen dem strukturierten Grundkörper insbesondere an seiner Anströmseite und einer gasförmigen Phase, also dem ein Statikmischerelement umströmenden Brenngas, im Verhältnis zum Volumen des Statikmischerelements verstanden (m2 Oberfläche/m3 Volumen). Im Weiteren wird der Begriff einer "strukturierten" Anströmseite synonym mit einer hohen spezifischen Oberfläche verwendet.Due to its structured inflow side with a plurality of flow elements and intermediate swirl surfaces, a static mixer element according to the invention offers the additional advantage that the inflow side has a high specific surface area for a gaseous medium or a fuel gas to flow around. The term "specific surface area" means the sum of all interfaces between the structured base body, in particular on its inflow side, and a gaseous phase, i.e. the fuel gas flowing around a static mixer element, in relation to the volume of the static mixer element (m 2 surface/m 3 volume). In the following, the term "structured" inflow side is used synonymously with a high specific surface area.
Unter dem Begriff eines "Strömungsleitelements" werden im Folgenden allgemein Erhebungen in Form von flächigen Leitschaufeln verstanden, die von der Anströmseite abstehen und die einem anströmenden gasförmigen Medium bzw. hier dem Brenngas innerhalb einer Brennkammer eines Industrieheizkessels eine gerichtete Drallbewegung aufprägen. Zweckmäßigerweise wird das Statikmischerelement im Betriebsfall dabei so innerhalb einer Gasströmung positioniert, dass die Anströmrichtung des Brenngases im Wesentlichen der Längsachsenrichtung des Durchgangskanals entspricht. Die strukturierte Anströmseite des Statikmischerelements ist dabei im Wesentlichen quer zur Anströmrichtung des Brenngases ausgerichtet.The term "flow guide element" is generally understood below to mean elevations in the form of flat vanes that protrude from the inflow side and impart a directed twisting movement to an inflowing gaseous medium or here to the fuel gas within a combustion chamber of an industrial boiler. During operation, the static mixer element is expediently positioned within a gas flow in such a way that the inflow direction of the combustion gas essentially corresponds to the direction of the longitudinal axis of the through-channel. The structured inflow side of the static mixer element is aligned essentially transversely to the inflow direction of the fuel gas.
Derartige Strömungsleitelemente können beispielsweise als gerade oder gebogene Rippen oder Stege, oder als gerade oder gekrümmte Schaufelabschnitte, gestaltet sein. Erfindungsgemäß verlaufen die Strömungsleitelemente jeweils in distaler Richtung bzw. in radialer Richtung vom Durchgangskanal ausgehend zum äußeren Rand der Anströmseite hin.Such flow guide elements can be designed, for example, as straight or curved ribs or webs, or as straight or curved blade sections. According to the invention, the flow guide elements each run in the distal direction or in the radial direction, starting from the through-channel towards the outer edge of the inflow side.
Die zwischen den Strömungsleitelementen angeordneten Drallflächen sind in Anströmrichtung des Brenngases im Vergleich zu den Erhebungen der Strömungsleitelemente etwas zurückversetzt und um einen Neigungswinkel α relativ zu einer Frontalebene der Anströmseite schräg abfallend zum Rand der Anströmseite geneigt. Damit wird erzielt, dass ein in Längsachsenrichtung des Durchgangskanals anströmendes heißes Brenngas beim Auftreffen auf eine der schräg abfallend geneigten Drallflächen vom Statikmischerelement in distaler bzw. radialer Richtung nach außen hin umgelenkt wird und dabei möglichst gleichmäßig flächig verteilt auf die Brennkammerwand des Industrieheizkessels trifft. Vorteilhaft kann es sein, wenn die Drallflächen um einen Neigungswinkel α von 20° bis 70°, bevorzugt von 30° bis 60°, besonders bevorzugt von 45°, zum äußeren Rand der Anströmseite hin schräg abfallend geneigt sind.The swirl surfaces arranged between the flow guide elements are set back somewhat in the inflow direction of the combustion gas compared to the elevations of the flow guide elements and inclined by an angle of inclination α relative to a frontal plane of the inflow side, falling obliquely to the edge of the inflow side. This means that hot combustion gas flowing in the direction of the longitudinal axis of the passage channel is deflected outwards by the static mixer element in the distal or radial direction when it hits one of the sloping swirl surfaces and hits the combustion chamber wall of the industrial heating boiler distributed as evenly as possible over a wide area. It can be advantageous if the swirl surfaces are inclined at an angle of inclination α of 20° to 70°, preferably 30° to 60°, particularly preferably 45°, towards the outer edge of the inflow side.
Durch die beschriebene hohe spezifische Oberfläche sowie die rasche oberflächliche Erwärmung eines Statikmischerelements - siehe dazu die vorigen Erläuterungen betreffend die Biot-Zahl - wird im Betrieb vorteilhaft ein zusätzlich erhöhter Strahlungstransport vom Statikmischerelement zur Brennkammerwand erreicht.Due to the high specific surface area described and the rapid superficial heating of a static mixer element--see the previous explanations relating to the Biot number--additionally increased radiation transport from the static mixer element to the combustion chamber wall is advantageously achieved during operation.
Besonders zweckmäßig kann sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Statikmischerelement der Durchgangskanal eine Durchgangskanallänge aufweist, die im Wesentlichen der Materialstärke des Grundkörpers entspricht, sowie die mehreren Strömungsleitelemente jeweils zumindest abschnittsweise die Materialstärke des Grundkörpers aufweisen, wobei die vertieft liegenden Drallflächen in Abschnitten des Grundkörpers mit reduzierter Materialstärke angeordnet sind.It can be particularly expedient if, in a static mixer element according to the invention, the through-channel has a through-channel length which essentially corresponds to the material thickness of the base body, and the several flow guide elements each have the material thickness of the base body at least in sections, with the recessed swirl surfaces in sections of the base body having a reduced material thickness are arranged.
Vorteilhaft steht der Durchgangskanal mit einer Durchgangskanallänge, die im Wesentlichen der Materialstärke des Grundkörpers entspricht, implizit im Wesentlichen senkrecht auf die Anströmseite des Grundkörpers. Bei einer Anströmung des Statikmischerelements mit heißem Brenngas in Längsachsenrichtung des Durchgangskanals steht die Anströmseite des Grundkörpers somit im Wesentlichen quer zum anströmenden Brenngas und wird gleichmäßig von diesem umströmt. Somit kann dem anströmenden Brenngas besonders effektiv durch die Strömungsleitelemente eine Drallströmung aufgeprägt werden. Auch die schräg in abströmseitiger Richtung abfallenden Drallflächen, die gleichsam in Vertiefungen des Grundkörpers bzw. in Vertiefungen an der Anströmseite liegen, werden in dieser Ausführung gleichmäßig vom Brenngas angeströmt und sorgen für eine gleichmäßig gerichtete Umlenkung des Brenngases entlang des Randes der Anströmseite in seitlicher Richtung. Vorteilhaft wird dadurch möglichst die gesamte Innenfläche der Brennkammer gleichmäßig mit von den Drallflächen umgelenktem, heißen Brenngas beaufschlagt.Advantageously, the through-channel with a through-channel length that essentially corresponds to the material thickness of the base body is implicitly essentially perpendicular to the inflow side of the base body. When hot fuel gas flows against the static mixer element in the direction of the longitudinal axis of the passage channel, the inflow side of the base body is thus essentially transverse to the inflowing fuel gas and is uniformly flown around by it. A swirl flow can thus be imparted particularly effectively to the inflowing combustion gas by the flow guide elements. The swirl surfaces, which slope downwards in the outflow direction and are located in indentations in the base body or in indentations on the inflow side, are also subjected to a uniform flow of fuel gas in this design and ensure a uniformly directed deflection of the combustible gas along the edge of the inflow side in a lateral direction. As a result, the entire inner surface of the combustion chamber is advantageously evenly charged with hot combustion gas deflected by the swirl surfaces.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung können bei einem Statikmischerelement die mehreren Strömungsleitelemente an der Anströmseite des Statikmischerelements jeweils in Form von gekrümmten Leitschaufeln mit einem Krümmungsradius ausgebildet sein. In dieser Ausführungsform mit gekrümmten Leitschaufeln kann die gewünschte Drallbewegung, die der Brenngasströmung beim Umströmen zumindest eines Statikmischerelements, welches im Inneren einer Brennkammer eines Industrieheizkessels positioniert ist, aufgeprägt wird, genau eingestellt bzw. berechnet werden. Je kleiner der Krümmungsradius der gekrümmten Leitschaufeln gewählt wird, umso stärker kann der Brenngasströmung innerhalb der Brennkammer abstromseitig des Statikmischerelements eine kontrollierte Turbulenz infolge einer Drallbewegung aufgeprägt werden. Zu beachten ist dabei jedoch der Druckverlust, der infolge der Umströmung des Statikmischerelements mit einer rotierenden Drallbewegung ansteigen kann.In a particularly advantageous embodiment of the invention, in the case of a static mixer element, the plurality of flow guide elements on the inflow side of the static mixer element can each be designed in the form of curved guide vanes with a radius of curvature. In this embodiment with curved guide vanes, the desired twisting movement, which is imposed on the fuel gas flow when it flows around at least one static mixer element, which is positioned inside a combustion chamber of an industrial boiler, can be precisely set or calculated. The smaller the radius of curvature of the curved guide vanes is selected, the more controlled turbulence can be imposed on the fuel gas flow within the combustion chamber downstream of the static mixer element as a result of a twisting movement. However, the pressure loss, which can increase as a result of the flow around the static mixer element with a rotating swirl movement, must be taken into account.
Besonders effektiv kann ein Statikmischerelement gemäß der Erfindung sein, wenn die Strömungsleitelemente in Bezug zu den jeweils angrenzenden Drallflächen jeweils eine variable Leitelementhöhe aufweisen, wobei die Leitelementhöhe entlang einer Leitelementlänge vom Durchgangskanal zum äußeren Rand der Anströmseite zunimmt. Dabei kann mit zunehmender Leitelementhöhe eine verstärkte Drallströmung auf den umgelenkten Anteil des Brenngases aufgebracht werden.A static mixer element according to the invention can be particularly effective if the flow guide elements each have a variable guide element height in relation to the respective adjoining swirl surfaces, the guide element height increasing along a guide element length from the passage channel to the outer edge of the inflow side. With increasing guide element height, an increased swirl flow can be applied to the deflected portion of the fuel gas.
In einer Weiterbildung kann bei einem erfindungsgemäßen Statikmischerelement die Leitelementhöhe an der an den Durchgangskanal angrenzenden Innenseite der Leitelemente von 20% bis 50% der Materialstärke des Statikmischerelements betragen und/oder die Leitelementhöhe an der an den Rand der Anströmseite angrenzenden Außenseite der Leitschaufeln von 50% bis 100% der Materialstärke des Statikmischerelements betragen. Durch geeignete Wahl der Höhe der Leitelemente und/oder des Neigungswinkels der Drallflächen kann der Grad der Umlenkung des anströmenden Mediums zur Brennkammerwand reguliert bzw. optimiert werden.In a further development, in a static mixer element according to the invention, the guide element height on the inside of the guide elements adjacent to the through-channel can be from 20% to 50% of the material thickness of the static mixer element and/or the guide element height on the outside of the guide vanes adjacent to the edge of the inflow side can be from 50% to 100% of the material thickness of the static mixer element. By suitably selecting the height of the guide elements and/or the angle of inclination of the swirl surfaces, the degree of deflection of the inflowing medium to the combustion chamber wall can be regulated or optimized.
In einer besonders kompakten Ausgestaltung der Erfindung kann ein Statikmischerelement an seiner Unterseite einen Sockelabschnitt mit Auflageflächen sowie an seiner Oberseite einen Rand der Anströmseite mit einer runden, vorzugsweise halbkreisförmigen, Randkontur aufweisen. Durch die Verwendung eines Sockelabschnitts wird die Standfestigkeit eines Statikmischerelements erhöht. Dies ist insbesondere von Vorteil aufgrund des im Betriebs entstehenden Staudrucks, der durch das Brenngas bei Umströmung eines Statikmischerelements erzeugt wird. Eine runde, vorzugsweise halbkreisförmige Randkontur im Bereich der Oberseite eines Statikmischerelements bietet den Vorteil, im Betrieb bei Aufstellung quer zur Anströmrichtung des Brenngases innerhalb eines im Wesentlichen zylinderförmigen Flammrohres bzw. einer entsprechenden Brennkammer einen möglichst gleichmäßigen Spaltabstand zwischen der Brennkammerwand und dem Rand der Anströmseite des Statikmischerelements zu bieten.In a particularly compact embodiment of the invention, a static mixer element can have a base section with bearing surfaces on its underside and an edge of the inflow side with a round, preferably semicircular, edge contour on its upper side. The use of a base section increases the stability of a static mixer element. This is particularly advantageous because of the dynamic pressure that occurs during operation, which is generated by the fuel gas flowing around a static mixer element. A round, preferably semi-circular edge contour in the area of the upper side of a static mixer element offers the advantage of the most uniform possible gap spacing between the combustion chamber wall and the edge of the inflow side of the static mixer element during operation when installed transversely to the direction of flow of the combustion gas within a substantially cylindrical flame tube or a corresponding combustion chamber to offer.
Wie zuvor bereits beschrieben wird zweckmäßiger Weise ein Statikmischerelement in Betriebsposition innerhalb der Brennkammer eines Heizkessels quer zur Anströmrichtung des heißen Brenngases aufgestellt.As already described above, a static mixer element is expediently set up in the operating position within the combustion chamber of a boiler transversely to the direction of flow of the hot fuel gas.
In einer ersten erfindungsgemäßen Variante kann ein Statikmischerelement einteilig ausgeführt sein und vorzugsweise eine Dehnungsfuge mit einer Fugenbreite umfassen, welche sich vom Durchgangskanal bis zum Rand der Anströmseite durch die gesamte Materialstärke des Statikmischerelements erstreckt. Erforderlichenfalls kann durch eine Dehnungsfuge vermieden werden, dass sich im Betrieb in einem Statikmischerelement Thermospannungen aufbauen, die gegebenenfalls zu Rissen im Grundkörper führen können. In einer weiteren erfindungsgemäßen Variante kann ein Statikmischerelement zweiteilig oder mehrteilig ausgebildet sein, wobei die einzelnen Teile des Statikmischerelements mit Steckverbindungen formschlüssig miteinander verbindbar sind.In a first variant according to the invention, a static mixer element can be designed in one piece and preferably include an expansion joint with a joint width that extends from the passage channel to the edge of the inflow side through the entire material thickness of the static mixer element. If necessary, an expansion joint can be used to prevent thermal stresses from building up in a static mixer element during operation, which could possibly lead to cracks in the base body. In a further variant according to the invention, a static mixer element can be designed in two parts or in several parts, with the individual parts of the static mixer element being able to be connected to one another in a form-fitting manner using plug-in connections.
Derartige Steckverbindungen können beispielsweise zapfenförmige Verbindungselemente umfassen, die an einem der Teile des Statikmischerelements angeordnet sind und die in entsprechend korrespondierende Ausnehmungen an einem anderen Teil des zwei- oder mehrteiligen Statikmischerelements vorgesehen sind. Vorteilhaft ist die Gestaltung als zwei- oder mehrteiliges Statikmischerelement insbesondere bei größeren Statikmischerelementen, die beispielsweise einen Durchmesser bzw. eine Breite der Anströmseite von 500 mm oder 600 mm aufweisen. Durch den mehrteiligen Aufbau wird die Montage eines solchen Statikmischerelements in seiner Betriebslage innerhalb einer Brennkammer eines Industrieheizkessels wesentlich erleichtert, da die Statikmischerelemente mit zunehmender Größe sehr schwer werden können.Such plug-in connections can, for example, comprise pin-shaped connecting elements which are arranged on one of the parts of the static mixer element and which are provided in corresponding recesses on another part of the two-part or multi-part static mixer element. The configuration as a two-part or multi-part static mixer element is advantageous in particular in the case of larger static mixer elements which, for example, have a diameter or a width on the inflow side of 500 mm or 600 mm. The assembly of such a static mixer element in its operating position within a combustion chamber of an industrial heating boiler is considerably facilitated by the multi-part structure, since the static mixer elements can become very heavy with increasing size.
Um im Betrieb die Umlenkung bzw. die Verwirbelung des Brenngases in Richtung der Brennkammerwand zu unterstützen, kann bei einem erfindungsgemäßen Statikmischerelement der Durchgangskanal anströmseitig eine Eintrittsöffnung mit einer freien Querschnittsfläche sowie mit einem Innendurchmesser sowie abströmseitig einen Diffusorabschnitt mit einem Diffusorwinkel β in Bezug zur Abströmseite aufweisen, wobei der Diffusorabschnitt bis zur Austrittsöffnung des Durchgangskanals an der Abströmseite reicht und ein Innendurchmesser an der Austrittsöffnung größer ist als der Innendurchmesser an der Eintrittsöffnung.In order to support the deflection or the turbulence of the combustion gas in the direction of the combustion chamber wall during operation, in a static mixer element according to the invention the through-channel can have an inlet opening with a free cross-sectional area and with an inner diameter on the inflow side and a diffuser section with a diffuser angle β in relation to the outflow side on the outflow side. wherein the diffuser section extends to the outlet opening of the through-channel on the outflow side and an inner diameter at the outlet opening is larger than the inner diameter at the inlet opening.
Der sich in Strömungsrichtung des Brenngases zur Austrittsöffnung hin erweiternde, divergente Diffusorabschnitt kann dabei einen Diffusorwinkel β beispielsweise von 90° bis 160°, bevorzugt von 120°, aufweisen und kann dem Diffusor einer Lavaldüse nachgebildet sein.The divergent diffuser section, which widens towards the outlet opening in the direction of flow of the fuel gas, can have a diffuser angle β of 90° to 160°, preferably 120°, for example, and can be modeled on the diffuser of a Laval nozzle.
Besonders zweckmäßig kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Statikmischerelement der Durchgangskanal zur verliersicheren Befestigung von korrespondierenden Kupplungselementen eines Einstellrings innerhalb des Durchgangskanals anströmseitig eine oder mehrere Verbindungseinrichtungen aufweist. Vorzugsweise können zwei Längsschlitze, die an einander gegenüberliegenden Wandabschnitten sowie in Längsachsenrichtung des Durchgangskanals angeordnet sind und die als Führungen einer Steckverbindung dienen, als Teile der Verbindungseinrichtung vorgesehen sein. Besonders bevorzugt können auch zwei in Längsachsenrichtung verlaufende sowie an einander gegenüberliegenden Wandabschnitten des Durchgangskanals angeordnete Längsschlitze samt den Längsschlitzen jeweils nachgeordneten Querschlitzen, wobei die Querschlitze jeweils am Ende der Längsschlitze quer dazu positioniert sind, vorgesehen sein. Diese Längsschlitze und nachgeordneten Querschlitze können als Führungen einer verriegelbaren Steckverbindung, etwa in Form eines Bajonettverschlusses dienen, und als Teile der Verbindungseinrichtung zur Befestigung eines Einstellrings innerhalb des Durchgangskanals vorgesehen sein.It can be particularly expedient if, in a static mixer element according to the invention, the through-channel has one or more connecting devices on the inflow side for the captive attachment of corresponding coupling elements of an adjustment ring within the through-channel. Two longitudinal slots, which are arranged on opposite wall sections and in the direction of the longitudinal axis of the through-channel and which serve as guides for a plug-in connection, can preferably be provided as parts of the connection device. Particularly preferably, two longitudinal slits running in the direction of the longitudinal axis and arranged on opposite wall sections of the through-channel together with transverse slits respectively downstream of the longitudinal slits can also be provided, with the transverse slits being positioned transversely thereto at the end of the longitudinal slits. These longitudinal slots and downstream Transverse slots can serve as guides for a lockable plug-in connection, for example in the form of a bayonet lock, and can be provided as parts of the connection device for fastening an adjustment ring within the through-channel.
Die eingangs genannte Aufgabe wird auch von einer statischen Strömungsmischeinrichtung gelöst, die zum Einsatz in einer Brennkammer eines Heizkessels geeignet ist, und die zumindest ein Statikmischerelement sowie zumindest eine Standplatte, mit der das zumindest eine Statikmischerelement verbindbar ist, umfasst. Erfindungsgemäß weist dazu die zumindest eine Standplatte eine oder mehrere Ausnehmungen zur formschlüssigen Aufnahme jeweils eines Sockelabschnitts eines Statikmischerelements auf.The object mentioned at the outset is also achieved by a static flow mixing device which is suitable for use in a combustion chamber of a heating boiler and which comprises at least one static mixer element and at least one base plate to which the at least one static mixer element can be connected. According to the invention, the at least one standing plate has one or more recesses for receiving a base section of a static mixer element in a form-fitting manner.
Je nach Ausführungsform kann eine statische Strömungsmischeinrichtung gemäß der Erfindung noch eine Sockelplatte umfassen, die zuunterst, also unterhalb der Standplatte positioniert werden kann und die zweckmäßiger Weise Sockelfüße zum Ausgleich allfälliger Unebenheiten aufweist und eine exakt horizontale Aufstellung der Statikmischerelemente in Betriebslage innerhalb einer zylindrischen Brennkammer erlaubt. Weiters kann eine statische Strömungsmischeinrichtung gegebenenfalls auch eine oder mehrere Unterlageplatten umfassen, die erforderlichenfalls zwischen die Standplatte und eine Sockelplatte gelegt werden können. Somit kann eine statische Strömungsmischeinrichtung mehrere Bauteile umfassen, die miteinander in Form eines Stapels verbunden werden können und die zur Höhenjustierung des zumindest einen Statikmischerelements in seiner Betriebsposition innerhalb einer Brennkammer eines Heizkessels dienen können. Zweckmäßig können ein oder mehrere Bauteile, die das Set einer statischen Strömungsmischeinrichtung umfasst, auch so gestaltet sein, dass sie formschlüssig miteinander verbindbar sind und bei einer turbulenten Umströmung mit heißem Brenngas innerhalb der Brennkammer in ihrer relativen Lage im Verbund der Bauteile ortsfest verbunden sind.Depending on the embodiment, a static flow mixing device according to the invention can also include a base plate, which can be positioned at the bottom, i.e. below the base plate, and which expediently has base feet to compensate for any unevenness and allows the static mixer elements to be positioned exactly horizontally in the operating position within a cylindrical combustion chamber. Furthermore, a static flow mixing device can optionally also comprise one or more base plates, which can be placed between the base plate and a base plate if necessary. Thus, a static flow mixer device can comprise a plurality of components which can be connected to one another in the form of a stack and which can be used to adjust the height of the at least one static mixer element in its operating position within a combustion chamber of a heating boiler. One or more components, which the set includes a static flow mixing device, can expediently also be designed in such a way that they can be positively connected to one another and, in the event of a turbulent flow of hot combustion gas within the combustion chamber, are connected in a stationary manner in their relative position in the assembly of the components.
Besonders vorteilhaft kann sein, wenn bei einer statischen Strömungsmischeinrichtung, die weiterhin zumindest einen Einstellring mit einer Längsachsenrichtung, einem Außendurchmesser und einem freien Innendurchmesser umfasst, der zumindest eine Einstellring anströmseitig innerhalb des Durchgangskanals eines Statikmischerelements, vorzugsweise koaxial, befestigbar ist.It can be particularly advantageous if, in a static flow mixing device, which also includes at least one adjustment ring with a longitudinal axis direction, an outer diameter and a free inner diameter, the at least one adjustment ring can be fastened, preferably coaxially, on the inflow side within the through-channel of a static mixer element.
Der freie Innendurchmesser eines Einstellrings definiert seine innere freie Querschnittsfläche. Je nach Wahl des Durchmesserverhältnisses zwischen dem Außendurchmesser und dem freien Innendurchmesser wird auch die Wandstärke des Einstellrings beeinflusst. Durch Einsetzen eines Einstellrings in den Durchgangskanal kann die freie Querschnittsfläche des Durchgangskanals verändert bzw. verringert werden. Vorteilhaft lässt sich so besonders einfach und kostengünstig das Strömungsprofil bzw. der Strömungsquerschnitt im Durchgangskanal eines Statikmischerelements justieren. Der Grundkörper des Statikmischerelements kann dazu beispielsweise in einer bestimmten Geometrie und Größe passend zur Brennkammerdimension eines definierten Industrieheizkessels in größerer Stückzahl angefertigt werden. Durch Einsetzen von individuell geformten Einstellringen insbesondere mit unterschiedlichen freien Innendurchmessern kann eine statische Strömungsmischeinrichtung gemäß der Erfindung dann einfach an die jeweiligen Strömungsbedingungen angepasst werden.The free inner diameter of an adjustment ring defines its inner free cross-sectional area. Depending on the selection of the diameter ratio between the outside diameter and the free inside diameter, the wall thickness of the setting ring is also influenced. The free cross-sectional area of the through-channel can be changed or reduced by inserting an adjusting ring into the through-channel. Advantageously, the flow profile or the flow cross section in the through-channel of a static mixer element can be adjusted in a particularly simple and cost-effective manner. The main body of the static mixer element can, for example, in a specific Geometry and size suitable for the combustion chamber dimensions of a defined industrial boiler can be manufactured in larger quantities. By using individually shaped adjustment rings, in particular with different free inner diameters, a static flow mixing device according to the invention can then be easily adapted to the respective flow conditions.
Zweckmäßiger Weise kann bei einer statischen Strömungsmischeinrichtung der zumindest eine Einstellring außenseitige Kupplungselemente aufweisen, wobei der zumindest eine Einstellring anströmseitig innerhalb des Durchgangskanals eines Statikmischerelements, vorzugsweise an Verbindungseinrichtungen innerhalb des Durchgangskanals, verliersicher befestigbar ist.In a static flow mixing device, the at least one adjustment ring can expediently have external coupling elements, with the at least one adjustment ring being captively fastened on the inflow side within the through-channel of a static mixer element, preferably to connecting devices within the through-channel.
In dieser Ausführung kann ein Einstellring besonders einfach und sicher innerhalb des Durchgangskanals befestigt werden. Vorteilhaft kann in einer Ausführung mit geteilten Statikmischerelementen, die also aus zwei oder mehreren Einzelteilen zusammengefügt werden können, der eingesteckte Einstellring die Einzelteile des Statikmischerelements auch statisch unterstützen und die Stabilität des Aufbaus einer solchen statischen Strömungsmischeinrichtung insgesamt verbessern. Bei der Montage eines aus mehreren Teilen zusammengesetzten Statikmischerelements wird zusätzlich durch einen modularen Einstellrings eine höhere Stabilität des Aufbaus erreicht.In this embodiment, an adjustment ring can be attached particularly easily and securely within the through-channel. Advantageously, in an embodiment with divided static mixer elements, which can therefore be assembled from two or more individual parts, the inserted adjusting ring can also support the individual parts of the static mixer element statically and improve the overall stability of the structure of such a static flow mixing device. When assembling a static mixer element composed of several parts, a higher stability of the structure is additionally achieved by a modular adjustment ring.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung können bei einer statischen Strömungsmischeinrichtung zwei oder mehrere Statikmischerelemente hintereinander auf einer oder auf mehreren Standplatten befestigt sein, wobei vorzugsweise die Durchgangskanäle der zwei oder mehreren Statikmischerelemente koaxial hintereinander angeordnet sind, und wobei zumindest die einem anströmseitig ersten Statikmischerelement abströmseitig nachgeordneten Statikmischerelemente, vorzugsweise sämtliche Statikmischerelemente, jeweils mit einem in ihrem jeweiligen Durchgangskanal befestigten Einstellring ausgerüstet sind.In a further advantageous embodiment of the invention, in a static flow mixing device, two or more static mixer elements can be fastened one behind the other on one or more base plates, with the passage channels of the two or more static mixer elements preferably being arranged coaxially one behind the other, and with at least those downstream of a first static mixer element on the inflow side Static mixer elements, preferably all static mixer elements, are each equipped with an adjustment ring fastened in their respective through-channel.
In einer Weiterbildung einer solchen erfindungsgemäßen Strömungsmischeinrichtung, welche zwei oder mehrere Einstellringe mit unterschiedlichem Innendurchmesser umfasst, können die zwei oder mehreren Einstellringe so angeordnet sein, dass die Innendurchmesser der Einstellringe in den abströmseitig hintereinander angeordneten Statikmischerelementen abnehmen.In a development of such a flow mixing device according to the invention, which comprises two or more adjustment rings with different inner diameters, the two or more adjustment rings can be arranged such that the inner diameters of the adjustment rings decrease in the static mixer elements arranged one behind the other on the outflow side.
Die Innendurchmesser der Einstellringe werden in Anströmrichtung des Brenngases gesehen abströmseitig also kleiner. Durch die Verwendung unterschiedlicher Innendurchmesser wird erreicht, dass das längs der Horizontalachse der Brennkammer strömende Brenngas auf mehrere Statikmischerelemente verteilt wird.The inside diameters of the adjustment rings are therefore smaller on the outflow side, viewed in the inflow direction of the combustion gas. The use of different inner diameters means that the fuel gas flowing along the horizontal axis of the combustion chamber is distributed over a number of static mixer elements.
Weiters kann im Rahmen der Erfindung eine Brennkammer eines mit einer Brennvorrichtung beheizbaren Industrieheizkessels angegeben werden mit einer statischen Strömungsmischeinrichtung gemäß der Erfindung, wobei die Strömungsmischeinrichtung solcherart in der Brennkammer positioniert ist, dass das zumindest eine Statikmischerelement mit seiner Anströmseite im Wesentlichen quer zu einer Anströmrichtung eines gasförmigen Strömungsmediums aufgestellt ist, wobei die Längsachsenrichtung des zumindest einen Durchgangskanals und/oder die Längsachsenrichtung des zumindest einen Einstellrings parallel zur Längsachsenrichtung der Brennkammer, vorzugsweise koaxial mit der Längsachsenrichtung der Brennkammer, angeordnet ist bzw. sind.Furthermore, within the scope of the invention, a combustion chamber of an industrial heating boiler that can be heated with a combustion device can be specified with a static flow mixing device according to the invention, the flow mixing device being positioned in the combustion chamber in such a way that the inflow side of the at least one static mixer element is essentially transverse to an inflow direction of a gaseous flow medium is set up, wherein the longitudinal axis direction of the at least one through-channel and/or the longitudinal axis direction of the at least one adjustment ring is/are arranged parallel to the longitudinal axis direction of the combustion chamber, preferably coaxially with the longitudinal axis direction of the combustion chamber.
Wie zuvor beschrieben wird durch geeignete Positionierung einer solchen statischen Strömungsmischeinrichtung in der Brennkammer eines Industrieheizkessels im Betrieb die Anströmung des gasförmigen Strömungsmediums bzw. des heißen Brenngasstroms gedanklich in mehrere Strömungspfade aufgeteilt: Ein Strömungspfad des Brenngasstromes führt durch den einen oder die mehreren hintereinander angeordneten Durchgangskanäle eines oder mehrerer hintereinander positionierter Statikmischerelemente hindurch, wobei gegebenenfalls mehrere Einsteckringe, deren freie Innenquerschnittsflächen sich vorzugsweise in Abströmrichtung hin verjüngen können.As described above, by suitably positioning such a static flow mixing device in the combustion chamber of an industrial boiler during operation, the inflow of the gaseous flow medium or the hot fuel gas flow is divided into several flow paths: A flow path of the fuel gas flow leads through the one or more through-channels arranged one behind the other several static mixer elements positioned one behind the other, where appropriate several plug-in rings, the free inner cross-sectional areas of which can preferably taper in the outflow direction.
Ein oder mehrere weitere Strömungspfade des heißen Brenngasstromes lassen sich außenseitig beim Umströmen des einen oder der mehreren Statikmischerelemente definieren, wobei das Brenngas dabei durch das Auftreffen auf die schräg geneigten Drallflächen zur Wandung der Brennkammer umgelenkt wird. Die Leitelemente bzw. Leitschaufeln sorgen dafür, dass der Brenngasströmung eine kontrollierte turbulente Drallströmung aufgeprägt wird.One or more further flow paths of the hot combustion gas stream can be defined on the outside when flowing around the one or more static mixer elements, the combustion gas being deflected to the wall of the combustion chamber by hitting the inclined swirl surfaces. The guide elements or guide vanes ensure that a controlled turbulent swirl flow is imposed on the fuel gas flow.
Weiters wird im Rahmen der Erfindung ein Industrieheizkessel mit einer Brennkammer angegeben, in der eine statische Strömungsmischeinrichtung gemäß der Erfindung positioniert ist. Die vorhin genannten Vorteile gelten gleichermaßen auch für eine Brennkammer bzw. für einen Industrieheizkessel mit einer Brennkammer, die mit erfindungsgemäßen Statikmischerelementen bzw. mit einer erfindungsgemäßen statischen Strömungsmischeinrichtung ausgerüstet ist bzw. sind.Also within the scope of the invention is an industrial boiler having a combustion chamber in which a static flow mixing device according to the invention is positioned. The advantages mentioned above also apply equally to a combustion chamber or to an industrial heating boiler with a combustion chamber that is or are equipped with static mixer elements according to the invention or with a static flow mixing device according to the invention.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. In den schematischen Zeichnungen zeigen:
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Fig. 1 in einer isometrischen Ansicht schräg von vorne eine erste Ausführungsvariante eines Statikmischerelements gemäß der Erfindung; -
Fig. 1A in einer vergrößerten Darstellung ein Detail ausFig. 1 ; -
Fig. 2 in einer Frontalansicht von vorne das inFig. 1 dargestellte Statikmischerelement; -
Fig. 3 eine Schnittansicht von oben gemäß der inFig. 2 dargestellten Schnittlinie A-A des inFig. 1 dargestellten Statikmischerelements; -
Fig. 4 eine Schnittansicht von der Seite gemäß der inFig. 2 dargestellten Schnittlinie B-B des inFig. 1 dargestellten Statikmischerelements; -
Fig. 5A bis 5C jeweils in isometrischen Ansichten schräg von vorne unterschiedlichen Varianten von Einstellringen zur Befestigung an einem Statikmischerelement; -
Fig. 6 in einer isometrischen Ansicht schräg von der Seite eine Sockelplatte als Teil einer statischen Strömungsmischeinrichtung gemäß der Erfindung; -
Fig. 7 in einer isometrischen Ansicht schräg von der Seite eine Standplatte als Teil einer statischen Strömungsmischeinrichtung gemäß der Erfindung; -
Fig. 8 in einer isometrischen Ansicht schräg von oben eine erste Ausführung einer statischen Strömungsmischeinrichtung gemäß der Erfindung mit zwei Statikmischerelementen gemäßFig. 1 ; -
Fig. 9 in einer Explosionsdarstellung schräg von der Seite die Einzelteile des inFig. 8 gezeigten Aufbaus; -
Fig. 10 in einer isometrischen Ansicht schräg von der Seite eine zweite Ausführung einer statischen Strömungsmischeinrichtung gemäß der Erfindung mit sechs hintereinander positionierten Statikmischerelementen gemäßFig. 1 ; -
Fig. 11 in einer isometrischen Ansicht schräg von vorne eine zweite Ausführungsvariante eines Statikmischerelements gemäß der Erfindung; -
Fig. 12 in einer Explosionsdarstellung schräg von der Seite die Einzelteile des inFig. 11 gezeigten Aufbaus; -
Fig. 13 in einer Explosionsdarstellung schräg von der Seite die Einzelteile einer dritten Ausführung einer statischen Strömungsmischeinrichtung gemäß der Erfindung mit zwei Statikmischerelementen gemäßFig. 11 ; -
Fig. 14 in einer isometrischen Ansicht schräg von vorne eine dritte Ausführungsvariante eines Statikmischerelements gemäß der Erfindung; -
Fig. 15 in einer Explosionsdarstellung schräg von der Seite die Einzelteile des inFig. 14 gezeigten Aufbaus; -
Fig. 16 in einer isometrischen Ansicht schräg von oben eine vierte Ausführung einer statischen Strömungsmischeinrichtung gemäß der Erfindung mit zwei Statikmischerelementen gemäßFig. 15 ; -
Fig. 17 in einer Explosionsdarstellung schräg von der Seite die Einzelteile des inFig. 16 gezeigten Aufbaus; -
Fig. 18 in einer teilweisen Schnittansicht schräg von der Seite eine Brennkammer eines Industrieheizkessels mit einer statischen Strömungsmischeinrichtung mit sechs hintereinander angeordneten Statikmischerelementen gemäß der Erfindung, wobei die Strömungsmischeinrichtung im Innenraum der Brennkammer aufgestellt ist.
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1 in an isometric view obliquely from the front, a first embodiment of a static mixer element according to the invention; -
Figure 1A a detail in anenlarged view 1 ; -
2 in a frontal view from the front the in1 illustrated static mixer element; -
3 a sectional view from above according to FIG2 illustrated cutting line AA of the in1 illustrated static mixer element; -
4 a sectional view from the side according to FIG2 illustrated cutting line BB of the in1 illustrated static mixer element; -
Figures 5A to 5C each in isometric views obliquely from the front, different variants of adjustment rings for attachment to a static mixer element; -
6 in an isometric view obliquely from the side, a base plate as part of a static flow mixing device according to the invention; -
7 in an isometric view obliquely from the side, a stand plate as part of a static flow mixing device according to the invention; -
8 in an isometric view obliquely from above, a first embodiment of a static flow mixing device according to the invention with twostatic mixer elements 1 ; -
9 in an exploded view diagonally from the side the individual parts of the in8 structure shown; -
10 in an isometric view obliquely from the side, a second embodiment of a static flow mixing device according to the invention with six static mixer elements positioned one behind the other according to FIG1 ; -
11 in an isometric view obliquely from the front, a second embodiment of a static mixer element according to the invention; -
12 in an exploded view diagonally from the side the individual parts of the in11 structure shown; -
13 in an exploded view obliquely from the side, the individual parts of a third embodiment of a static flow mixing device according to the invention with twostatic mixer elements 11 ; -
14 in an isometric view obliquely from the front, a third embodiment of a static mixer element according to the invention; -
15 in an exploded view diagonally from the side the individual parts of the in14 structure shown; -
16 in an isometric view obliquely from above, a fourth embodiment of a static flow mixing device according to the invention with twostatic mixer elements 15 ; -
17 in an exploded view diagonally from the side the individual parts of the in16 structure shown; -
18 in a partial sectional view obliquely from the side, a combustion chamber of an industrial boiler with a static flow mixing device with six static mixer elements arranged one behind the other according to the invention, the flow mixing device being set up in the interior of the combustion chamber.
Die weiteren Figuren sind jeweils schematische Darstellungen von CFD-Berechnungen, die jeweils in Diagrammform anhand der Verläufe der Strömungsgeschwindigkeit (Flow velocity) in [m/s], der Wärmestromdichte (Convection_Wall_Heatflux) in [W/m2] sowie der Temperatur (Temperature-Celsius) in [°C] Unterschiede zwischen den Strömungsbedingungen in einer Brennkammer ohne Einbauten im Vergleich zu derselben Brennkammer mit Einbauten in Form von erfindungsgemäßen statischen Strömungsmischeinrichtungen veranschaulichen. Bezüglich der Wärmestromdichte wird ein erhöhter Wärmetransport durch negative Werte dargestellt, die in den nachfolgenden Abbildungen als "weiße Flächen" veranschaulicht sind. Je kleiner der lokale Wert der Wärmestromdichte ist, desto größer ist der nach außen gerichtete Wärmestrom.The other figures are schematic representations of CFD calculations, each in diagram form based on the flow velocity (Flow velocity) in [m/s], the heat flux density (Convection_Wall_Heatflux) in [W/m2] and the temperature (Temperature-Celsius ) in [°C] illustrate differences between the flow conditions in a combustor without internals compared to the same combustor with internals in the form of static flow mixing devices according to the invention. With regard to the heat flux density, increased heat transport is represented by negative values, which are illustrated as "white areas" in the figures below. The smaller the local value of the heat flux density, the greater the outward heat flow.
Es zeigen:
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Fig. 19 in einer Seitenansicht den Verlauf der Strömungsgeschwindigkeit ineiner Brennkammer eines 2 MW-Industrieheizkessels ohne Einbauten; -
Fig. 20 in einer isometrischen Schnittansicht schräg von oben den Verlauf der Wärmestromdichte an der Brennkammerwand des 2 MW-Industrieheizkessels ohne Einbauten; -
Fig. 21 in einer Seitenansicht den Verlauf der Temperatur in der Brennkammer des 2 MW-Industrieheizkessels ohne Einbauten; -
Fig. 22 in einer Seitenansicht den Verlauf der Strömungsgeschwindigkeit in der Brennkammer des 2 MW-Industrieheizkessels mit einer fünften Ausführung einer erfindungsgemäßen statischen Strömungsmischeinrichtung, die sechs hintereinander angeordnete Statikmischerelemente mit einer Breite jeweils von 300 mm umfasst; -
Fig. 23 in einer isometrischen Schnittansicht schräg von oben den Verlauf der Wärmestromdichte an der Brennkammerwand des 2 MW-Industrieheizkessels mit der fünften Ausführung der Strömungsmischeinrichtung (Breite von 300 mm); -
Fig. 24 in einer Seitenansicht den Verlauf der Temperatur in der Brennkammer des 2 MW-Industrieheizkessels mit der fünften Ausführung der Strömungsmischeinrichtung (Breite von 300 mm); -
Fig. 25 in einer Seitenansicht den Verlauf der Strömungsgeschwindigkeit in einer Brennkammer eines 10 MW-Industrieheizkessels ohne Einbauten; -
Fig. 26 in einer isometrischen Schnittansicht schräg von oben den Verlauf der Wärmestromdichte an der Brennkammerwand des 10 MW-Industrieheizkessels ohne Einbauten; -
Fig. 27 in einer Seitenansicht den Verlauf der Temperatur in der Brennkammer des 10 MW-Industrieheizkessels ohne Einbauten; -
Fig. 28 in einer Seitenansicht den Verlauf der Strömungsgeschwindigkeit in der Brennkammer des 10 MW-Industrieheizkessels mit einer sechsten Ausführung einer erfindungsgemäßen statischen Strömungsmischeinrichtung, die sechs hintereinander angeordnete Statikmischerelemente mit einer Breite jeweils von 600 mm umfasst; -
Fig. 29 in einer isometrischen Schnittansicht schräg von oben den Verlauf der Wärmestromdichte an der Brennkammerwand des 10 MW-Industrieheizkessels mit der sechsten Ausführung der Strömungsmischeinrichtung (Breite von 600 mm); -
Fig. 30 in einer Seitenansicht den Verlauf der Temperatur in der Brennkammer des 10 MW-Industrieheizkessels mit der sechsten Ausführung der Strömungsmischeinrichtung (Breite von 600 mm); -
Fig. 31 in einer Diagrammdarstellung anhand von Geschwindigkeitsvektoren die Strömungsgeschwindigkeit (Flow velocity) in [m/s] bei der Anströmung einer in Anströmrichtung eines gasförmigen Mediums gelegenen vorderen Anströmseite der statischen Strömungsmischeinrichtung gemäß der fünften Ausführung der Erfindung (Breite von 300 mm); und -
Fig. 32 in einer Diagrammdarstellung anhand von Geschwindigkeitsvektoren die Strömungsgeschwindigkeit (Flow velocity) in [m/s] bei der Anströmung einer in Anströmrichtung eines gasförmigen Mediums gelegenen vorderen Anströmseite der statischen Strömungsmischeinrichtung gemäß der sechsten Ausführung der Erfindung (Breite von 600 mm).
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19 in a side view the course of the flow velocity in a combustion chamber of a 2 MW industrial boiler without internals; -
20 in an isometric sectional view obliquely from above, the course of the heat flow density on the combustion chamber wall of the 2 MW industrial boiler without internals; -
21 in a side view, the course of the temperature in the combustion chamber of the 2 MW industrial boiler without internals; -
22 in a side view the course of the flow velocity in the combustion chamber of the 2 MW industrial heating boiler with a fifth embodiment of a static flow mixing device according to the invention, which comprises six static mixer elements arranged one behind the other, each with a width of 300 mm; -
23 in an isometric sectional view obliquely from above, the course of the heat flow density on the combustion chamber wall of the 2 MW industrial boiler with the fifth embodiment of the flow mixing device (width of 300 mm); -
24 in a side view, the course of the temperature in the combustion chamber of the 2 MW industrial boiler with the fifth embodiment of the flow mixing device (width of 300 mm); -
25 in a side view the course of the flow velocity in a combustion chamber of a 10 MW industrial boiler without internals; -
26 in an isometric sectional view obliquely from above, the course of the heat flow density on the combustion chamber wall of the 10 MW industrial boiler without internals; -
27 in a side view, the course of the temperature in the combustion chamber of the 10 MW industrial boiler without internals; -
28 in a side view the course of the flow velocity in the combustion chamber of the 10 MW industrial heating boiler with a sixth embodiment of a static flow mixing device according to the invention, which comprises six static mixer elements arranged one behind the other, each with a width of 600 mm; -
29 in an isometric sectional view obliquely from above, the course of the heat flow density on the combustion chamber wall of the 10 MW industrial boiler with the sixth embodiment of the flow mixing device (width of 600 mm); -
30 in a side view, the course of the temperature in the combustion chamber of the 10 MW industrial boiler with the sixth embodiment of the flow mixing device (width of 600 mm); -
31 in a diagram representation based on velocity vectors, the flow velocity (flow velocity) in [m/s] in the case of the inflow of a front inflow side of the static flow mixing device located in the inflow direction of a gaseous medium according to the fifth embodiment of the invention (width of 300 mm); and -
32 in a diagram representation based on velocity vectors, the flow velocity (flow velocity) in [m/s] in the case of the inflow of a front inflow side of the static flow mixing device in the inflow direction of a gaseous medium according to the sixth embodiment of the invention (width of 600 mm).
Generell wird im Weiteren die Zuordnung der Begriffe hinsichtlich eines Ortes oder einer Orientierung, wie beispielsweise "horizontal", "vertikal", "in horizontaler Richtung", "in vertikaler Richtung", "oben", "unten", "seitlich", "vorne", "darunter", "darüber" etc. lediglich zur Vereinfachung gewählt und diese Begriffe beziehen sich möglicherweise auf die Darstellung in den Zeichnungen, nicht jedoch notwendigerweise auf eine aktuelle Gebrauchslage oder Einbaulage des Statikmischerelements oder der statischen Strömungsmischeinrichtung innerhalb einer Brennkammer eines Industrieheizkessels.In general, the assignment of the terms with regard to a location or an orientation, such as "horizontal", "vertical", "in the horizontal direction", "in the vertical direction", "above", "below", "laterally", "front","underneath","above" etc. are chosen for convenience only and such terms may refer to what is shown in the drawings, but not necessarily to an actual position of use or installation of the static mixer element or static flow mixing device within a combustion chamber of an industrial boiler.
Im Folgenden werden nun die Figuren im Detail beschrieben. Der Einfachheit halber werden bei unterschiedlichen Ausführungsvarianten funktionsgleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.The figures are now described in detail below. For the sake of simplicity, components with the same function are provided with the same reference symbols in different embodiment variants.
Die Figuren
Das Statikmischerelement 10 ist hier einteilig aus einem hitzebeständigen Keramikmaterial gefertigt und weist einen Grundkörper mit einer Vorderseite 11, die im Weiteren als Anströmseite 11 bezeichnet wird, sowie mit einer Rückseite 12, die im Weiteren als Abströmseite 12 bezeichnet wird, auf. Die rückseitige Abströmseite 12 liegt der vorderseitigen Anströmseite 11 gegenüber.The
Die Anströmseite 11 weist hier einen oberen bzw. seitlichen Rand 13 mit einer im Wesentlichen halbkreisförmigen Kontur auf. Das Statikmischerelement 10 hat an seiner Unterseite einen Sockelabschnitt 14 mit einer Breite 15 sowie mit Auflageflächen 16. Die Auflageflächen 16 des Sockelabschnitts 14 sind hier jeweils schräg geneigt und dienen als Standflächen des Statikmischerelements 10 im Zusammenwirken mit einer Standplatte, wie diese beispielsweise in
Der Grundkörper des Statikmischerelements 10 hat eine Breite 17, eine maximale Materialstärke 18 bzw. Ausgangstiefe sowie eine Höhe 19. Weiters weist der Grundkörper des Statikmischerelements 10 einen Durchgangskanal 20 auf, der mit seiner Eintrittsöffnung 21 im Wesentlichen zentrisch an der Anströmseite 11 des Statikmischerelements 10 positioniert ist.The base body of the
An der Abströmseite 12 hat der Durchgangskanal 20 seine Austrittsöffnung 22. Eine freie Querschnittsfläche 23 des Durchgangskanals 20 ist hier im Wesentlichen kreisförmig mit einem Innendurchmesser DE des Durchgangskanals 20 im Bereich seiner Eintrittsöffnung 21 gestaltet. Die Eintrittsöffnung 21 wird hier von einem umlaufenden Randabschnitt 24 bzw. Randsteg an der Anströmseite 11 umrandet, wobei dieser Randabschnitt 24 bzw. Randsteg einen Außendurchmesser DR aufweist.The through-
Von seiner Eintrittsöffnung 21 aus gesehen ist der Durchgangskanal 20 etwa ab der halben bis zur Austrittsöffnung 22 als Diffusorabschnitt 25 ausgeführt, wobei ein Innendurchmesser DA des Diffusorabschnitts 25 an der Austrittsöffnung 22 größer ist als der Innendurchmesser DE des Durchgangskanals 20 im Bereich seiner Eintrittsöffnung 21. Ein Diffusorwinkel β ist hier beispielsweise mit 120° gewählt.Seen from its
Mit einer strichpunktierten Linie 26 ist die Längsachsenrichtung 26 des Durchgangskanals 20 symbolisiert. Der Durchgangskanal 20 verläuft also in Längsachsenrichtung 26 sowie mit einer Kanallänge 27 von der Vorderseite bzw. Anströmseite 11 des Grundkörpers durch den Grundkörper hindurch bis zur Rückseite bzw. Abströmseite 12 des Grundkörpers.The direction of the
In einem dreidimensionalen Koordinatensystem entspricht die Längsachsenrichtung 26 des Durchgangskanals 20 der X-Achsenrichtung. Die Y-Achsenrichtung gibt die seitliche Breitenrichtung 17 des Statikmischerelements 10 an, die Z-Achsenrichtung gibt die Höhenrichtung 19 des Statikmischerelements 10 an.In a three-dimensional coordinate system, the
Das Statikmischerelement 10 ist an der Anströmseite 11 strukturiert und weist mehrere Drallflächen 28 auf, die jeweils zum äußeren Rand 13 der Anströmseite 11 hin unter einem Neigungswinkel α schräg abfallend geneigt sind. Weiters sind an der Anströmseite 11 mehrere voneinander beabstandete Strömungsleitelemente 30 angeordnet, die jeweils in Form von flächigen Leitschaufeln 31, die von der Anströmseite 11 abstehen, ausgebildet sind. Die Strömungsleitelemente 30 verlaufen hier jeweils ausgehend vom Randabschnitt 24 der Eintrittsöffnung 21 des Durchgangskanals 20 etwa in distaler bzw. in radialer Richtung bis zum äußeren Rand 13 der Anströmseite 11. Die Leitschaufeln 31 weisen eine Leitschaufelbreite 32 bzw. Breite 32 des Strömungsleitelements 30 sowie eine Leitschaufellänge 33 bzw. Länge 33 des Strömungsleitelements 30 auf. Die Leitschaufeln 31 sind hier in Form von gekrümmten Leitschaufeln 31 mit einem Krümmungsradius 34 ausgebildet.The
Noch weiter detailliert kann der Krümmungsradius 34 einer Leitschaufel 31 angegeben werden als ein erster, etwas größerer Krümmungsradius R, der an einer ersten Flanke 35 der Leitschaufel 31, die konkav gekrümmt ist, gemessen wird. Entlang dieser ersten Flanke 35 überragt die Leitschaufel 31 die an die erste Flanke 35 angrenzende, tiefer liegende Drallfläche 28 um eine innere Leitschaufelhöhe 36 bzw. Leitelementhöhe 36, die an der Innenseite der Leitschaufel 31 angrenzend an den Randabschnitt 24 um die Eintrittsöffnung 21 des Durchgangskanals 20 gemessen wird. Eine äußere Leitschaufelhöhe 37 bzw. Leitelementhöhe 37 wird an der ersten Flanke 35 am Rand 13 der Anströmseite 11 gemessen.In even more detail, the radius of
Eine zweite Flanke 38 der Leitschaufel 31 bzw. des Strömungsleitelements 30, die konvex gekrümmt ist und der ersten Flanke 35 gegenüberliegt, weist einen im Vergleich zum Krümmungsradius R etwas kleineren Krümmungsradius r auf. Das Verhältnis zwischen dem größeren Krümmungsradius R an der ersten Flanke 35 und dem kleineren Krümmungsradius r an der zweiten Flanke 38 der Leitschaufel 31 bzw. des Strömungsleitelements 30 hängt im Wesentlichen von der Wahl der Leitschaufelbreite 32 sowie von der Größe der Krümmungsradien R, r ab. Der Einfachheit halber wird im Weiteren von einem Krümmungsradius 34 gesprochen, der gleichsam ein Mittelwert der beiden Krümmungsradien R und r ist.A
Entlang der zweiten Flanke 38 überragt die Leitschaufel 31 die an die zweite Flanke 38 angrenzende, tiefer liegende Drallfläche 28 um eine innere Leitschaufelhöhe 39 bzw. Leitelementhöhe 39, die an der Innenseite der Leitschaufel 31 angrenzend an den Randabschnitt 24 um die Eintrittsöffnung 21 des Durchgangskanals 20 gemessen wird. Eine äußere Leitschaufelhöhe 40 bzw. Leitelementhöhe 40 wird an der zweiten Flanke 38 am Rand 13 der Anströmseite 11 gemessen.Along the
Die Strömungsleitelemente 30 sind also im Vergleich zu den jeweils angrenzenden Drallflächen 28 um eine Leitschaufelhöhe 36, 37, 39, 40 erhöht. Im Bereich der vertieft liegenden Drallflächen 28 ist die Materialstärke 18 des Grundkörpers des Statikmischerelements 10 verringert und weist im Bereich der Drallflächen 28 nur eine reduzierte Materialstärke 18.1 bzw. 18.2 auf. Durch die Ausnehmungen des Grundkörpers im Bereich der schräg geneigten Drallflächen 28 verringert sich das Gesamtgewicht des erfindungsgemäßen Statikmischerelements 10 im Vergleich zu einem Grundkörper mit konstanter Materialstärke 18 und mit einer glatten, unstrukturierten Vorderseite. Das verringerte Gesamtgewicht und die damit verbundene Materialeinsparung eines erfindungsgemäßen Statikmischerelements 10 bietet zahlreiche Vorteile: So kann ein erfindungsgemäßes Statikmischerelement 10 aufgrund des eingesparten Materials im Vergleich zu einem unstrukturierten Grundkörper kostengünstig hergestellt werden und ist leichter in seiner Handhabung.The flow guide
Um Temperaturspannungen im Grundkörper während des Einsatzes in einer Brennkammer eines Industrieheizkessels möglichst unbeschadet auszuhalten, weist das hier gezeigte Statikmischerelement 10 eine Dehnungsfuge 45 mit einer Fugenbreite 46 auf, die sich an der Oberseite des Statikmischerelements 10 entlang seiner gesamten Materialstärke 18 vom Durchgangskanal 20 bis zum Rand 13 erstreckt.In order to withstand temperature stresses in the base body during use in a combustion chamber of an industrial heating boiler with as little damage as possible, the
Zum einfacheren Verständnis der Funktionsweise dieses Statikmischerelements 10 im Betrieb innerhalb einer Brennkammer eines Industrieheizkessels, wie dies beispielsweise in
Ein erster Strömungspfad 2 des gasförmigen Mediums, durch eine strichpunktierte Linie 2 sowie durch Pfeile 2 symbolisiert, führt dabei in Längsachsenrichtung 26 durch den Durchgangskanal 20 des Statikmischerelements 10 hindurch. Ein weiterer zweiter Strömungspfad 3 des gasförmigen Mediums, durch eine strichlierte Linie 3 sowie durch Pfeile 3 symbolisiert, zeigt schematisch den Strömungsverlauf des Rauchgases bei seiner außenseitigen Umströmung des Statikmischerelements 10 entlang der Strömungsleitelemente 30. Der Strömungspfad 3 wird beim Auftreffen des gasförmigen Mediums auf die schaufelförmigen Strömungsleitelemente 30 in eine Drallbewegung versetzt und beim Auftreffen an der Drallfläche 28 in seitlicher bzw. axialer Richtung vom Statikmischerelement 10 in Richtung einer hier nicht gezeigten Innenwand der Brennkammer abgelenkt.A
In
Die weiteren Abbildungen
Mit den in den Abbildungen
Innerhalb des Durchgangskanals 20 sind anströmseitig, also von der Eintrittsöffnung 21 ausgehend eine oder mehrere Verbindungseinrichtungen 50 vorgesehen, die vorzugsweise zwei Längsschlitze 51 umfassen, die an einander gegenüberliegenden Wandabschnitten sowie in Längsachsenrichtung 26 des Durchgangskanals 20 angeordnet sind und die als Führungen einer Steckverbindung dienen. Die Abbildungen
Zur verliersicheren Befestigung eines Einstellrings 60 innerhalb des Durchgangskanals 20 weist jeder Einstellring 60 außenseitige Kupplungselemente 53 auf, die über die äußere Zylindermantelfläche des Einstellrings 60 seitlich überstehen. Die Kupplungselemente 53 sind in Form von überstehenden Zapfen oder Knöpfen gestaltet und korrespondieren mit den Längsschlitzen 51 bzw. den Querschlitzen 52. Jeder Einstellring 60 ist dazu so beschaffen, dass dieser in die Eintrittsöffnung 21 eines Durchgangskanals 20 eingesteckt werden kann, wobei die Kupplungselemente 53 am Einstellring 60 in die korrespondierenden Längsschlitze 51 an den Wandungen des Durchgangskanals 20 eingreifen. Der Einstellring 60 wird dazu koaxial mit seiner Längsachsenrichtung 62 in Richtung der Längsachse 26 des Durchgangskanals 20 in X-Achsenrichtung eingesteckt, bis der umlaufende Rand 61 des Einstellrings 60 am Randabschnitt 24 des Durchgangskanals 20 ansteht. Im Falle der Ausführung der Verbindungseinrichtung 50 als verriegelbare Steckverbindung kann der eingesteckte Einstellring 60 durch Verdrehen um seine Längsachsenrichtung 62 verliersicher gesichert werden. Die Kupplungselemente 53 greifen dabei in die Querschlitze 52 dieses Bajonettverschlusses ein. Der Einstellring 60 kann erforderlichenfalls durch Verdrehen in entgegengesetzter Drehrichtung sowie durch Herausziehen in Längsachsenrichtung 26 des Durchgangskanals 20 wieder vom Statikmischerelement 10 getrennt werden.For captive attachment of an
Laterale Führungsnuten 82 an der Unterseite der Standplatte 80 dienen zur Aufnahme der Führungsprofile 72 der Sockelplatte 70, wie diese in
Die beiden Statikmischerelemente 10 sind hier in X-Achsenrichtung bzw. in Anströmrichtung 1 des anströmenden Mediums bzw. Rauchgases gesehen hintereinander angeordnet, und zwar so, dass die Längsachsenrichtungen 26 der Durchgangskanäle 20 koaxial positioniert sind. Im vorderen Statikmischerelement 10, das in
Die zentrale Öffnung eines Statikmischerelements verhindert einen zu großen Staudruck und zu hohen Druckverlust in der Brennkammer. Durch die sich verjüngenden Innendurchmesser wird erreicht, dass das zentral angeordnete Brenngas des Brennstrahls auf mehrere Statikmischerelemente aufgeteilt und dann umgelenkt werden kann.The central opening of a static mixer element prevents excessive back pressure and excessive pressure loss in the combustion chamber. Due to the tapering inner diameter, the centrally arranged combustion gas of the combustion jet can be divided into several static mixer elements and then deflected.
Es werden somit die Durchströmung des ersten Statikmischerelements 10 und damit einhergehend die Anströmung des zweiten Strömungselements 10, das sich im Windschatten des ersten Statikmischerelements 10 befindet, verbessert.The flow through the first
Die sechs Statikmischerelemente 10 sind hier in X-Achsenrichtung bzw. in Anströmrichtung 1 gesehen jeweils paarweise auf drei hintereinander angeordneten Standplatten 80 befestigt, wobei die Durchgangskanäle 20 der sechs Statikmischerelemente 10 jeweils koaxial 26 hintereinander angeordnet sind. Entsprechende Sockelplatten 70 und Unterlageplatten 75.1 bis 75.3 dienen als Stativ für die Statikmischerelemente 10. Das anströmseitig erste bzw. vorderste Statikmischerelement 10 hat einen Durchgangskanal 20 ohne Einstellring. Die abströmseitig in X-Achsenrichtung nachgeordneten weiteren Statikmischerelemente 10, also das zweite bis sechste Statikmischerelement 10, sind jeweils mit einem in ihrem jeweiligen Durchgangskanal 20 befestigten Einstellring 60.1, 60.2, 60.3, 60.4, 60.5 ausgerüstet.The six
Die mehreren Einstellringe 60.1, 60.2, 60.3, 60.4, 60.5 sind dabei so angeordnet, dass die Innendurchmesser dI.1, dI.2, dI.3, dI.4, dI.5 der Einstellringe 60.1, 60.2, 60.3, 60.4, 60.5 in X-Achsenrichtung der abströmseitig nachgeordneten Statikmischerelemente 10 abnehmen bzw. kleiner werden. Je nach Brennkammerform können auch mehrere Statikmischerelemente 10 angeordnet werden.The several adjustment rings 60.1, 60.2, 60.3, 60.4, 60.5 are arranged in such a way that the inside diameters d I .1, d I .2, d I .3, d I .4, d I .5 of the adjustment rings 60.1, 60.2, 60.3, 60.4, 60.5 in X-axis direction of the downstream
Die Abbildungen
Die Abbildungen
Hinsichtlich zu den Vorteilen und Effekten, die in den Abbildungen
Generell sind die für den Wärmetransport in einer Brennkammer eines gattungsgemäßen Industrieheizkessels relevanten Mechanismen einerseits der konvektive bzw. turbulente Wärmetransport, sowie andererseits die Wärmestrahlung aufgrund der hohen Flammtemperatur des Brenngases bei ca. 1800°C. In leeren Brennkammern ohne Einbauten in Form von Statikmischerelementen ist die Verwirbelung bzw. die turbulente Strömung durch die koaxial verlaufende Brennerflamme relativ gering, wie dies beispielsweise in
In general, the mechanisms relevant for the heat transport in a combustion chamber of a generic industrial boiler are on the one hand the convective or turbulent heat transport and on the other hand the thermal radiation due to the high flame temperature of the fuel gas at approx. 1800°C. In empty combustion chambers without internals in the form of static mixer elements, the turbulence or turbulent flow through the coaxial burner flame is relatively low, as is the case, for example, in
Da die Wärme aus dem Brenngas in der leeren Brennkammer nicht effizient abgegeben werden kann, wird das Brenngas in einer Brennkammer ohne Einbauten mit hoher Turbulenz und bei relativ hoher Temperatur durch die Wendekammer hindurch in den der Brennkammer nachfolgenden, zweiten Rauchgaszug umgelenkt. Das führt in der Praxis vor allem bei hoher Kessellast zu einer erhöhten thermischen Exposition, die zu Materialschäden an der Wendekammerrückwand bzw. dem Eintritt zum zweiten Rauchgaszug führen kann. Außerdem geht damit oftmals auch ein erhöhter Brennstoffverbrauch aufgrund diverser Wärmeverluste einher. Aufgrund der hohen Turbulenz der Brenngasströmung können weiters auch schädliche Kesselvibrationen auftreten, die ebenfalls nachteilig im Betrieb eines solchen Industrieheizkessels mit einer Brennkammer ohne erfindungsgemäße Einbauten sein können.Since the heat from the combustion gas cannot be efficiently dissipated in the empty combustion chamber, the combustion gas in a combustion chamber without internals is deflected with high turbulence and at a relatively high temperature through the turning chamber into the second flue gas flue following the combustion chamber. In practice, this leads to increased thermal exposure, especially when the boiler load is high, which can lead to material damage to the rear wall of the reversing chamber or the entrance to the second flue gas pass. In addition, this is often accompanied by increased fuel consumption due to various heat losses. Due to the high turbulence of the fuel gas flow, harmful boiler vibrations can also occur, which are also disadvantageous in the operation of a such industrial boiler can be with a combustion chamber without internals according to the invention.
Durch Einbau von erfindungsgemäßen Statikmischerelementen bzw. einer statischen Strömungsmischeinrichtung gemäß der Erfindung wird vorteilhaft die Verwirbelung des Brenngases bereits in der Brennkammer intensiviert, wie dies in den Abbildungen
Zugleich wird durch die Wechselwirkung des Brenngases mit der spezifisch hohen Oberfläche der erfindungsgemäßen Statikmischerelemente deren Oberflächen-Temperatur erhöht, wodurch durch den Einsatz von erfindungsgemäßen Statikmischerelementen bzw. einer erfindungsgemäßen statischen Strömungsmischeinrichtung auch der Wärmestrahlungstransport an die Brennkammerwand ebenfalls ansteigt. Vorteilhaft wird durch den Einsatz von erfindungsgemäßen Statikmischerelementen bzw. einer erfindungsgemäßen statischen Strömungsmischeinrichtung innerhalb einer Brennkammer eines Industrieheizkessels bereits in der Brennkammer die Temperatur und Geschwindigkeit des Brenngases gesenkt, wodurch auch der nachfolgende Rauchgasweg im Bereich der Wendekammer und beim Eintritt in den abströmseitig nachgeordneten, zweiten Rauchgaszug thermisch geringer exponiert wird.At the same time, the interaction of the fuel gas with the specifically high surface area of the static mixer elements according to the invention increases their surface temperature, whereby the use of static mixer elements according to the invention or a static flow mixing device according to the invention also increases the thermal radiation transport to the combustion chamber wall. The use of static mixer elements according to the invention or a static flow mixing device according to the invention within a combustion chamber of an industrial heating boiler advantageously lowers the temperature and speed of the combustion gas already in the combustion chamber, which also reduces the subsequent flue gas path in the area of the turning chamber and when it enters the second flue gas flue downstream thermally less exposed.
Der Wärmetransport durch Konvektion und Strahlung in der Brennkammer lässt sich in Industrieheizkesseln aufgrund diverser Einschränkungen wie der sehr hohen Brennkammertemperatur meist nicht so differenziert und repräsentativ messtechnisch untersuchen. Es können aber durch integrale Messungen die positiven Auswirkungen des Einsatzes von erfindungsgemäßen Statikmischerelementen bzw. einer erfindungsgemäßen statischen Strömungsmischeinrichtung indirekt festgestellt werden, beispielsweise durch eine Brennstoffeinsparung, eine geringere Temperaturverteilung an der WendekammerRückwand sowie durch verringerte Materialschäden des Schamott-Materials zur Brennkammerauskleidung.The heat transport by convection and radiation in the combustion chamber in industrial heating boilers cannot usually be analyzed in a differentiated and representative manner due to various limitations such as the very high combustion chamber temperature. However, the positive effects of using static mixer elements according to the invention or a static flow mixing device according to the invention can be determined indirectly through integral measurements, for example through fuel savings, a lower temperature distribution on the turning chamber rear wall and reduced material damage to the fireclay material for the combustion chamber lining.
In einer weitgehend quantitativen Verbrennungsmodellierung und Strömungssimulation der Brennkammer lässt sich jedoch der Wärmetransport in der Brennkammer differenziert analysieren. So steigt durch den Einbau von erfindungsgemäßen Statikmischerelementen bzw. einer erfindungsgemäßen statischen Strömungsmischeinrichtung in einer Brennkammer der Wärmestrom an der Brennkammerwand signifikant an.In a largely quantitative combustion modeling and flow simulation of the combustion chamber, however, the heat transport in the combustion chamber can be analyzed in a differentiated manner. The heat flow at the combustion chamber wall increases significantly as a result of the installation of static mixer elements according to the invention or a static flow mixing device according to the invention in a combustion chamber.
Im beispielhaften Ausführungsfall einer Brennkammer eines 2 MW (Megawatt)-Industrieheizkessels, in der eine erfindungsgemäße statische Strömungsmischeinrichtung mit sechs Statikmischerelementen jeweils von 300mm Durchmesser positioniert ist (siehe die zugehörigen Abbildungen
Wesentlich ist es, je nach Baugröße bzw. Leistung eines Industrieheizkessels bei größeren Brennkammern mit größerem Brennkammer-Durchmesser auch ein entsprechendes Scale-Up der erfindungsgemäßen Statikmischerelemente bzw. einer erfindungsgemäßen statischen Strömungsmischeinrichtung durchzuführen.It is essential, depending on the size or output of an industrial heating boiler with larger combustion chambers with a larger combustion chamber diameter, to carry out a corresponding scale-up of the static mixer elements according to the invention or a static flow mixing device according to the invention.
So kann im beispielhaften Fall einer Brennkammer eines 10 MW (Megawatt)-Industrieheizkessels durch eine geeignete Anpassung und Vergrößerung der Statikmischerelemente auf einen Durchmesser von 600 mm (siehe die zugehörigen Abbildungen
Weiters ist in der Strömungssimulation eine verringerte thermische Exposition des der Brennkammer nachfolgenden Rauchgasweges insbesondere im Abschnitt der Wendekammer feststellbar. Die Vorteile des Einsatzes von erfindungsgemäßen Statikmischerelementen bzw. einer erfindungsgemäßen statischen Strömungsmischeinrichtung innerhalb einer Brennkammer eines gattungsgemäßen Industrieheizkessels liegen somit klar auf der Hand.Furthermore, a reduced thermal exposure of the flue gas path following the combustion chamber can be determined in the flow simulation, particularly in the section of the reversing chamber. The advantages of using static mixer elements according to the invention or a static flow mixing device according to the invention within a combustion chamber of a generic industrial heating boiler are therefore obvious.
- 11
- Anströmrichtung, Strömungsrichtung des Mediums (Pfeil)Inflow direction, flow direction of the medium (arrow)
- 22
- Strömungspfad des Mediums durch den Durchgangskanal (Pfeil)Flow path of the medium through the passage channel (arrow)
- 33
- Strömungspfad des Mediums entlang eines Strömungsleitelements (Pfeil)Flow path of the medium along a flow guide element (arrow)
- 1010
- Statikmischerelementstatic mixer element
- 10.110.1
- erster (zweiter, dritter) Teil des Statikmischerelements (bzw. 10.2, 10.3)first (second, third) part of the static mixer element (or 10.2, 10.3)
- 1111
- Vorderseite bzw. Anströmseite des StatikmischerelementsFront or upstream side of the static mixer element
- 1212
- Rückseite bzw. Abströmseite des StatikmischerelementsRear or downstream side of the static mixer element
- 1313
- Rand(abschnitt) der Anströmseite des StatikmischerelementsEdge (section) of the inflow side of the static mixer element
- 1414
- Sockelabschnittbase section
- 1515
- Breite des SockelabschnittsWidth of the base section
- 1616
- Auflagefläche des SockelabschnittsBearing surface of the base section
- 1717
- Breite des StatikmischerelementsWidth of the static mixer element
- 1818
- Materialstärke bzw. Ausgangstiefe des StatikmischerelementsMaterial thickness or initial depth of the static mixer element
- 18.118.1
- reduzierte Materialstärke im Bereich der Drallfläche (bzw. 18.2)Reduced material thickness in the area of the twist surface (or 18.2)
- 1919
- Höhe des StatikmischerelementsStatic mixer element height
- 2020
- Durchgangskanal des StatikmischerelementsThrough channel of the static mixer element
- 2121
- Eintrittsöffnung des DurchgangskanalsEntry opening of the through channel
- 2222
- Austrittsöffnung des DurchgangskanalsOutlet opening of the through channel
- 2323
- Freie Querschnittsfläche des DurchgangskanalsFree cross-sectional area of the passage channel
- 2424
- Randabschnitt (Randsteg) des DurchgangskanalsEdge section (edge web) of the through channel
- 2525
- Diffusorabschnittdiffuser section
- 2626
- Längsachsenrichtung des DurchgangskanalsLongitudinal axis direction of the through channel
- 2727
- Länge des DurchgangskanalsLength of the through channel
- 2828
- Drallfläche (von innen nach außen schräg abfallend)Swirl surface (sloping from inside to outside)
- 3030
- Strömungsleitelementflow guide element
- 3131
- Leitschaufelvane
- 3232
- Leitschaufelbreite, Breite des StrömungsleitelementsGuide vane width, width of the flow guide element
- 3333
- Leitschaufellänge, Länge des StrömungsleitelementsGuide vane length, length of the flow guide element
- 3434
- Krümmungsradius der Leitschaufel (des Strömungsleitelements) (bzw. Radien R, r)Radius of curvature of the vane (of the flow guide element) (or radii R, r)
- 3535
- erste Flanke der Leitschaufel (des Strömungsleitelements) (konkav gekrümmt)first flank of the vane (of the flow guide element) (concavely curved)
- 3636
- innere Leitschaufelhöhe (Leitelementhöhe) an der ersten Flankeinner vane height (vane height) at the first flank
- 3737
- äußere Leitschaufelhöhe (Leitelementhöhe) an der ersten Flankeouter vane height (vane height) at the first flank
- 3838
- zweite Flanke der Leitschaufel (des Strömungsleitelements) (konvex gekrümmt)second flank of the vane (of the flow guide element) (convexly curved)
- 3939
- innere Leitschaufelhöhe (Leitelementhöhe) an der zweiten Flankeinner vane height (vane height) at the second flank
- 4040
- äußere Leitschaufelhöhe (Leitelementhöhe) an der zweiten Flankeouter vane height (vane height) at the second flank
- 4545
- Dehnungsfuge ./.expansion joint ./.
- 4646
- Fugenbreitejoint width
- 5050
- Verbindungseinrichtung (verriegelbare Steckverbindung)Connection device (lockable plug connection)
- 5151
- Längsschlitzlongitudinal slit
- 5252
- Querschlitztransverse slit
- 5353
- Kupplungselement (Knopf)coupling element (knob)
- 5555
- Steckverbindungconnector
- 5656
- Verbindungselementfastener
- 5757
- Ausnehmungrecess
- 6060
- Einstellringadjustment ring
- 60.160.1
- erster (zweiter, dritter) Einstellring (bzw. 60.2, 60.3)first (second, third) setting ring (or 60.2, 60.3)
- 6161
- Rand des Einstellringsedge of the adjustment ring
- 6262
- Längsachsenrichtung des EinstellringsLongitudinal axis direction of the adjustment ring
- 6363
- Länge bzw. Tiefe des EinstellringsLength or depth of the adjustment ring
- 7070
- Sockelplattebase plate
- 7171
- Sockelfußbase foot
- 7272
- (laterales) Führungsprofil(lateral) guide profile
- 7575
- Unterlageplatte (bzw. 75.1, 75.2, 75.3)Base plate (or 75.1, 75.2, 75.3)
- 8080
- Standplattestand plate
- 8181
- Ausnehmung für Sockelabschnitt eines StatikmischerelementsRecess for base portion of a static mixer element
- 8282
- Führungsnut zur Aufnahme des FührungsprofilsGuide groove for accommodating the guide profile
- 100100
- Statische StrömungsmischeinrichtungStatic Flow Mixer
- 200200
- Brennkammer eines Industrieheizkessels; FlammrohrCombustion chamber of an industrial boiler; flame tube
- 201201
- Längsachsenrichtung der BrennkammerLongitudinal axis direction of the combustion chamber
- 202202
- Durchmesser der Brennkammercombustion chamber diameter
- 210210
- Brennervorrichtungburner device
- 211211
- Brennerflammeburner flame
- dAthere
- Außendurchmesser des EinstellringsOutside diameter of the adjustment ring
- dIdI
- Innendurchmesser des EinstellringsInner diameter of the adjustment ring
- dI.1dI.1
- Innendurchmesser des ersten (zweiten, dritten) Einstellrings (bzw. dI.2, dI.3)Inner diameter of the first (second, third) adjusting ring (or d I .2, d I .3)
- DEEN
- Innendurchmesser des Durchgangskanal an der EintrittsseiteInside diameter of the passage channel on the entry side
- DRDR
- Außendurchmesser des Randstegs an der EintrittsseiteOuter diameter of the edge web on the entry side
- DATHERE
- Innendurchmesser des Diffusorabschnitts an der AustrittsseiteInside diameter of the diffuser section on the exit side
- XX
- X-Achsenrichtung; in Längsachsenrichtung des DurchgangskanalsX axis direction; in the longitudinal axis direction of the through channel
- YY
- Y-Achsenrichtung; seitliche Breitenrichtung des StatikmischerelementsY axis direction; lateral width direction of the static mixer element
- ZZ
- Z-Achsenrichtung; Höhenrichtung des StatikmischerelementsZ axis direction; Height direction of the static mixer element
- αa
- Neigungswinkel der DrallflächeAngle of inclination of the swirl surface
- ββ
- Diffusorwinkeldiffuser angle
- εε
- Anströmebene, Frontalebene an der Anströmseite bzw. VorderseiteInflow plane, frontal plane on the inflow side or front side
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-
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-
2022
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