EP4496961A1 - Brennervorrichtung - Google Patents

Brennervorrichtung

Info

Publication number
EP4496961A1
EP4496961A1 EP23715743.3A EP23715743A EP4496961A1 EP 4496961 A1 EP4496961 A1 EP 4496961A1 EP 23715743 A EP23715743 A EP 23715743A EP 4496961 A1 EP4496961 A1 EP 4496961A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
injection
burner
openings
aperture
injection device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23715743.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Baumann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
DUERR CTS GMBH
Original Assignee
Duerr Systems AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Duerr Systems AG filed Critical Duerr Systems AG
Publication of EP4496961A1 publication Critical patent/EP4496961A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • F23D14/20—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone
    • F23D14/22—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone with separate air and gas feed ducts, e.g. with ducts running parallel or crossing each other
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/36—Details
    • F23D11/40—Mixing tubes; Burner heads
    • F23D11/406—Flame stabilising means, e.g. flame holders
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    • F23D14/24—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone with separate air and gas feed ducts, e.g. with ducts running parallel or crossing each other at least one of the fluids being submitted to a swirling motion
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    • F23D14/48—Nozzles
    • F23D14/58—Nozzles characterised by the shape or arrangement of the outlet or outlets from the nozzle, e.g. of annular configuration
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    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
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    • F23G7/065—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of waste gases or noxious gases, e.g. exhaust gases with supplementary heating using gaseous or liquid fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/9901—Combustion process using hydrogen, hydrogen peroxide water or brown gas as fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23D—BURNERS
    • F23D2900/00—Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
    • F23D2900/11403—Flame surrounding tubes in front of burner nozzle

Definitions

  • the present invention relates to a burner device for burning at least one fuel with at least one oxidizer.
  • the present invention further relates to a burner chamber device with a burner device and further to a thermal exhaust gas purification system with a burner device.
  • the present invention is therefore based on the object of creating a burner device of the type mentioned, which is simple and inexpensive to produce, achieves uniform and rapid mixing of fuel and oxidizer, causes lower NO x emissions and / or at least for the use of Hydrogen/methane mixtures are prepared.
  • a burner device for combustion of at least one fuel with at least one oxidizer wherein the burner device has a central longitudinal axis and a main flow direction that is at least approximately parallel to the central longitudinal axis, and wherein the burner device comprises the following: a burner head for Supply of fuel and/or oxidizer to a combustion chamber, and a flame tube in which the burner head is arranged,
  • the burner head includes the following: at least one injection device with a plurality of injection openings for injecting fuel, and at least one aperture plate with a plurality of aperture openings for fuel and / or oxidizer, the at least one aperture plate being arranged downstream of the at least one injection device with respect to the main flow direction; and/or wherein the at least one aperture plate comprises a plurality of differently designed aperture openings; and/or wherein the at least one injection device comprises a plurality of differently designed injection openings.
  • An advantage of the burner device according to the invention can be that, compared to conventional burner devices, significantly lower NO x values can be achieved with more uniform combustion. By mixing the fuel and oxidizer more evenly and quickly, the corresponding thermal reactions are accelerated, which allows the combustion chamber temperature to be reduced.
  • the use of the diaphragm plate preferably optimizes the recirculation zones, the flame anchoring and/or the flame stabilization.
  • the injected fuel or oxidizer is also accelerated and/or improved mixing of fuel and oxidizer is made possible.
  • combustion can preferably take place at lower temperatures, which in particular reduces NO x emissions.
  • two adjacent aperture openings of the at least one aperture plate and/or two adjacent injection openings of the at least one injection device may be designed differently in shape, dimension and/or their orientation to one another and/or in relation to the main flow direction or central longitudinal axis and / or are arranged.
  • the arrangement of the at least one orifice plate on the at least one injection device means that they can be arranged in close spatial proximity to one another with respect to the main flow direction, but without thereby affecting the flow of the oxidizer around the injection device around through the aperture openings of the at least one aperture plate.
  • central longitudinal axis is preferably an axis of symmetry along the burner device and that the main flow direction, in particular parallel to it, is an axial direction, i.e. with regard to the main flow direction, any distortion is not taken into account unless explicitly stated otherwise.
  • the burner head further comprises at least one swirl device for rotating the fuel and/or oxidizer supplied through the burner head, which is arranged at least partially upstream of the at least one injection device with respect to the main flow direction.
  • the portion of the oxidizer flowing through is deflected only once for the rotation and thus the flow velocity can preferably be used almost unchanged for mixing with the fuel.
  • the injection of the fuel is preferably optimized by such a structure and optimally there are fewer pressure losses and/or lower emissions.
  • the at least one swirl device is connected to the at least one injection device or has a distance from the at least one injection device which is constant or variably adjustable.
  • the at least one injection device is at least partially integrated into the at least one swirl device at the downstream end with respect to the main flow direction.
  • a fixed distance between the at least one swirl device and the at least one injection device can also be advantageous.
  • a variably adjustable distance makes it possible to react to changing boundary conditions of the flow system of the burner device in order to be able to adapt the combustion process so that the NO x emissions are efficiently reduced.
  • the at least one swirl device is connected to the at least one diaphragm plate.
  • the swirl device comprises a plurality of swirl bodies, which are each inclined about a radial axis, relative to the central longitudinal axis, in order to swirl the fuel and/or oxidizer flowing through relative to the main flow direction.
  • the swirl bodies can preferably have the shape of straight or curved plates; Wing profiles or the like are also conceivable.
  • the swirl bodies are arranged equidistant from one another in a circumferential direction, relative to the central longitudinal axis, since this ensures a uniform rotation of the oxidizer portion flowing through and there are no local pressure differences or losses at the level of the rotating bodies.
  • the rotating bodies only extend to the inside of the flame tube.
  • the rotating bodies can also extend radially to the central longitudinal axis through slot-shaped openings in the flame tube, which, on the one hand, enables a compact design and, on the other hand, the possibility of rotation through the section of the rotating bodies that projects radially beyond the flame tube, even for a certain area is made available outside the flame tube.
  • the rotating bodies have a projection on their edges upstream with respect to the main flow direction.
  • the flame tube forms at least one diffuser at its downstream end with respect to the main flow direction.
  • the diffuser promotes the recirculation of the internal flow and/or if the geometry of the flame tube is stabilized due to the diffuser, for example the corresponding end of the flame tube has increased rigidity compared to a cylindrical configuration.
  • the diffuser preferably causes the secondary portion of the oxidizer or the secondary air to unfold, which flows along the outside of the flame tube. Opening up or expanding this oxidizer portion can be particularly important for rapid mixing of fuel and oxidizer, which preferably leads to better exhaust air purification.
  • the diffuser has a continuous cross-sectional expansion downstream with respect to the main flow direction.
  • the necessary or desired speed of mixing can be adjusted, among other things, by the opening angle and the course of the cross-sectional expansion, so that a constant cross-sectional expansion is only viewed as particularly advantageous.
  • the opening angle of the cross-sectional expansion can be constant. However, it is also possible that the opening angle of the cross-sectional expansion increases or decreases.
  • the diffuser is manufactured using an additive manufacturing process such as 3D printing, it may result in production-related stages being formed.
  • step contour on the outer and/or inner surface of the diffuser should also be understood as a constant cross-sectional expansion.
  • the at least one injection device has first injection openings whose central axes point at least approximately in the main flow direction.
  • the fuel and/or oxidizer is injected into the burner chamber at least approximately parallel to the main flow direction, with the central axis of an injection opening being understood to be its main outflow direction.
  • the central axes of the injection openings and the main flow direction enclose an angle greater than zero, since it can be advantageous not to align the injection openings in the direction of the main flow direction, but rather to specify an angle relative to the main flow direction depending on further adjustable elements of the burner device, for example in order to optimize the mixing of injected fuel and the oxidizer flowing through.
  • At least one of the first injection openings has an injection nozzle which projects in the main flow direction.
  • injection nozzles at the injection openings can increase the exit speed of the fuel from the injection opening depending on their profile or geometry along the central axis.
  • the at least one injection device has second injection openings, the central axes of which each enclose an angle between 0 degrees and 90 degrees with the main flow direction.
  • the second injection openings enclose an angle other than zero with the first injection openings.
  • Additional injection openings which are not aligned in the main flow direction, preferably enable local premixed combustion to occur or at least the local mixing of fuel and oxidizer to be increased and thereby, overall, in addition to an increased available fuel volume, the homogenization of the mixture is accelerated.
  • first and second injection openings can be controlled independently of one another, ie either the first, the second, or the first and second Injection openings can be activated or deactivated, whereby the volume flow of fuel can be adjusted. Furthermore, it is possible for different fuels to be injected via the first and second injection openings.
  • the first and second injection openings of the at least one injection device can be arranged alternately or in groups.
  • the at least one injection device is a pipe ring, a star-shaped, closed pipe arrangement, a pipe ring with a fluidically connected, internal pipe cross or a pipe cross.
  • the injection devices are not limited to a specific design. Rather, depending on the specific application, a design other than a pipe ring may be preferable.
  • a design other than a pipe ring may be preferable.
  • the variant of a pipe ring with a fluidically connected inner pipe cross offers the possibility of injecting more fuel into a central area via the additional injection openings.
  • a pipe cross is an arrangement whose number of cross struts and, associated with this, the angle between the struts depend on the application.
  • a pipe cross should in particular also be understood to mean an arrangement of at least pipe sections which are arranged essentially in a radial manner around a common center, preferably with an included angle of 120° between two adjacent pipe sections.
  • the three pipe sections are connected to at least one feed in a flow-conducting manner.
  • the feed can be arranged at least partially surrounding both the center and the pipe cross of the pipe sections.
  • the at least one injection device has a round or square cross section.
  • Round or rounded cross-sections shall include circular, oval and elliptical cross-sections.
  • the at least one injection device is designed to be wave-shaped with respect to a plane perpendicular to the central longitudinal axis.
  • the flame height can preferably be influenced via a wave-shaped or zigzag-shaped design of an injection device, and it can also be provided that the orientation of the injection opening of such an injection device can be different in relation to the main flow direction in the valley and at the peak of the waveform .
  • the at least one aperture plate has first aperture openings and second aperture openings.
  • the first and second aperture openings are designed and/or arranged differently in shape, dimension and/or their orientation to one another and/or in relation to the main flow direction or central longitudinal axis, which can be used to influence the stabilization of the flames.
  • first aperture openings and the second aperture openings of the aperture plate are arranged alternately along the circumferential direction.
  • the alternating arrangement can offer the advantage that different types of combustion and/or combustion modes occur at the respective openings, thereby resulting in mutual stabilization of the combustion at adjacent openings.
  • the first aperture openings are circular aperture openings and that the second aperture openings are elliptical, elongated hole or kidney-shaped aperture openings.
  • the different geometries of the aperture openings create different zones on the aperture plate, which preferably stabilize one another.
  • the second aperture openings are at least partially covered with respect to the main flow direction downstream of the at least one aperture plate, the degree of covering being adjustable.
  • adjustable should mean, on the one hand, a possibility of adjusting the degree of coverage of the second aperture openings depending on the variable combustion parameters, such as the combustion chamber temperature, the volume flows, the pressures, etc., i.e. control or regulation of the degree of coverage is possible.
  • the adjustability can refer to the adjustment of the degree of coverage during the production of the at least one aperture plate or before commissioning, depending on the actual application.
  • the cover of the second aperture openings can be adjusted mechanically via folding angles.
  • fuel can be fed into the combustion chamber from one of the injection openings through the first aperture openings and that fuel can be fed into the combustion chamber from two of the injection openings through the second aperture openings.
  • the two injection openings which supply fuel into the combustion chamber through a second aperture opening, are offset radially relative to the central longitudinal axis with respect to a longitudinal central axis of the elongated hole-shaped aperture opening.
  • the center of the corresponding aperture openings or their central axis is arranged radially further inwards than the center of the associated injection opening or openings, because this creates a stable flame outer edge of the aperture plate.
  • This effect could also, as an alternative or in addition to a radial offset of the aperture and injection openings, be achieved or promoted by constrictions or projections, widenings or the like on the outer and / or inner edge of the aperture plate.
  • a discharge body for radial discharge of the fuel and/or oxidizer is arranged downstream of the main flow direction substantially centrally on the at least one diaphragm plate.
  • the diverter body can be truncated cone-shaped, whereby the fluid flow is advantageously guided or pushed further radially outward through the truncated cone-shaped diverter body as it exits the at least one diaphragm plate on the downstream side, thereby promoting rapid mixing of fuel and oxidizer.
  • the burner head has a first orifice plate, a second orifice plate, a first injection device and a second injection device.
  • the first and second diaphragm plates are ring-shaped and the first and second injection devices are ring-tube-shaped, the ring diameter of the second diaphragm plate and the second injection device being larger than the ring diameter of the first diaphragm plate and the first injection device, and wherein the second aperture plate and the second injection device are spaced radially, with respect to the central longitudinal axis, from the first aperture plate and the first injection device.
  • the second aperture plate and the second injection device are arranged coaxially to the first aperture plate and the first injection device.
  • An advantage of this embodiment can be the two-stage combustion with an internal pilot stage, comprising the first injection device and the first orifice plate, and an external main stage, comprising the second injection device and the second orifice plate, whereby the injection devices can preferably inject the same or different fuels.
  • the two injection devices are connected to a respective assigned fuel supply in such a way that a volume flow, a pressure and/or a duration of the fuel supply to the respective injection device can be controlled or regulated independently of one another.
  • an embodiment with a further stage can be favorable in that a higher volume of combustible mixture is provided.
  • the first diaphragm plate comprises an inner circular disk or is connected to one.
  • the inner circular disk is in particular arranged radially on the inside and/or at a distance from the first diaphragm plate and/or connected to it via webs.
  • the recirculation in the downstream area in front of the burner head can be adjusted by appropriately dimensioning the inner circular disk.
  • the inner circular disk preferably acts as a heat shield against the fuel supply.
  • the first orifice plate and the first injection device are arranged downstream or upstream of the second orifice plate and the second injection device with respect to the main flow direction.
  • An arrangement in which the first diaphragm plate and the first injection device are positioned downstream can be particularly advantageous, because this promotes opening or opening of the flow and reduces a pressure drop.
  • the number of aperture openings of the first aperture plate and the second aperture plate is different.
  • the and/or inner contour of the first aperture plate and the second aperture plate are different.
  • Both the different number of aperture openings and the different contours preferably ensure that the formation of vortex streets is prevented or the risk of their formation is minimized, which preferably simultaneously prevents periodic separation and associated oscillation of the combustion. Without such periodic replacement, the burnout is higher and therefore the exhaust air purification is better.
  • the diaphragm plate in particular the first diaphragm plate and/or the second diaphragm plate, comprises two or more segments which are arranged at a distance from one another in relation to the circumferential direction of the diaphragm plate.
  • the first aperture plate is arranged at a distance from the first injection device and that the second aperture plate is arranged at a distance from the second injection device.
  • the second aperture openings have at least one, preferably at least two bulges for sectional taper.
  • bulge is to be understood as meaning an area of the respective aperture plate, disk or the like that protrudes or protrudes. Through such a protruding or protruding area, the affected aperture opening is narrowed in sections or the distance between opposing elements of the burner device is reduced in sections.
  • the flame tube is arranged in a guide tube in such a way that a flow channel is formed between the flame tube and the guide tube, through which part of the oxidizer can flow.
  • the swirl bodies touch the inside of the guide tube with their edges that are radial with respect to the central longitudinal axis.
  • the swirl bodies do not reach as far as the inside of the first guide tube and so within the annular flow channel there is a non-twisted flow path, which runs essentially along the inside of the first guide tube, and a twisted flow path, which essentially runs along the Outside of the flame tube, this arises, whereby this preferably applies at least to the upstream entrance of the annular flow channel and / or where the paths are mixed preferably downstream due to the flow dynamics.
  • the guide tube is arranged in a further, second guide tube or jacket tube in such a way that a second, annular one is between the guide tube and the jacket tube Flow channel is formed, through which part of the secondary oxidizer portion can flow.
  • At least one bypass injection device for injecting fuel is arranged in the flow channel between the flame tube and the guide tube.
  • the bypass injection device mixes fuel with part of the oxidizer in the flow channel.
  • the bypass injection thus increases combustion, whereby the fuel that is injected using the bypass injection device can be the same fuel as the fuel injected via the injection device or can also be a different fuel.
  • At least one further swirl device for rotating the oxidizer is arranged in the flow channel between the flame tube and the guide tube.
  • bypass injection device is arranged downstream of the at least one further swirl device with respect to the main flow direction.
  • the fuel from the bypass injection device is injected into the wired oxidizer portion, which leads to improved mixing.
  • the oxidizer enters the flow channel at a speed of 50 m/s to 70 m/s, in particular 60 m/s.
  • the object is further achieved according to the invention by using a burner device as described above.
  • the burner device is used in particular for exhaust gas purification and/or exhaust air purification.
  • the object is further achieved by a method for operating a burner device, the method comprising the following steps:
  • the object can further be achieved by a combustion chamber system with at least one combustion chamber and with at least one burner device as described above, the burner device being connected on its outer circumference to a bottom of the combustion chamber device.
  • the burner device is inserted into the combustion chamber and is fastened outside the combustion chamber, with a flow channel being formed between the outer circumference of the burner device and the combustion chamber, through which part of the oxidizer can flow.
  • part of the oxidizer flows through the flow channel between the flame tube and the guide tube and on the other hand through the annular gap between the guide tube and the corresponding insertion area of the combustion chamber device.
  • This annular gap can be asymmetrical as a result of manufacturing tolerances or due to thermal deformation be trained.
  • the object can also be achieved by a thermal exhaust gas purification system with a burner device as described above.
  • FIG. 1 shows a schematic perspective view of an embodiment of a burner device in cooperation with a base unit attached to a holder;
  • Fig. 2 is a schematic perspective view of an embodiment of a burner device
  • Fig. 3 is a schematic perspective sectional view of the embodiment from Fig. 2;
  • FIG. 4a shows a first schematic perspective view of a first embodiment of a burner head
  • FIG. 4b shows a second schematic perspective view of the first embodiment of a burner head
  • 4c shows a third schematic perspective view of the first embodiment of a burner head
  • FIG. 5 is a schematic perspective view of an embodiment of a first and a second diaphragm plate
  • Fig. 6 is a schematic perspective sectional view of a portion of the embodiment of a burner head from Fig. 4a; 7 shows a schematic representation of the flow between an injection device and an orifice plate;
  • FIG. 8a shows a schematic sectional view of a first embodiment of an injection device
  • FIG. 8b shows a schematic sectional view of a second embodiment of an injection device
  • FIG. 8c shows a schematic sectional view of a third embodiment of an injection device
  • FIG. 8d shows a schematic sectional view of a fourth embodiment of an injection device
  • FIG. 9 shows a schematic sectional view of a fifth embodiment of an injection device
  • 10a shows a schematic top view of a sixth embodiment of an injection device
  • 10b shows a schematic top view of a seventh embodiment of an injection device
  • FIG. 11 is a schematic perspective view of a second embodiment of a burner head
  • FIG. 12 shows a schematic side view of the second embodiment of a burner head from FIG. 11;
  • FIG. 13 is a schematic perspective view of a third embodiment of a burner head; 14 is a schematic perspective view of a fourth embodiment of a burner head;
  • FIG. 15 is a schematic perspective view of a fifth embodiment of a burner head
  • Fig. 16 is a schematic top view of the fifth embodiment of a burner head from Fig. 15;
  • FIG. 17 is a schematic partial perspective view of a sixth embodiment of a burner head
  • FIG. 18 is a schematic partial perspective view of a seventh embodiment of a burner head
  • FIG. 19 shows a schematic sectional view of an eighth embodiment of a burner head
  • FIG. 20 shows a schematic perspective view of the embodiment of a burner device in cooperation with a base unit from FIG. 1;
  • Fig. 21 is a schematic side view of the embodiment of a burner device in cooperation with a base unit from Fig. 20.
  • FIG. 1 shows a burner device 100 according to the invention, which is arranged in the direction of flow in front of a base unit 300, which itself is fastened to and/or by means of a holder 400.
  • a burner device shown in FIG. 2 and designated 100 as a whole is used to burn at least one fuel with at least one oxidizer.
  • the burner device 100 is essentially rotationally symmetrical about a central longitudinal axis 102, with a main flow direction 104 running at least approximately parallel to the central longitudinal axis 102. Based on the representation of the burner device 100 in FIG. 2, the main flow direction 104 is directed from left to right.
  • the burner device 100 includes a flame tube 106, a burner head 108 and a guide tube 110.
  • the burner head 108 is arranged in the flame tube 106 such that the flame tube 106 projects beyond the burner head 108 downstream.
  • the flame tube 106 has a diffuser 112 at its downstream end.
  • the diffuser 112 is characterized by a constant cross-sectional expansion, for example at least approximately 15°, preferably at least approximately 25°, and/or at most approximately 60°, in particular at most approximately 45°.
  • the flame tube 106 is arranged in the guide tube 110, which is shown transparently in FIG.
  • An annular flow channel 114 is formed between the flame tube 106 and the guide tube 110, into which a bypass injection device can optionally inject fuel in order to mix it with the oxidizer component flowing through.
  • the burner head 108 includes a first aperture plate 116, a second aperture plate 118, a first injection device 120, a second injection device 122, a swirl device 123 with several swirl bodies in the form of swirl plates 124 and a central hollow body 126, which is not completely visible in Fig. 2.
  • the swirl plates 124 extend from the central hollow body 126 through slot-shaped openings 128 in the flame tube 106 to the inside of the guide tube 110.
  • the swirl plates each have a projection 130 on their upstream edges, which adjoins the inside of the guide tube 110.
  • projections 130 on the swirl plates 124 which can also be referred to as fins, are intended to apply variable heights to the area through which the flow passes, i.e. the annular flow channel 114, i.e. the flame height in the main flow direction 104 should be influenced in order to reinforce the enveloping hot zone .
  • a primary portion of the oxidizer e.g. primary air
  • a secondary portion of the oxidizer flows through the annular flow channel 114.
  • This opening directly at the downstream end of the burner device 100 causes rapid homogenization of the combustion mixture and, in addition, lateral cold strands in the main flow downstream of the burner device 100 are preferably prevented.
  • Fig. 1 Not shown in Fig. 1 is an optional casing tube which surrounds the guide tube 110.
  • An annular flow channel is also formed between the guide tube 110 and the casing tube, although no swirl plates are arranged in this second annular flow channel. Rather, the part of the secondary portion of the oxidizer that flows through this second annular flow channel is not wired.
  • One Division of the secondary portion of the oxidizer into a wired portion and a non-wired portion serves to increase recirculation.
  • Fig. 3 shows a longitudinal section of the burner device 100 from Fig. 2.
  • first injection device 120 and the second injection device 122 are ring tubes, each of which has a plurality of injection openings 132, these injection openings 132 pointing, for example, in the main flow direction 104.
  • first injection device 120 and the second injection device 122 are supplied by fuel supply lines 134.
  • the second diaphragm plate 118 has prongs 136 on its outer contour, which touch the inside of the flame tube 106.
  • FIG. 4a to 4c show a first embodiment of a burner head 108, as shown arranged in the burner device 100 in FIG.
  • Each of the swirl plates 124 has a receptacle 138 for the first and second injection devices 120, 122 on its downstream edge, i.e. on the edge pointing to the right in FIG. 4a.
  • the first injection device 120 is arranged between the swirl plates 124 and the first aperture plate 116 in the corresponding receptacles 138 of the swirl plates 124 and the second injection device 122 is arranged between the swirl plates 124 and the second aperture plate 118 in the corresponding receptacles 138 of the swirl plates 124.
  • the first injection device 120 can also be referred to as the pilot stage and the second injection device 122 as the main stage.
  • the advantage of generating a swirl or twisting the oxidizer close to the injection is a minimization of pressure losses, which in turn leads to lower emissions.
  • the speed of the oxidizer can be used directly by means of a single deflection, which enables a more compact design.
  • first injection device 120 is arranged along the central longitudinal axis 102 downstream of the second injection device 122, i.e. the first injection device 120 or pilot stage is upstream of the second injection device 122. As a result, the radial opening of the flow is promoted and the pressure drop is further reduced.
  • a body protruding into the combustion chamber of the flame tube 106 adjoins the inner circular disk 142, preferably a truncated cone-shaped body whose side with the smaller diameter points upstream.
  • This additional truncated cone-shaped body further promotes the radial expansion or redirection of the flow.
  • such a body reduces the recirculation at the outlet of the burner head 108 or blocks part of the recirculation area, whereby the burner flame merging at the first and second injection devices 120, 122 is suppressed.
  • the first aperture plate 116 and the second aperture plate 118 are each attached and releasably fastened to the first injection device 120 and to the second injection device 122 by means of a plurality of connections 140, preferably with screw connections.
  • first aperture plate 116 and the second aperture plate 118 in a particularly preferred embodiment as well as their arrangement above the first injection device 120 and the second injection device 122 can be seen .
  • Both the first aperture plate 116 and the second aperture plate 118 are essentially designed as circular rings.
  • the combination of second aperture plate 118 and second injection device 122 has a larger diameter than the combination of first aperture plate 116 and first injection device 120.
  • both combinations are arranged radially spaced apart from one another and/or aligned coaxially with one another.
  • first diaphragm plate 116 arranged radially on the inside and on the same plane is preferably an inner circular disk 142, which is connected to the first diaphragm plate 116 via several webs 144, preferably via eight webs 144.
  • the inner circular disk 142 in its central position preferably serves as a heat shield with respect to the fuel supply in the recirculation area.
  • the first aperture plate 116 and the second aperture plate 118 each include a plurality of first aperture openings 146, which are, for example, circular, and a plurality of second, geometrically different aperture openings 148, which are, for example, elongated hole-shaped.
  • the circular aperture openings 146 and the slot-shaped aperture openings 148 are preferably arranged alternately along the circumference of the aperture plates 116, 118.
  • the aperture area of the circular aperture openings 146 is smaller than that of the slot-shaped aperture openings 148.
  • the elongated hole-shaped aperture openings 148 each extend over two injection openings 132, whereas the circular aperture openings 146 are each arranged over only one injection opening 132.
  • the injection openings 132 of the circular aperture openings 146 are centered relative to them, whereas the injection openings 132 of the elongated hole-shaped aperture openings are centered in relation to the longitudinal axis of the elongated hole-shaped Aperture openings are preferably offset radially outwards, since the bending radius of the respective injection device 120, 122 is larger than the bending radius of the associated slot-shaped aperture openings 148. The latter ensures that the combustion in the outer region of the burner device 100 is stabilized.
  • the orifice plates 116, 118 promote recirculation by accelerating the oxidizer near the injectors 120, 122, resulting in greater mixing of the oxidizer and fuel.
  • the increased mixing enables combustion at a lower temperature, resulting in lower NOx emissions.
  • Combustion near the orifice plates 116, 118 stabilizes volume combustion.
  • the second aperture plate 118 has serrations 136 along its outer contour or its outer circumference and angular bulges 150 along its inner contour or its inner circumference.
  • the holes 152 for the connections 140 are visible in the area of some of the prongs 136.
  • the first aperture plate 116 has round indentations 154 along its outer contour or its outer circumference.
  • both the outer contour and/or inner contour of the first diaphragm plate 118 and the outer contour of the first diaphragm plate 116 can alternatively or additionally have a continuous course, such as a wave-shaped course, which in sections corresponds to the distance to the flame tube or the Distance between first and second aperture plates 116, 118 reduced or increased. This means that flow instabilities reinforce each other less. Furthermore, it should be noted that the number of circular and slot-shaped aperture openings 146, 148 in the first and second aperture plates 116, 118 is different.
  • a hot flow path 160 is indicated in FIG.
  • the situation is different on the right side of the injection device, i.e. on the side of the elongated hole inner web 156, where there is more space for the flow, so that a larger proportion of oxidizer can flow past here, which is indicated by the two cold flow paths 162a, 162b.
  • an enveloping hot zone forms on the outside.
  • FIGS. 8a to 8d show different embodiments of the injection devices 120, 122 or the injection openings 132 as well as further options for additional injection.
  • the main flow direction 104 runs from bottom to top in the image plane. While in Fig. 8a the central axis of the injection opening 132 points in the direction of the main flow direction 104, FIG is, includes.
  • the second injection opening 164 preferably sprays fuel radially outwards with respect to the central longitudinal axis 102. This can create additional hot combustion areas. In addition, an additional radially outwardly directed injection improves mixing; a locally premixed combustion occurs.
  • the mixing can be controlled in that the injection opening 132 is inclined relative to the main flow direction 104, i.e. forms an angle with it, as shown in FIG. 8c.
  • An embodiment is also possible in which an injection nozzle 166 or injection lances is arranged on the injection opening 132, the inner cross section of which tapers, for example, with respect to the main flow direction 104, whereby the flow velocity of the outflowing fuel is increased and a higher or faster mixing occurs .
  • FIG. 120 A further embodiment of an injection device 120, 122 is shown in FIG.
  • the illustration shows a section of an injection device 120, 122, which is wave-shaped or zigzag-shaped in a plane perpendicular to the central longitudinal axis 102, which runs from bottom to top in the image plane.
  • the flame height of defined areas in the main flow direction 104 can be adjusted via the waveform.
  • FIGS. 10a and 10b Further exemplary embodiments of an injection device 120, 122 are shown in FIGS. 10a and 10b.
  • the pipe ring shape has been expanded to include a fluidically connected inner pipe cross 168, which also has an injection opening 132.
  • an injection device 120, 122 can also be designed as a star, as can be seen from FIG. 10b, which has three or more, preferably four, points 170.
  • the outer contour of the injection device 120, 122 alternatively has a continuous curve of any shape, so that flow instabilities occurring here on the injection device 120, 122 do not reinforce each other.
  • FIG. 11 and 12 show a second embodiment of a burner head 108, which differs from the first embodiment in that, on the one hand, the second aperture plate 118 is divided into five equal segments 172, which are separated from one another in relation to the circumferential direction of the second aperture plate 118 are arranged spaced apart.
  • the first aperture plate 116 is also divided into four equal segments 174, which are also arranged at a distance from one another with respect to the circumferential direction of the first aperture plate 116.
  • the number of segments of the first and second aperture plates 116, 118 can also be larger or smaller than five or four, respectively, since the number of segments depends in particular on the ability to be manufactured and assembled.
  • the segments 172 and 174 are preferably separated from one another in the area of the second, slot-shaped aperture opening 148.
  • first aperture plate 116 is divided into more than four segments 174 or fewer than four segments 174, whereby the segments 174 of the first aperture plate 116 can be the same or different from one another.
  • second aperture plate 118 which can also be divided into more or fewer than five segments 172, whereby these segments 172 can also be the same or different.
  • connections 140 can also be seen in FIGS. 11 and 12.
  • connections 140 each comprise a screw 176, a nut 178 and a spacer 180, which is sleeve-shaped.
  • Each segment 172, 174 is preferably attached to the first and second injection devices 120, 122 with two or more pairs of connections 140, with the connections 140 of the individual pairs being arranged on opposite sides of the injection device 120, 122.
  • the nuts 178 are attached to the side of the first and second injection devices 120, 122, preferably welded.
  • the desired distance between the injection device and the diaphragm plate can be adjusted using the spacers 180, which are preferably interchangeable or changeable.
  • the oxidizer flow around the injection devices 120, 122 and through the orifice plates 116, 118 can therefore also be adjusted.
  • FIG. 13 shows a third embodiment of a burner head 108, which differs from the second embodiment in FIGS. 11 and 12 in the manner in which the segments 172, 174 are attached to the respective injection device 120, 122.
  • connections 140 are also arranged in pairs on opposite sides of the first and second injection devices 120, 122.
  • connections 140 also include a screw 176, a nut 178 and a sleeve-shaped spacer 180.
  • Each screw 176 of a connection pair engages through one of the segments 172, 174 in an associated U-shaped bracket 182, which is guided upstream against the first and second injection devices 120, 122 and at least partially surrounds them.
  • the two screws 176 are secured to the associated U-shaped bracket 182 by means of the respective nut 178.
  • the two associated spacers 180 of the connection pair are arranged between the ends of the U-shaped bracket 182 and the corresponding segment, whereby the distance between this segment and the first and second injection devices 120, 122 is adjusted.
  • the brackets 182 can be fixed to the respective injection device 120, 122, for example by one or more welding points.
  • brackets 182 are at least partially displaceable along the circumferential direction of the first or second injection device 120, 122, thereby providing a further degree of freedom for reducing thermal stress.
  • the mobility of unfixed brackets 182 along the circumferential direction can be limited by stops (not shown) which are attached to the first and second injection devices 120, 122, respectively.
  • the brackets 182 are preferably made of a metal.
  • bracket 182 and the first or second injection device 120, 122 can be adjusted via the width of unfixed brackets 182. This will the risk of tilting of the associated, indirectly attached segment 172, 174 about the circumferential axis of the first or second injection device 120, 122 is reduced.
  • the bores 152 for the connections 140 in the first and second aperture plates 116, 118 and also the sleeve-shaped spacers 180 can be provided with an internal thread corresponding to the screws 176.
  • FIG 14 shows a fourth embodiment of a burner head 108, which differs from the third embodiment in FIG of a bracket 182 on the first or second injection device 120, 122, but by means of a transverse web 184, which rests on the upstream surface of the injection device opposite the segment.
  • the corresponding segment 172, 174, the two spacers 180 of a connection pair and the associated crossbar 184 thereby form a rectangle inside.
  • the spacers 180 and/or the crossbars 184 are attached to the first or second injection device 120, 122.
  • the frictional resistance between the crossbar 184 and the first or second injection device 120, 122 can be adjusted via the size of the support surface of the crossbar.
  • the segments 172, 174 can be secured to the first and second injection devices 120, 122 by several U-shaped sheets (not shown). These U-shaped sheets are, comparable to the brackets 182 from FIG. 13, guided upstream against the first and second injection devices 120, 122 and fastened thereto, for example by a welded connection.
  • the two legs of the U-shaped sheets, which surround the respective injection device 120, 122 on opposite sides, are divided into a downstream section and an upstream section.
  • the respective downstream section of a leg is rotated about the leg axis, for example by 90 degrees, to adjust the distance of the respective segment 172, 174 from the first or second injection device 120, 122.
  • the twisted ones Downstream side sections of the legs are passed through corresponding openings in the respective segment 172, 174 and are bent on the downstream side of the segment 172, 174 to ensure the set distance.
  • 15 and 16 show a fifth embodiment of a burner head 108, which has measures to reduce noise.
  • the second, elongated hole-shaped aperture openings 148 of the segments 172, 174 of the first and second aperture plates 116, 118 are on both sides, i.e. on the elongated hole inner web 156 and on the elongated hole outer web 158 by one or two pairs of connections 140 on the first and second injection devices 120, 122 attached, whereby the elongated hole inner webs 156 and elongated hole outer webs 158 are prevented from flow-induced swinging or such swinging is at least reduced.
  • the second aperture openings 148 of the first and second aperture plates 116, 118 have one or more tapers.
  • the tapers are generated by pairs of opposing bulges 186 of the respective aperture plates 116, 118, which can be designed to be continuous or discontinuous, such as jagged or the like, with respect to the outer or inner contour, preferably along the circumferential direction of the first and second aperture plate 116, 118, the number of tapers and thus also the number of bulges 186 of adjacent second aperture openings 148 differs.
  • the second aperture openings 148 which are formed by two adjacent segments 172, 174, have two pairs of bulges 186, whereas the remaining second aperture openings 148 each have only one pair of bulges 186.
  • the bulges 186 can be directly opposite one another or can also be arranged offset from one another.
  • bulge elements can also protrude into the annular gap 188 between the first and second diaphragm plates 116, 118.
  • the inner circular disk 142 is preferably also provided with bulges 186 along its outer circumference, so that tapered sections are formed in the annular gap 190 between the inner circular disk 142 of the first diaphragm plate 116.
  • FIG 17 shows a sixth embodiment of a burner head 108 with a measure for reducing vibration-induced noise at the gaps between two adjacent segments 172 of the second aperture plate 118 or two adjacent segments 174 of the first aperture plate 116.
  • the elongated hole inner web 156 and the elongated hole outer web 158 are each divided by a gap.
  • the resulting free ends or sections of the webs 156, 158 vibrate due to the oxidizer flow and thereby generate noise.
  • an upstream curved extension 192 is provided on a section 194 of the elongated hole outer web 158, which at least partially overlaps or projects beyond the other section 196 of the elongated hole outer web 158.
  • the extension 192 is preferably a section of the section 194.
  • Fig. 18 shows - in a seventh embodiment of a burner head 108 - a plate-shaped element 198, which is fastened on the upstream surface of the two sections 194, 196 of the divided elongated outer web 158.
  • the plate-shaped element 198 is welded against both sections 194, 196. Closing the gap in this way also prevents the two sections 194, 196 from vibrating and, as a result, also prevents the local generation of noise.
  • the gaps between the sections of the elongated hole inner web 156 and the elongated hole outer web 158 of a second aperture opening 148 on the downstream surface are covered by a common, plate-shaped cross element (not shown).
  • the plate-shaped cross element is consequently aligned at least approximately perpendicular to the circumferential direction of the respective aperture plate 116, 118.
  • Fig. 19 shows an eighth embodiment of a burner head 108, in which the segments 172, 174 are arranged floating on the respective injection device 120,122.
  • the floating bearing which preferably connects two adjacent segments 172, 174 with one another, is created by fixing two opposing angle elements 200 on the respective injection device 120, 122 at the adjacent ends of two adjacent segments 172, 174, preferably by means of one each Welded connection 202.
  • the angle elements 200 preferably have three sections, of which - based on the image plane in Fig. 19 - the two outer sections are aligned at least approximately in the direction of the central longitudinal axis 102, i.e. vertically, whereas the middle section is perpendicular to the other two and so that it is aligned at least approximately parallel to the flat plane of the aperture plates 116, 118.
  • the angle elements 200 accommodate the associated segment 172, 174 downstream, preferably the respective sections of the elongated hole inner web 156 and the elongated hole outer web 158.
  • the sections of the elongated hole inner web 156 and the elongated hole outer web 158 have an indentation on the inside, ie a sectional recess of the segment.
  • the radial depth of the indentation can be, for example, half of the respective web 156, 158, whereas the extent of the indentation in the circumferential direction of the respective segment 172, 174 is preferably a multiple of the radial depth.
  • the adjacent sections of the elongated hole inner web 156 are covered by a plate segment 204, which is preferably connected to the two associated angle elements 200 of the elongated hole inner web 156 by means of a welded connection 202.
  • the adjacent sections of the elongated hole outer web 158 are covered downstream by a further plate segment 204, which is preferably connected to the two associated angle elements 200 of the elongated hole outer web 158 by means of a welded connection 202.
  • the plate segments 204 are further connected to the two associated angle elements 200 on the inside of the webs 156, 158 by means of a bolt 206 or the like.
  • the plate segments 204 contribute to noise reduction by covering the gaps between the sections of the webs 156, 158.
  • Such floating mounting of two adjacent ends of two segments 172, 174 allows movement of the segments 172, 174 in the circumferential direction, whereby thermal expansions can be compensated for, particularly in the circumferential direction of the diaphragm plates 116, 118.
  • igniter device 302 which is preferably tubular.
  • the igniter device 302 extends from the base unit 300 into the burner device 100 and, based on the direction of gravity g, preferably rests on the first aperture plate 116 from above.
  • the igniter device 302 is particularly preferably accommodated in a round indentation 154 in the first aperture plate 116.
  • the igniter device 302 is ideally arranged such that, based on the direction of gravity g, it is arranged higher in the base unit 300 than in the burner device 100, whereby the igniter device 302 forms an angle a with the central longitudinal axis 102. This inclination prevents possible condensate, contamination or the like from flowing back from the burner device 100 through the igniter device 302.
  • Burner device central longitudinal axis

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennervorrichtung (100) zur Verbrennung von mindestens einem Brennstoff mit mindestens einem Oxidator, wobei die Brennervorrichtung (100) eine zentrale Längsachse (102) und eine zur zentralen Längsachse (102) zumindest annähernd parallele Hauptströmungsrichtung (104) aufweist, und wobei die Brennervorrichtung (100) Folgendes umfasst: einen Brennerkopf (108) zur Zuführung von Brennstoff und/oder Oxidator zu einer Brennkammer, und ein Flammrohr (106), in welchem der Brennerkopf (108) angeordnet ist, wobei der Brennerkopf (108) Folgendes umfasst: zumindest eine Eindüsungsvorrichtung (120, 122) mit mehreren Eindüsungsöffnungen (132, 164) zur Eindüsung von Brennstoff, und zumindest eine Blendenplatte (116, 118) mit mehreren Blendenöffnungen (146, 148) für Brennstoff und/oder Oxidator, wobei die zumindest eine Blendenplatte (116, 118) bezüglich der Hauptströmungsrichtung (104) stromabwärts der zumindest einen Eindüsungsvorrichtung (120, 122) angeordnet ist; und/oder wobei die zumindest eine Blendenplatte (116, 118) mehrere unterschiedlich ausgebildete Blendenöffnungen (146, 148) umfasst; und/oder wobei die zumindest eine Eindüsungsvorrichtung (120, 122) mehrere unterschiedlich ausgebildete Eindüsungsöffnungen (132, 164) umfasst.

Description

Brennervorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennervorrichtung zur Verbrennung von mindestens einem Brennstoff mit mindestens einem Oxidator. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennerkammervorrichtung mit einer Brennervorrichtung und ferner eine thermische Abgasreinigungsanlage mit einer Brennervorrichtung.
Immer strengere gesetzliche Vorgaben bedingen beispielsweise bei thermischen Abluftreinigungssystemen eine Tendenz hin zu immer niedrigeren NOx-Werten, welche mit den bisherigen Brennervorrichtungen bzw. Brennern kaum noch zu erreichen sind, da derzeit u.a. noch sehr hohe Brennkammertemperaturen bei geringem Massenstrom vorherrschen. Zudem tritt bei klassischen Low-NOx-Strahlbrennern der Brennstrahl tief in das Strömungsgebiet nach dem Brennerkopf ein, wodurch seitlich dieses Strahls größere Re- zirkulationsgebiete entstehen. Infolgedessen wird versucht, eine schnelle Homogenisierung von Brennstoff und Oxidator durch eine komplexe Eindüsungsgeometrie zu erreichen, was aber bei größeren Brennern schnell zu hohen Investitionen führt. Schließlich sind die aktuellen Brenner nicht für die Nutzung von Wasserstoff ausgelegt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Brennervorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche einfach und kostengünstig herzustellen ist, eine gleichmäßige und schnelle Durchmischung von Brennstoff und Oxidator erzielt, geringere NOx-Emissionen verursacht und/oder zumindest für die Nutzung von Wasser- stoff/Methan-Gemischen vorbereitet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Brennervorrichtung zur Verbrennung von mindestens einem Brennstoff mit mindestens einem Oxidator bereitgestellt wird, wobei die Brennervorrichtung eine zentrale Längsachse und eine zur zentralen Längsachse zumindest annähernd parallele Hauptströmungsrichtung aufweist, und wobei die Brennervorrichtung Folgendes umfasst: einen Brennerkopf zur Zuführung von Brennstoff und/oder Oxidator zu einer Brennkammer, und ein Flammrohr, in welchem der Brennerkopf angeordnet ist,
Der Brennerkopf umfasst Folgendes: zumindest eine Eindüsungsvorrichtung mit mehreren Eindüsungsöffnungen zur Eindüsung von Brennstoff, und zumindest eine Blendenplatte mit mehreren Blendenöffnungen für Brennstoff und/oder Oxidator, wobei die zumindest eine Blendenplatte bezüglich der Hauptströmungsrichtung stromabwärts der zumindest einen Eindüsungsvorrichtung angeordnet ist; und/oder wobei die zumindest eine Blendenplatte mehrere unterschiedlich ausgebildete Blendenöffnungen umfasst; und/oder wobei die zumindest eine Eindüsungsvorrichtung mehrere unterschiedlich ausgebildete Eindüsungsöffnungen umfasst.
Vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Brennervorrichtung kann sein, dass im Vergleich zu herkömmlichen Brennervorrichtungen deutlich niedrigere NOx-Werte bei einer gleichmäßigeren Verbrennung erreicht werden können. Durch eine gleichmäßigere und schnellere Durchmischung von Brennstoff und Oxidator werden die entsprechenden thermischen Reaktionen beschleunigt, wodurch sich die Brennkammertemperatur senken lässt.
Insbesondere der Einsatz der Blendenplatte optimiert vorzugsweise die Rezirkulationszo- nen, die Flammenankerung und/oder die Flammenstabilisierung. Vorzugsweise werden zudem der eingedüste Brennstoff oder Oxidator beschleunigt und/oder eine verbesserte Durchmischung von Brennstoff und Oxidator ermöglicht. Im Ergebnis kann die Verbrennung, wie bereits erwähnt, vorzugsweise bei niedrigeren Temperaturen ablaufen, wodurch insbesondere die NOx-Emissionen gesenkt werden.
Es ist ferner möglich, dass je zwei benachbarte Blendenöffnungen der zumindest einen Blendenplatte und/oder je zwei benachbarte Eindüsungsöffnungen der zumindest einen Eindüsungsvorrichtung unterschiedlich in Form, Dimensionierung und/oder ihrer Ausrichtung zueinander und/oder in Bezug auf die Hauptströmungsrichtung bzw. zentrale Längsachse ausgebildet und/oder angeordnet sind.
Außerdem kann vorgesehen sein, dass die Anordnung der zumindest einen Blendenplatte an der zumindest einen Eindüsungsvorrichtung bedeutet, dass diese in Bezug auf die Hauptströmungsrichtung in unmittelbarer räumlicher Nähe zueinander angeordnet sein können, ohne dabei jedoch die Strömung des Oxidators um die Eindüsungsvorrichtung herum durch die Blendenöffnungen der zumindest einen Blendenplatte hindurch zu verhindern.
Es soll ferner verstanden werden, dass die zentrale Längsachse vorzugsweise eine Symmetrieachse entlang der Brennervorrichtung ist und dass die dazu insbesondere parallele Hauptströmungsrichtung eine axiale Richtung ist, d.h. hinsichtlich der Hauptströmungsrichtung bleibt jegliche Verd hung unberücksichtigt, wenn nicht explizit anders angegeben.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Brennerkopf weiter zumindest eine Drallvorrichtung zur Verdrehung des durch den Brennerkopf zugeführten Brennstoffs und/oder Oxidators umfasst, welche bezüglich der Hauptströmungsrichtung zumindest teilweise stromaufwärts der zumindest einen Eindüsungsvorrichtung angeordnet ist.
Hierdurch wird der durchströmende Anteil des Oxidators nur einmal für die Verdrehung umgelenkt und somit kann die Strömungsgeschwindigkeit vorzugsweise fast unverändert für die Durchmischung mit dem Brennstoff verwendet werden. Die Eindüsung des Brennstoffs wird durch einen derartigen Aufbau vorzugsweise optimiert und es kommt optimalerweise zu weniger Druckverlusten und/oder niedrigeren Emissionen.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zumindest eine Drallvorrichtung mit der zumindest einen Eindüsungsvorrichtung verbunden ist oder einen Abstand zu der zumindest einen Eindüsungsvorrichtung aufweist, welcher konstant ist oder variabel einstellbar ist.
Vorstellbar ist, dass die zumindest eine Eindüsungsvorrichtung an dem in Bezug auf die Hauptströmungsrichtung stromabwärtsseitigen Ende der zumindest einen Drallvorrichtung zumindest teilweise in diese integriert ist. Aber auch ein fester Abstand zwischen der zumindest einen Drallvorrichtung und der zumindest einen Eindüsungsvorrichtung kann vorteilhaft sein. Ferner ermöglicht ein variabel einstellbarer Abstand auf veränderliche Randbedingungen des Strömungssystems der Brennervorrichtung zu reagieren, um den Verbrennungsvorgang so anzupassen zu können, dass die NOx-Emissionen effizient reduziert werden. Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zumindest eine Drallvorrichtung mit der zumindest einen Blendenplatte verbunden ist.
Durch eine Verbindung der zumindest einen Drallvorrichtung mit der zumindest einen Blendenplatte und der zwischen diesen beiden angeordneten, zumindest einen Eindüsungsvorrichtung kann in vorteilhafter weise eine kompakte Bauform der Brennervorrichtung realisiert werden.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Drallvorrichtung mehrere Drallkörper umfasst, welche zur Verdrallung des durchströmenden Brennstoffs und/oder Oxidators gegenüber der Hauptströmungsrichtung jeweils um eine radiale Achse, bezogen auf die zentrale Längsachse, geneigt sind.
Die Drallkörper können vorzugsweise die Form von geraden oder gebogenen Platten aufweisen; vorstellbar sind u.a. aber auch Flügelprofile oder dergleichen.
Vorteilhaft ist es, wenn die Drallkörpern in einer Umfangsrichtung, bezogen auf die zentrale Längsachse, äquidistant zueinander angeordnet sind, da somit eine gleichmäßige Verdrehung des durchströmenden Oxidatoranteils gewährleistet wird und es auf Höhe der Drehkörper nicht zu lokalen Druckunterschieden bzw. -Verlusten kommt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung erstrecken sich die Drehkörper lediglich bis zur Innenseite des Flammrohrs. Allerdings können sich die Drehkörper auch in einer möglichen weiteren Ausgestaltung radial zur zentralen Längsachse durch schlitzförmige Öffnungen des Flammrohrs erstrecken, wodurch zum einen eine kompakte Bauform ermöglicht und zum anderen die Möglichkeit der Verdrehung durch den das Flammrohr radial überragenden Abschnitt der Drehkörper auch für einen gewissen Bereich außerhalb des Flammrohrs verfügbar gemacht wird.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Drehkörper an ihren bezüglich der Hauptströmungsrichtung stromaufwärtsseitigen Kanten einen Vorsprung aufweisen.
Günstig an derartigen Vorsprüngen kann es sein, dass der durchströmte Bereich mit variablen Flammenhöhen beaufschlagt wird, d.h. es wird in Abhängigkeit der konkreten Ausgestaltung der Vorsprünge Einfluss auf die Flammhöhe in Hauptströmungsrichtung genommen.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Flammrohr an seinem bezüglich der Hauptströmungsrichtung stromabwärtsseitigen Ende mindestens einen Diffusor ausbildet.
Vorteilhaft kann es sein, wenn der Diffusor die Rezirkulation der inneren Strömung fördert und/oder wenn aufgrund des Diffusors das Flammrohr in seiner Geometrie stabilisiert wird, beispielsweise das entsprechende Ende des Flammrohrs eine im Vergleich zu einer zylinderförmigen Ausgestaltung erhöhte Steifigkeit aufweist. Der Diffusor bewirkt vorzugsweise ein Aufklappen des sekundären Anteils des Oxidators oder der Sekundärluft, welche außen am Flammrohr entlangströmt. Ein Aufklappen bzw. Aufweiten dieses Oxidator- anteils kann besonders wichtig für eine schnelle Durchmischung von Brennstoff und Oxidator sein, was vorzugsweise zu einer besseren Abluftreinigung führt.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Diffusor bezüglich der Hauptströmungsrichtung stromabwärts eine stetige Querschnittserweiterung aufweist.
Die notwendige oder gewünschte Geschwindigkeit der Durchmischung ist u.a. durch den Öffnungswinkel und den Verlauf der Querschnittserweiterung einstellbar, sodass eine stetige Querschnittserweiterung lediglich als besonders vorteilhaft angesehen wird.
Der Öffnungswinkel der Querschnittserweiterung kann gleichbleibend sein. Möglich ist aber auch, dass der Öffnungswinkel der Querschnittserweiterung zu- oder abnimmt.
Sofern der Diffusor mittels eines additiven Fertigungsverfahrens wie dem 3D-Druck hergestellt wird, kann es sich ergeben, dass fertigungsbedingt Stufen ausgebildet werden.
Diese in der Regel nicht stark ausgeprägte Stufenkontur auf Außen- und/oder Innenfläche des Diffusors soll ebenso als stetige Querschnittserweiterung verstanden werden.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zumindest eine Eindüsungsvorrichtung erste Eindüsungsöffnungen aufweist, deren Mittelachsen zumindest annähernd in die Hauptströmungsrichtung weisen. Hierdurch wird der Brennstoff und/oder Oxidator zumindest annährend parallel zur Hauptströmungsrichtung in die Brennerkammer eingedüst, wobei als Mittelachse einer Eindüsungsöffnung deren Hauptausströmungsrichtung zu verstehen ist.
Vorstellbar ist aber auch, dass die Mittelachsen der Eindüsungsöffnungen und die Hauptströmungsrichtung einen Winkel größer Null einschließen, da es vorteilhaft sein kann, die Eindüsungsöffnungen nicht in Richtung der Hauptströmungsrichtung auszurichten, sondern in Abhängigkeit weiterer einstellbarer Elemente der Brennervorrichtung einen Winkel gegenüber der Hauptströmungsrichtung vorzugeben, beispielsweise um die Durchmischung von eingedüstem Brennstoff und durchströmendem Oxidator zu optimieren.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest eine der ersten Eindüsungsöffnungen einen in Hauptströmungsrichtung hervorragenden Eindüsungsstutzen aufweist.
Günstig ist dabei, dass Eindüsungsstutzen an den Eindüsungsöffnungen in Abhängigkeit ihres Profils bzw. ihrer Geometrie entlang der Mittelachse die Austrittsgeschwindigkeit des Brennstoffs aus der Eindüsungsöffnung erhöhen können.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zumindest eine Eindüsungsvorrichtung zweite Eindüsungsöffnungen aufweist, deren Mittelachsen jeweils mit der Hauptströmungsrichtung einen Winkel zwischen 0 Grad und 90 Grad einschließen.
Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn die zweiten Eindüsungsöffnungen einen von Null verschiedenen Winkel mit den ersten Eindüsungsöffnungen einschließen.
Zusätzliche Eindüsungsöffnungen, welche nicht in Hauptströmungsrichtung ausgerichtet sind, ermöglichen vorzugsweise, dass es zu lokaler vorgemischter Verbrennung kommt oder zumindest die lokale Durchmischung von Brennstoff und Oxidator erhöht wird und dadurch insgesamt neben einem erhöhten verfügbaren Brennstoffvolumen die Homogenisierung des Gemisches beschleunigt wird.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die ersten und zweiten Eindüsungsöffnungen unabhängig voneinander steuerbar sind, d.h. es können entweder die ersten, die zweiten, oder die ersten und zweiten Eindüsungsöffnungen aktiviert bzw. deaktiviert werden, wodurch sich der Volumenstrom an Brennstoff einstellen lässt. Des Weiteren ist es möglich, dass über die ersten und die zweiten Eindüsungsöffnungen unterschiedliche Brennstoffe eingedüst werden. Die ersten und zweiten Eindüsungsöffnungen der zumindest einen Eindüsungsvorrichtung können alternierend oder gruppenweise angeordnet sein.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zumindest eine Eindüsungsvorrichtung ein Rohrring, eine sternförmige, geschlossene Rohranordnung, ein Rohrring mit einem fluidisch verbundenen, innenliegenden Rohrkreuz oder ein Rohrkreuz ist.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind die Eindüsungsvorrichtungen nicht auf eine bestimmte Ausgestaltung eingeschränkt. Vielmehr ist in Abhängigkeit des konkreten Anwendungsfalls eventuell eine andere Ausgestaltung als ein Rohrring vorzugwürdig. So bietet z.B. die Variante eines Rohrrings mit fluidisch verbundenem Innenrohrkreuz die Möglichkeit, mehr Brennstoff in einem zentralen Bereich über die zusätzlichen Eindüsungsöffnungen einzudüsen.
Als Rohrkreuz ist eine Anordnung zu verstehen, deren Anzahl an Kreuzstreben und damit verbunden auch der zwischen den Streben herrschende Winkel vom Anwendungsfall abhängen. Dabei soll unter einem Rohrkreuz insbesondere auch eine Anordnung von mindestens Rohrabschnitten verstanden werden, die im Wesentlich strahlenförmig um einen gemeinsamen Mittelpunkt angeordnet sind, bevorzugt mit einem eingeschlossenen Winkel von 120° zwischen je zwei benachbarten Rohrabschnitten. Die drei Rohrabschnitte sind dabei strömungsleitend mit zumindest einer Zuführung verbunden. Die Zuführung kann sowohl im Zentrum als auch das Rohrkreuz der Rohrabschnitte zumindest teilweise umschließend angeordnet sein.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zumindest eine Eindüsungsvorrichtung einen runden oder eckigen Querschnitt aufweist.
Runde oder rundliche Querschnitte sollen kreisförmige, ovale und elliptische Querschnitte umfassen. Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zumindest eine Eindüsungsvorrichtung bezogen auf eine Ebene senkrecht zur zentralen Längsachse wellenförmig ausgebildet ist.
Über eine wellenförmige oder zick-zack-förmige Ausgestaltung einer Eindüsungsvorrichtung lässt sich vorzugsweise Einfluss auf die Flammenhöhe nehmen, wobei zusätzlich vorgesehen sein kann, dass die Ausrichtung der Eindüsungsöffnung einer solchen Eindüsungsvorrichtung in Bezug auf die Hauptströmungsrichtung im Tal und am Berg der Wellenform unterschiedlich sein kann.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zumindest eine Blendenplatte erste Blendenöffnungen und zweite Blendenöffnungen aufweist.
Vorzugsweise sind die ersten und zweiten Blendenöffnungen unterschiedlich in Form, Dimensionierung und/oder ihrer Ausrichtung zueinander und/oder in Bezug auf die Hauptströmungsrichtung bzw. zentrale Längsachse ausgebildet und/oder angeordnet, womit sich Einfluss nehmen lässt auf die Stabilisierung der Flammen.
Bei einer möglichen weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die ersten Blendenöffnungen und die zweiten Blendenöffnungen der Blendeplatte alternierend entlang der Umfangsrichtung angeordnet sind.
Die alternierende Anordnung kann den Vorteil bieten, dass sich verschiedene Verbrennungstypen und/oder Verbrennungsmodi an den jeweiligen Öffnungen einstellen und es so zu einer gegenseitigen Stabilisierung der Verbrennung an benachbarten Öffnungen kommt.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die ersten Blendenöffnungen kreisförmige Blendenöffnungen sind und dass die zweiten Blendenöffnungen elliptische, langloch- oder nierenförmige Blendenöffnungen sind.
Durch die unterschiedlichen Geometrien der Blendenöffnungen werden unterschiedliche Zone an der Blendenplatte erzeugt, welche sich vorzugsweise gegenseitig stabilisieren. Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweiten Blendenöffnungen bezüglich der Hauptströmungsrichtung stromabwärtsseitig der zumindest einen Blendenplatte zumindest teilweise abgedeckt sind, wobei der Grad der Abdeckung einstellbar ist.
Einstellbar soll in diesem Zusammenhang einerseits eine Möglichkeit zur Einstellung des Abdeckungsgrades der zweiten Blendenöffnungen in Abhängigkeit der variablen Verbrennungsparameter, wie der Brennkammer-Temperatur, den Volumenströmen, den Drücken etc., bedeuten, d.h. eine Steuerung oder Regelung des Abdeckungsgrades ist möglich. Andrerseits kann sich die Einsteilbarkeit auf die Anpassung des Abdeckungsgrades bei der Fertigung der zumindest einen Blendenplatte oder vor der Inbetriebnahme jeweils in Abhängigkeit des eigentlichen Anwendungsfalls.
Die Abdeckung der zweiten Blendenöffnungen kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung mechanisch über Klappwinkel eingestellt werden.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass durch die ersten Blendenöffnungen hindurch Brennstoff von je einer der Eindüsungsöffnungen in die Brennkammer zuführbar ist und dass durch die zweiten Blendenöffnungen hindurch Brennstoff von je zwei der Eindüsungsöffnungen in die Brennkammer zuführbar ist.
Günstig kann es sein, wenn innerhalb einer Blendenplatte unterschiedliche Verbrennungsstufen oder Verbrennungstypen stattfinden. Während es an den kreisförmigen, ersten Blendenöffnungen mit einer zugeordneten Eindüsungsöffnung zu einer fetteren Verbrennung kommt, herrscht an den vorzugsweise langlochförmigen, zweiten Blendenöffnungen optimalerweise eine magerere Verbrennung, die wiederum über die fettere Verbrennung stabilisiert wird.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die je zwei Eindüsungsöffnungen, welche durch eine zweite Blendenöffnung Brennstoff in die Brennkammer zuführen, gegenüber einer Längsmittelachse der langlochförmigen Blendenöffnung radial, bezogen auf die zentrale Längsachse, versetzt sind.
Dies kann den Vorteil haben, dass sich die Brennerflamme bzw. die Verbrennung im radial äußeren Bereich stabilisiert. Dies kann auch dadurch bedingt sein, dass es durch die radial versetzte Anordnung von langlochförmiger Blendenöffnung und den zwei Eindüsungsöffnungen an der radial innenliegenden Langseite der langlochförmigen Blendenöffnung zu einem größeren Strom des Oxidators kommt, d.h. an den langlochförmigen Blendenöffnungen entstehen an den radial außenliegen Langseiten heißere Strömungspfade, während sich radial innenliegend vorzugsweise die kälteren Strömungspfade ausbilden.
Anders gesagt, ist es besonders vorteilhaft, wenn der Mittelpunkt der entsprechenden Blendenöffnungen bzw. deren Mittelachse, bezogen auf die Umfangsrichtung der Blendenplatte, radial weiter innen angeordnet ist als der Mittelpunkt der zugeordneten Eindüsungsöffnung bzw. -Öffnungen, denn dadurch stellt sich eine stabile Flamme am äußeren Rand der Blendenplatte ein.
Dieser Effekt könnte des Weiteren auch, alternativ oder zusätzlich zu einem radialen Versatz der Blenden- und Eindüsungsöffnungen, durch Einschnürungen bzw. Vorsprünge, Aufweitungen oder dergleichen am äußeren und/oder inneren Rand der Blendenplatte erreicht bzw. gefördert werden.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Ableitkörper zur radialen Ableitung des Brennstoffs und/oder Oxidators bezüglich der Hauptströmungsrichtung stromabwärts im Wesentlichen mittig an der zumindest einen Blendenplatte angeordnet ist.
Der Ableitkörper kann beispielsweise in einer bevorzugten Ausgestaltung kegelstumpfförmig sein, wodurch vorteilhaft der Fluidstrom beim stromabwärtsseitigen Austritt aus der zumindest einen Blendenplatte durch den kegelstumpfförmigen Ableitkörper weiter radial nach außen geführt bzw. gedrängt wird, womit eine schnelle Durchmischung von Brennstoff und Oxidator gefördert wird.
Andere Geometrie sind aber auch vorstellbar, wie z.B. ein Rohr mit einem überstehenden Abschlussdeckelelement am stromabwärtsseitigen Ende.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Brennerkopf eine erste Blendenplatte, eine zweite Blendenplatte, eine erste Eindüsungsvorrichtung und eine zweite Eindüsungsvorrichtung aufweist. Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste und die zweite Blendenplatte ringförmig und die erste und die zweite Eindüsungsvorrichtung ringrohrförmig sind, wobei der Ringdurchmesser der zweiten Blendenplatte und der zweiten Eindüsungsvorrichtung größer ist als der Ringdurchmesser der ersten Blendenplatte und der ersten Eindüsungsvorrichtung, und wobei die zweite Blendenplatte und die zweite Eindüsungsvorrichtung radial, bezogen auf die zentrale Längsachse, zu der ersten Blendenplatte und der ersten Eindüsungsvorrichtung beabstandet sind.
Insbesondere sind die zweite Blendenplatte und die zweite Eindüsungsvorrichtung koaxial zu der ersten Blendenplatte und der ersten Eindüsungsvorrichtung angeordnet.
Vorteilhaft an dieser Ausgestaltung kann die zweistufige Verbrennung mit einer innenliegenden Pilotstufe, umfassend die erste Eindüsungsvorrichtung und die erste Blendenplatte, und einer außenliegenden Hauptstufe, umfassend die zweite Eindüsungsvorrichtung und die zweite Blendenplatte, sein, wobei die Eindüsungsvorrichtungen vorzugsweise den gleichen oder unterschiedliche Brennstoffe eindüsen können. Vorzugsweise sind die beiden Eindüsungsvorrichtungen dabei derart mit einer jeweils zugeordneten Brennstoffversorgung verbunden, dass ein Volumenstrom, ein Druck und/oder eine Dauer der Brennstoffzufuhr zur jeweiligen Eindüsungsvorrichtung voneinander unabhängig steuer- oder regelbar sind.
Optional kann eine Ausgestaltung mit einer weiteren Stufe dahingehend günstig sein, dass ein höheres Volumen an brennbarem Gemisch bereitgestellt wird.
Bei einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Blendenplatte eine Innenkreisscheibe umfasst oder mit einer solchen verbunden ist. Die Innenkreisscheibe ist insbesondere radial innenliegend und/oder beabstandet von der ersten Blendenplatte angeordnet und/oder über Stege mit derselben verbunden.
Über eine geeignete Dimensionierung der Innenkreisscheibe ist die Rezirkulation im stromabwärtsseitigen Gebiet vor dem Brennerkopf anpassbar. Zudem fungiert die Innenkreisscheibe vorzugsweise als Hitzeschild gegenüber der Brennstoffzufuhr. Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Blendenplatte und die erste Eindüsungsvorrichtung bezüglich der Hauptströmungsrichtung stromabwärts oder stromaufwärts der zweite Blendenplatte und der zweiten Eindüsungsvorrichtung angeordnet sind.
Vorteilhaft kann insbesondere eine Anordnung sein, bei welcher die erste Blendenplatte und die erste Eindüsungsvorrichtung stromabwärts vorgelagert sind, weil somit ein Aufklappen bzw. Öffnen der Strömung gefördert und ein Druckabfall gesenkt wird.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Anzahl der Blendenöffnungen der ersten Blendenplatte und der zweiten Blendenplatte unterschiedlich ist.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die und/oder Innenkontur der ersten Blendenplatte und der zweiten Blendenplatte unterschiedlich sind.
Sowohl die unterschiedliche Anzahl der Blendenöffnungen als auch die unterschiedlichen Konturen sorgen vorzugsweise dafür, dass eine Bildung von Wirbelstraßen unterbunden wird bzw. das Risiko für deren Bildung minimiert wird, womit vorzugsweise zugleich eine periodische Ablösung und damit verbunden auch eine Oszillation der Verbrennung verhindert wird. Ohne eine derartige periodische Ablösung ist der Ausbrand höher und damit auch die Abluftreinigung besser.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Blendenplatte, insbesondere die erste Blendenplatte und/oder die zweite Blendenplatte, zwei oder mehr Segmente umfasst, welche, bezogen auf die Umfangsrichtung der Blendenplatte, beabstandet zueinander angeordnet sind.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Blendenplatte zu der ersten Eindüsungsvorrichtung beabstandet angeordnet ist und dass die zweite Blendenplatte zu der zweiten Eindüsungsvorrichtung beabstandet angeordnet ist.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweiten Blendenöffnungen zumindest eine, vorzugsweise zumindest zwei Ausbuchtungen zur abschnittsweisen Verjüngung aufweisen. Unter dem Begriff "Ausbuchtung" ist in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen ein Bereich der jeweiligen Blendenplatte, Scheibe oder dergleichen zu verstehen, der heraus- oder hervorragt. Durch einen derart heraus- oder hervorragenden Bereich wird die betroffene Blendenöffnung abschnittsweise verjüngt oder der Abstand gegenüberliegender Elemente der Brennervorrichtung abschnittsweise verringert.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Flammrohr so in einem Leitrohr angeordnet ist, dass zwischen dem Flammrohr und dem Leitrohr ein Strömungskanal ausgebildet ist, welcher von einem Teil des Oxidators durchströmbar ist.
Die Aufteilung der Oxidatorströmung in einen primären Anteil, welcher den Brennerkopf und das Flammrohr durchströmt, und einen sekundären Anteil, welcher den ringförmigen Strömungskanal zwischen Leitrohr und Flammrohr durchströmt, beschleunigt vorzugsweise die schnelle Durchmischung des Brennstoffs und des Oxidators.
Bei einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Drallkörper mit ihren bezüglich der zentralen Längsachse radialen Kanten die Innenseite des Leitrohrs berühren.
Dies kann den Vorteil bieten, dass der sekundäre Anteil des Oxidators, welcher den ringförmigen Strömungskanal, der zwischen dem Leitrohr und dem Flammrohr ausgebildet ist, durchströmt, vollständig verdraht wird.
Es ist aber auch vorstellbar, dass die Drallkörper nicht bis an die Innenseite des ersten Leitrohrs heranreichen und so innerhalb des ringförmigen Strömungskanals ein nicht verdrehter Strömungspfad, welcher im Wesentlichen entlang der Innenseite des ersten Leitrohrs verläuft, und ein verdrehter Strömungspfad, welcher im Wesentlichen entlang der Außenseite des Flammrohrs verläuft, entsteht, wobei dies vorzugsweise zumindest für den stromaufwärtsseitigen Eingang des ringförmigen Strömungskanals gilt und/oder wobei es vorzugsweise stromabwärts bedingt durch die Strömungsdynamik zu einer Vermischung der Pfade kommt.
Bei einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann wiederum vorgesehen sein, dass das Leitrohr so in einem weiteren, zweiten Leitrohr bzw. Mantelrohr angeordnet ist, dass zwischen dem Leitrohr und dem Mantelrohr ein zweiter, ringförmiger Strömungskanal ausgebildet ist, welcher von einem Teil des sekundären Oxidatoranteils durchströmbar ist.
Somit entsteht in diesem zweiten, ringförmigen Strömungskanal eine Strömung eines Teils des sekundären Anteils des Oxidators, welche nicht verdraht ist. Die Aufteilung in einen verdrahten und einen nicht verdrahten sekundären Anteil des Oxidators verstärkt vorzugsweise im Ergebnis die Rezirkulation.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Strömungskanal zwischen dem Flammrohr und dem Leitrohr zumindest eine Bypass-Eindüsungsvorrichtung zur Eindüsung von Brennstoff angeordnet ist.
Durch die Bypass-Eindüsungsvorrichtung wird bereits im Strömungskanal Brennstoff mit einem Teil des Oxidators vermischt. Somit steigert die Bypass-Eindüsung die Verbrennung, wobei der Brennstoff, welcher mittels der Bypass-Eindüsungsvorrichtung eingedüst wird, der gleiche Brennstoff wie der über die Eindüsungsvorrichtung eingedüste Brennstoff sein kann oder aber auch ein von diesem verschiedener Brennstoff sein kann.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Strömungskanal zwischen dem Flammrohr und dem Leitrohr zumindest eine weitere Drallvorrichtung zur Verdrehung des Oxidators angeordnet ist.
Hierdurch wird die Durchmischung des durch die Bypass-Eindüsungsvorrichtung eingedüsten Brennstoffs und des durch den Strömungskanal strömenden Oxidatoranteils gefördert.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Bypass-Eindüsungsvor- richtung bezüglich der Hauptströmungsrichtung stromabwärts der zumindest einen weiteren Drallvorrichtung angeordnet ist.
Hierdurch wird der Brennstoff der Bypass-Eindüsungsvorrichtung in den verdrahten Oxi- datoranteil eingedüst, was zu einer verbesserten Durchmischung führt. Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Oxidator in den Strömungskanal mit einer Geschwindigkeit von 50 m/s bis 70 m/s, insbesondere von 60 m/s, eintritt.
Hierdurch wird kann vorteilhafterweise eine Jet-Strömung am Brennerkammereintritt realisiert werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß ferner durch die Verwendung einer Brennervorrichtung wie vorstehend beschrieben gelöst. Die Brennervorrichtung wird insbesondere zur Abgasreinigung und/oder Abluftreinigung verwendet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß ferner durch ein Verfahren zum Betrieb einer Brennervorrichtung gelöst, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Zuführen von Oxidator zu einem erfindungsgemäßen Brennerkopf zur Ausbildung mindestens eines Oxidatorstroms;
Zuführen von Brennstoff zu einer Eindüsungsvorrichtung des Brennerkopfs; und Eindüsen des Brennstoffs mittels der Eindüsungsvorrichtung des Brennerkopfs in den mindestens einen Oxidatorstrom.
Die Aufgabe kann erfindungsgemäß ferner durch ein Brennkammersystem mit zumindest einer Brennkammer und mit mindestens einer Brennervorrichtung wie vorstehend beschrieben gelöst werden, wobei die Brennervorrichtung an ihrem Außenumfang mit einem Boden der Brennkammervorrichtung verbunden ist.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennervorrichtung in die Brennkammer eingeschoben ist und außerhalb der Brennkammer befestigt ist, wobei zwischen dem Außenumfang der Brennervorrichtung und der Brennkammer ein Strömungskanal ausgebildet ist, welcher von einem Teil des Oxidators durchströmbar ist.
Hierdurch strömt, insbesondere bei einer Brennervorrichtung mit Leitrohr, ein Teil des Oxidators zum einen durch den Strömungskanal zwischen Flammrohr und Leitrohr und zum anderen durch den ringförmigen Spalt zwischen Leitrohr und dem entsprechenden Einschubbereich der Brennkammervorrichtung. Dieser ringförmige Spalt kann in Folge von Fertigungstoleranzen oder aber durch thermische Verformungen asymmetrisch ausgebildet sein. Durch das Vorsehen eines Leitrohrs ist dennoch eine symmetrische Strömung vom Flammrohr zur Öffnung der Brennkammervorrichtung vorherrschend.
Die Aufgabe kann erfindungsgemäß weiter auch durch eine thermische Abgasreinigungsanlage mit einer Brennervorrichtung wie vorstehend beschrieben gelöst werden.
Weitere bevorzugte Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
In den Figuren zeigen:
Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer Brennervorrichtung im Zusammenwirken mit einer Basiseinheit befestigt an einer Halterung;
Fig. 2 eine schematische perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer Brennervorrichtung;
Fig. 3 eine schematische perspektivische Schnittdarstellung der Ausführungsform aus Fig. 2;
Fig. 4a eine erste schematische perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Brennerkopfes;
Fig. 4b eine zweite schematische perspektivische Darstellung der ersten Ausführungsform eines Brennerkopfes;
Fig. 4c eine dritte schematische perspektivische Darstellung der ersten Ausführungsform eines Brennerkopfes;
Fig. 5 eine schematische perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer ersten und einer zweiten Blendenplatte;
Fig. 6 eine schematische perspektivische Schnittdarstellung eines Abschnitts der Ausführungsform eines Brennerkopfes aus Fig. 4a; Fig. 7 eine schematische Darstellung der Strömung zwischen einer Eindüsungsvorrichtung und einer Blendenplatte;
Fig. 8a eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform einer Eindüsungsvorrichtung;
Fig. 8b eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform einer Eindüsungsvorrichtung;
Fig. 8c eine schematische Schnittdarstellung einer dritten Ausführungsform einer Eindüsungsvorrichtung;
Fig. 8d eine schematische Schnittdarstellung einer vierten Ausführungsform einer Eindüsungsvorrichtung;
Fig. 9 eine schematische Schnittdarstellung einer fünften Ausführungsform einer Eindüsungsvorrichtung;
Fig. 10a eine schematische Draufsicht auf eine sechste Ausführungsform einer Eindüsungsvorrichtung;
Fig. 10b eine schematische Draufsicht auf eine siebte Ausführungsform einer Eindüsungsvorrichtung;
Fig. 11 eine schematische perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Brennerkopfes;
Fig. 12 eine schematische Seitenansicht der zweiten Ausführungsform eines Brennerkopfes aus Fig. 11 ;
Fig. 13 eine schematische perspektivische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines Brennerkopfes; Fig. 14 eine schematische perspektivische Darstellung einer vierten Ausführungsform eines Brennerkopfes;
Fig. 15 eine schematische perspektivische Darstellung einer fünften Ausführungsform eines Brennerkopfes;
Fig. 16 eine schematische Draufsicht auf die fünfte Ausführungsform eines Brennerkopfes aus Fig. 15;
Fig. 17 eine schematische perspektivische Teilansicht einer sechsten Ausführungsform eines Brennerkopfes;
Fig. 18 eine schematische perspektivische Teilansicht einer siebten Ausführungsform eines Brennerkopfes;
Fig. 19 eine schematische Schnittdarstellung einer achten Ausführungsform eines Brennerkopfes;
Fig. 20 eine schematische perspektivische Darstellung der Ausführungsform einer Brennervorrichtung im Zusammenwirken mit einer Basiseinheit aus Fig. 1 ; und
Fig. 21 eine schematische Seitenansicht der Ausführungsform einer Brennervorrichtung im Zusammenwirken mit einer Basiseinheit aus Fig. 20.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Brennervorrichtung 100 dargestellt, welche in Strömungsrichtung vor einer Basiseinheit 300 angeordnet ist, welche selbst an und/oder mittels einer Halterung 400 befestigt ist.
Auf die weiteren Elemente oder Baugruppen der Brennervorrichtung 100 und der Basiseinheit 300 wird im Zusammenhang mit den Fig. 20 und 21 näher eingegangen. Eine in Fig. 2 dargestellte, als Ganzes mit 100 bezeichnete Brennervorrichtung dient der Verbrennung von mindestens einem Brennstoff mit mindestens einem Oxidator.
Die Brennervorrichtung 100 ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch um eine zentrale Längsachse 102 ausgebildet, wobei eine Hauptströmungsrichtung 104 zumindest annähernd parallel zu der zentralen Längsachse 102 verläuft. Bezogen auf die Darstellung der Brennervorrichtung 100 in Fig. 2 ist die Hauptströmungsrichtung 104 von links nach rechts gerichtet.
Die Brennervorrichtung 100 umfasst ein Flammrohr 106, einen Brennerkopf 108 und ein Leitrohr 110. Der Brennerkopf 108 ist so in dem Flammrohr 106 angeordnet, dass das Flammrohr 106 den Brennerkopf 108 stromabwärts überragt.
Das Flammrohr 106 weist an seinem stromabwärtsseitigen Ende einen Diffusor 112 auf. Der Diffusor 112 ist geprägt durch eine stetige Querschnittserweiterung, beispielsweise mindestens ungefähr 15°, vorzugsweise mindestens ungefähr 25°, und/oder höchstens ungefähr 60°, insbesondere höchstens ungefähr 45°.
Das Flammrohr 106 ist in dem Leitrohr 110, welches aus Gründen der Sichtbarmachung darunter befindlicher Elemente in Fig. 2 transparent dargestellt ist, angeordnet, wobei das Leitrohr 110 in Richtung der zentralen Längsachse 102 kürzer ist als das Flammrohr 106.
Zwischen dem Flammrohr 106 und dem Leitrohr 110 ist ein ringförmiger Strömungskanal 114 ausgebildet, in welchen optional eine Bypass-Eindüsungsvorrichtung Brennstoff eindüsen kann, um diesen mit dem durchströmenden Oxidatoranteil zu vermischen.
Der Brennerkopf 108 umfasst eine erste Blendenplatte 116, eine zweite Blendenplatte 118 eine erste Eindüsungsvorrichtung 120, eine zweite Eindüsungsvorrichtung 122, eine Drallvorrichtung 123 mit mehreren Drallkörpern in Form von Drallplatten 124 sowie einen zentralen Hohlkörper 126, der in Fig. 2 nicht vollständig sichtbar ist.
Weitere Einzelheiten zum Brennerkopf 108 werden weiter unten mit Bezug auf Fig. 3 sowie Fig. 4a bis 4c beschrieben. Die Drallplatten 124 erstrecken sich vom zentralen Hohlkörper 126 durch schlitzförmige Öffnungen 128 im Flammrohr 106 bis zur Innenseite des Leitrohrs 110. Zudem weisen die Drallplatten an ihren stromaufwärtsseitigen Kanten jeweils einen Vorsprung 130 auf, welcher an die Innenseite des Leitrohrs 110 angrenzt.
Diese Vorsprünge 130 an den Drallplatten 124, welche auch als Flossen bezeichnen werden können, sollen den durchströmten Bereich, also den ringförmigen Strömungskanal 114 mit variablen Höhen beaufschlagen, d.h. es soll Einfluss auf die Flammenhöhe in Hauptströmungsrichtung 104 genommen werden, um die einhüllenden Heißzone zu verstärken.
Das Flammrohr 106 und der Brennerkopf 108 werden von einem primären Anteil des Oxidators, z.B. Primärluft, durchströmt. Der ringförmige Strömungskanal 114 wird von einem sekundären Anteil des Oxidators, z.B. Sekundärluft, durchströmt.
Der sekundäre Anteil des Oxidators, welcher den ringförmigen Strömungskanal 114 durchströmt, wird durch den im ringförmigen Strömungskanal 114 befindlichen Abschnitt der Drallplatten 124 verdraht und durch die Form des Diffusors 112 nach außen, d.h. von der zentralen Längsachse 102 weg, gelenkt bzw. aufgeklappt.
Durch dieses Aufklappen direkt am stromabwärtsseitigen Ende der Brennervorrichtung 100 wird eine schnelle Homogenisierung des Brenngemisches bewirkt und zudem werden vorzugsweise seitliche kalte Strähnen in der Hauptströmung stromabwärts der Brennervorrichtung 100 unterbunden.
Durch das Zusammenwirken des Diffusors 112 mit den Drallplatten 124 ist weniger Verdrehung, d. h. ein geringerer Neigungswinkel der Drallplatten 124 nötig, was zu einem niedrigeren Druckverlust führt.
Nicht dargestellt in Fig. 1 ist ein optionales Mantelrohr, welches das Leitrohr 110 umgibt. Auch zwischen dem Leitrohr 110 und dem Mantelrohr ist ein ringförmiger Strömungskanal ausgebildet, allerdings sind in diesem zweiten ringförmigen Strömungskanal keine Drallplatten angeordnet. Vielmehr ist der Teil des sekundären Anteils des Oxidators, welcher durch diesen zweiten ringförmigen Strömungskanal hindurchströmt, nicht verdraht. Eine Aufteilung des sekundären Anteils des Oxidators in einen verdrahten Anteil und einen nicht verdrahten Anteil dient der Verstärkung der Rezirkulation.
Es ist ferner vorstellbar, flüchtige organische Verbindungen (volatile organic compounds, kurz VOC) zwischen Flammrohr 106 und Leitrohr 110 und/oder zwischen Leitrohr 110 und Mantelrohr einzudüsen.
Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt der Brennervorrichtung 100 aus Fig. 2.
In Fig. 3 ist zu erkennen, dass es sich bei der ersten Eindüsungsvorrichtung 120 und der zweiten Eindüsungsvorrichtung 122 um Ringrohre handelt, welche jeweils mehrere Eindüsungsöffnungen 132 aufweisen, wobei diese Eindüsungsöffnungen 132 beispielsweise in Hauptströmungsrichtung 104 weisen.
Ferner werden die erste Eindüsungsvorrichtung 120 und die zweite Eindüsungsvorrichtung 122 durch Brennstoffzuleitungen 134 versorgt.
Die zweite Blendenplatte 118 weist an ihrer Außenkontur Zacken 136 auf, welche die Innenseite des Flammrohrs 106 berühren.
Die Fig. 4a bis 4c zeigen eine erste Ausführungsform eines Brennerkopfs 108, wie in Fig. 2 in der Brennervorrichtung 100 angeordnet dargestellt.
Jede der Drallplatten 124 hat an ihrer stromabwärtsseitigen Kante, also in der Fig. 4a an der nach rechts weisenden Kante, je eine Aufnahme 138 für die erste und die zweite Eindüsungsvorrichtung 120, 122.
Die erste Eindüsungsvorrichtung 120 ist zwischen den Drallplatten 124 und der ersten Blendenplatte 116 in den entsprechenden Aufnahmen 138 der Drallplatten 124 angeordnet und die zweite Eindüsungsvorrichtung 122 ist zwischen den Drallplatten 124 und der zweiten Blendenplatte 118 in den entsprechenden Aufnahmen 138 der Drallplatten 124 angeordnet.
Die erste Eindüsungsvorrichtung 120 kann auch als Pilotstufe und die zweite Eindüsungsvorrichtung 122 als Hauptstufe bezeichnet werden. Der Vorteil an einer Drallerzeugung bzw. Verdrehung des Oxidators nahe an der Eindüsung ist eine Minimierung der Druckverluste, welche wiederum zu niedrigeren Emissionen führen. Anders formuliert kann durch die Kombination der Drallplatten mit den Eindüsungsvorrichtungen 120, 122 die Geschwindigkeit des Oxidators durch einmalige Umlenkung direkt verwendet werden, was eine kompaktere Bauform ermöglicht.
Vorteilhaft ist es, wenn die erste Eindüsungsvorrichtung 120 entlang der zentralen Längsachse 102 stromabwärts der zweiten Eindüsungsvorrichtung 122 angeordnet ist, d.h. die erste Eindüsungsvorrichtung 120 oder auch Pilotstufe ist der zweiten Eindüsungsvorrichtung 122 vorgelagert. Infolgedessen wird das radiale Öffnen der Strömung gefördert und der Druckabfall weiter gesenkt.
Auch ist es vorstellbar, dass stromabwärts der ersten Eindüsungsvorrichtung 120 ein in den Brennraum des Flammrohrs 106 hineinragender Körper an die Innenkreisscheibe 142 angrenzt, vorzugsweise ein kegelstumpfförmiger Körper, dessen Seite mit dem kleineren Durchmesser stromaufwärts weist. Durch diesen zusätzlichen kegelstumpfförmigen Körper wird das radiale Aufweiten bzw. Umlenken der Strömung weiter gefördert. Zudem reduziert ein derartiger Körper die Rezirkulation am Austritt des Brennerkopfs 108 bzw. blockiert einen Teil des Rezirkulationsgebiets, wodurch ein Zusammengehen der Brennerflamme an der ersten und der zweiten Eindüsungsvorrichtung 120, 122 unterdrückt wird.
Die erste Blendenplatte 116 und die zweite Blendenplatte 118 sind jeweils mittels mehrerer Verbindungen 140, vorzugsweise mit Schraubverbindungen, an der ersten Eindüsungsvorrichtung 120 bzw. an der zweiten Eindüsungsvorrichtung 122 beanstandet und lösbar befestigt.
In Fig. 4b und insbesondere in Fig. 4c als Draufsicht auf den Brennerkopf 108 sind die Form und Ausgestaltung der ersten Blendenplatte 116 und der zweiten Blendenplatte 118 in einer besonders bevorzugten Ausführungsform sowie deren Anordnung über der ersten Eindüsungsvorrichtung 120 und der zweiten Eindüsungsvorrichtung 122 zu erkennen. Sowohl die erste Blendenplatte 116 als auch die zweite Blendenplatte 118 sind im Wesentlichen als Kreisringe ausgebildet. Die Kombination aus zweiter Blendenplatte 118 und zweiter Eindüsungsvorrichtung 122 weist einen größeren Durchmesser auf als die Kombination aus erster Blendenplatte 116 und erster Eindüsungsvorrichtung 120. Zudem sind beide Kombinationen radial voneinander beabstandet angeordnet und/oder koaxial miteinander ausgerichtet.
Bezüglich der ersten Blendenplatte 116 radial innenliegend und auf gleicher Ebene angeordnet ist vorzugsweise eine Innenkreisscheibe 142, welche über mehrere Stege 144, vorzugsweise über acht Stege 144, mit der ersten Blendenplatte 116 verbunden ist.
Die Innenkreisscheibe 142 in ihrer zentralen Position dient vorzugsweise als Hitzeschild bezüglich der Brennstoffzufuhr im Rezirkulationsgebiet.
Die erste Blendenplatte 116 und die zweite Blendenplatte 118 umfassen jeweils mehrere erste Blendenöffnungen 146, welche beispielsweise kreisförmig ausgebildet sind, und mehrere zweite, geometrisch verschiedene Blendenöffnungen 148, welche beispielsweise langlochförmig ausgebildet sind. Die kreisförmigen Blendenöffnungen 146 und die langlochförmigen Blendenöffnungen 148 sind entlang des Umfanges der Blendenplatten 116, 118 vorzugsweise alternierend angeordnet.
Die Blendenfläche der kreisförmigen Blendenöffnungen 146 ist geringer als diejenige der langlochförmigen Blendenöffnungen 148.
Durch die unterschiedliche Größe der Blendenflächen der Blendenöffnungen 146, 148 werden kleine und große Flammen und dementsprechend heiße und kältere Zonen erzeugt. Dies kann den Vorteil bieten, dass die Methanwerte im Brennraum drastisch reduziert werden.
Insbesondere mit Blick auf Fig. 4c ergibt sich, dass beispielsweise die langlochförmigen Blendenöffnungen 148 sich jeweils über zwei Eindüsungsöffnungen 132 erstrecken, wohingegen die kreisförmigen Blendenöffnungen 146 jeweils über nur einer Eindüsungsöffnung 132 angeordnet sind.
Hinzu kommt, dass die Eindüsungsöffnungen 132 der kreisförmigen Blendenöffnungen 146 gegenüber diesen zentriert sind, wohingegen die Eindüsungsöffnungen 132 der langlochförmigen Blendenöffnungen in Bezug auf die Längsachse der langlochförmigen Blendenöffnungen vorzugsweise radial nach außen versetzt sind, da der Biegeradius der jeweiligen Eindüsungsvorrichtung 120, 122 größer ist als der Biegeradius der zugehörigen langlochförmigen Blendenöffnungen 148. Letzteres sorgt dafür, dass die Verbrennung im äußeren Bereich der Brennervorrichtung 100 stabilisiert wird.
Durch die unterschiedliche Anzahl wirksamer Eindüsungsöffnungen 132 der kreisförmigen und der langlochförmigen Blendenöffnungen 146, 148 kommt es innerhalb der Blendenplatten 116, 118 zu zwei unterschiedlichen Verbrennungsverhältnissen. An den kreisförmigen Blendenöffnungen 146 kommt es zu einer fetteren Verbrennung, während an langlochförmigen Blendenöffnungen 148 magerer verbrannt wird, wobei die magerere Verbrennung über die fettere stabilisiert wird.
Die Blendenplatten 116, 118 fördern die Rezirkulation, indem sie den Oxidator in der Nähe der Eindüsungsvorrichtungen 120, 122 beschleunigen, wodurch es zu einer höheren Durchmischung des Oxidators und des Brennstoffes kommt. Die erhöhte Durchmischung ermöglicht eine Verbrennung bei geringerer Temperatur, was zu einer geringeren NOx-Emission führt. Die Verbrennung nahe der Blendenplatten 116, 118 stabilisiert die Volumenverbrennung.
Der Fig. 5 ist zu entnehmen, dass die zweite Blendenplatte 118 entlang ihrer Außenkontur bzw. ihres Außenumfangs Zacken 136 und entlang ihrer Innenkontur bzw. ihres Innenumfangs eckige Ausbuchtungen 150 aufweist. Zudem sind im unverbauten Zustand der zweiten Blendenplatte 118 die Bohrungen 152 für die Verbindungen 140 im Bereich einiger Zacken 136 sichtbar.
Die erste Blendenplatte 116 weist hingegen entlang ihrer Außenkontur bzw. ihres Außenumfangs runde Einbuchtungen 154 auf.
Es soll verstanden werden, dass sowohl die Außenkontur und/oder Innenkontur der ersten Blendenplatte 118 als auch die Außenkontur der ersten Blendenplatte 116 alternativ oder ergänzend einen stetigen Verlauf, wie beispielsweise ein wellenförmiger Verlauf, aufweisen können, welcher abschnittsweise den Abstand zum Flammrohr bzw. den Abstand zwischen erster und zweiter Blendenplatte 116, 118 verringert bzw. vergrößert. Dies hat zur Folge, dass Strömungsinstabilitäten sich gegenseitig weniger verstärken. Ferner ist festzustellen, dass die Anzahl der kreisförmigen und der langlochförmigen Blendenöffnungen 146, 148 in der ersten und der zweiten Blendenplatte 116, 118 unterschiedlich ist.
Durch die Unterschiede in der Außen- bzw. Innenkontur sowie der Anzahl der Blendenöffnungen 146, 148 ist gewährleistet, dass keine Wirbelstraßen entstehen und es zu keinen periodischen Ablösungen kommt, welche zur Oszillation in der Verbrennung führen können. Es folgt daraus ein höherer Ausbrand und dadurch auch eine verbesserte Abluftreinigung.
Mit den Darstellungen der Fig. 6 und Fig. 7 soll noch einmal verdeutlicht werden, dass mit Hilfe der Breite der langlochförmigen Blendenöffnungen 148 und der Breite eines Langlochinnenstegs 156, welcher im Wesentlichen parallel zu einem Langlochaußensteg 158 verläuft, sich die Zufuhr des Oxidators einstellen lässt, wodurch gleichzeitig Einfluss auf die Emission genommen werden kann. Es kann dadurch bewusst eine einhüllende, radial außen befindliche Heißzone erzeugt werden, wodurch der Ausbrand insgesamt erhöht wird. Eine derartige Einstellung der Breiten ist vorzugsweise nur an der zweiten Blendenplatte 118 vorzunehmen.
In Fig. 7 ist diesbezüglich ein heißer Strömungspfad 160 angedeutet, welche dadurch entsteht, dass der Raum zwischen dem Langlochaußensteg 158 und der zweiten Eindüsungsvorrichtung 122 gering ist und daher weniger Oxidator links um die zweite Eindüsungsvorrichtung 122 herumströmen kann. Anders verhält es sich auf der rechten Seite der Eindüsungsvorrichtung, d.h. auf Seiten des Langlochinnenstegs 156, wo mehr Raum für die Strömung vorhanden ist, sodass hier ein größerer Anteil an Oxidator vorbeiströmen kann, was durch die beiden kalten Strömungspfade 162a, 162b angedeutet ist. Im Ergebnis bildet sich außen eine einhüllende Heißzone.
In den Fig. 8a bis 8d werden unterschiedliche Ausführungsformen der Eindüsungsvorrichtungen 120, 122 bzw. der Eindüsungsöffnungen 132 sowie weitere Möglichkeiten einer zusätzlichen Eindüsung präsentiert.
In den Fig. 8a bis 8d verläuft die Hauptströmungsrichtung 104 in der Bildebene von unten nach oben. Während in Fig. 8a die Mittelachse der Eindüsungsöffnung 132 in Richtung der Hauptströmungsrichtung 104 weist, zeigt Fig. 8b eine Ausführungsform mit einer ersten Eindüsungsöffnung 132 in Hauptströmungsrichtung und einer zusätzlichen zweiten Eindüsungsöffnung 164, welche mit der Hauptströmungsrichtung 104 einen Winkel, der kleiner als 90° ist, einschließt. Die zweite Eindüsungsöffnung 164 düst Brennstoff vorzugsweise bezüglich der zentralen Längsachse 102 radial nach außen. Dadurch können zusätzlich heiße Verbrennungsbereiche erzeugt werden. Zudem verbessert eine zusätzliche radial nach außen gerichtete Eindüsung die Durchmischung; es kommt zu einer lokal vorgemischten Verbrennung.
Ferner lässt sich die Durchmischung dadurch steuern, dass Eindüsungsöffnung 132 gegenüber der Hauptströmungsrichtung 104 geneigt ist, also mit dieser einen Winkel einschließt, wie in Fig. 8c dargestellt.
Auch ist eine Ausführungsform möglich, bei welcher auf der Eindüsungsöffnung 132 ein Eindüsungsstutzen 166 bzw. Eindüsungslanzen angeordnet ist, dessen innerer Querschnitt sich beispielsweise bezüglich der Hauptströmungsrichtung 104 verjüngt, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit des ausströmenden Brennstoffs erhöht wird und es zu einer höheren bzw. schnelleren Durchmischung kommt.
In Fig. 9 ist eine weitere Ausführungsform einer Eindüsungsvorrichtung 120, 122 dargestellt. Die Darstellung zeigt einen Abschnitt einer Eindüsungsvorrichtung 120, 122, welcher in einer Ebene senkrecht zur zentralen Längsachse 102, die in der Bildebene von unten nach oben verläuft, wellenförmig oder zick-zack-förmig ausgebildet ist. Über die Wellenform lässt sich die Flammhöhe definierter Bereiche in Hauptströmungsrichtung 104 einstellen.
In den Fig. 10a und 10b sind weitere Ausführungsbeispiele einer Eindüsungsvorrichtung 120, 122 dargestellt.
In Fig. 10a ist die Rohringform um ein fluidisch verbundenes Innenrohrkreuz 168 erweitert worden, welches ebenfalls Eindüsungsöffnung 132 aufweist. Alternativ dazu kann eine Eindüsungsvorrichtung 120, 122 auch als Stern ausgebildet sein, wie der Fig. 10b zu entnehmen ist, welcher drei oder mehr, vorzugsweise vier Zacken 170 aufweist.
Mit Blick auf Fig. 10b ist aber auch vorstellbar, dass die Außenkontur der Eindüsungsvorrichtung 120, 122 alternativ einen stetigen Kurvenverlauf beliebiger Ausprägung aufweist, sodass auch hier auftretende Strömungsinstabilitäten an der Eindüsungsvorrichtung 120, 122 sich nicht gegenseitig verstärken.
In den Fig. 11 und 12 ist eine zweite Ausführungsform eines Brennerkopfs 108 gezeigt, welche sich dadurch von der ersten Ausführungsform unterscheidet, dass zum einen die zweite Blendenplatte 118 in fünf gleiche Segmente 172 unterteilt ist, welche bezogen auf die Umfangsrichtung der zweiten Blendenplatte 118 voneinander beabstandet angeordnet sind.
Zum anderen ist auch die erste Blendenplatte 116 unterteilt und zwar in vier gleiche Segmente 174, welche ebenfalls bezogen auf die Umfangsrichtung der ersten Blendenplatte 116 voneinander beabstandet angeordnet sind.
Die Anzahl der Segmente der ersten und der zweiten Blendenplatte 116, 118 kann auch größer oder kleiner als fünf bzw. vier sein, da die Anzahl der Segmente insbesondere von der Fertigbarkeit und der Montierbarkeit abhängt.
Die Segmente 172 bzw. 174 sind vorzugsweise im Bereich der zweiten, langlochförmigen Blendenöffnung 148 voneinander getrennt.
Vorstellbar ist auch, dass die erste Blendenplatte 116 in mehr als vier Segmente 174 oder weniger als vier Segmente 174 unterteilt ist, wobei die Segmente 174 der ersten Blendenplatte 116 gleich sein oder sich voneinander unterscheiden können. Gleiches gilt analog für die zweite Blendenplatte 118, welche gleichfalls in mehr oder weniger als fünf Segmente 172 unterteilt sein kann, wobei auch diese Segmente 172 gleich oder verschieden sein können.
Durch die entkoppelte Anordnung der Segmente 172 bzw. 174 tritt insgesamt weniger thermische Dehnung auf. Zudem fällt bei der Fertigung der vergleichsweise kleineren Segmente 172, 174 weniger Abfallmaterial an als bei der Fertigung einer durchgehenden ersten bzw. zweiten Blendenplatte 116, 118. In Ergänzung dazu sind zur Befestigung der Segmente 172, 174 mehr Verbindungen 140 erforderlich, wodurch die Fixierung der ersten und der zweiten Blendenplatte 116, 118 verbessert wird und ein Ausfall oder Versagen einer einzelnen Verbindung 140 besser kompensiert werden kann.
In den Fig. 11 und 12 ist außerdem die besonders bevorzugte Ausführungsform der Verbindungen 140 ersichtlich.
In dieser besonders bevorzugten Ausführungsform der Verbindungen 140 umfassen die Verbindungen 140 jeweils eine Schraube 176, eine Mutter 178 und einen Abstandshalter 180, welcher hülsenförmig ausgebildet ist.
Bevorzugt wird jedes Segment 172, 174 mit zwei oder mehr Paaren der Verbindungen 140 an der ersten bzw. der zweiten Eindüsungsvorrichtung 120, 122 befestigt, wobei die Verbindungen 140 der einzelnen Paare auf einander gegenüberliegenden Seiten der Eindüsungsvorrichtung 120, 122 angeordnet sind.
Die Muttern 178 sind seitlich an der ersten bzw. an der zweiten Eindüsungsvorrichtung 120, 122 befestigt, vorzugsweise angeschweißt.
Durch die Abstandshalter 180, welche vorzugsweise austauschbar oder wechselbar sind, kann der gewünschte Abstand zwischen Eindüsungsvorrichtung und Blendenplatte eingestellt werden. Somit ist auch die Oxidatorströmung um die Eindüsungsvorrichtungen 120, 122 und durch die Blendenplatten 116, 118 einstellbar.
Durch die Beabstandung der Blendenplatten 116, 118 und die seitliche Befestigung der Muttern 178 werden Schweißnähte oder Schweißpunkte auf der stromabwärtsseitigen, heißen Oberfläche der Eindüsungsvorrichtungen 120, 122 vermieden.
Die Schrauben 176 werden zur Befestigung des jeweiligen Segments 172, 174 in die zugehörige Mutter 178 eingeschraubt, wobei die für die jeweilige Verbindung 140 in den Blendenplatten 116, 118 vorgesehene Bohrung 152 zusätzlich ein zur Schraube 176 korrespondierendes Gewinde aufweisen kann. In Fig. 13 ist eine dritte Ausführungsform eines Brennerkopfs 108 dargestellt, welche sich von der zweiten Ausführungsform in den Fig. 11 und 12 durch die Art und Weise der Befestigung der Segmente 172, 174 an der jeweiligen Eindüsungsvorrichtung 120, 122 unterscheidet.
In der dritten Ausführungsform sind die Verbindungen 140 ebenso paarweise auf einander gegenüberliegenden Seiten der ersten bzw. der zweiten Eindüsungsvorrichtung 120, 122 angeordnet.
Die Verbindungen 140 umfassen in der dritten Ausführungsform ebenfalls eine Schraube 176, eine Mutter 178 und einen hülsenförmigen Abstandshalter 180.
Jede Schraube 176 eines Verbindungspaares greift durch eines der Segmente 172, 174 in einen zugeordneten U-förmigen Bügel 182 ein, welcher stromaufwärtsseitig gegen die erste bzw. die zweite Eindüsungsvorrichtung 120, 122 geführt ist und diese zumindest teilweise umgreift. Die beiden Schrauben 176 werden mittels der jeweiligen Mutter 178 an dem zugeordneten U-förmigen Bügel 182 gesichert. Die beiden zugehörigen Abstandshalter 180 des Verbindungspaares sind zwischen den Enden des U-förmigen Bügels 182 und dem entsprechenden Segment angeordnet, wodurch der Abstand zwischen diesem Segment und der ersten bzw. zweiten Eindüsungsvorrichtung 120, 122 eingestellt wird.
Die Bügel 182 können an der jeweiligen Eindüsungsvorrichtung 120, 122 fixiert sein, beispielsweise durch einen oder mehrere Schweißpunkte.
Alternativ sind die Bügel 182 entlang der Umfangsrichtung der ersten bzw. zweiten Eindüsungsvorrichtung 120, 122 zumindest teilweise verschieblich, wodurch ein weiterer Freiheitsgrad zur Reduzierung thermischer Spannung bereitgestellt wird. Die Beweglichkeit nicht fixierter Bügel 182 entlang der Umfangsrichtung kann durch Anschläge (nicht dargestellt), welche an der ersten bzw. zweiten Eindüsungsvorrichtung 120, 122 befestigt sind, begrenzt werden.
Die Bügel 182 sind vorzugsweise aus einem Metall gefertigt.
Über die Breite nicht fixierter Bügel 182 lässt sich der Reibwiderstand zwischen Bügel 182 und der ersten bzw. zweiten Eindüsungsvorrichtung 120, 122 einstellen. Hierdurch wird die Gefahr eines Verkippens des zugehörigen, mittelbar befestigten Segments 172, 174 um die Umfangsachse der ersten bzw. zweiten Eindüsungsvorrichtung 120, 122 reduziert.
Die Bohrungen 152 für die Verbindungen 140 in der ersten und zweiten Blendenplatte 116, 118 und auch die hülsenförmigen Abstandshalter 180 können mit einem Innengewinde korrespondierend zu den Schrauben 176 versehen sein.
In Fig. 14 ist eine vierte Ausführungsform eines Brennerkopfs 108 dargestellt, welche sich von der dritten Ausführungsform in Fig. 13 dadurch unterscheidet, dass Verbindungspaare aus zwei Schrauben 176, zwei Muttern 178 und zwei Abstandshaltern 180 einen Bereich eines der Segmente 172, 174 nicht mittels eines Bügels 182 an der ersten bzw. zweiten Eindüsungsvorrichtung 120, 122 sichern, sondern mittels eines Quersteges 184, welcher auf der dem Segment gegenüberliegenden, stromaufwärtsseitigen Oberfläche der Eindüsungsvorrichtung anliegt. Das entsprechende Segment 172, 174, die beiden Abstandshalter 180 eines Verbindungspaares und der zugehörige Quersteg 184 spannen dadurch im Inneren ein Rechteck auf.
Vorstellbar ist, dass die Abstandshalter 180 und/oder die Querstege 184 an der ersten bzw. zweiten Eindüsungsvorrichtung 120, 122 befestigt sind.
Ferner ist der Reibwiderstand zwischen Quersteg 184 und der ersten bzw. der zweiten Eindüsungsvorrichtung 120, 122 über die Größe der Auflagefläche des Querstegs einstellbar.
Alternativ oder ergänzend können die Segmente 172, 174 an der ersten bzw. zweiten Eindüsungsvorrichtung 120, 122 durch mehrere U-förmige Bleche (nicht dargestellt) gesichert sein. Diese U-förmigen Bleche sind, vergleichbar zu den Bügeln 182 aus Fig. 13, stromaufwärtsseitig gegen die erste bzw. die zweite Eindüsungsvorrichtung 120, 122 geführt und an dieser befestigt, beispielsweise durch eine Schweißverbindung. Die beiden Schenkel der U-förmigen Bleche, welche die jeweilige Eindüsungsvorrichtung 120, 122 auf einander gegenüberliegenden Seiten umgreifen, sind in einen stromabwärtsseitigen Abschnitt und einen stromaufwärtsseitigen Abschnitt unterteilt. Der jeweilige stromabwärtsseitige Abschnitt eines Schenkels ist zur Einstellung des Abstandes des jeweiligen Segments 172, 174 zur ersten bzw. zweiten Eindüsungsvorrichtung 120, 122 um die Schenkelachse verdreht, beispielsweise um 90 Grad. Die verdrehten, stromabwärtsseitigen Abschnitte der Schenkel sind durch entsprechende Öffnungen in dem jeweiligen Segment 172, 174 hindurchgeführt und werden auf der stromabwärtigen Seite des Segments 172, 174 umgebogen, um den eingestellten Abstand zu sichern.
In den Fig. 15 und 16 ist eine fünfte Ausführungsform eines Brennerkopfs 108 dargestellt, welche Maßnahmen zur Lärmreduzierung aufweist.
Erstens sind die zweiten, langlochförmigen Blendenöffnungen 148 der Segmente 172, 174 der ersten und der zweiten Blendenplatte 116, 118 beidseitig, d.h. am Langlochinnensteg 156 und am Langlochaußensteg 158 durch ein oder zwei Paare von Verbindungen 140 an der ersten bzw. zweiten Eindüsungsvorrichtung 120, 122 befestigt, wodurch die Langlochinnenstege 156 und Langlochaußenstege 158 an einem strömungsinduzierten Schwingen gehindert werden oder ein derartiges Schwingen zumindest reduziert wird.
Zweitens weisen die zweiten Blendenöffnungen 148 der ersten und der zweiten Blendenplatte 116, 118 eine oder mehrere Verjüngungen auf.
Die Verjüngungen werden durch sich paarweise gegenüberliegende Ausbuchtungen 186 der jeweiligen Blendenplatten 116, 118 erzeugt, die in Bezug auf die Außen- bzw. Innenkontur stetig oder unstetig, wie beispielsweise zackenförmig oder dergleichen, ausgebildet sein können, wobei sich vorzugsweise entlang der Umfangsrichtung der ersten und zweiten Blendenplatte 116, 118 die Anzahl der Verjüngungen und damit auch die Anzahl der Ausbuchtungen 186 benachbarter zweiter Blendenöffnungen 148 unterscheidet.
In den Fig. 15 und 16 weisen dementsprechend die zweiten Blendenöffnungen 148, welche durch zwei benachbarte Segmente 172, 174 gebildet werden, zwei Paare von Ausbuchtungen 186 auf, wohingegen die übrigen zweiten Blendenöffnungen 148 jeweils nur ein Paar Ausbuchtungen 186 aufweisen.
Die Ausbuchtungen 186 können sich direkt gegenüberliegen oder können auch versetzt zueinander anordnet sein.
Ferner können auch weitere Ausbuchtungselemente (nicht dargestellt) in den ringförmigen Spalt 188 zwischen der ersten und der zweiten Blendenplatte 116, 118 hineinragen. Drittens ist vorzugsweise auch die Innenkreisscheibe 142 entlang ihres Außenumfangs mit Ausbuchtungen 186 versehen, sodass verjüngte Abschnitte in dem ringförmigen Spalt 190 zwischen Innenkreisscheibe 142 der ersten Blendenplatte 116 ausgebildet werden.
Weitere Maßnahmen zur Lärmreduzierung sind vorstellbar, welche verursachen, dass im Bereich der ringförmigen Spalte 188, 190 sowie entlang der zweiten Blendenöffnungen 148 symmetrische und/oder unsymmetrische Verjüngungen ausgebildet werden.
Fig. 17 zeigt eine sechste Ausführungsform eines Brennerkopfs 108 mit einer Maßnahme zur Reduzierung von schwingungsinduziertem Lärm an den Spalten zwischen zwei benachbarten Segmenten 172 der zweiten Blendenplatte 118 oder zwei benachbarten Segmenten 174 der ersten Blendenplatte 116.
Bei einer zweiten Blendenöffnung 148, welche durch zwei benachbarte Segmente 172 oder zwei benachbarte Segmente 174 gebildet wird, ist der Langlochinnensteg 156 und der Langlochaußensteg 158 durch jeweils einen Spalt geteilt. Die dadurch entstehenden, freien Enden oder Teilstücke der Stege 156, 158 schwingen durch die Oxidatorströmung und erzeugen dadurch Lärm.
Zur Reduzierung dieses Lärms ist eine stromaufwärts gebogene Verlängerung 192 an einem Teilstück 194 des Langlochaußenstegs 158 vorgesehen, welche das andere Teilstück 196 des Langlochaußenstegs 158 zumindest teilweise überlappt oder überragt. Die Verlängerung 192 ist vorzugsweise ein Abschnitt des Teilstücks 194.
Alternativ zeigt Fig. 18 dazu - in einer siebten Ausführungsform eines Brennerkopfs 108 - ein plattenförmiges Element 198, welches auf der stromaufwärtsseitigen Oberfläche der beiden Teilstücke 194, 196 des geteilten Langlochaußenstegs 158 befestigt ist. Vorzugsweise ist das plattenförmige Element 198 gegen beide Teilstücke 194, 196 geschweißt. Ein derartiges Verschließen des Spaltes unterbindet gleichfalls ein Schwingen der beiden Teilstücke 194, 196 und infolgedessen auch die lokale Erzeugung von Lärm.
Ergänzend oder alternativ ist vorstellbar, dass die Spalte zwischen den Teilstücken des Langlochinnenstegs 156 und des Langlochaußenstegs 158 einer zweiten Blendenöffnung 148 auf der stromabwärtsseitigen Oberfläche durch ein gemeinsames, plattenförmiges Querelement (nicht dargestellt) abgedeckt sind. Das plattenförmige Querelement ist folglich zumindest annähernd senkrecht zu der Umfangsrichtung der jeweiligen Blendenplatte 116, 118 ausgerichtet.
Fig. 19 zeigt eine achte Ausführungsform eines Brennerkopfes 108, bei welcher die Segmente 172, 174 schwimmend an der jeweiligen Eindüsungsvorrichtung 120,122 angeordnet sind.
Wie beispielsweise in der zweiten Ausführungsform in Fig. 11 ersichtlich, formen zwei benachbarte Segmente 172, 174 zumindest annähernd eine zweite, langlochförmige Blendenöffnung 148 aus, wobei - wie beispielsweise in der siebten Ausführungsform in Fig. 18 zu erkennen ist - zwischen den Teilstücken des Langlochinnenstegs 156 und des Langlochaußenstegs 156 jeweils ein Spalt gebildet ist.
Die schwimmende Lagerung, welche vorzugsweise zwei benachbarte Segmente 172, 174 miteinander verbindet, wird dadurch erzeugt, dass an den angrenzenden Enden zweier benachbarter Segmente 172, 174 jeweils zwei einander gegenüberliegende Winkelelemente 200 an der jeweiligen Eindüsungsvorrichtung 120, 122 fixiert werden, vorzugsweise jeweils mittels einer Schweißverbindung 202.
Die Winkelelemente 200 weisen vorzugsweise drei Abschnitte auf, von denen - bezogen auf die Bildebene in Fig. 19 - die beiden äußeren Abschnitte zumindest annähernd in Richtung der zentralen Längsachse 102, d.h. vertikal, ausgerichtet sind, wohingegen der mittlere Abschnitt senkrecht zu den beiden anderen und damit zumindest annähernd parallel zur Flachebene der Blendenplatten 116, 118 ausgerichtet ist.
Die Winkelelemente 200 nehmen das zugehörige Segment 172, 174 stromabwärtsseitig auf und zwar vorzugsweise die jeweiligen Teilstücke des Langlochinnenstegs 156 und des Langlochaußensteg 158.
Die Teilstücke des Langlochinnenstegs 156 und des Langlochaußenstegs 158 weisen innenliegend eine Einbuchtung auf, d.h. eine abschnittsweise Ausnehmung des Segments. Die radiale Tiefe der Einbuchtung kann beispielsweise die Hälfte des jeweiligen Steges 156, 158 betragen, wohingegen die Erstreckung der Einbuchtung in Umfangsrichtung des jeweiligen Segments 172, 174 vorzugsweise ein Vielfaches der radialen Tiefe beträgt. Stromabwärtsseitig werden die angrenzenden Teilstücke des Langlochinnenstegs 156 durch ein Plattensegment 204 abgedeckt, welches vorzugsweise mittels einer Schweißverbindung 202 mit den beiden zugehörigen Winkelelementen 200 des Langlochinnenstegs 156 verbunden ist.
Analog werden die angrenzenden Teilstücke des Langlochaußenstegs 158 stromabwärtsseitig durch ein weiteres Plattensegment 204 abgedeckt, welches vorzugsweise mittels einer Schweißverbindung 202 mit den beiden zugehörigen Winkelelementen 200 des Langlochaußenstegs 158 verbunden ist.
Die Plattensegmente 204 sind des Weiteren auf der Innenseite der Stege 156, 158 mittels eines Bolzen 206 oder dergleichen mit den beiden zugehörigen Winkelelementen 200 verbunden.
Die Plattensegmente 204 tragen durch die Abdeckung der Spalte zwischen den Teilstücken der Stege 156, 158 zur Lärmreduzierung bei.
Durch eine derartige schwimmende Lagerung zweier benachbarter Enden zweier Segmente 172, 174 wird eine Bewegung der Segmente 172, 174 in Umfangsrichtung zugelassen, wodurch thermische Ausdehnungen insbesondere in Umfangsrichtung der Blendenplatten 116, 118 ausgeglichen werden können.
Die Fig. 20 und 21 zeigen eine Zündervorrichtung 302, welche vorzugsweise rohrförmig ausgebildet ist.
Die Zündervorrichtung 302 reicht von der Basiseinheit 300 in die Brennervorrichtung 100 und liegt, bezogen auf die Schwerkraftrichtung g, vorzugsweise von oben auf der ersten Blendenplatte 116 auf. Besonders bevorzugt ist die Zündervorrichtung 302 dabei von einer runden Einbuchtung 154 der ersten Blendenplatte 116 aufgenommen.
Dadurch, dass die Zündervorrichtung 302 auf der ersten Blendenplatte 116 aufliegt, ist gewährleistet, dass Abstand zur ersten Blendenplatte 116 möglichst kurz, womit eine Zündung von Falschluft zumindest erschwert ist. Die Zündervorrichtung 302 ist idealerweise derart angeordnet, dass sie, bezogen auf die Schwerkraftrichtung g, in der Basiseinheit 300 höher als in der Brennervorrichtung 100 angeordnet ist, wodurch die Zündervorrichtung 302 mit der zentralen Längsachse 102 einen Winkel a einschließt. Diese Schrägstellung verhindert, dass mögliches Kondensat, Verunreinigungen oder dergleichen von der Brennervorrichtung 100 durch die Zündervorrichtung 302 zurückfließen können.
Bezugszeichen
Brennervorrichtung zentrale Längsachse
Hauptströmungsrichtung
Flammrohr
Brennerkopf
Leitrohr
Diffusor erster ringförmiger Strömungskanal erste Blendenplatte zweite Blendenplatte erste Eindüsungsvorrichtung zweite Eindüsungsvorrichtung
Drallvorrichtung
Drallplatten zentraler Hohlkörper schlitzförmige Öffnung
Vorsprung
(erste) Eindüsungsöffnung
Brennstoffzuleitung
Zacken
Aufnahme
Verbindung
Innenkreisscheibe
Steg erste (kreisförmige) Blendenöffnung zweite (langlochförmige) Blendenöffnung eckige Ausbuchtung
Bohrung runde Einbuchtung
Langlochinnensteg
Langlochaußensteg heißer Strömungspfad kalter Strömungspfad zweite Eindüsungsöffnung 6 Eindüsungsstutzen 8 fluidisch verbundenes Innenrohrkreuz 0 Zacken 2 Segment 4 Segment 6 Schraube 8 Mutter 0 Abstandshalter 2 Bügel 4 Quersteg 6 Ausbuchtung 8 Spalt 0 Spalt 2 Verlängerung 94 Teilstück des Langlochaußenstegs96 Teilstück des Langlochaußenstegs98 Plattenförmiges Element 00 Winkelelement 02 Schweißverbindung 04 Plattensegment 06 Bolzen 00 Basiseinheit 02 Zündervorrichtung 00 Halterung g Schwerkraftrichtung

Claims

Patentansprüche Brennervorrichtung (100) zur Verbrennung von mindestens einem Brennstoff mit mindestens einem Oxidator, wobei die Brennervorrichtung (100) eine zentrale Längsachse (102) und eine zur zentralen Längsachse zumindest annähernd parallele Hauptströmungsrichtung (104) aufweist, und wobei die Brennervorrichtung (100) Folgendes umfasst: einen Brennerkopf (108) zur Zuführung von Brennstoff und/oder Oxidator zu einer Brennkammer, und ein Flammrohr (106), in welchem der Brennerkopf (108) angeordnet ist, wobei der Brennerkopf (108) Folgendes umfasst: zumindest eine Eindüsungsvorrichtung (120, 122) mit mehreren Eindüsungsöffnungen (132, 164) zur Eindüsung von Brennstoff, und zumindest eine Blendenplatte (116, 118) mit mehreren Blendenöffnungen (146, 148) für Brennstoff und/oder Oxidator, wobei die zumindest eine Blendenplatte (116, 118) bezüglich der Hauptströmungsrichtung (104) stromabwärts der zumindest einen Eindüsungsvorrichtung (120, 122) angeordnet ist; und/oder wobei die zumindest eine Blendenplatte (116, 118) mehrere unterschiedlich ausgebildete Blendenöffnungen (146, 148) umfasst; und/oder wobei die zumindest eine Eindüsungsvorrichtung (120, 122) mehrere unterschiedlich ausgebildete Eindüsungsöffnungen (132, 164) umfasst. Brennervorrichtung (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerkopf (108) weiter zumindest eine Drallvorrichtung (123) zur Verdrallung des durch den Brennerkopf (108) zugeführten Brennstoffs und/oder Oxidators umfasst, welche bezüglich der Hauptströmungsrichtung (104) zumindest teilweise stromaufwärts der zumindest einen Eindüsungsvorrichtung (120, 122) angeordnet ist. Brennervorrichtung (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Drallvorrichtung (123) mit der zumindest einen Eindüsungsvorrichtung (120, 122) verbunden ist oder einen Abstand zu der zumindest einen Eindüsungsvorrichtung (120, 122) aufweist, welcher konstant ist oder variabel einstellbar ist. Brennervorrichtung (100) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drallvorrichtung (123) mehrere Drallkörper (124) umfasst, welche zur Verdral- lung des durchströmenden Brennstoffs und/oder Oxidators gegenüber der Hauptströmungsrichtung (104) jeweils um eine radiale Achse, bezogen auf die zentrale Längsachse (102), geneigt sind. Brennervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Flammrohr (106) an seinem bezüglich der Hauptströmungsrichtung (104) stromabwärtsseitigen Ende mindestens einen Diffusor (112) ausbildet. Brennervorrichtung (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor (112) bezüglich der Hauptströmungsrichtung (104) stromabwärts eine stetige Querschnittserweiterung aufweist. Brennervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Eindüsungsvorrichtung (120, 122) erste Eindüsungsöffnungen (132) aufweist, deren Mittelachsen zumindest annähernd in die Hauptströmungsrichtung (104) weisen. Brennervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der ersten Eindüsungsöffnungen (132) einen in Hauptströmungsrichtung (104) hervorragenden Eindüsungsstutzen (166) aufweist. Brennervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Eindüsungsvorrichtung (120, 122) zweite Eindüsungsöffnungen (164) aufweist, deren Mittelachsen jeweils mit der Hauptströmungsrichtung (104) einen Winkel zwischen 0 Grad und 90 Grad einschließen. Brennervorrichtung (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Eindüsungsöffnungen (132) und die zweiten Eindüsungsöffnungen (164) unabhängig voneinander steuerbar sind. Brennervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Eindüsungsvorrichtung (120, 122) ein Rohrring, eine sternförmige, geschlossene Rohranordnung, ein Rohrring mit einem fluidisch verbundenen, innenliegenden Rohrkreuz (168) oder ein Rohrkreuz ist. Brennervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Blendenplatte (116, 118) erste Blendenöffnungen (146) und zweite Blendenöffnungen (148) aufweist und dass die ersten Blendenöffnungen (146) kreisförmige Blendenöffnungen sind und dass die zweiten Blendenöffnungen (148) elliptische, langloch- oder nierenförmige Blendenöffnungen sind. Brennervorrichtung (100) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Blendenöffnungen (148) bezüglich der Hauptströmungsrichtung (104) stromabwärtsseitig der zumindest einen Blendenplatte (116, 118) zumindest teilweise abgedeckt sind, wobei der Grad der Abdeckung einstellbar ist. Brennervorrichtung (100) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass durch die ersten Blendenöffnungen (146) hindurch Brennstoff von je einer der Eindüsungsöffnungen (132, 164) in die Brennkammer zuführbar ist, dass durch die zweiten Blendenöffnungen (148) hindurch Brennstoff von je zwei der Eindüsungsöffnungen (132, 164) in die Brennkammer zuführbar ist und dass die je zwei Eindüsungsöffnungen (132, 164), welche durch eine zweite Blendenöffnung (148) Brennstoff in die Brennkammer zuführen, gegenüber einer Längsmittelachse der langlochförmigen Blendenöffnung (148) radial, bezogen auf die zentrale Längsachse (102), versetzt sind. Brennervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ableitkörper zur radialen Ableitung des Brennstoffs und/oder Oxidators bezüglich der Hauptströmungsrichtung (104) stromabwärts im Wesentlichen mittig an der zumindest einen Blendenplatte (116) angeordnet ist. Brennervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerkopf eine erste Blendenplatte (116), eine zweite Blendenplatte (118), eine erste Eindüsungsvorrichtung (120) und eine zweite Eindüsungsvorrichtung (122) aufweist und dass die erste und die zweite Blendenplatte (116, 118) ringförmig und die erste und die zweite Eindüsungsvorrichtung (120, 122) ringrohrförmig sind, dass der Ringdurchmesser der zweiten Blendenplatte (118) und der zweiten Eindüsungsvorrichtung (122) größer ist als der Ringdurchmesser der ersten Blendenplatte (116) und der ersten Eindüsungsvorrichtung (120) und dass die zweite Blendenplatte (118) und die zweite Eindüsungsvorrichtung (122) radial, bezogen auf die zentrale Längsachse (102), zu der ersten Blendenplatte (116) und der ersten Eindüsungsvorrichtung (120) beabstandet sind. Brennervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Blendenplatte (116, 118), insbesondere die erste Blendenplatte (116) und/oder die zweite Blendenplatte (118), zwei oder mehr Segmente (172, 174) umfasst, welche, bezogen auf die Umfangsrichtung der Blendenplatte (116, 118), beabstandet zueinander angeordnet sind. Brennervorrichtung (100) nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Blendenplatte (116) zu der ersten Eindüsungsvorrichtung (120) beabstandet angeordnet ist, und dass die zweite Blendenplatte (118) zu der zweiten Eindüsungsvorrichtung (122) beabstandet angeordnet ist. Brennervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Blendenöffnungen (148) zumindest eine, vorzugsweise zumindest zwei Ausbuchtungen (186) zur abschnittsweisen Verjüngung aufweist. Brennervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Flammrohr (106) so in einem Leitrohr (110) angeordnet ist, dass zwischen dem Flammrohr (106) und dem Leitrohr (110) ein Strömungskanal (114) ausgebildet ist, welcher von einem Teil des Oxidators durchströmbar ist. Brennervorrichtung (100) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Strömungskanal (114) zwischen dem Flammrohr (106) und dem Leitrohr (110) zumindest eine Bypass-Eindüsungsvorrichtung zur Eindüsung von Brennstoff angeordnet ist. Brennervorrichtung (100) nach Anspruch 20 oder 21 , dadurch gekennzeichnet, dass in dem Strömungskanal (114) zwischen dem Flammrohr (106) und dem Leitrohr (110) zumindest eine weitere Drallvorrichtung zur Verdrallung des Oxidators angeordnet ist. Brennervorrichtung (100) nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypass-Eindüsungsvorrichtung bezüglich der Hauptströmungsrichtung (104) stromabwärts der zumindest einen weiteren Drallvorrichtung angeordnet ist. Brennervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidator in den Strömungskanal (114) mit einer Geschwindigkeit von 50 m/s bis 70 m/s, insbesondere von 60 m/s, eintritt. Verwendung einer Brennervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 24 zur Verbrennung mindestens eines Brennstoffs mit mindestens einem Oxidator. Verfahren zum Betrieb einer Brennervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 24, umfassend folgende Schritte:
Zuführen von Oxidator zu einem Brennerkopf (108) zur Ausbildung mindestens eines Oxidatorstroms;
Zuführen von Brennstoff zu einer Eindüsungsvorrichtung (120, 122) des Brennerkopfs (108); und
Eindüsen des Brennstoffs mittels der Eindüsungsvorrichtung (120, 122) des Brennerkopfs (108) in den mindestens einen Oxidatorstrom. Brennkammersystem mit zumindest einer Brennkammer und mindestens einer Brennervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei die Brennervorrichtung (100) an ihrem Außenumfang mit einem Boden der Brennkammer verbunden ist. Brennkammersystem mit zumindest einer Brennkammer und mindestens einer Brennervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei die Brennervorrichtung (100) in die Brennkammer eingeschoben ist und außerhalb der Brennkammer befestigt ist, wobei zwischen dem Außenumfang der Brennervorrichtung (100) und der Brennkammer ein Strömungskanal ausgebildet ist, welcher von einem Teil des Oxidators durchströmbar ist.
29. Thermische Abgasreinigungsanlage mit einer Brennervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 24.
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