NL9301845A - Brander voor gasvormige brandstof. - Google Patents

Description

BRANDER VOOR GASVORMIGE BRANDSTOF

De uitvinding heeft betrekking op een brander voor gasvormige brandstof met regelbaar brandstofdebiet, omvattende een mengkamer voor het mengen van de brandstof met een oxidatiegas, een verbrandingskamer voor het verbranden van het in de mengkamer gevormde gasmengsel en een scheidingswand tussen mengkamer en verbrandingskamer, welke scheidingswand is voorzien van een aantal doorstroomopeningen.

Het verbranden van het gasmengsel wekt akoestische trillingen op, welke bij de gebruikelijke branderconstructies versterkt worden en tot resonantie in het brandersysteem kunnen leiden. Uit DE-A-4014217 is een brander van het in de aanhef beschreven type bekend, waarbij middelen worden gebruikt voor het vermijden van resonantie van de brander. Het optreden van resonantie wordt vermeden door de frequentie, waarbij de afzonderlijke vlammen van de brander kunnen resoneren, verschillend te maken. In het bijzonder wordt dit bereikt door de doorstroomopeningen in een onregelmatig patroon te plaatsen of door de openingen te voorzien van een kraag met verschillende afmetingen.

De vlammen op de diverse openingen hebben aldus niet alleen een eigen resonantiefrequentie maar ook een eigen verbrandingsgedrag.

Bij moduleren van de brander zullen daarom delen van de brander reeds in een optimaal gebied kunnen komen, terwijl andere delen dat nog niet zijn. Dit kan de modulatiediepte van de brander in ongewenste mate beperken.

De uitvinding stelt zich tot doel een brander van het in de aanhef genoemde type te verschaffen waarbij deze nadelen worden vermeden.

Dit doel wordt volgens de uitvinding bereikt doordat de doorstroomopeningen de vorm hebben van kanalen, waarbij elk kanaal een eigen looptijd heeft voor akoestische golven die in principe verschilt van de looptijd van de andere kanalen.

De verschillen in looptijd geven aanleiding tot verschillen in fase van de resonanties in de afzonderlijke kanalen. Door deze onderlinge faseverschillen wordt positieve interferentie tussen de resonanties van de afzonderlijke kanalen voorkomen en zelfs treedt destructieve interferentie op met het effect dat de resonanties elkaar gaan dempen. Hierdoor daalt het in de brander opgewekte geluidsniveau aanzienlijk. Dit gunstige effect treedt op ongeacht het debiet van de gasstroom door de kanalen, zodat de doorsnede van de kanalen vrij gekozen kan worden, hetgeen van voordeel is, omdat aldus de verdeling van de stroming over de brander kan worden geoptimaliseerd.

Andere kenmerken en voordelen van de uitvinding zullen duidelijk worden uit de hiernavolgende beschrijving waarbij verwezen wordt naar het bij gevoegde tekeningenblad. Hierin is Fig. 1 een schematische doorsnede van een scheidingswand tussen een mengkamer en een verbrandingskamer volgens de uitvinding.

In figuur 1 is een scheidingswand 1 weergegeven die gebruikt kan worden tussen een mengkamer, schematisch aangegeven met 2, en een verbrandingskamer, schematisch aangegeven met 3. De scheidingswand omvat gezien vanuit de verbrandingskamer in de richting van de mengkamer achtereenvolgens een branderdek 5 waarin een groot aantal kleine gaatjes zijn aangebracht, waarop de eigenlijke verbranding plaatsvindt, een aantal naast elkaar geplaatste compartimenten 6, die elk een deel van de gaatjes in het branderdek van het te verbranden gasmengsel voorzien en waartussen geen drukuitwisseling plaatsvindt en een laag vulmateriaal 7. De branderlaag 5 dekt de compartimenten 6 aan de zijde van de verbrandingskamer af.

In het branderdek kan in principe ieder bekend branderdekmateriaal worden toegepast, zolang de afdichting van het branderdek met de compartimenten maar is verzekerd zodat het gasmengsel alleen via de gaatjes in het branderdek de verbrandingskamer kan bereiken.

Elk van de compartimenten 6 is verbonden met de mengkamer 2 via ten minste één kanaal 8 welke in het vulmateriaal 7 verloopt en in het compartiment uitmondt in een doorstroomopening 9. Alle kanalen dienen in hetzelfde vlak te eindigen aan de zijde van de mengkamer 2. De kanalen kunnen zijn uitgevoerd als, bij voorkeur buisvormige, uitsparingen in het vulmateriaal indien dit laatste een vormstabiel materiaal is, bijvoorbeeld keramisch materiaal of gips. Ook kunnen de kanalen zijn uitgevoerd als, bijvoorbeeld metalen, buisjes, waarbij het vulmateriaal dan naast bovengenoemde materialen ook lucht kan zijn.

De verschillen in looptijd voor akoestische golven worden in hoofdzaak geïntroduceerd door weglengteverschillen voor het gasmengsel in de afzonderlijke kanalen vanaf de mengkamer naar de verbrandingskamer. Deze weglengteverschillen kunnen worden geïntroduceerd door de geometrie van de kanalen geschikt te kiezen. In de eenvoudigste uitvoeringsvorm hebben de afzonderlijke kanalen een verschillende lengte, waarbij de kanalen zowel recht als gebogen kunnen zijn. Ook kunnen weglengteverschillen worden geïntroduceerd door in de kanalen op tegenoverliggende wanden verspringend schotten aan te brengen, waardoor het gasmengsel gedwongen wordt een zigzag patroon af te leggen. Door het aantal en de grootte van de schotten verschillend te kiezen voor de afzonderlijke kanalen, kunnen ook bij onderling gelijke lengte van de kanalen toch de gewenste looptijdverschillen worden teweeggebracht. In een verdere uitvoeringsvorm zijn de kanalen voorzien van schotten in een labyrintvormig patroon. In een verdere geschikte uitvoeringsvorm bestaat het geheel van vulmateriaal en kanalen uit een poreus materiaal, waarin de kanalen worden gevormd door de poriën in dat materiaal. Door plaatselijke verschillen in de hoeveelheid, grootte en vorm van de poriën aan te brengen kan de looptijd van het gasmengsel over het brander-oppervlak variëren.

In de in figuur 1 weergegeven uitvoeringsvorm verschillen de kanalen in lengte en zijn zij verschillend gebogen. Alle doorstroomopeningen kunnen in dit geval dezelfde grootte hebben, waardoor onderlinge verschillen in verbrandingsgedrag worden voorkomen. Het minimale lengteverschil tussen het kortste en het langste kanaal wordt bepaald door de te onderdrukken frequentie waarbij de gewenste fase-verschuiving moet kunnen optreden. De genoemde frequentie is afhankelijk van de dimensies van de brander en de samenstelling van het gasmengsel en kan eenvoudig experimenteel worden bepaald door geluidsmetingen aan een in bedrijf zijnde brander, waarin geen verschillen in de looptijd voor akoestische golven zijn aangebracht, bijvoorbeeld door enkel een branderdek te plaatsen tussen een mengkamer en een verbrandingskamer. Opgemerkt wordt dat de grootte van de verbrandingskamer de waarde van de resonantiefrequentie niet of nauwelijks beïnvloedt. Bij de meeste gangbare branders ligt de resonantiefrequentie voor het betreffende excitatiemechanisme, namelijk het verbranden van het gasmengsel, tussen de 300 en 1600 Hz.

Bij voorkeur komen alle fasen tussen 0 en 2π voor. In dat geval is bij een golf met willekeurig welke fase steeds ook een golf in tegenfase aanwezig, welke beide golven elkaar, afhankelijk van hun amplitudo in meer of mindere mate uitdoven. Het genoemde minimale lengteverschil dient daartoe ten minste 1 golflengte te bedragen. Bij voorkeur zijn de lengteverschillen van de overige kanalen ten opzichte van het kortste kanaal gelijkmatig gespreid tussen 0 en het lengteverschil tussen het langste en kortste kanaal. De faseverschillen zijn dan ook gelijkmatig gespreid en er treedt maximale destructieve interferentie op en daarmee maximale demping van de mogelijke resonantie.

Verrassenderwijs is gebleken, dat in een brander, waarin het grootste lengteverschil tussen het kortste en langste kanaal ongeveer 1/2 golflengte of zelfs minder bedraagt vrijwel volledige demping van de resonantie plaatsvindt, ondanks het feit dat in dat geval ten minste de helft van alle mogelijke fasen tussen 0 en 2π ontbreekt. Zo blijkt voor frequenties van ca. 1000 Hz een grootste lengteverschil van ca. 12-16 cm voldoende voor een reductie van het geluidsniveau van de resonantie met minstens 30 dB. Indien dit grootste lengteverschil te klein is, in het bijzonder kleiner dan 1/4 golflengte, treden de gewenste dempingsverschijnselen slechts in onbevredigende mate op. Bij voorkeur is daarom het lengteverschil tussen het kanaal met de grootse looptijd en het kanaal met de kleinste looptijd gelegen tussen 1/4 en een golflengte van een akoestische golf van de te onderdrukken frequentie.

Van bijzonder belang is dat de stromingsweerstand van de verschillende kanalen voor het te verbranden gasmengsel in hoofdzaak dezelfde is. Dit kan worden bereikt door de weerstandsverschillen, welke worden geïntroduceerd door de verschillen in weglengte voor het gasmensgel in de verschillende kanalen, te compenseren door de andere afmetingen van de kanalen, dan die welke de genoemde weglengte beïnvloeden, voor de verschillende kanalen verschillend te kiezen. Bij voorkeur wordt de doorsnede van de kanalen met dit doel verschillend gekozen. Desgewenst kan per kanaal deze doorsnede variëren over de lengte van dat kanaal.

De uitvinding zal worden toegelicht aan de hand van het navolgende voorbeeld.

Voorbeeld I

Een brander van het type weergegeven in figuur 1, waarin de branderlaag 1 cm dik is en welke ongeveer 100 doorstroomopeningen bezit, die gezamenlijk 20 % van de oppervlakte van de branderlaag uitmaken maar waarin de kanalen en het vulmateriaal ontbreken, wordt aangebracht tussen een verbrandingskamer en een mengkamer met een diepte van 5 cm. Het verkregen brandersysteem wordt gebruikt voor het verbranden van een aardgas-luchtmengsel. Het geluidsspectrum aan de buitenwand wordt opgemeten. Dit spectrum vertoont een piek bij ongeveer 1050 Hz. De hiermee corresponderende golflengte voor akoestische golven bedraagt 32,3 cm. Het geluidsniveau, gemeten aan de buitenwand van de verbrandingskamer bedraagt 100 dB.

De beschreven brander wordt gemodificeerd tot een brander volgens de uitvinding door tussen de branderlaag en de mengkamer een scheidingslaag aan te brengen, bestaande uit een laag van 4 cm, waarin 10 aluminiumbuisjes verlopen, die elk uitmonden in een doorstroomopening. De luchtlaag is gasdicht afgescheiden van de mengkamer door een aluminiumplaat, waarin de kanalen uitmonden, zodat het aardgas-luchtmengsel het branderdek slechts kan bereiken via de kanalen.

Het verschil tussen het kortste en het langste kanaal bedraagt 13 cm, wat overeenkomt met 0,4 golflengte. De lengtes van de overige kanalen zijn gelegen tussen die van het kortste en het langste kanaal, waarbij het lengteverschil tussen elk kanaal en het naasthogere in lengte gemiddeld 1,3 cm bedraagt. Bij verbranding van het genoemde aardgas-luchtmengsel onder identieke omstandigheden als bij de niet-gemodificeerde brander bedraagt het geluidsniveau 40 dB. Dit stemt overeen met een reductie in geluidsniveau van 60 dB, als gevolg van de aanwezigheid van de kanalen met verschillende looptijd voor akoestische golven in de brander.

Claims (6)

1. Brander voor gasvormige brandstof met regelbaar brandstofdebiet, omvattende een mengkamer voor het mengen van de brandstof met een oxidatiegas, een verbrandingskamer voor het verbranden van het in de mengkamer gevormde gasmengsel en een scheidingswand tussen mengkamer en verbrandingskamer, welke scheidingswand is voorzien van een aantal doorstroomopeningen, met het kenmerk, dat de doorstroomopeningen de vorm hebben van kanalen, waarbij elk kanaal een eigen looptijd heeft voor akoestische golven die in principe verschilt van de looptijd van de andere kanalen.

2. Brander volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de kanalen onderling verschillende lengte hebben.

3. Brander volgens conclusie 2, waarbij het lengteverschil tussen het kanaal met de grootse looptijd en het kanaal met de kleinste looptijd is gelegen tussen 1/4 en een golflengte van een akoestische golf van de te onderdrukken frequentie.

4. Brander volgens een der conclusies 1-3, met het kenmerk, dat de kanalen onderling verschillende doorsnede hebben.

5. Brander volgens een der conclusies 1-4, met het kenmerk, dat de kanalen een over de lengte variërende doorsnede hebben.

6. Brander volgens een der conclusies 1-5, met het kenmerk, dat de inwendige weerstand van de kanalen onderling op een andere wijze wordt gevarieerd.