NO147615B - Brennerhode for et brennkammer. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører et brennerhode for et brennkammer, omfattende en injeksjonsdyse for et fluid brennstoff, særlig for et flytende brennstoff, "forbundet til en trykkilde for brennstoffet og en gassmateledning forbundet til en trykk-kilde som inneholder oksygenholdig gass, hvor den nedstrøms ende av ledningen åpner til et brennerrom med i det vesentlige sylindrisk form.

Fordelene ved en forbrenning hvor det som oksygenholdig gass benyttes en viss andel av forbrenningsproduktgas-sen blandet med luft er velkjent. Denne resirkulasjon mulig-gjør at massestrømmen av forbrenningsproduktgass kan økes, mens man fastholder overskudd av luftmengde ved et meget lavt nivå. Fortynning av den nødvendige oksygen i en meget stor masse av gass senker flammetemperaturen. Denne type forbrenning mulig-gjør at dannelsen av N0x og sot blir redusert. Økningen i massestrømmen av gass på grunn av resirkulasjon av forbrennings-produktgassen muliggjør at varmebverføringseffektiviteten kan økes og massestrømmen til piperøret blir redusert.

På den annen side er flammen som resulterer i forbrenning av et forbrennbart fluidum i nærvær av en gass, hvor oksygenkonsentrasjonen er vesentlig mindre enn for luft, mye mindre stabil. For å motvirke denne effekt er det foreslått å innføre en sterk turbulent bevegelse i den oksygenholdige gass når den innføres. Størrelsen til den turbulente bevegelse som er nødvendig for å stabilisere flammen er større jo lavere oksygenkonsentrasjonen er. På denne måte utsettes det flytende brennstoff som er forstøvet i denne turbulente strøm for sen-trifugalkraft, slik at brennstoffdråper kastes mot brennkammer-veggen. Da temperaturen for denne vegg er mindre enn den ende-lige destillasjonstemperatur for det forstøvede brennstoff, vil en koks- og sotutfelling dannes på brennerutløpet.

Det er kjent brennere for fluide brennstoffer hvor brennerutløpet åpner til en flammeboks som er plassert i brennkammeret. Formålet med slike flammebokser er å hindre kontakt mellom brennstoffet og de ytre kjølte brennkammervegger og å be-grense den vesentlige del av forbrenningsprosessen til et lite rom i hvilket temperaturen kan innta et høyere nivå. Det vises

i denne forbindelse til U.S. patentene nr. 3319692, 2606604

og 40414639 og DE-OS 2250766, hvor flammeboksveggen er av me-tall, mens i U.S. patent nr. 2806517 og fransk patent nr. 2226056 det benyttes flammebokser av ildfast materiale.

Bortsett fra U.S. patentene nr. 2606604 og 3319692 foreslår alle de ovennevnte skrifter å øke tilbakeholdingstiden for oksygenholdig gass og brennstoffblanding i flammeboksen ved i boksen å indusere en turbulent bevegelse som er til-strekkelig stor til å danne ved sitt sentrum et sug som gir opphav til en toroidal hvirvel som således øker banelengden for gassblandingen i flammeboksen. Som imidlertid allerede anført vil- denne sterke turbulente bevegelse kaste forstøvede brennstoffdråper mot veggene til flammeboksen. I tillegg vil den indre resirkulasjon som induseres av den ringformede hvirvel dannet av turbulensen til en oksygenholdig gass bringe den kolde gassmating til boksen i direkte kontakt med veggen til flammeboksen*og således kjøle den. På grunn av dette vil dens temperatur være redusert, og en fullstendig' forbrenning av brennstoffet som kastes mot boksens flater forhindres, slik at disse brennstoffrester danner en koksutfelling som samles opp.

Det fremgår av de tidligere skrifter at hvor det er foreslått at den vesentlige del av forbrenningsprosessen skal finne sted i en flammeboks hvis vegger ikke kjøles utvendig, som i tilfelle av vanlige forbrenningskamre, så vil de fore-slåtte løsninger bare delvis oppfylle sin hensikt, da veggene kjøles fra innsiden av virkningen til den turbulente strøm av oksygenholdig gassblanding.

I U.S. patentene nr. 2606604 og 3319692 mates luft inn i flammeboksen uten turbulens. Ved U.S. patent nr. 2606604 benyttes en rekke av perforerte avbøyningsplater som er plassert på tvers av flammeboksens akse for å holde tilbake forbrennings-blandingen, slik at varmen som skriver seg fra deres forbrenning gjenoppvarmer blandingen etterhvert som den innføres for således å forbedre forbrenningen. Imidlertid er det ikke gitt noen forklaring med hensyn til den måte som den forbrennbare blanding strømmer inn i boksen eller hvorledes forbrenningen skrider frem. I U.S. patent nr. 3319692 er det ikke noen spesiell anordning for øking av tilbakeholdingstiden for den forbrennbare blanding i flammeboksen, idet bare en resirkulasjon utenfor flammeboksen blir indusert.

Ingen av disse metoder gir en tilfredsstillende løs-ning for problemet med brenning av fluidum, og særlig væskefor-met brennstoff med ytre resirkulasjon av avgassen, slik at forbrenningen er fullstendig og stabil under drift med bare et lite overskudd av luft.

Hensikten med foreliggende oppfinnelse er i hvert fall delvis å unngå de ovenfor nevnte ulemper.

Til dette formål er det ifølge oppfinnelsen foreslått et brennerhode for et brennkammer, omfattende en injeksjonsdyse for et fluid brennstoff, særlig et flytende brennstoff, forbundet til en trykkilde for brennstoffet, og en gassmateledning forbundet til en trykkilde for oksygenholdig gass, hvor den ned-strøms ende av ledningen åpner til et brennerrom med i det vesentlige sylindrisk form. Dette brennerhode er kjennetegnet ved at forbindelsesåpningen mellom ledningen og rommet er dimensjonert for dannelsen av et trykkfall på mellom 75 og 150 mm vann-søyle ved passasje av gassen, at diameteren til dette rom er mellom 2 og 6 ganger diameteren for åpningen, at en skive er plassert -ved utløpet fra brennerrommet i en avstand fra forbindelsesåpningen på 3,5 - 5,5 ganger diameteren for denne åpning og at diameteren til denne skive velges slik at det dannes et trykkfall på mellom 15 og 50 mm vannsøyle ved utløpet av brennerrommet .

Oppfinnelsen er i det følgende nærmere forklart ved hjelp av et utførelseseksempel som er fremstilt på tegningen som viser et aksialsnitt gjennom et brennerhode ifølge oppfinnelsen, montert ved innløpet til et brennkammer.

Brennerhodet som er yist omfatter alle komponenter

i en brenner, nemlig en brennstoffinjeksjonsdyse 1 plassert koaksialt i en mateledning 2 for en blanding av luft og resir-kulert forbrenningsproduktgass. Ledningen 2 utgjør utløpet til et spiralkammer 3 som er festet til tildekningen 4 på et brennkammer 5 og ender i brennkammeret over en sylindrisk boks 6

som utgjør brennerhodet, hvis detaljer er nærmere forklart ne-denfor .

Et fast bladsystem 7 i form av en ring kan plasseres ved utløpet til spiralkammeret 3. Skråstillingen for bladene i dette bladsystem er slik at de presser den oksygenholdige gassblanding inn i brennkammeret 5 med en lett skruelinjeformet eller hvirvlende bevegelse som bestemmes av et hvirveltall G^r.G^^ gitt av forholdet mellom strømmen uttrykt ved det kinetiske moment G$ som gis til gassen, og produktet av radien for brennerfordelingsåpningen r og strømmen uttrykt i kvantita-tiv aksial bevegelse G^. Dette tall velges fortrinnsvis mindre enn 0,2 og i ethvert tilfelle mindre enn den terskel over hvilken en toroidal hvirvel dannes av hvirveleffekten.

Alternativt kan den oksygenholdige gassblanding mates inn i den sylindriske boks 6 uten noen skruelinjeformet bevegelse .

I en modifikasjon vist med strekpunkterte linjer kan ledningen 2 som fører fra bladene 7 til dysen 1 bli oppdelt i to av en skillevegg 9, og bladene 7 på begge sider av denne skillevegg 9 kan skråstilles i motsatte retninger i forhold til hverandre for dannelsen av to strømmer som har skruelinjeformede bevegelser i motsatte retninger, og som kan blandes når de injiseres i boksen 6. Disse to skruelinjeformede bevegelser har en tendens til å kompensere hverandre når de blandes. Ved denne anordning er det mulig vesentlig å overskride det forut-angitte hvirveltall på 0,2 for hver strøm, men det totale hvirveltall må derved ikke overskride ca. 0,2 - 0,3. Denne modifikasjon har den fordel at den danner og gir en ekstra blanding ved kombinasjon av de to strømmer.

Boksen 6 i hvilken hoveddelen av forbrenningen gjen-nomføres omfatter en innløpsåpning 6a og en ringformet utløps-åpning 6b' anordnet rundt en skive 6c, som er festet konsentrisk til den sylindriske boks 6 ved hjelp av radielle armer 6d.

Dimensjonene for de forskjellige komponenter i den sylindriske boks 6 er viktige for oppnåelsen av en forbrenning som praktisk talt er fri for sot og CO ved drift med et luft-overskudd på 5 - 15 % og en avgassresirkulasjon på ca. 50 %,

og de er også viktige for å oppnå en stabil forbrenning, i å forhindre koksutfelling og for å oppnå en lett tenning.

Til dette formål må den oksygenholdige gassinnmating i den sylindriske boks 6 ha en høy hastighet for å frembringe det høye turbulensnivå som er nødvendig for å gi intens forbrenning. Prøver har vist at diameteren for åpningen 6a bør være av en slik størrelse at den gir et trykkfall på 75 - 150 mm vannsøyle. Under dette område er forbrenningen fattig, og over dette område er tenningen vanskelig.

Boksen 6 kan bli dimensjonert utgående fra diameteren til åpningen 6a. Dens aksielle lengde bør være mellom 3,5 og 5,5 ganger diameteren. Denne lengde er i realiteten valgt å være slik at den sentrale kjerne I til gasstrømmen som innføres i boksen 6 ikke berører skiven 6c. Lengden til denne sentrale kjerne er i størrelsesordenen 4-5 ganger diameteren for åpningen 6a i samsvar med mengden av hvirvel. Hvis skiven 6c er for nær åpningen 6a, vil kjernen I til den injiserte kolde gass komme i kontakt med skiven og deretter utstrekke seg radielt mot utsiden av den og således avkjøle den. På den annen side, hvis skiven 6c plasseres for langt borte fra åpningen 6a, vil flammen bli ustabil. Når skiven er i sin optimale stilling, er flammen stabil og skiven er så varm at dannelsen av karbon- eller koksutfellinger forhindres.

Skiven 6c behøver ikke plasseres ved enden av boksen 6. Den kan plasseres enten lett innenfor eller lett utenfor boksen 6 i samsvar med den form som det er nødvendig å gi flammen som forlater boksen 6 gjennom den ringformede åpning 6b.

Størrelsen til den ringformede åpning 6b velges for å indusere en resirkulasjon bak, dvs. nedstrøms for skiven 6c for å sikre forbrenning av restbrennstoff og for å holde C0-nivået så lavt som mulig. Til dette formål velges diameteren for skiven 6c slik at ringåpningen gir opphav til et trykkfall i størrelsesordenen 15-30 mm vannsøyle.

Diameteren for den sylindriske del av boksen 6 er mellom 2 og 6 ganger diameteren for åpningen 6a.

Tegningen viser forskjellige strømninger i den sylindriske boks 6 og ved boksens utløp. Vinkelen for brennstoff ørstøvningskonusen II ligger fortrinnsvis mellom 60 og 95°. Som det fremgår av tegningen dannes en resirkulasjon III rundt en turbulent sone IV som omgir den sentrale kjerne I til luft-strålen. Denne resirkulasjon III muliggjør at veggen til den sylindriske boks 6 blir oppvarmet til en temperatur på 600° - 800°C, ved hvilken temperatur boksen blir rød, og denne temperatur overskrider sluttemperaturen for destillasjonskurven for et lett brennstoff, slik at ingen utfelling kan fremstilles ved koksoppsamling.

En videre virkning av den ringformede resirkulasjon III er å bringe forbrenningsproduktene til basisen for luft-strålen som forlater åpningen 6a for således å forbedre flam-mestabiliteten.

Det skal bemerkes at denne toroidale hvirvelresirku-lasjon III har en rotasjonsretning, som er angitt med pilene, som er motsatt til retningen for rotasjonen som ville bli indusert av en intens hvirvel. Denne rotasjonsretning er viktig fordi i tilfelle av strålen vil rotasjonsretningen som induseres bevirke en resirkulasjon av varm forbrenningsgass som opp-varmer veggene til boksen 6. I motsetning hertil ville i tilfelle av en toroidal hvirvel indusert av en hvirvelbevegelse rotasjonsretningen være motsatt til den som er vist og således føre til.at kold gass som forlater åpningen 6a vil føres mot veggen til boksen 6 og derved føre til dannelsen av karbon- og koksutfellinger.

Claims (3)

1. Brennerhode for et brennkammer (5), omfattende en injeksjonsdyse (1) for et fluid brennstoff, særlig for et flytende brennstoff, forbundet til en trykkilde for brennstoffet og en gassmateledning forbundet til en trykkilde som inneholder oksygenholdig gass, hvor den nedstrøms ende av ledningen åpner til et brennerrom (6) med i det vesentlige sylindrisk form, karakterisert ved at forbindelsesåpningen (6a) mellom ledningen (2) og rommet (6). er dimensjonert for dannelsen av et trykkfall på mellom 75 og 150 mm vannsøyle ved passasje av gassen, at diameteren til dette rom (6) er mellom 2 og 6 ganger diameteren for åpningen, at en skive (6c) er plassert ved utløpet fra brennerrommet i en avstand fra forbindelsesåpningen (6a) på 3,5 - 5,5 ganger diameteren til åpningen, og at diameteren for denne skive (6c) er valgt slik at det' dannes et trykkfall på mellom 15 og 60 mm vannsøyle ved utløpet fra brennerrommet (6) .

2. Brennerhode ifølge krav 1, karakterisert ved at et hvirveldannende blad (7) er anordnet i mateledningen (2), at bladets skråvinkel og radien for forbindelsesåpningen (6a) velges slik at forholdet <Q>$ ligger under en grense på ca. 0,2, i hvilket forhold r er radien for forbindelsesåpningen (6a), G$ er fluksen for det kinetiske moment og Gx er fluksen for det aksiale moment for gassen gjennom åpningen.

3. Brennerhode ifølge krav 1, karakterisert ved at mateledningen (2) er oppdelt i to koaksiale ringformede deler, som hver er utstyrt med en hvirveldannende anordning (7) for respektivt dannelse av hvirvelbevegelser med et for-skjellig tall og/eller retning og valgt slik at det totale hvirveltall er mindre enn den terskel under hvilken en toroidal hvirvel vil bli dannet ved virkningen av den skruelinjeformede strøm av gassen.