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Verfahren und Vorrichtung zur Verbesserung des Verbrennungswirkungsgrades
bei Brennern Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbesserung der Flammencharakteristiken
unter Verwendung eines elektrostatischen Feldes auf Flammen, die durch Verbrennen
von Gasen, Dämpfen, Flüssigkeiten, Feststoffen und Mischungen solcher Substanzen
entstehen.
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Es ist seit über
100 Jahren bekannt, daß Flammen elektrisch
leitend sind. In der Vergangenheit hat man entdeckt, daß dieses Phänomen durch bestimmte
Ionenarten hervorgerufen wird. Die meistverbreitete Ansicht für die Bildung von
Ionen in Flammen legt folgenden Weg zugrunde:
| CH + 0 CHO+ + e- |
| CHO+ + H,20 CO + HäO+ |
In der Reaktionszone einer Flamme aus reinen Kohlenwasserstoffen können Konzentrationen
von 1012 bis 1014 lonenpaaren
je Kubikzentimeter erreicht werden.
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Bisher hat man elektrostatische Gleichstromfelder verwendet, um Flammen
zu beeinflussen. Der größte Nachteil beim Einsatz von Gleichstromfeldern besteht
darin, daß die Flamme zerstört und die meiste Energie dissipiert wird.
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Es ist auch bekannt, das zugeführte Brennstoff-Luft-Gemisch vor seinem
Entzündungspunkt durch ein elektrisches Wechselstromfeld zu ionisieren, dadurch
aufzuladen und gegebenenfalls zu beschleunigen, um die Zündung und Zerstäubung des
Gemisches zu verbessern.
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Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, die Flammencharakteristiken,
wie beispielsweise die Länge der Flamme, die Leuchtkraft der Flamme, die Färbung
der Flamme, und die Rußbildungstendenz durch Anwendung eines elektrostatischen Feldes
mit einem geringen Energieverlust auf die Flamme zu verbessern.
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Demgemäß besteht die Erfindung darin, bei einem Brenner, dessen Flamme
von einem von einander gegenüberliegend angeordneten Kondensatoren erzeugten elektrischen
Feld beeinflußt wird, die Kondensatoren an eine Wechselspannung mit einer Frequenz
zwischen 1 und 2000 Hertz, vorzugsweise zwischen 60 und
500 Hertz, anzulegen.
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Zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung dient ein Brenner,
bei dem ein als Hohlzylinder ausgebildeter Kondensator konzentrisch uni ein Brennerrohr
angeordnet ist, das stirnseitig einen Boden aufweist, den zentrisch ein Brennstoffzuführungsrohr
und exzentrisch ein Oxydationsmittelzuführungsrohr durchdringt und bei dem konzentrisch
innerhalb des Brennstoffzuführungskanals, isoliert vom Brennerrohr, eine den vom
Brennerrohr umschlossenen Flammenraum axial durchsetzende, den zweiten Kondensator
bildende Elektrode gelagert ist.
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Die Brennerflamme kann auch von zwei Schalen umgeben sein, die einen
metallischen Kern aufweisen, der seinerseits von einem Isoliermantel allseitig umschlossen
ist. Die Schalen stellen die Hälfte eines Hohlzylinders dar, wobei in der Trennfuge
zwischen den Schalen ein Abstand vorhanden ist. Dabei sind die metallischen Keine
als Kondensatoren an eine Wechselspannung angelegt.
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Der Erfffidungsgegenstand wird an Hand der in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsformen nachstehend näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 einen Schnitt
durch einen Brenner oremäß Anspruch 2, F i g. 2 und 3 eine Elektrodenanordnung
gemäß Anspruch 3, von der Seite und von oben gesehen, F i g. 4 ein
Schaubild der Helligkeit in Abhängigkeit der Feldstärke, F i g. 5 ein Schaubild,
in dem die Wirkung der Feldstärke auf eine Propandiffusionsflamme gezeigt ist, F
i g. 6 ein Schaubild, in dem die Wirkung eines Wechselstroms auf eine Propandiffusionsflamme
dargestellt ist, F i g. 7 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung
mit zwei Elektrodensätzen, von denen jeder verschiedene Frequenz hat.
In
F i g. 1 ist mit 1 eine Leitung bezeichnet, durch die der Brennstoff
aus einer Quelle zugeleitet wird. Die Brennstoffleitung tritt in eine Bohrung 2
ein, die in einen Kunststoffblock 3, beispielsweise eines Tetrafluoräthylen,
ausgebohrt ist. Der Block hat auch in vertikaler Richtung eine Bohrung, und darin
ist ein Glasbrennertubus 4 eingesetzt. Der Brennertubus endet in einer Düse
5, die einen Durchmesser von 2,2 mm hat. Der Brennertubus ist von einem Glasaufsatz
6 umgeben. Der Aufsatz hat einen Durchmesser von 10,16 cm und ist
50,8 cm lang. Der Boden des Aufsatzes ist von einem Gummistopfen
7 gebildet. Die Verbrennungsluft wird durch Leitung 8 zugeführt, die
durch den Stopfen hindurchgeht und am Boden einer Schicht aus Bleischrot
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endet. Diese Bleischrotschicht hat den Zweck, die Luft über die Querschnittsfläche
des Glasaufsatzes zu verteilen und eine ruhige Luftströmung vertikal durch den Aufsatz
zu bewirken. Eine Nickel-Chrom-Drahtelektrode 10 zieht sich von einem Befestigungspunkt
11 in dem Tetrafluoräthylenblock durch den Brenneraufsatz bis zu einem Befestigungspunkt
12 oberhalb des Glasaufsatzes. Beide Befestigungspunkte sind isoliert. Eine zylinderförmige
Kupferelektrode 13, die einen Durchmesser von 12,7 cm hat und
20,32 cm lang ist, umgibt den Glasaufsatz. In dieser Weise isoliert der Aufsatz
die Nickel-Chrom-Drahtelektrode 10 von der Kupferelektrode 13, und
dies hat zur Folge, daß praktisch kein Stromdurchfluß durch die Flamme 20 stattfindet.
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Wenn das Wechselstromfeld auf die Flamme angelegt werden soll, wird
der Schalter 14 geschlossen und dadurch der Transformator 15 aktiviert. Der
Wechselstromkreis wird dadurch geschlossen, daß Leitung 16 mit der Nickel-Chrom-Drahtelektrode
10
und Leitung 17 mit der zylindrischen Kupferelektrode 13 verbunden
werden. Als Transformator kann einer der verschiedenen Typen, mit denen sich eine
Feldstärke von 1 bis 500 kV erzielen läßt, eingesetzt werden. Ein
Voltmeter 18 ist über die Leitungen 16
und 17 angeschlossen,
und die Leitung 17 enthält ein Amperemeter 19.
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Die vorstehend beschriebene Vorrichtung wurde eingesetzt, um die Flammencharakteristiken
einer Propanflamme zu ändern. Propan wurde mit bestimmten gewählten Geschwindigkeiten
zwischen 0,05
und 15 1/min durch Leitung 1 der Düse
5 zugeführt. Die Zuströmung von Brennstoff und Luft wurde so eingeregelt,
daß die Flamme eine Länge zwischen 10,16 und 102 cm hatte. Es wurden sowohl
laminare als auch turbulente Flammen der Einwirkung eines Wechselstromfeldes unterworfen.
Mit einer turbulenten diffusen Flamme, die durch Verbrennen von 5 1 Propan
je Minute entstand, wurde gefunden, daß die Temperatur des Nickel-Chrom-Drahtes
10, gemessen mittels eines optischen Pyrometers, bei Einwirkung eines Feldes
von 500 V/cin von 9271 C auf 9821 C angestiegen war, wobei
eine Energiedissipation von 0,03 Watt auftrat.
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Das erfmdungsgemäß, eingesetzte Wechselstromfeld kann auf Gase, wie
beispielsweise Naturgas, Leuchtgas, Propan, Butan, Generatorgas und im allaemeinen
auf eine beliebige andere Art Verbrennungsgas, das genügend ionische Teilchen enthält,
die von einem Wechselstromfeld beeinflußt werden, zur Einwirkung gebracht werden.
Man kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auch mit dampfförmigen oder flüssigen
Brennstoffen arbeiten, die einen Siedebeginn zwischen 26,7 und
3711 C
vorzugsweise zwischen 26,7 und 204' C aufweisen, wie
beispielsweise Naphtha, Heizöl, Leichtbenzin, Kerosin, Teeröl, Erdölrückstand, Erdölrohöl
u. dgl. Die flüssigen Brennstoffe werden in der Regel durch Hitze verdampft oder
mittels Hindurchleiten durch eine Sprühdüse in eine Verbrennungszone in Form von
Dämpfen oder feinen Tropfen, Nebel oder Dunst versprüht. Die Brennstoffe können
mit Luft, Sauerstoff oder anderen oxydierenden Gasen vermischt werden, bevor sie
aus der Brennerdüse austreten, und dabei werden vergleichbare Ergebnisse erhalten,
wenn man das Feld darauf zur Einwirkung bringt. Feste Brennstoffe, wie beispielsweise
Kohle und Koks, können ebenso zur Flammenbildung verwendet werden.
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In F i g. 2 ist eine Ausführungsforin dargestellt, in der die
Flamme 50, die aus dem Brenner 51 austritt, zentral in einem elektrostatischen
Wechselstromfeld angeordnet ist. Die Elektroden 52 und 53
sind gebogen
und umgeben die Flamme teilweise, und sie haben etwa die gleiche Länge wie die Flamme.
Durch Leitung54 ist die eine Elektrode mit dem Transformator55 verbunden. Leitung56
verbindet die andere Elektrode mit dem Transformator. Die Elektroden werden durch
Einrichtungen in der gewünschten Lage zu der Flamme festgehalten.
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F i g. 3 zeigt, daß die Elektrode 52 überzogen oder
bedeckt ist mit einem elektrisch isolierenden Material 57. Die Elektrode
53 ist ebenfalls überzogen oder bedeckt mit einem isolierenden Material
58. Geeignete Isoliermaterialien sind nichtbrennbare Stoffe, wie beispielsweise
keramische Substanzen, Alundum usw.
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In der graphischen Darstellung der F i g. 4 ist auf der Abszisse
die Feldstärke und auf der Ordinate die Leuchtkraft aufgetragen. Die Werte wurden
unter Verwendung einer Vorrichtung, wie sie in F i g. 1
gezeigt worden ist,
ermittelt. Eine Photozelle wurde gegen die Flamme gerichtet aufgestellt. Die Spannung
wurde zwischen 0 und 10 kV variiert. Die Leuchtkraft der Flamme ist
die Menge an Licht, das von der Flamme abgegeben wird. Ausgedrückt als
Flammen-
qualität ist eine gelbe Flamme eine Flamme geringer Qualität
und eine blaue Flamme eine solche mit sehr hoher Qualität. Die in F i
g. 4 aüfgezeichneten Kurven zeigen, daß die Leuchtkraft von Propan-Diffusionsflammen,
die man durch Verbrennen von 11
bzw. 10 1 Propan je Minute erhält,
in dem Maße abnimmt, wie die Intensität des Wechselstromfeldes verstärkt wird.
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F i g. 5 gibt eine andere Methode, mit der sich die Wirkung
der Feldstärke auf die Flamme veranschaulichen läßt, wieder. Eine wie in F i
g. 1
gezeigte Vorrichtung wurde so modifiziert, daß damit Stickstoff dem Brenner
zugeführt werden konnte. Wenn man das Verhältnis von Propan und Luft so festlegt,
daß eine leuchtende (gelbe) Flamme entsteht, dann kann man durch Zusatz von Stickstoff
zu dem Brennstoff die Leuchtkraft der Flamme vermindern. Dies ist möglich, weil
durch die Zugabe von Stickstoff zu dem Propan eine verstärkte Turbulenz der Flamme
auftritt, was dazu führt, daß der Brennstoff mit der Luft wirksamer vern-)ischt
wird.
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Die Kurve zeigt, daß man, wenn man kein elektrisches Feld anlegt,
mehr als 1,7 1 Stickstoff je
Minute zu dem Propan zugeben muß, um eine
nichtleuchtende
Flamme zu erzielen. Es ist um so weniger Stickstoff
erforderlich, je höher die Stärke des Wechselstromfeldes ansteigt. Bei einer
Feldstärke von etwa 8 kV/cm stellt sich zur Erzielung einer nichtleuchtenden
Verbrennung erforderliche Stickstoffanteil auf etwa 1 1/min ein. Das Wechselstromfeld
wurde auch auf eine Flamme zur Einwirkung gebracht, die aus einem vorgemischten
Gas aus 0,5 1
Luft je Minute und 21 Propan je Minute
unter Einstellung der Sekundärluftzufuhr auf 2 1/min erzeugt wurde. Wenn das Feld
über einen Bereich von 0 bis 10 kV bei 60 Hertz verstärkt wurde,
nahm die Menge an erforderlichem Stickstoff ab. Diese Ergebnisse zeigen, daß die
feldunterstützte Verbrennung sowohl bei Diffusionsflammen als auch bei Flammen aus
vorgemischten Gasen verbesserte Ergebnisse bringt.
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In F i g. 6 ist der Effekt der Frequenzvariation auf die Menge
an erforderlichem Stickstoff aufgezeichnet. Wie zuvor im Zusammenhang mit F i
g. 5 erläutert, ist eine geringere erforderliche Stickstoffmenge ein Anzeichen
für verbesserte Verbrennung. Die Aufzeichnung läßt erkennen, daß Wechselstromfrequenzen
oberhalb 60 Hertz verbesserte Verbrennung bewirken. Frequenzen zwischen
1 und 2000 Hertz sind ausreichend, um erfindungsgemäß einsetzbare Felder
zu erzeugen, wobei Frequenzen von 60 bis 500 Hertz bevorzugt sind.
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In F i g. 7 ist eine Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht,
bei der zwei getrennte isolierte elektrostatische Wechselstromfelder mit verschiedenen
Frequenzen durch eine Flamme geschickt werden. Der Transformator 101 liefert
einen Wechselstrom von 60 Hertz der gewünschten Spannung, mit der sich ein
Feld zwischen einer Gruppe von parallelgeschalteten Elektroden, die mit der Referenznummer
102 bezeichnet ist, und einer anderen Gruppe von ebenfalls paraffelgeschalteten
Elektroden, die mit der Referenznummer 103 bezeichnet ist, einstellen läßt.
Ein zweiter Transformator 104 liefert einen 120-Hertz-Wechselstrom der gewünschten
Spannung, und damit läßt sich ein weiteres Feld zwischen einer Gruppe von parallelgeschalteten
Elektroden, die mit der Referenznummer 105 bezeichnet ist, und einer anderen
Gruppe von parallelgeschalteten Elektroden, die mit der Referenznummer
106
bezeichnet ist, aufbauen. Beide Elektrodengruppenpaare sind an gegenüberliegenden
Seiten der Flamme, die in vertikaler Richtung von dem Brenner 107 ausgeht,
angeordnet.
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Alle Elektroden sind mit einer Isolierung überzogen. Die Frequenz
der beiden Elektrodengruppenpaare kann gleichphasig oder ungleichphasig sein. Beispielsweise
kann, wenn ein Elektrodensatz eine Frequenz von 60 Hertz aufweist, der andere
Satz mit einer Frequenz von 120 Hertz oder auch mit 100,
160, 300 oder
mehr Hertz arbeiten. Es kann jede gewünschte Anzahl und jede beliebige Anordnung
von Elektrodensätzen in horizontaler oder vertikaler Ebene vorgesehen werden, und
man kann ein oder mehrere elektrostatische Felder vorsehen, deren Kraftlinien die
Flamme in einem beliebigen gewünschten Winkel schneiden.