EP0899508A1 - Burner for a heat producing device - Google Patents
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- F23C2900/07002—Premix burners with air inlet slots obtained between offset curved wall surfaces, e.g. double cone burners
Definitions
- the present invention relates to a burner for a heat generator according to Preamble of claim 1.
- the invention seeks to remedy this.
- the invention as set out in the claims is characterized, the task is based on a burner at the beginning to propose precautions by which a perfect premix of the fuel used is guaranteed, while maintaining an operationally reliable and optimal flame positioning.
- the injection of the fuel is proposed on a certain radius from the burner axis.
- the main advantages of the invention are that enrichment the central zone is prevented, and the fuel drops increasing radius within the premixing section a stronger radial acceleration are exposed in such a way that they enter into the Can mix in combustion air well.
- the number of injection points is adapted to the burner design, at least one injection per bowl or scoop is to be provided.
- Fig. 1 shows the overall structure of a burner.
- a swirl generator 100 effective, the design of which is shown in more detail in the following FIGS. 2-5 is shown and described.
- This swirl generator 100 is a cone-shaped structure that tangentially inflows several times from a tangentially Combustion air flow 115 is applied.
- the one forming here Flow is provided based on a swirl generator 100 downstream Transition geometry seamlessly transferred into a transition piece 200, that no separation areas can occur there.
- the configuration of this Transition geometry is described in more detail in FIG. 6.
- This transition piece 200 is on the outflow side of the transition geometry through a pipe 20 extended, both parts of the actual mixing tube 220, also mixing section called, form the burner.
- the mixing tube 220 can be made from one consist of only one piece, i.e. then that the transition piece 200 and Tube 20 are fused into a single coherent structure, keeping the characteristics of each part. Become a transition piece 200 and tube 20 created from two parts, so these are by one Socket ring 10 connected, this head side as an anchoring surface for serves the swirl generator 100. Such a sleeve ring 10 also has the Advantage that different mixing tubes can be used. Outflow side of the tube 20 is the actual combustion chamber 30, which is here is only symbolized by the flame tube.
- the mixing tube 220 fulfills that Condition that a defined mixing section is provided downstream of the swirl generator 100 in which a perfect premixing of different fuelskind is achieved.
- This mixing section ie the mixing tube 220, enables the further a loss-free flow control, so that there is also an operative connection cannot initially form a backflow zone with the transition geometry, with which over the length of the mixing tube 220 to the quality of the mixture for all types of fuel Influence can be exercised.
- This mixing tube 220 has another another property, which then is that in the mixing tube 220 itself Axial velocity profile has a pronounced maximum on the axis, so that the flame cannot be re-ignited from the combustion chamber. Indeed it is correct that with such a configuration this axial speed drops to the wall.
- the mixing tube 220 becomes a number in the flow and circumferential directions regularly or irregularly distributed holes 21 different Provide cross sections and directions through which an amount of air enters the interior of the mixing tube 220 flows, and along the wall in the manner of a film induce an increase in speed.
- the flow cross section of the Mixing tube 220 downstream of the transition channels 201 which are already mentioned transition geometry form, undergoes a narrowing, whereby the entire speed level within the mixing tube 220 is raised becomes.
- these bores 21 run at an acute angle the burner axis 60.
- the outlet corresponds to the transition channels 201 the narrowest flow cross section of the mixing tube 220.
- transition channels 201 therefore bridge the respective cross-sectional difference, without negatively influencing the flow formed. If the chosen precaution in guiding the pipe flow 40 along the Mixing tube 220 triggers an intolerable pressure loss, can counteract this Remedy can be created by not at the end of the mixing tube in the figure shown diffuser is provided. At the end of the mixing tube 220 closes a combustion chamber 30, wherein between the two flow cross sections a cross-sectional jump is present. Only here does a central backflow zone form 50, which has the properties of a flame holder. Forms there is a flow within this cross-sectional jump during operation Edge zone, in which by the prevailing negative pressure Vertebral detachments occur, this leads to an increased ring stabilization the backflow zone 50.
- the combustion chamber 30 has a number of openings at the end 31 through which an amount of air jumps directly into the cross section flows, and there lower others help that the ring stabilization of the Backflow zone 50 is strengthened.
- the Generation of a stable backflow zone 50 also a sufficiently high one Twist number in a pipe required. If this is initially undesirable, you can stable return flow zones through the supply of small, strongly swirled air flows generated at the end of the tube, for example by tangential openings become. It is assumed here that the amount of air required for this in is about 5-20% of the total air volume.
- Fig. 2-5 The configuration of the tear-off edge at the end of the mixing tube 220 is shown in FIG. 7 described in more detail.
- the first part of the burner according to FIG. 1 forms the swirl generator shown in FIG. 2 100.
- This consists of two hollow conical partial bodies 101, 102, which are nested in a staggered manner.
- the number of conical Partial body can of course be larger than two, like the examples 4 and 5 show.
- the number of conical partial bodies depends in each case depends on which operating mode is used. It is with certain operating constellations not ruled out a single spiral Provide swirl generator.
- the offset of the respective central axis or longitudinal symmetry axes 201b, 202b of the tapered partial bodies 101, 102 to one another creates a mirror image of the neighboring wall, one tangential channel each, i.e. an air inlet slot 119, 120 (FIG.
- the cone shape of the partial body shown 101, 102 in the flow direction has a certain fixed angle.
- the partial bodies 101, 102 in Flow direction have an increasing or decreasing cone inclination, similar to a trumpet or Tulip. The latter two forms are not recorded in the drawing, since they can be easily understood by the expert are.
- the two conical partial bodies 101, 102 each have a cylindrical one Initial part 101a, 102a, which also, analogous to the conical partial bodies 101, 102, run offset from one another, so that the tangential air inlet slots 119, 120 are present over the entire length of the swirl generator 100.
- a main nozzle 103 In the area of the cylindrical initial part is a main nozzle 103, preferably for one liquid fuel 112 housed.
- the fuel is introduced into the cone cavity 114 here a decentralized injection, which is carried out by a number of nozzle pipes 104 becomes.
- the angle of the fuel jet formed from these nozzle tubes 104 105 compared to the burner axis corresponds approximately the tapered course of the partial bodies 101, 102. If the swirl generator is characterized by an in blade configuration acting on a plane, the angle corresponds the fuel jet 105 the angle of attack of the blades compared to the Combustion chamber axis. In this connection, reference is made to FIG. 8.
- the preferably to be provided injection position of the fuel jet 105 with respect the inflow level of the combustion air 115 is closer to Fig. 3-5 explained.
- the injection capacity and injection type of the individual nozzle pipes 104 depends on the given parameters of the respective burner. Each depending on the burner size, turbulence-assisted Provide pressure atomization nozzle for the individual nozzle tubes 104, the Injection pressure to achieve good atomization qualities be around 100 bar should.
- the length of the nozzle tubes 104 is the required injection radius adjust, but should not be more than 1/4 of the partial body, respectively. Blade length (Fig. 8), otherwise there is an inherent risk that during operation with gaseous fuels, the nozzle tubes 104 act as a flame holder. For long partial body or blades (Fig. 8) a decentralized injection must be provided, in which the nozzle tubes 104 directly from the partial body, respectively. Shovels (Fig. 8) emerges in the wake flow.
- the fuel can be targeted Zones of high air velocity are sprayed.
- a company can also be operated Maintained with minimized pollutant emissions without the addition of water gets along. It is then essential that the fine atomization is connected with a high fuel pulse, good conditions for rapid evaporation of fuel as well as maximized premix.
- the swirl generator 100 can be purely conical, that is to say without a cylindrical one Initial parts 101a, 102a.
- the tapered partial bodies 101, 102 have furthermore each have a fuel line 108, 109 which runs along the tangential Air inlet slots 119, 120 arranged and with injection openings 117 are provided, by means of which a gaseous fuel 113 in preferably the combustion air 115 flowing through there is injected, as is the case with the arrows 116 want to symbolize.
- These fuel lines 108, 109 are preferred at the latest at the end of the tangential inflow, before entering the cone cavity 114, placed this in order to obtain an optimal air / fuel mixture.
- the fuel 112 fed through the main nozzle 103 is concerned as mentioned, it is normally a liquid fuel, one of which is Mixture formation with another medium is easily possible.
- the combustion air 115 additionally preheated, or for example with a recycled flue gas or exhaust gas enriched, this supports sustainably the vaporization of the liquid fuel 112 within the length of the burner pre-mixing section before this mixture in the downstream Combustion stage flows.
- liquid fuels should be supplied via lines 108, 109.
- a reduction in tangential air inlet slots 119, 120 the faster formation of a backflow zone already in the area of the swirl generator favored.
- the axial speed within the swirl generator 100 can be by a corresponding supply of an axial combustion air flow 115a change, this air inflow being held so that the Fuel jet 105 is not affected or negatively influenced.
- a corresponding Swirl generation prevents the formation of flow separations within the the mixing tube 100 downstream of the swirl generator.
- the construction of the swirl generator 100 is also excellent, the size of the tangential Air inlet slots 119, 120 to change, so without changing the overall length of the swirl generator 100 a relatively large operational bandwidth can be detected can.
- the partial bodies 101, 102 are also in another Plane can be shifted towards each other, which even overlaps them can be provided. It is also possible to use the partial bodies 101, 102 can be nested spirally in one another by a counter-rotating movement. Thus, it is possible to change the shape, size and configuration of the tangential Air inlet slots 119, 120 to vary as desired, with which the swirl generator 100 can be used universally without changing its overall length.
- FIG. 3 now shows the geometric configuration of the guide plates 121a, 121b. They have a flow introduction function, and this, accordingly their length, the respective end of the tapered partial body 101, 102 in the direction of flow extend towards the combustion air 115.
- the channeling the combustion air 115 into the cone cavity 114 can be opened or closing the guide plates 121a, 121b by one in the area of the entrance thereof Channel in the cone cavity 114 pivot point 123 are optimized, this is particularly necessary if the original gap size of the tangential Air inlet slots 119, 120 are to be changed dynamically.
- these dynamic arrangements can also be provided statically, by making required baffles an integral part with the tapered Form partial bodies 101, 102.
- the swirl generator 100 can also be used without Baffles are operated, or other aids can be provided for this become.
- the swirl generator 100 now consists of four partial bodies 130, 131, 132, 133 is constructed.
- the associated longitudinal symmetry axes for each sub-body are marked with the letter a. To this Configuration is to be said that it is due to the lower generated with it Twist strength and in cooperation with a correspondingly enlarged Slot width is best suited, the bursting of the vortex flow on the downstream side to prevent the swirl generator in the mixing tube, thus causing the mixing tube to can fulfill the intended role.
- FIG. 5 differs from FIG. 4 in that the partial body 140, 141, 142, 143 have a blade profile shape which is used to provide a certain Flow is provided. Otherwise, the mode of operation of the swirl generator stayed the same.
- the admixture of fuel 116 in the combustion air flow 115 happens from inside the blade profiles, i.e. the fuel line 108 is now integrated in the individual blades.
- FIGS. 3-5 that is within the flow cross section positioned one-tip positions of the fuel jet 105, which of the Flow of the combustion air corresponds to the opposite sides.
- a nozzle tube is provided for each combustion air inflow, one such Assignment is not essential.
- the individual fuel jets 105 are positioned in such a way that, in compliance with the procedure shown in FIG underlying angle of the fuel jet, along the leeward side of the partial body 101 and 102, 130-133, 140-143, as can be seen from FIGS. 3-5, respectively. of the guide vanes act in a configuration of the swirl generator according to FIG. 8. There the drop spray is exposed to lower aerodynamic forces, so that it is better mixed radially into the combustion air 115.
- the transition geometry is corresponding for a swirl generator 100 with four partial bodies 4 or 5, built. Accordingly, the transition geometry as a natural extension of the upstream partial bodies, four transition channels 201 on, whereby the conical quarter area of said partial body is extended until the wall of the tube 20 resp. of the mixing tube 220 cuts.
- the same considerations also apply if the swirl generator comes from another Principle, as that described under Fig. 2, is constructed.
- the down area of the individual transition channels 201 running in the direction of flow has a spiral shape in the flow direction, which has a describes crescent-shaped course, corresponding to the fact that present the flow cross section of the transition piece 200 in the flow direction flared.
- the swirl angle of the transition channels 201 in the flow direction is selected so that the pipe flow then up to the cross-sectional jump there is still a sufficiently large distance at the combustion chamber inlet, to achieve a perfect premix with the injected fuel. Furthermore, the measures mentioned above also increase the axial speed on the mixing tube wall downstream of the swirl generator. The Transition geometry and the measures in the area of the mixing tube a significant increase in the axial speed profile towards the center of the mixing tube, so that the risk of early ignition is decisively counteracted becomes.
- the flow cross section of the tube 20 receives one in this area Transition radius R, the size of which basically depends on the flow within of the tube 20 depends.
- This radius R is chosen so that the Applies flow to the wall and so the swirl number increases sharply.
- the size of the radius R can be defined so that it is> 10% of the inside diameter d of the tube is 20.
- the backflow bladder 50 increases enormously.
- This radius R runs to the exit plane of the tube 20, the angle ⁇ between the beginning and end of curvature is ⁇ 90 °.
- FIG. 8 shows a swirl generator 150 which uses swirl blading 151 is constructed.
- a swirl generator Concentric to the central main nozzle powered by fuel 112 103 a swirl generator is scheduled, which consists of a swirl blading 151 exists, i.e. the blades arranged in a ring effect here a swirl, analogous to that of Fig. 2.
- the combustion air supplied 115 can take place here using an annular channel, not shown in more detail, which extends upstream of the swirl blading 151.
- the central main fuel nozzle 103 Downstream of the swirl blading 151, the central main fuel nozzle 103 has a number of nozzle pipes 104, whose fuel jet 105 is the angle of attack of the swirl blades 151 relative to the burner axis 60 respectively.
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner für einen Wärmeerzeuger gemäss
Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to a burner for a heat generator according to
Preamble of
Eine schadstoffarme Verbrennung von flüssigen Brennstoffen, wie beispielsweise Heizöl EL (= Extra Leicht), erfordert die vollständige Verdampfung der Brennstofftropfen sowie die Vormischung des Brennstoffes mit der Verbrennungsluft vor Erreichen der Flammenfront. Schon kleine Zonen mit höherer Brennstoffkonzentration führen in der Reaktionszone zu erhöhten Temperaturen und somit zur verstärkten Bildung von thermischen Stickoxiden.A low-pollution combustion of liquid fuels, such as Heating oil EL (= extra light), requires the complete evaporation of the fuel drops as well as the premixing of the fuel with the combustion air before reaching it the flame front. Even small zones with a higher fuel concentration lead to elevated temperatures in the reaction zone and thus to increased temperatures Formation of thermal nitrogen oxides.
Aus dem Stand der Technik ist bekanntgeworden, das Oel mit verschiedenen Bauarten von drall- bzw. luftunterstützten zentralen und kopfseitig der Vormischstrecke angeordneten Düsen zu zerstäuben. Die so erreichbare Zerstäubungsqualität ist indessen bei verschiedenen Betreibungsarten dieser Brenner eingeschränkt. Dies hängt im wesentlichen damit zusammen, dass der Impuls der sich aus der Brennstoffeindüsung gebildeten Tropfensprays relativ gering ausfällt, womit eine gerichtete Einbringung dieses Brennstoffs in bestimmte Brennerzonen mangelhaft oder gar nicht möglich ist.It has become known from the prior art that the oil with various Types of swirl or air-assisted central and head side of the premixing section arranged to atomize nozzles. The atomization quality that can be achieved in this way However, this burner is restricted for various types of operation. This is essentially due to the fact that the momentum of the drop sprays formed from the fuel injection are relatively small, with a directed introduction of this fuel into certain burner zones is deficient or not possible at all.
Da bei einer solchen Konstellation die Brennstofftropfen schnell von der in die Vormischstrecke einströmende Verbrennungsluft abgebremst werden, können sie sich radial in der einströmenden Verbrennungsluft nicht gut verteilen. Die Folge aus dieser mangelhaften Vormischung ist eine ungenügende Verdampfung des eingedüsten Brennstoffs, die sich darin niederschlägt, dass auf der Brennerachse brennstoffreiche Zonen bilden, welche dann in der Verbrennungszone ursächlich für eine verstärkte Bildung von thermischen Stickoxide verantwortlich sind.Because with such a constellation the fuel drops quickly from the to the Combustion air flowing into the premixing section can be braked are not well distributed radially in the incoming combustion air. The consequence from this defective premix, there is insufficient evaporation of the injected fuel, which is reflected in that on the burner axis form fuel-rich zones, which then cause in the combustion zone are responsible for an increased formation of thermal nitrogen oxides.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Brenner der eingangs genannten Art Vorkehrungen vorzuschlagen, durch welche eine perfekte Vormischung des eingesetzten Brennstoffs gewährleistet wird, unter Wahrung einer betriebssicheren und optimalen Flammenpositionierung.The invention seeks to remedy this. The invention as set out in the claims is characterized, the task is based on a burner at the beginning to propose precautions by which a perfect premix of the fuel used is guaranteed, while maintaining an operationally reliable and optimal flame positioning.
Erfindungsgemäss wird vorgeschlagen, die Eindüsung des Brennstoffs auf einem gewissen Radius von der Brennerachse vorzunehmen.According to the invention, the injection of the fuel is proposed on a certain radius from the burner axis.
Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, dass eine Anreicherung der zentralen Zone nachhaltig verhindert wird, und die Brennstofflropfen bei zunehmenden Radius innerhalb der Vormischstrecke eine stärkere radiale Beschleunigung ausgesetzt sind, dergestalt, dass sie sich in die dort eintretende Verbrennungsluft gut einmischen können.The main advantages of the invention are that enrichment the central zone is prevented, and the fuel drops increasing radius within the premixing section a stronger radial acceleration are exposed in such a way that they enter into the Can mix in combustion air well.
Bei einem aus mehreren Schalen bestehenden Vormischstrecke bestehenden Drallerzeuger eines Brenners, wie dies beispielsweise aus EP-B1-0 321 809 hervorgeht, eignet sich gut als Einspritzposition des Brennstoffs die Nachlaufzonen entlang der Leeseite der entsprechenden Schale, bzw. der Leitschaufeln eines entsprechend konzipierten Drallerzeugers. Dort ist das Tropfenspray geringeren aerodynamischen Kräften ausgesetzt, und er wird demensprechend besser radial in die Verbrennungsluft eingemischt.In the case of a premixing section consisting of several shells Swirl generator of a burner, as can be seen, for example, from EP-B1-0 321 809, works well as an injection position of the fuel in the wake zones along the leeward side of the corresponding shell, or the guide vanes of one appropriately designed swirl generator. The drop spray is less there exposed to aerodynamic forces, and it is therefore better radial mixed into the combustion air.
Die Anzahl der Eindüsungsstellen ist der Brennerbauform angepasst, wobei mindestens eine Eindüsung pro Schale oder Schaufel vorzusehen ist. The number of injection points is adapted to the burner design, at least one injection per bowl or scoop is to be provided.
Erfindungsgemäss ergeben sich sonach in Verbindung mit einem Vormischbrenner
der neueren Generation folgende weitere Vorteile:
Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung sind in den weiteren Ansprüchen gekennzeichnet.Advantageous and expedient developments of the task solution according to the invention are characterized in the further claims.
Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung unwesentlichen Merkmale sind fortgelassen worden. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.Exemplary embodiments of the invention are described below with reference to the drawings explained in more detail. All of which are not essential for the immediate understanding of the invention Features have been left out. The same elements are in the different Figures with the same reference numerals. The flow direction the media is indicated by arrows.
Es zeigt:
- Fig. 1
- einen Brenner mit anschliessender Brennkammer,
- Fig. 2
- einen Drallerzeuger in perspektivischer Darstellung, entsprechend aufge schnitten,
- Fig. 3
- einen Schnitt durch den 2-Schalen-Drallerzeuger, nach Fig. 2,
- Fig. 4
- einen Schnitt durch einen 4-Schalen-Drallerzeuger,
- Fig. 5
- einen Schitt durch einen Drallerzeuger, dessen Schalen schaufelförmig profiliert sind,
- Fig. 6
- eine Darstellung der Form der Uebergangsgeometrie zwischen Drallerzeu ger und Mischrohr,
- Fig. 7
- eine Abrisskante zur räumlichen Stabilisierung der Rückströmzone und
- Fig. 8
- einen Drallerzeuger mit einer Drallbeschaufelung.
- Fig. 1
- a burner with subsequent combustion chamber,
- Fig. 2
- a swirl generator in perspective, cut accordingly,
- Fig. 3
- 3 shows a section through the 2-shell swirl generator, according to FIG. 2,
- Fig. 4
- a section through a 4-shell swirl generator,
- Fig. 5
- a step through a swirl generator, the shells of which are profiled in a shovel shape,
- Fig. 6
- a representation of the shape of the transition geometry between the swirl generator and the mixing tube,
- Fig. 7
- a tear-off edge for spatial stabilization of the backflow zone and
- Fig. 8
- a swirl generator with a swirl blading.
Fig. 1 zeigt den Gesamtaufbau eines Brenners. Anfänglich ist ein Drallerzeuger
100 wirksam, dessen Ausgestaltung in den nachfolgenden Fig. 2-5 noch näher
gezeigt und beschrieben wird. Es handelt sich bei diesem Drallerzeuger 100 um
ein kegelförmiges Gebilde, das tangential mehrfach von einem tangential einströmenden
Verbrennungsluftstromes 115 beaufschlagt wird. Die sich hierein bildende
Strömung wird anhand einer stromab des Drallerzeugers 100 vorgesehenen
Uebergangsgeometrie nahtlos in ein Uebergangsstück 200 übergeleitet, dergestalt,
dass dort keine Ablösungsgebiete auftreten können. Die Konfiguration dieser
Uebergangsgeometrie wird unter Fig. 6 näher beschrieben. Dieses Uebergangsstück
200 ist abströmungsseitig der Uebergangsgeometrie durch ein Rohr 20
verlängert, wobei beide Teile das eigentliche Mischrohr 220, auch Mischstrecke
genannt, des Brenners bilden. Selbstverständlich kann das Mischrohr 220 aus einem
einzigen Stück bestehen, d.h. dann, dass das Uebergangsstück 200 und
Rohr 20 zu einem einzigen zusammenhängenden Gebilde verschmolzen sind,
wobei die Charakteristiken eines jeden Teils erhalten bleiben. Werden Uebergangsstück
200 und Rohr 20 aus zwei Teilen erstellt, so sind diese durch einen
Buchsenring 10 verbunden, wobei dieser kopfseitig als Verankerungsfläche für
den Drallerzeuger 100 dient. Ein solcher Buchsenring 10 hat darüber hinaus den
Vorteil, dass verschiedene Mischrohre eingesetzt werden können. Abströmungsseitig
des Rohres 20 befindet sich die eigentliche Brennkammer 30, welche hier
lediglich durch das Flammrohr versinnbildlicht ist. Das Mischrohr 220 erfüllt die
Bedingung, dass stromab des Drallerzeugers 100 eine definierte Mischstrecke bereitgestellt
wird, in welcher eine perfekte Vormischung von Brennstoffen verschiedener
Art erzielt wird. Diese Mischstrecke, also das Mischrohr 220, ermöglicht des
weiteren eine verlusffreie Strömungsführung, so dass sich auch in Wirkverbindung
mit der Uebergangsgeometrie zunächst keine Rückströmzone bilden kann, womit
über die Länge des Mischrohres 220 auf die Mischungsgüte für alle Brennstoffarten
Einfluss ausgeübt werden kann. Dieses Mischrohres 220 hat aber noch eine
andere Eigenschaft, welche dann besteht, dass im Mischrohr 220 selbst das
Axialgeschwindigkeits-Profil ein ausgeprägtes Maximum auf der Achse besitzt, so
dass eine Rückzündung der Flamme aus der Brennkammer nicht möglich ist. Allerdings
ist es richtig, dass bei einer solchen Konfiguration diese Axialgeschwindigkeit
zur Wand hin abfällt. Um Rückzündung auch in diesem Bereich zu unterbinden,
wird das Mischrohr 220 in Strömungs- und Umfangsrichtung mit einer Anzahl
regelmässig oder unregelmässig verteilten Bohrungen 21 verschiedenster
Querschnitte und Richtungen versehen, durch welche eine Luftmenge in das Innere
des Mischrohres 220 strömt, und entlang der Wand im Sinne einer Filmlegung
eine Erhöhung der Geschwindigkeit induzieren. Eine andere Möglichkeit die
gleiche Wirkung zu erzielen, besteht darin, dass der Durchflussquerschnitt des
Mischrohres 220 abströmungsseitig der Uebergangskanäle 201, welche die bereits
genannten Uebergangsgeometrie bilden, eine Verengung erfährt, wodurch
das gesamte Geschwindigkeitsniveau innerhalb des Mischrohres 220 angehoben
wird. In der Figur verlaufen diese Bohrungen 21 unter einem spitzen Winkel gegenüber
der Brennerachse 60. Des weiteren entspricht der Auslauf der Uebergangskanäle
201 dem engsten Durchflussquerschnitt des Mischrohres 220. Die
genannten Uebergangskanäle 201 überbrücken demnach den jeweiligen Querschnittsunterschied,
ohne dabei die gebildete Strömung negativ zu beeinflussen.
Wenn die gewählte Vorkehrung bei der Führung der Rohrströmung 40 entlang des
Mischrohres 220 einen nicht tolerierbaren Druckverlust auslöst, so kann hiergegen
Abhilfe geschaffen werden, indem am Ende des Mischrohres ein in der Figur nicht
gezeigter Diffusor vorgesehen wird. Am Ende des Mischrohres 220 schliesst sich
eine Brennkammer 30 an, wobei zwischen den beiden Durchflussquerschnitten
ein Querschnittssprung vorhanden ist. Erst hier bildet sich eine zentrale Rückströmzone
50, welche die Eigenschaften eines Flammenhalters aufweist. Bildet
sich innerhalb dieses Querschnittssprunges während des Betriebes eine strömungsmässige
Randzone, in welcher durch den dort vorherrschenden Unterdruck
Wirbelablösungen entstehen, so führt dies zu einer verstärkten Ringstabilisation
der Rückströmzone 50. Stirnseitig weist die Brennkammer 30 eine Anzahl Oeffnungen
31 auf, durch welche eine Luftmenge direkt in den Querschnittssprung
strömt, und dort unteren anderen dazu beiträgt, dass die Ringstabilisation der
Rückströmzone 50 gestärkt wird. Danebst darf nicht unerwähnt bleiben, dass die
Erzeugung einer stabilen Rückströmzone 50 auch eine ausreichend hohe
Drallzahl in einem Rohr erfordert. Ist eine solche zunächst unerwünscht, so können
stabile Rückströmzonen durch die Zufuhr kleiner stark verdrallter Luftströmungen
am Rohrende, beispielsweise durch tangentiale Oeffnungen, erzeugt
werden. Dabei geht man hier davon aus, dass die hierzu benötigte Luftmenge in
etwa 5-20% der Gesamtluftmenge beträgt. Was die Eindüsung des Brennstoffes
in den Drallerzeuger betrifft, wird auf die nachfolgenden Fig. 2-5 verwiesen. Die
Ausgestaltung der Abrisskante am Ende des Mischrohres 220 wird unter Fig. 7
näher beschrieben.Fig. 1 shows the overall structure of a burner. Initially there is a
Um den Aufbau des Drallerzeugers 100 besser zu verstehen, ist es von Vorteil,
wenn gleichzeitig zu Fig. 2 mindestens Fig. 3 herangezogen wird. Des weiteren,
um diese Fig. 2 nicht unnötig unübersichtlich zu gestalten, sind in ihr die nach den
Figur 3 schematisch gezeigten Leitbleche 121a, 121b nur andeutungsweise aufgenommen
worden. Im folgenden wird bei der Beschreibung von Fig. 2 nach Bedarf
auf die genannten Figuren hingewiesen.In order to better understand the structure of the
Der erste Teil des Brenners nach Fig. 1 bildet den nach Fig. 2 gezeigten Drallerzeuger
100. Dieser besteht aus zwei hohlen kegelförmigen Teilkörpern 101, 102,
die versetzt zueinander ineinandergeschachtelt sind. Die Anzahl der kegelförmigen
Teilkörper kann selbstverständlich grösser als zwei sein, wie die Beispiele
unter Fig. 4 und 5 zeigen. Die Anzahl der kegelförmigen Teilkörper hängt jeweils
davon ab, welche Betriebsart zugrundegelegt wird. Es ist bei bestimmten Betriebskonstellationen
nicht ausgeschlossen, einen aus einer einzigen Spirale bestehenden
Drallerzeuger vorzusehen. Die Versetzung der jeweiligen Mittelachse
oder Längssymmetrieachsen 201b, 202b der kegeligen Teilkörper 101, 102 zueinander
schafft bei der benachbarten Wandung, in spiegelbildlicher Anordnung,
jeweils einen tangentialen Kanal, d.h. einen Lufteintrittsschlitz 119, 120 (Fig. 3),
durch welche die Verbrennungsluft 115 in Innenraum des Drallerzeugers 100, d.h.
in den Kegelhohlraum 114 desselben strömt. Die Kegelform der gezeigten Teilkörper
101, 102 in Strömungsrichtung weist einen bestimmten festen Winkel auf.
Selbstverständlich, je nach Betriebseinsatz, können die Teilkörper 101, 102 in
Strömungsrichtung eine zunehmende oder abnehmende Kegelneigung aufweisen,
ähnlich einer Trompete resp. Tulpe. Die beiden letztgenannten Formen sind
zeichnerisch nicht erfasst, da sie für den Fachmann ohne weiteres nachempfindbar
sind. Die beiden kegeligen Teilkörper 101, 102 weisen je einen zylindrischen
Anfangsteil 101a, 102a, die ebenfalls, analog den kegeligen Teilkörpern 101, 102,
versetzt zueinander verlaufen, so dass die tangentialen Lufteintrittsschlitze 119,
120 über die ganze Länge des Drallerzeugers 100 vorhanden sind. Im Bereich
des zylindrischen Anfangsteils ist eine Hauptdüse 103 vorzugsweise für einen
flüssigen Brennstoff 112 untergebracht.The first part of the burner according to FIG. 1 forms the swirl generator shown in FIG. 2
100. This consists of two hollow conical
Die Einbringung des Brennstoffes in den Kegelhohlraum 114 geschieht hier über
eine dezentrale Einspritzung, welche von einer Anzahl Düsenrohre 104 vorgenommen
wird. Der Winkel des aus diesen Düsenrohren 104 gebildeten Brennstoffstrahles
105 gegenüber der Brennerachse (Fig. 1, Pos. 60) entspricht in etwa
dem kegeligen Verlauf der Teilkörper 101, 102. Ist der Drallerzeuger durch eine in
einer Ebene wirkende Schaufelkonfiguration aufgebaut, so entspricht der Winkel
der Brennstoffstrahles 105 dem Anstellwinkel der Schaufeln gegenüber der
Brennkammerachse. In diesem Zusammenhang wird auf die Fig. 8 verwiesen. Die
vorzugsweise vorzusehende Einspritzposition des Brennstoffstrahles 105 hinsichtlich
der Einströmungsebene der Verbrennungsluft 115 wird unter Fig. 3-5 näher
erläutert. Die Eindüsungskapazität und Eindüsungsart der einzelnen Düsenrohre
104 richtet sich nach den vorgegebenen Parametern des jeweiligen Brenners. Je
nach Brennerbaugrösse lässt sich vorzugsweise eine turbulenzunterstützte
Druckzerstäubungsdüse bei den einzelnen Düsenrohren 104 vorsehen, wobei der
Einspritzdruck zum Erreichen von guten Zerstäubungsqualitäten etwa 100 bar betragen
sollte. Die Länge der Düsenrohre 104 ist dem erforderlichen Einspritzradius
anzupassen, sollte aber nicht mehr als 1/4 der Teilkörper resp. Schaufellänge
(Fig. 8) betragen, da sonst die immanente Gefahr besteht, dass bei einem Betrieb
mit gasförmigen Brennstoffen die Düsenrohre 104 als Flammenhalter wirken. Für
lange Teilkörper resp.Schaufeln (Fig. 8) ist eine dezentrale Einspritzung vorzusehen,
bei welcher die Düsenrohre 104 direkt aus den Teilkörper resp. Schaufeln
(Fig. 8) in deren Nachlaufströmung austritt. Somit kann der Brennstoff gezielt in
Zonen hoher Luftgeschwindigkeit gespritz werden. Auch lässt sich mithin ein Betrieb
bei minimierten Schadstoff-Emissionen aufrechterhalten, der ohne Wasserzugabe
auskommt. Wesentlich ist sodann, dass die feine Zerstäubung, verbunden
mit einem hohen Brennstoffimpuls, gute Voraussetzungen für eine schnelle Verdampfung
des Brennstoffes sowie eine maximierte Vormischung bietet.The fuel is introduced into the
Selbstverständlich kann der Drallerzeuger 100 rein kegelig, also ohne zylindrische
Anfangsteile 101a, 102a, ausgeführt sein. Die kegeligen Teilkörper 101, 102 weisen
des weiteren je eine Brennstoffleitung 108, 109 auf, welche entlang der tangentialen
Lufteintrittsschlitze 119, 120 angeordnet und mit Eindüsungsöffnungen
117 versehen sind, durch welche vorzugsweise ein gasförmiger Brennstoff 113 in
die dort durchströmende Verbrennungsluft 115 eingedüst wird, wie dies die Pfeile
116 versinnbildlichen wollen. Diese Brennstoffleitungen 108, 109 sind vorzugsweise
spätestens am Ende der tangentialen Einströmung, vor Eintritt in den Kegelhohlraum
114, plaziert, dies um eine optimale Luft/Brennstoff-Mischung zu erhalten.
Bei dem durch die Hauptdüse 103 herangeführten Brennstoff 112 handelt
es sich, wie erwähnt, im Normalfall um einen flüssigen Brennstoff, wobei eine
Gemischbildung mit einem anderen Medium ohne weiteres möglich ist.
Ist die Verbrennungsluft 115 zusätzlich vorgeheizt, oder beispielsweise mit einem
rückgeführten Rauchgas oder Abgas angereichert, so unterstützt dies nachhaltig
die Verdampfung des flüssigen Brennstoffes 112 innerhalb der durch die Länge
des Brenners gebildeten Vormischstrecke, bevor dieses Gemisch in die nachgeschaltete
Verbrennungsstufe strömt. Die gleichen Ueberlegungen gelten auch,
wenn über die Leitungen 108, 109 flüssige Brennstoffe zugeführt werden sollten.
Bei der Gestaltung der kegeligen Teilkörper 101, 102 hinsichtlich des Kegelwinkels
und der Breite der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 sind an sich enge
Grenzen einzuhalten, damit sich das gewünschte Strömungsfeld der Verbrennungsluft
115 am Ausgang des Drallerzeugers 100 einstellen kann. Allgemein ist
zu sagen, dass eine Verkleinerung der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120
die schnellere Bildung einer Rückströmzone bereits im Bereich des Drallerzeugers
begünstigt. Die Axialgeschwindigkeit innerhalb des Drallerzeugers 100 lässt sich
durch eine entsprechende Zuführung eines axialen Verbrennungsluftstromes
115a verändern, wobei diese Lufteinströmung so gehalten wird, dass sie den
Brennstoffstrahl 105 nicht tangiert oder negativ beeinflusst. Eine entsprechende
Drallerzeugung verhindert die Bildung von Strömungsablösungen innerhalb des
dem Drallerzeuger 100 nachgeschalteten Mischrohr. Die Konstruktion des Drallerzeugers
100 eignet sich des weiteren vorzüglich, die Grösse der tangentialen
Lufteintrittsschlitze 119, 120 zu verändern, womit ohne Veränderung der Baulänge
des Drallerzeugers 100 eine relativ grosse betriebliche Bandbreite erfasst werden
kann. Selbstverständlich sind die Teilkörper 101, 102 auch in einer anderen
Ebene zueinander verschiebbar, wodurch sogar eine Ueberlappung derselben
vorgesehen werden kann. Es ist des weiteren möglich, die Teilkörper 101, 102
durch eine gegenläufig drehende Bewegung spiralartig ineinander zu verschachteln.
Somit ist es möglich, die Form, die Grösse und die Konfiguration der tangentialen
Lufteintrittsschlitze 119, 120 beliebig zu variieren, womit der Drallerzeuger
100 ohne Veränderung seiner Baulänge universell einsetzbar ist.Of course, the
Aus Fig. 3 geht nunmehr die geometrische Konfiguration der Leitbleche 121a,
121b hervor. Sie haben Strömungseinleitungsfunktion, wobei diese, entsprechend
ihrer Länge, das jeweilige Ende der kegeligen Teilkörper 101, 102 in Anströmungsrichtung
gegenüber der Verbrennungsluft 115 verlängern. Die Kanalisierung
der Verbrennungsluft 115 in den Kegelhohlraum 114 kann durch Oeffnen
bzw. Schliessen der Leitbleche 121a, 121b um einen im Bereich des Eintritts dieses
Kanals in den Kegelhohlraum 114 plazierten Drehpunkt 123 optimiert werden,
insbesondere ist dies vonnöten, wenn die ursprüngliche Spaltgrösse der tangentialen
Lufteintrittsschlitze 119, 120 dynamisch verändert werden soll. Selbstverständlich
können diese dynamische Vorkehrungen auch statisch vorgesehen werden,
indem bedarfsmässige Leitbleche einen festen Bestandteil mit den kegeligen
Teilkörpern 101, 102 bilden. Ebenfalls kann der Drallerzeuger 100 auch ohne
Leitbleche betrieben werden, oder es können andere Hilfsmittel hierfür vogesehen
werden.3 now shows the geometric configuration of the
Fig. 4 zeigt gegenüber Fig. 3, dass der Drallerzeuger 100 nunmehr aus vier Teilkörpern
130, 131, 132, 133 aufgebaut ist. Die dazugehörigen Längssymmetrieachsen
zu jedem Teilkörper sind mit der Buchstabe a gekennzeichnet. Zu dieser
Konfiguration ist zu sagen, dass sie sich aufgrund der damit erzeugten, geringeren
Drallstärke und im Zusammenwirken mit einer entsprechend vergrösserten
Schlitzbreite bestens eignet, das Aufplatzen der Wirbelströmung abströmungsseitig
des Drallerzeugers im Mischrohr zu verhindern, womit das Mischrohr die ihm
zugedachte Rolle bestens erfüllen kann.4 shows that the
Fig. 5 unterscheidet sich gegenüber Fig. 4 insoweit, als hier die Teilkörper 140,
141, 142, 143 eine Schaufelprofilform haben, welche zur Bereitstellung einer gewissen
Strömung vorgesehen wird. Ansonsten ist die Betreibungsart des Drallerzeugers
die gleiche geblieben. Die Zumischung des Brennstoffes 116 in den Verbrennungsluftstromes
115 geschieht aus dem Innern der Schaufelprofile heraus,
d.h. die Brennstoffleitung 108 ist nunmehr in die einzelnen Schaufeln integriert.
Auch hier sind die Längssymmetrieachsen zu den einzelnen Teilkörpern mit der
Buchstabe a gekennzeichnet.FIG. 5 differs from FIG. 4 in that the
In den vorgenannten Fig. 3-5 ist die innerhalb des Durchströmungsquerschnitt
positionierten Einsspitzpositionen des Brennstoffstrahles 105 gezeigt, welche der
Strömung der Verbrennungsluft abgekehrten Seiten entspricht. Im Normalfall wird
zu jeder Verbrennungslufteinströmung ein Düsenrohr vorgesehen, wobei eine solche
Zuordnung nicht unabdingbar ist. Vorzugsweise wird die Anzahl Brennstoffstrahlen
der Brennerbauform angepasst. Die einzelnen Brennstoffstrahlen
105 werden dahingehend positioniert, dass sie, unter Einhaltung des unter Fig. 3
zugrundegelegten Winkels des Brennstoffstrahles, entlang der Leeseite der Teilkörper
101 und 102, 130-133, 140-143, wie dies aus den Fig. 3-5 hervorgeht, resp.
der Leitschaufeln bei einer Konfiguration des Drallerzeugers gemäss Fig. 8 wirken.
Dort ist das Tropfenspray geringeren aerodynamischen Kräften ausgesetzt,
so dass es besser radial in die Verbrennungsluft 115 eingemischt wird.In the aforementioned FIGS. 3-5, that is within the flow cross section
positioned one-tip positions of the
Fig. 6 zeigt das Uebergangsstück 200 in dreidimensionaler Ansicht. Die Uebergangsgeometrie
ist für einen Drallerzeuger 100 mit vier Teilkörpern, entsprechend
der Fig. 4 oder 5, aufgebaut. Dementsprechend weist die Uebergangsgeometrie
als natürliche Verlängerung der stromauf wirkenden Teilkörper vier Uebergangskanäle
201 auf, wodurch die Kegelviertelfläche der genannten Teilkörper verlängert
wird, bis sie die Wand des Rohres 20 resp. des Mischrohres 220 schneidet.
Die gleichen Ueberlegungen gelten auch, wenn der Drallerzeuger aus einem anderen
Prinzip, als den unter Fig. 2 beschriebenen, aufgebaut ist. Die nach unten
in Strömungsrichtung verlaufende Fläche der einzelnen Uebergangskanäle 201
weist eine in Strömungsrichtung spiralförmig verlaufende Form auf, welche einen
sichelförmigen Verlauf beschreibt, entsprechend der Tatsache, dass sich vorliegend
der Durchflussquerschnitt des Uebergangsstückes 200 in Strömungsrichtung
konisch erweitert. Der Drallwinkel der Uebergangskanäle 201 in Strömungsrichtung
ist so gewählt, dass der Rohrströmung anschliessend bis zum Querschnittssprung
am Brennkammereintritt noch eine genügend grosse Strecke verbleibt,
um eine perfekte Vormischung mit dem eingedüsten Brennstoff zu bewerkstelligen.
Ferner erhöht sich durch die oben genannten Massnahmen auch
die Axialgeschwindigkeit an der Mischrohrwand stromab des Drallerzeugers. Die
Uebergangsgeometrie und die Massnahmen im Bereich des Mischrohres bewirken
eine deutliche Steigerung des Axialgeschwindigkeitsprofils zum Mittelpunkt
des Mischrohres hin, so dass der Gefahr einer Frühzündung entscheidend entgegengewirkt
wird.6 shows the
Fig. 7 zeigt die bereits angesprochene Abrisskante, welche am Brenneraustritt
gebildet ist. Der Durchflussquerschnitt des Rohres 20 erhält in diesem Bereich einen
Uebergangsradius R, dessen Grösse grundsätzlich von der Strömung innerhalb
des Rohres 20 abhängt. Dieser Radius R wird so gewählt, dass sich die
Strömung an die Wand anlegt und so die Drallzahl stark ansteigen lässt. Quantitativ
lässt sich die Grösse des Radius R so definieren, dass dieser > 10% des Innendurchmessers
d des Rohres 20 beträgt. Gegenüber einer Strömung ohne Radius
vergrössert sich nun die Rückströmblase 50 gewaltig. Dieser Radius R verläuft
bis zur Austrittsebene des Rohres 20, wobei der Winkel β zwischen Anfang
und Ende der Krümmung < 90° beträgt. Entlang des einen Schenkels des Winkels
β verläuft die Abrisskante A ins Innere des Rohres 20 und bildet somit eine Abrissstufe
S gegenüber dem vorderen Punkt der Abrisskante A, deren Tiefe > 3 mm
beträgt. Selbstverständlich kann die hier parall zur Austrittsebene des Rohres 20
verlaufende Kante anhand eines gekrümmten Verlaufs wieder auf Stufe Austrittsebene
gebracht werden. Der Winkel β', der sich zwischen Tangente der Abrisskante
A und Senkrechte zur Austrittsebene des Rohres 20 ausbreitet, ist gleich
gross wie Winkel β. Auf die Vorteile dieser Ausbildung ist bereits oben unter dem
Kapitel "Darstellung der Erfindung" näher eingegangen.7 shows the tear-off edge already mentioned, which emerges at the burner outlet
is formed. The flow cross section of the
Fig. 8 zeigt einen Drallerzeuger 150, welcher anhand einer Drallbeschaufelung
151 aufgebaut ist. Konzentrisch zu der mit Brennstoff 112 gespiesenen zentralenHauptdüse
103 wird ein Drallerzeuger disponiert, welcher aus einer Drallbeschaufelung
151 besteht, d.h. die hier ringförmig angeordneten Schaufeln bewirken
einen Drall, analog demjenigen aus Fig. 2. Die zugeführte Verbrennungsluft
115 kann hier anhand eines nicht näher gezeigten ringförmigen Kanals erfolgen,
der sich stromaufwärts der Drallbeschaufelung 151 erstreckt. Stromab der Drallbeschaufelung
151 weist die zentrale Hauptbrennstoffdüse 103 eine Anzahl Düsenrohre
104 auf, deren Brennstoffstrahl 105 dem Anstellwinkel der Drallbeschaufelung
151 gegenüber der Brennerachse 60 resp. der Achse der Brennkammer 30
entspricht. Auch hier erfolgt die Einspritzung in die Nachlaufzonen entlang der
Leeseite der einzelnen Schaufeln dieser Drallbeschaufelung 151, wie dies weiter
oben umfassend dargelegt worden ist, wobei auch bei dieser Konfiguration gemäss
Fig. 8 die gleichen Wirkungen wie oben dargelegt erzielt werden.FIG. 8 shows a
- 1010th
- BuchenringBeech ring
- 2020th
- Rohrpipe
- 2121
- Bohrungen, OeffnungenHoles, openings
- 3030th
- BrennkammerCombustion chamber
- 3131
- OeffnungenOpenings
- 4040
- Strömung, Rohrströmung im MischrohrFlow, pipe flow in the mixing pipe
- 5050
- Rückströmzone, RückströmblaseBackflow zone, backflow bubble
- 6060
- BrennerachseBurner axis
- 100100
- DrallerzeugerSwirl generator
- 101, 102101, 102
- TeilkörperPartial body
- 101a, 102b101a, 102b
- Zylindrische AnfangsteileCylindrical starting parts
- 101b, 102b101b, 102b
- LängssymmetrieachsenLongitudinal symmetry axes
- 103103
- Brennstoff-HauptdüseMain fuel nozzle
- 104104
- DüsenrohrNozzle pipe
- 105105
- BrennstoffsstrahlFuel jet
- 108, 109108, 109
- BrennstoffleitungenFuel lines
- 112112
- Flüssiger BrennstoffLiquid fuel
- 113113
- Gasförmiger BrennstoffGaseous fuel
- 114114
- KegelhohlraumCone cavity
- 115115
- Verbrennungsluft (Verbrennungsluftstrom)Combustion air (combustion air flow)
- 115a115a
- Axialer VerbrennungsluftstromAxial combustion air flow
- 116116
-
Brennstoff-Eindüsung aus den Leitungen 108, 109Fuel injection from
108, 109lines - 117117
- BrennstoffdüsenFuel nozzles
- 119, 120119, 120
- Tangentiale LufteintrittsschlitzeTangential air inlet slots
- 121a, 121b121a, 121b
- LeitblecheBaffles
- 123123
- Drehpunkt der LeitblechePivot point of the guide plates
- 130, 131, 132, 133130, 131, 132, 133
- TeilkörperPartial body
- 131a, 131a, 132a, 133a131a, 131a, 132a, 133a
- LängssymmetrieachsenLongitudinal symmetry axes
- 140, 141, 142, 143140, 141, 142, 143
- Schaufelprofilförmige Teilkörper Vane-shaped partial body
- 140a, 141a, 142a, 143a140a, 141a, 142a, 143a
- LängssymmetrieachsenLongitudinal symmetry axes
- 150150
- DrallerzeugerSwirl generator
- 151151
- SchaufelnShovels
- 200200
- UebergangsstückTransition piece
- 201201
- UebergangskanäleTransition channels
- 220220
- MischrohrMixing tube
- dd
-
Innendurchmesser des Rohres 20Inner diameter of the
tube 20 - RR
- UebergangsradiusTransition radius
- TT
- Tangentiale der AbrisskanteTangent line of the tear-off edge
- AA
- AbrisskanteTear-off edge
- SS
- AbrissstufeDemolition level
- ββ
- Uebergangswinkel von RTransition angle from R
- β'β '
- Winkel zwischen T und AAngle between T and A
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