[0001] Die Erfindung betrifft Sekundärbrennkammer nach dem Oberbegriff des Patentanspruches
1 und ein Verfahren zum Betrieb einer Sekundärbrennkammer nach Anspruch 11.
[0002] Sekundärbrennkammern dienen der Nachverbrennung eines Verbrennungsgasstroms, der
durch Verbrennung in einer Primärbrennkammer entsteht.
[0003] Bei einer Verbrennung von Brennstoff in einer Verbrennungseinrichtung werden unter
anderem gasförmige und/oder staubförmige, organische oder anorganische Komponenten
(mineralische Aerosole) aus dem Brennstoff freigesetzt, die gemeinsam mit Verbrennungsabgas
einen Verbrennungsgasstrom bilden. Die Verbrennung von Biomasse ist diesbezüglich
besonders kritisch.
[0004] Biomasseverbrennungseinrichtungen weisen deshalb meist eine Primärbrennkammer und
eine Sekundärbrennkammer auf. Die Primärbrennkammer wird bei der Scheitholzverbrennung
auch Füllraum genannt. In die Primärbrennkammer wird Biomasse, z. B. Pellets, Scheitholz
oder andere Feststoffe, sowie Primärluft eingebracht und wenigstens beim Verbrennungsstart
erfolgt eine Zündung. Schließlich erfolgt eine thermochemische Umsetzung der Biomasse
in die wesentlichen Verbrennungsprodukte CO
2 und H
2O in drei Verbrennungsphasen mit zunehmendem Oxidationsgrad. Zunächst wird die Biomasse
aufgeheizt und getrocknet. In Phase zwei erfolgt die pyrolytische Zersetzung und anschließend
kommt es zur Vergasung. Vor allem bei einem Verbrennungsstart und einem Stopp der
Verbrennung (Brennerstart, Brennerstopp) werden bei der Biomasseverbrennung sehr viele
anorganische Partikel freigesetzt, so zum Beispiel K
2O CaO, K
2SO
4, K
2CO
3. Diese schaden der Umwelt. Aber auch während einer länger andauernden Verbrennung
ist der Anteil anorganischer Partikel in einem aus der Primärbrennkammer austretenden
Verbrennungsgasstrom höher als bei einer Gas- oder Ölverbrennung.
[0005] Zur Reinigung des Verbrennungsgasstroms kommen deshalb unter anderem Sekundärbrennkammern
zum Einsatz, um eine vierte Verbrennungsphase durchzuführen. Diese umfasst eine abschließende
homogene Gasphasenoxidation. Der aus der Primärbrennkammer austretende heiße Verbrennungsgasstrom
wird hierfür in die Sekundärbrennkammer eingeleitet. Zusätzlich wird der Sekundärbrennkammer
Sekundärluft zugeführt, um den Verbrennungsgasstrom nachzuverbrennen und so die Partikelanzahl
im Verbrennungsgasstrom zu verringern. Eine Zündung ist üblicherweise nicht notwendig,
da der Verbrennungsgasstrom so heiß ist, dass sich dieser bei einer Zuführung von
Sauerstoff selbst entzündet. Um eine gute Nachverbrennung zu erreichen, ist es notwendig,
die Luft und somit den Sauerstoff gut mit dem Verbrennungsgasstrom zu durchmischen,
denn nur so können die Partikel oxidieren.
[0006] Hierfür sieht der Stand der Technik unter anderem rohrförmige Sekundärbrennkammern
vor, in welche die Sekundärluft tangential eingeleitet wird. Dies wird beispielsweise
in
DE 40 21 005 C1 beschrieben. Gleichzeitig wird der Verbrennungsgasstrom axial in die Sekundärbrennkammer
eingeleitet. Durch die tangentiale Einleitung der Sekundärluft entsteht ein Gaswirbel
in der Sekundärbrennkammer, weswegen solche Sekundärbrennkammern auch als Zyklonbrennkammern
bezeichnet werden. Dieser Gaswirbel soll den Verbrennungsgasstrom mit der Sekundärluft
durchmischen. Nachteilig ist jedoch, dass sich unter anderem eine axiale Kernströmung
im Zentrum des Wirbels ausbildet, in welche keine Sekundärluft gelangt. Der Anteil
des Verbrennungsgasstroms in der Kernströmung wird somit nicht nachverbrannt und die
unverbrannten Partikel belasten die Umwelt. Außerdem ist die Zyklonbrennkammer recht
großvolumig, um die Sekundärverbrennung vollständig abschließen zu können.
[0007] Weiterhin ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass die Sekundärbrennkammer einen
Strömungskanal aufweist. Durch diesen wird das Verbrennungsgas von der Primärkammer
kommend in eine weitere Brennkammer geleitet. Gleichzeitig wird die Sekundärluft tangential
und quer zum Verbrennungsgasstrom in diesen Strömungskanal eingeleitet, wobei letzterer
zylindrisch ist. So entsteht bereits im Strömungskanal ein Zyklonwirbel bestehend
aus Verbrennungsgas und Sekundärluft. Dies ermöglicht, die Sekundärbrennkammer insgesamt
kleiner auszubilden, da schon am Eintritt in die Brennkammer eine Durchmischung im
Strömungskanal erfolgt ist. Entsprechend startet die Nachverbrennung sehr früh, insbesondere
schon im Strömungskanal.
[0008] Nachteilig ist jedoch nach wie vor, dass eine solche Sekundärbrennkammer verhältnismäßig
groß ist, dementsprechend Bauraum benötigt und erhöhte Materialkosten aufweist. Außerdem
enthält der Verbrennungsgasstrom auch nach der Nachverbrennung in einer solchen Sekundärbrennkammer
noch vermeidbare Emissionen wie Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und unverbrannte
Partikel.
[0009] Ziel der Erfindung ist es deshalb, die genannten Nachteile des Standes der Technik
zu überwinden, und eine Sekundärbrennkammer mit einem Strömungskanal sowie ein Verfahren
zu schaffen, die eine verbesserte Durchmischung eines Verbrennungsgasstroms mit Sekundärluft
ermöglichen, um eine optimierte Nachverbrennung, insbesondere in einer Biomasseverbrennungseinrichtung,
zu erreichen. Für die Durchmischung soll hierbei möglichst wenig Energie aufgewandt
werden. Zusätzlich sollte die Sekundärbrennkammer einfach aufgebaut, kompakt, sicher
im Betrieb und wartungsarm sein, sowie geringe Herstellkosten haben.
[0010] Erfindungsgemäß wird dies mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 11 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
[0011] Die Erfindung betrifft eine Sekundärbrennkammer mit einem Strömungskanal zur Nachverbrennung
eines Verbrennungsgasstroms mittels Durchmischung mit Sekundärluft, wobei der Strömungskanal
eine Strömungsrichtung für den Verbrennungsgasstrom vorgibt, wobei der Strömungskanal
einen Querschnitt mit einer langen Seite und einer kurzen Seite hat, wobei wenigstens
zwei Sekundärluftdüsen zur Eindüsung der Sekundärluft in den Strömungskanal münden,
welche innerhalb eines Eindüsungsabschnitts des Strömungskanals angeordnet sind und
nicht parallel zur Strömungsrichtung ausgerichtete Eindüsungsrichtungen aufweisen.
[0012] Das Eindüsen von Sekundärluft mit zwei Sekundärluftdüsen in dem Eindüsungsabschnitt
ermöglicht die Ausbildung mehrerer benachbarter Strömungswirbel im Strömungskanal.
Insbesondere setzen sich diese Wirbel im Wesentlichen parallel im Strömungskanal fort.
In der Grenzzone zwischen zwei Wirbeln können sich weitere jedoch kleinere Nebenwirbel
ausbilden. Einer der Haupteinflussparameter einer sauberen Verbrennung - nämlich die
Durchmischung des Verbrennungsgases mit der Sekundärluft - kann so erheblich verbessert
werden. Entsprechend steigt die Gasphasenoxidation und die Emission von Kohlenwasserstoff,
Kohlenmonoxid und unverbrannten Partikeln sinkt. Mithin kann so zum Beispiel eine
saubere Verbrennung von Biomasse erfolgen.
[0013] Zudem ist die Sekundärbrennkammer durch die verbesserte und sehr schnelle Durchmischung
insgesamt kleiner ausbildbar. Dies verringert unter anderem den benötigten Bauraum
und Materialkosten. Besonders vorteilhaft ist dabei zudem, dass durch eine kleinere
Speichermasse in der Sekundärbrennkammer eine wesentlich schnellere Anfahrphase realisierbar
ist. Die Verbrennungsgase erreichen so besonders schnell eine Temperatur in der Sekundärbrennkammer,
bei der eine Nachverbrennung möglich ist. Die optimale Temperatur liegt hierbei oberhalb
von 700 °C. Emissionen in der Anfahrphase werden somit vermieden.
[0014] Die erfindungsgemäße Eindüsung der Sekundärluft erfordert höchstens eine geringe
Energiemenge, z.B. durch einen Strömungserzeuger wie ein Gebläse. Die Sekundärluftdüsen
können dabei einfach aufgebaut sein, sodass die Sekundärbrennkammer wartungsarm, sicher
im Betrieb und günstig fertigbar ist.
[0015] Die Bildung der Wirbel ist besonders gut, wenn die wenigstens zwei Sekundärluftdüsen
in etwa gleichauf entlang der Strömungsrichtung liegend angeordnet sind. Eine Ausbildung
der Erfindung sieht daher vor, dass zwei benachbarte Sekundärluftdüsen einen maximalen
Abstand in Strömungsrichtung zueinander haben, der das Zweifache der Länge der kurzen
Seite des Strömungskanalquerschnitts beträgt. Auf diese Weise ist verhinderbar, dass
sich einer der Strömungswirbel über den gesamten Strömungsquerschnitt des Strömungskanals
ausbreitet, denn seine Ausdehnung wird durch einen benachbarten Strömungswirbel blockiert
(begrenzt). Die Strömungswirbel sind auch mit einer gleichen Intensität ausbildbar,
sodass keiner der Strömungswirbel die benachbarten dominiert oder überlagert. Somit
sind weitestgehend homogene, sowie gleichmäßig ausgebildete benachbarte Strömungswirbel
realisierbar.
[0016] Besonders zu bevorzugen ist es, wenn die Sekundärluftdüsen tatsächlich gleichauf
entlang der Strömungsrichtung liegend angeordnet sind. Mit anderen Worten sollten
die Sekundärluftdüsen auf derselben Höhe entlang der Strömungsrichtung angeordnet
sein, sodass diese durch eine einzige Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung schneidbar
sind. Auf diese Weise kann sich keiner der Wirbel über den gesamten Strömungsquerschnitt
des Strömungskanals ausbreiten, denn seine Ausdehnung wird stets, d.h. schon ab dem
Zeitpunkt der Eindüsung der Sekundärluft, durch einen benachbarten Strömungswirbel
blockiert.
[0017] Besonders günstig ist eine Variante der Erfindung, bei der die Eindüsungsrichtungen
wenigstens annähernd senkrecht zur Strömungsrichtung ausgerichtet sind. Bis zu 30
Grad Abweichung von der Senkrechten führen zu einer guten Ausbildung der Strömungswirbel.
Je senkrechter die Eindüsungsrichtung ausgerichtet ist, desto höhere Rotationsgeschwindigkeiten
der Strömungswirbel sind erzielbar. Außerdem kommt es zu einer Scherung zwischen dem
Verbrennungsgasstrom und dem Sekundärluftstrom, welche die Durchmischung erheblich
verbessert.
[0018] Um eine möglichst gute Durchmischung des Verbrennungsgasstroms und der Sekundärluft
zu erzielen, ist eine Ausgestaltung der Erfindung von besonderem Vorteil, bei welcher
der Strömungskanal einen sich in der Strömungsrichtung an den Eindüsungsabschnitt
anschließenden Mischabschnitt aufweist. In diesem Mischabschnitt sollen sich die Wirbel
parallel und benachbart zueinander fortsetzen können. Deshalb sollte der Mischabschnitt
keine oder nur geringe Richtungs- und/oder Querschnittsänderungen aufweisen. Die Länge
des Mischabschnitts sollte auf die Strömungsgeschwindigkeiten der Sekundärluft und
des Verbrennungsgasstroms ausgelegt sein, denn hiervon hängt entscheidend ab, wie
weit sich die Strömungswirbel fortsetzen können. Reibung, Nebenwirbel und Ähnliches
schwächen die Strömungswirbel nämlich mit zunehmender Entfernung vom Eindüsungsabschnitt
ab. Der Mischabschnitt sollte dabei wenigstens dreimal so lang sein wie die Länge
der kurzen Seite des Strömungskanals. Mithin sorgt der Mischabschnitt dafür, dass
die Strömungswirbel zu einer maximalen Durchmischung des Verbrennungsgasstroms mit
Sekundärluft führen. Entsprechend gering sind die Emissionen.
[0019] Die Vermischung des Verbrennungsgasstroms mit Sekundärluft wird in einer Version
der Erfindung weiter dadurch verbessert, dass die kurze Seite von zwei gegenüberliegenden
kurzen Kanalwänden ausgebildet ist, wobei wenigstens eine der kurzen Kanalwände nach
außen gewölbt ist. Die Ausbildung einer gewölbten kurzen Außenwand erlaubt, dass ein
rund ausgebildeter Strömungswirbel entlang der gesamten kurzen Wand rotieren kann.
Es kommt nicht zu einer linearen Strömung in einer Ecke zwischen der kurzen Kanalwand
und einer langen Kanalwand, in welche der Strömungswirbel nicht hineinreichen könnte.
Somit kann sich hier auch kein undurchmischtes Verbrennungsgas durch den Strömungskanal
bewegen. Idealerweise ist die wenigstens eine kurze Kanalwand dafür halbkreisförmig
nach außen gewölbt.
[0020] Ein wichtiger erfindungsgemäßer Entwurf umfasst, dass die lange Seite von zwei gegenüberliegenden
langen Kanalwänden ausgebildet ist, wobei wenigstens eine Sekundärluftdüse an der
ersten langen Kanalwand und wenigstens eine Sekundärluftdüse an der zweiten langen
Kanalwand angeordnet ist. Durch eine solche gegenüberliegende Anordnung der Sekundärluftdüsen
sind die Strömungswirbel besser ausbildbar, da in beide Richtungen zwischen den langen
Kanalwänden Sekundärluft eingedüst wird.
[0021] Hierbei sollten die an der ersten langen Kanalwand angeordneten Sekundärluftdüsen
erfindungsgemäß jeweils versetzt um einen quer zur Strömungsrichtung ausgerichteten
Versatzabstand zu den an der zweiten langen Kanalwand angeordneten Sekundärluftdüsen
angeordnet sein. Zwischen zwei versetzt gegenüberliegenden Sekundärluftdüsen bildet
sich dann jeweils ein Strömungswirbel aus, der von zwei Seiten in Rotation versetzt
wird.
[0022] Zur gleichmäßigen Verteilung der Wirbel ist es von besonderem Vorteil, wenn die lange
Seite eine Länge (a) und die kurze Seite eine Länge (b) aufweisen, wobei die Länge
(a) der langen Seite ungefähr der Länge (b) der kurzen Seite multipliziert mit der
Anzahl der Sekundärluftdüsen abzüglich einer entspricht. Dies bedeutet:
[0023] Die gewählten Verhältnisse der Längen und der Anzahl der Sekundärluftdüsen führen
dazu, dass genau ein Strömungswirbel weniger innerhalb des Strömungskanals ausgebildet
wird, als Sekundärluftdüsen vorhanden sind. Dabei können sich die Strömungswirbel
kreisrund im Strömungskanal fortsetzen und der Durchmesser von diesen entspricht der
Länge der kurzen Seite. Somit erfolgt eine bestmögliche Durchmischung über den gesamten
Querschnitt des Strömungskanals. Außerdem kann jeder Wirbel in zwei Richtungen durch
Sekundärluft in Rotation versetzt werden. Hierfür sollten die Sekundärluftdüsen gleichmäßig
um einen konstanten Versatzabstand versetzt über die lange Seite verteilt sein. D.h.
zum Beispiel, dass zwei an einer der Kanalwände angeordnete Sekundärluftdüsen einen
quer zur Strömungsrichtung ausgerichteten Abstand von einander haben, welcher dem
Zweifachen des Versatzabstandes entspricht. Jeweils mittig zwischen den Sekundärluftdüsen
an einer der langen Kanalwände sitzt dann gegenüberliegend an der anderen Kanalwand
eine weitere Sekundärluftdüse.
[0024] Dass die Länge (a) der langen Seite nur ungefähr der Länge (b) der kurzen Seite multipliziert
mit der Anzahl der Sekundärluftdüsen abzüglich einer entsprechen sollte, liegt darin
begründet, dass sich die Wirbel auch problemlos leicht elliptisch ausbilden lassen.
Deshalb kann die Länge (a) auch ohne große Nachteile zu erleiden, um bis zur Hälfte
der Länge (b) der kurzen Seite vom Sollwert abweichen. Eine zu starke elliptische
Ausbildung führt zu mehr Scherung im Gasstrom, was ebenfalls zu positiven Mischeffekten
führen kann, letztlich jedoch ein unerwünscht schnelleres Abklingen der Rotation verursacht.
[0025] Die Erfindung entfaltet ihr volles Potential der Durchmischung des Verbrennungsgasstroms
mit der Sekundärluft, wenn wenigstens vier Sekundärluftdüsen, bevorzugt jedoch wenigstens
sechs Sekundärluftdüsen in den Strömungskanal münden. Zwei oder drei Sekundärluftdüsen
sind zwar preiswerter herstellbar, die Mehrkosten pro Sekundärluftdüse halten sich
jedoch im Rahmen. Unabhängig von der Anzahl der Sekundärluftdüsen können diese von
einem einzigen Strömungserzeuger mit Sekundärluft gespeist werden. Die verbesserte
Durchmischung beruht bei einer höheren Anzahl an Sekundärluftdüsen insbesondere auf
dem Verhältnis von zentralen Strömungswirbeln zu Strömungswirbeln, welche an die kurzen
Kanalwände angrenzen. Die zentralen Strömungswirbel kollidieren auf zwei Seiten mit
benachbarten Wirbeln, wodurch die Durchmischung intensiviert wird.
[0026] Ferner ist eine Ausbildung der Erfindung von besonderem Vorteil, bei welcher der
Strömungskanal in eine Brennkammer mündet, wobei die Brennkammer bevorzugt eine Zyklonbrennkammer
ist. Mit zunehmendem Abstand von den Sekundärluftdüsen nimmt die Rotationsgeschwindigkeit
der Strömungswirbel ab, bis kaum noch eine Durchmischung des Verbrennungsgases mit
Sekundärluft erzielt wird. Durch eine Einleitung in eine Brennkammer kann eine Änderung
der Strömungsrichtung herbeigeführt werden und die Durchmischung des Verbrennungsgasstroms
mit der verbliebenen Sekundärluft, sowie die Sekundärverbrennung werden weiter fortgesetzt.
Sehr vorteilhaft ist dabei, dass die verbliebene Sekundärluft schon gut innerhalb
des Verbrennungsgasstroms verteilt ist, bevor letzteres überhaupt in die Brennkammer
mündet. Dementsprechend kann die Brennkammer relativ klein ausgebildet sein, da die
Nachverbrennung schneller abläuft. Als besonders vorteilhaft erweist sich der Einsatz
einer Zyklonbrennkammer, bei welcher der eingeleitete Gasstrom durch Rotation um eine
Achse und damit verbundenen Reibungen, Scherungen und ähnliches nochmals gut durchmengt
und nachverbrannt werden kann.
[0027] Schließlich erfolgt die Anordnung des Strömungskanals zur Zyklonbrennkammer vorzugsweise
exzentrisch, ggf. auch tangential, und nicht parallel zur Rotationsachse der Zyklonbrennkammer.
Dabei sollte die Zyklonbrennkammer selbst rotationssymmetrisch um die Rotationsachse
ausgebildet sein.
[0028] Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb einer Sekundärbrennkammer
mit einem Strömungskanal zur Nachverbrennung eines Verbrennungsgasstroms mittels Durchmischung
mit Sekundärluft, wobei der Strömungskanal eine Strömungsrichtung für den Verbrennungsgasstrom
vorgibt, wobei der Strömungskanal einen Querschnitt mit einer langen Seite und einer
kurzen Seite hat, wobei wenigstens zwei Sekundärluftdüsen zur Eindüsung der Sekundärluft
in den Strömungskanal münden, welche innerhalb eines Eindüsungsabschnitts des Strömungskanals
angeordnet sind und nicht parallel zur Strömungsrichtung ausgerichtete Eindüsungsrichtungen
aufweisen, und wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- Einleiten von Verbrennungsgas in den Strömungskanal mit einer Strömungsgeschwindigkeit
in Strömungsrichtung,
- Einleiten von Sekundärluft durch die Sekundärluftdüsen in den Strömungskanal mit einer
Eindüsungsgeschwindigkeit,
- Ausbilden von wenigstens zwei parallelen Strömungswirbeln im Strömungskanal.
[0029] Diese Strömungswirbel setzen sich im Wesentlichen parallel im Strömungskanal fort.
In der Grenzzone zwischen zwei Wirbeln können sich weitere jedoch kleinere Nebenwirbel
ausbilden. Einer der Haupteinflussparameter einer sauberen Verbrennung - nämlich die
Durchmischung des Verbrennungsgases mit der Sekundärluft - kann erfindungsgemäß erheblich
verbessert werden. Entsprechend steigt die Gasphasenoxidation und die Emission von
Kohlenwasserstoff, Kohlenmonoxid und unverbrannten Partikeln sinkt. Mithin kann so
zum Beispiel eine saubere Verbrennung von Biomasse erfolgen.
[0030] Zudem ist die Sekundärbrennkammer durch die verbesserte und sehr schnelle Durchmischung
insgesamt kleiner ausbildbar. Dies verringert unter anderem den benötigten Bauraum
und Materialkosten. Besonders vorteilhaft ist dabei zudem, dass durch eine kleinere
Speichermasse in der Sekundärbrennkammer eine wesentlich schnellere Anfahrphase realisierbar
ist. Die Verbrennungsgase erreichen so besonders schnell eine Temperatur in der Sekundärbrennkammer,
bei der eine Nachverbrennung möglich ist. Die optimale Temperatur liegt hierbei oberhalb
von 700 °C. Emissionen in der Anfahrphase werden somit vermieden.
[0031] Die erfindungsgemäße Einleitung der Sekundärluft erfordert höchstens eine geringe
Energiemenge, z.B. durch einen Strömungserzeuger wie ein Gebläse. Die Sekundärluftdüsen
können dabei einfach aufgebaut sein, sodass das Verfahren mit einer wartungsarmen
Sekundärbrennkammer durchführbar ist, welche zudem sicher im Betrieb und günstig fertigbar
ist.
[0032] Eine wichtige Verfahrensalternative der Erfindung sieht dabei vor, dass die Eindüsungsgeschwindigkeit
der Sekundärluft wenigstens halb so groß und höchstens viermal so groß ist wie die
Strömungsgeschwindigkeit des Verbrennungsgases. Hierdurch können stabile Strömungswirbel
ausgebildet werden, welche zu einer guten Durchmischung des Verbrennungsgases mit
Sekundärluft führen.
[0033] Die Zeichnungen stellen Ausführungsbeispiele der Erfindung dar und zeigen in
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Strömungskanal mit vier Sekundärluftdüsen;
Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Strömungskanal mit sechs Sekundärluftdüsen; und
Fig. 3 eine schematische Ansicht einer Sekundärbrennkammer.
[0034] Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Sekundärbrennkammer, und insbesondere eine
Schnittansicht E-E, wie sie in Figur 3 durch den Strömungskanal 1 der Sekundärbrennkammer
gekennzeichnet ist. Der Strömungskanal 1 dient der Nachverbrennung eines Verbrennungsgasstroms
G mittels Durchmischung mit Sekundärluft L. Hierfür gibt der Strömungskanal 1 zunächst
einmal eine Strömungsrichtung für den Verbrennungsgasstrom G vor, in dessen Richtung
sich das Verbrennungsgas G mit einer Strömungsgeschwindigkeit v
G bewegt.
[0035] Wie man erkennt, münden vier Sekundärluftdüsen 11, 12, 13, 14 zur Eindüsung der Sekundärluft
L in den Strömungskanal 1. Diese sind alle innerhalb eines Eindüsungsabschnitts 2
des Strömungskanals 1 angeordnet. Insbesondere sind die Sekundärluftdüsen 11, 12,
13, 14 alle von der Ebene E-E geschnitten und liegen somit alle gleichauf entlang
des Strömungskanals 1. Weiterhin weisen sie nicht parallel zur Strömungsrichtung R
ausgerichtete Eindüsungsrichtungen R1, R2, R3, R4 auf. Vielmehr sind die Eindüsungsrichtungen
R1, R2, R3, R4 senkrecht zur Strömungsrichtung des Verbrennungsgases G ausgerichtet.
[0036] Der Strömungskanal 1 hat einen Querschnitt mit einer langen Seite 5 und einer kurzen
Seite 6. Die kurze Seite 6 ist von zwei gegenüberliegenden kurzen Kanalwänden 61,
62 ausgebildet, welche beide nach außen gewölbt sind. Insbesondere sind diese halbkreisförmig
nach außen gewölbt.
[0037] Ferner haben die lange Seite 5 eine Länge a und die kurze Seite 6 eine Länge b, wobei
die Länge a der langen Seite 5 ungefähr der Länge b der kurzen Seite 6 multipliziert
mit der Anzahl der Sekundärluftdüsen 11, 12, 13, 14 abzüglich einer entspricht. Das
heißt in der gezeigten Ausführung, dass die lange Seite 5 eine Länge a hat, welche
in etwa dreimal so lang ist wie die Länge b der kurzen Seite 6.
[0038] Die lange Seite 5 wird von zwei gegenüberliegenden langen Kanalwänden 51, 52 ausgebildet,
wobei zwei Sekundärluftdüsen 12, 14 an der ersten langen Kanalwand 51 und zwei Sekundärluftdüsen
11, 13 an der zweiten langen Kanalwand 52 angeordnet sind. Hierbei sind die an der
ersten langen Kanalwand 51 angeordneten Sekundärluftdüsen 12, 14 jeweils versetzt
um einen quer zur Strömungsrichtung des Verbrennungsgases G ausgerichteten Versatzabstand
c zu den an der zweiten langen Kanalwand 52 angeordneten Sekundärluftdüsen 11, 13
angeordnet. Der Abstand e zwischen zwei auf einer Seite angeordneten Sekundärluftdüsen
11, 13 oder 12, 14 beträgt entsprechend dem Zweifachen des Versatzabstandes c. Schließlich
sind die am nächsten zu den kurzen Kanalwänden 61, 62 angeordneten Sekundärluftdüsen
11, 14 nicht ganz außen angeordnet, sondern diese haben einen Abstand d zum am weitesten
außen liegenden Punktes der kurzen Kanalwände 61, 62.
[0039] Gleichzeitig zum Verbrennungsgas G, welches mit der Strömungsgeschwindigkeit v
G durch den Strömungskanal 1 strömt, kann nunmehr Sekundärluft L mit einer Eindüsungsgeschwindigkeit
v
L durch die Sekundärluftdüsen 11, 12, 13, 14 in den Strömungskanal 1 eingeleitet werden.
Durch die gegenüberliegend angeordneten Sekundärluftdüsen 11, 12, 13, 14 und die Versatzabstände
c entstehen 3 parallele Strömungswirbel W, wobei benachbart angeordnete Strömungswirbel
W jeweils eine gegenläufige Rotationsrichtung haben. Die Rotationsgeschwindigkeiten
der Strömungswirbel W werden so kaum abgebremst und können sich sehr weit parallel
zueinander fortsetzen, insbesondere in einem nicht dargestellten Mischabschnitt.
[0040] Um gute stabile Strömungswirbel W und ein gutes Verhältnis der Anteile von Verbrennungsgas
G und Sekundärluft L zu erreichen, sollte die Eindüsungsgeschwindigkeit v
L der Sekundärluft L wenigstens halb so groß und höchstens viermal so groß sein wie
die Strömungsgeschwindigkeit v
G des Verbrennungsgases G. Zusätzlich können hierfür die Querschnittsflächen des Strömungskanals
1 und die kumulierte Querschnittsfläche der Sekundärluftdüsen 11, 12, 13, 14 aufeinander
abgestimmt sein. Durch die Durchmischung des Verbrennungsgases G mit Sekundärluft
L wird das Verbrennungsgas G im Strömungskanal 1 nachverbrannt.
[0041] Fig. 2 zeigt ebenfalls einen Querschnitt durch eine Sekundärbrennkammer, und insbesondere
eine Schnittansicht E-E wie sie in Figur 3 durch den Strömungskanal 1 der Sekundärbrennkammer
gekennzeichnet ist. Der Strömungskanal 1 dient der Nachverbrennung eines Verbrennungsgasstroms
G mittels Durchmischung mit Sekundärluft L. Hierfür gibt der Strömungskanal 1 zunächst
einmal eine Strömungsrichtung für den Verbrennungsgasstrom G vor, in dessen Richtung
sich das Verbrennungsgas G mit einer Strömungsgeschwindigkeit v
G bewegt.
[0042] Wie man erkennt, münden sechs Sekundärluftdüsen 11, 12, 13, 14, 15, 16 zur Eindüsung
der Sekundärluft L in den Strömungskanal 1. Diese sind alle innerhalb eines Eindüsungsabschnitts
2 des Strömungskanals 1 angeordnet. Insbesondere sind die Sekundärluftdüsen 11, 12,
13, 14, 15, 16 alle von der Ebene E-E geschnitten und liegen somit alle gleichauf
entlang des Strömungskanals 1. Weiterhin weisen sie nicht parallel zur Strömungsrichtung
R ausgerichtete Eindüsungsrichtungen R1, R2, R3, R4, R5, R6 auf. Vielmehr sind die
Eindüsungsrichtungen R1, R2, R3, R4, R5, R6 senkrecht zur Strömungsrichtung des Verbrennungsgases
G ausgerichtet.
[0043] Der Strömungskanal 1 hat einen Querschnitt mit einer langen Seite 5 und einer kurzen
Seite 6. Die kurze Seite 6 ist von zwei gegenüberliegenden kurzen Kanalwänden 61,
62 ausgebildet, welche beide nach außen gewölbt sind. Insbesondere sind diese halbkreisförmig
nach außen gewölbt.
[0044] Die lange Seite 5 wird von zwei gegenüberliegenden langen Kanalwänden 51, 52 ausgebildet,
wobei zwei Sekundärluftdüse 13, 15 an der ersten langen Kanalwand 51 und zwei Sekundärluftdüse
12, 14 an der zweiten langen Kanalwand 52 angeordnet sind. Die verbleibenden zwei
Sekundärluftdüsen 11, 16 sind jeweils an einer der kurzen Kanalwände 61, 62 angeordnet.
Hier mündet Sekundärluftdüse 16 tangential in die halbkreisförmige Wölbung von der
zweiten kurzen Kanalwand 62. Schließlich ist Sekundärluftdüse 16 auch ganz außen angeordnet,
sodass kein Abstand zum am weitesten außen liegenden Punkt der zweiten kurzen Kanalwand
62 vorliegt. Sekundärluftdüse 11 mündet exzentrisch, jedoch nicht tangential in die
halbkreisförmige Wölbung der ersten kurzen Kanalwand 61 und ist dabei nicht senkrecht
zu den langen Kanalwänden 51, 52 ausgerichtet.
[0045] Die an der ersten langen Kanalwand 51 angeordneten Sekundärluftdüsen 12, 14 und die
an der zweiten kurzen Kanalwand 62 angeordnete Sekundärluftdüse 16 sind jeweils versetzt
um einen quer zur Strömungsrichtung des Verbrennungsgases G ausgerichteten Versatzabstand
zu den an der zweiten langen Kanalwand 52 angeordneten Sekundärluftdüsen 13, 15 sowie
der an der ersten kurzen Kanalwand 61 angeordneten Sekundärluftdüse 11 angeordnet.
[0046] Gleichzeitig zum Verbrennungsgas G, welches mit der Strömungsgeschwindigkeit v
G durch den Strömungskanal 1 strömt, kann nunmehr Sekundärluft L mit einer Eindüsungsgeschwindigkeit
v
L durch die Sekundärluftdüsen 11, 12, 13, 14, 15, 16 in den Strömungskanal 1 eingeleitet
werden. Durch die gegenüberliegend angeordneten Sekundärluftdüsen 11, 12, 13, 14,
15, 16 und die Versatzabstände entstehen fünf benachbart angeordnete Strömungswirbel
W mit jeweils gegenläufigen Rotationsrichtungen. Die Rotationsgeschwindigkeiten der
Strömungswirbel W werden so kaum abgebremst und können sich sehr weit parallel zueinander
fortsetzen, insbesondere in einem nicht dargestellten Mischabschnitt.
[0047] Um gute stabile Strömungswirbel W und ein gutes Verhältnis der Anteile von Verbrennungsgas
G und Sekundärluft L zu erreichen, sollte die Eindüsungsgeschwindigkeit v
L der Sekundärluft L wenigstens halb so groß und höchstens viermal so groß sein wie
die Strömungsgeschwindigkeit v
G des Verbrennungsgases G. Durch die Durchmischung des Verbrennungsgases G mit Sekundärluft
L wird das Verbrennungsgas G im Strömungskanal 1 nachverbrannt.
[0048] Fig.3 zeigt eine Sekundärbrennkammer 100 mit einem Strömungskanal 1 zur Nachverbrennung
eines Verbrennungsgasstroms G mittels Durchmischung mit Sekundärluft L. Der Strömungskanal
1 gibt eine Strömungsrichtung R für den Verbrennungsgasstrom G vor. Dabei hat der
Strömungskanal 1 einen Querschnitt mit einer langen Seite sowie einer kurzen Seite
und auf der zum Betrachter zeigenden Seite münden zwei Sekundärluftdüsen 11, 12 zur
Eindüsung der Sekundärluft L in den Strömungskanal 1. Die Sekundärluftdüsen 11, 12
sind innerhalb eines Eindüsungsabschnitts 2 des Strömungskanals 1 angeordnet und weisen
nicht parallel zur Strömungsrichtung R ausgerichtete Eindüsungsrichtungen auf. Sie
sind dabei in der Strömungsrichtung R parallel zueinander angeordnet, bzw. liegen
gleichauf entlang des Strömungskanals 1. Somit sind sie von einer einzigen Ebene E-E
senkrecht zur Strömungsrichtung R schneidbar.
[0049] Weiterhin weist der Strömungskanal 1 einen sich in der Strömungsrichtung R an den
Eindüsungsabschnitt 2 anschließenden Mischabschnitt M auf. Mit diesem mündet der Strömungskanal
1 schließlich in eine als Zyklonbrennkammer ausgebildete Brennkammer 102. Insbesondere
mündet der Strömungskanal 1 quer zur Rotationsachse der Zyklonbrennkammer in diese.
Ob tangential und/oder exzentrisch ist in der Abbildung nicht erkennbar.
[0050] Ein in einer Primärkammer 101 erzeugtes Verbrennungsgas G kann nunmehr mit einer
in Strömungsrichtung R ausgerichteten Strömungsgeschwindigkeit v
G durch eine Eintrittsöffnung 3 in den Strömungskanal 1 eingeleitet werden. Gleichzeitig
ist Sekundärluft L mit einer Eindüsungsgeschwindigkeit v
L durch die Sekundärluftdüsen 11, 12 in den Strömungskanal 1 einleitbar. Hierdurch
bilden sich parallele Strömungswirbel im Strömungskanal 1 aus und setzen sich im Mischabschnitt
M parallel fort. Mit zunehmendem Fortschritt in Strömungsrichtung R nimmt dabei die
Rotationsgeschwindigkeit der Strömungswirbel ab. Anschließend verlässt das Verbrennungsgas
G gut durchmischt mit Sekundärluft L den Strömungskanal 1 durch eine Austrittsöffnung
4 und strömt in die Brennkammer 102 ein. Sowohl im Strömungskanal 1 als auch in der
Brennkammer 102 kann das Verbrennungsgas G dabei nachverbrannt werden. Dies ist insbesondere
abhängig von der Temperatur des Verbrennungsgases G, die nach einem Brennerstart aufgrund
der geringen Volumina der Sekundärbrennkammer 100 schnell ansteigt. Überschreitet
das Verbrennungsgas G eine bestimmte Temperatur, entzündet es sich selbstständig bei
der Anreicherung mit Sekundärluft L.
[0051] Um gute stabile Strömungswirbel und ein gutes Verhältnis der Anteile von Verbrennungsgas
G und Sekundärluft L zu erreichen, sollte die Eindüsungsgeschwindigkeit v
L der Sekundärluft L wenigstens halb so groß und höchstens viermal so groß sein wie
die Strömungsgeschwindigkeit v
G des Verbrennungsgases G.
BEZUGSZEICHENLISTE
[0052]
- 1
- Strömungskanal
- 2
- Eindüsungsabschnitt
- 3
- Eintrittsöffnung
- 4
- Austrittsöffnung
- 5
- lange Seite
- 6
- kurze Seite
- 11
- erste Sekundärluftdüse
- 12
- zweite Sekundärluftdüse
- 13
- dritte Sekundärluftdüse
- 14
- vierte Sekundärluftdüse
- 15
- fünfte Sekundärluftdüse
- 16
- sechste Sekundärluftdüse
- 51
- erste lange Kanalwand
- 52
- zweite lange Kanalwand
- 61
- erste kurze Kanalwand
- 62
- zweite kurze Kanalwand
- 100
- Sekundärbrennkammer
- 101
- Primärbrennkammer
- 102
- Brennkammer
- a
- Länge der langen Seite
- b
- Länge der kurzen Seite
- c
- Versatzabstand zwischen zwei Sekundärluftdüsen
- d
- Abstand von den äußeren Sekundärluftdüsen zum Rand
- e
- Abstand von zwei auf einer Seite angeordneten Sekundärluftdüsen
- E
- Ebene
- G
- Verbrennungsgasstrom
- L
- Sekundärluft
- M
- Mischabschnitt
- R
- Strömungsrichtung
- R1
- Eindüsungsrichtung der ersten Sekundärluftdüse
- R2
- Eindüsungsrichtung der zweiten Sekundärluftdüse
- R3
- Eindüsungsrichtung der dritten Sekundärluftdüse
- R4
- Eindüsungsrichtung der vierten Sekundärluftdüse
- R5
- Eindüsungsrichtung der fünften Sekundärluftdüse
- R6
- Eindüsungsrichtung der sechsten Sekundärluftdüse
- vG
- Strömungsgeschwindigkeit des Verbrennungsgasstroms
- vL
- Eindüsungsgeschwindigkeit der Sekundärluft
- W
- Strömungswirbel
1. Sekundärbrennkammer (100) mit einem Strömungskanal (1) zur Nachverbrennung eines Verbrennungsgasstroms
(G) mittels Durchmischung mit Sekundärluft (L), wobei der Strömungskanal (1) eine
Strömungsrichtung (R) für den Verbrennungsgasstrom (G) vorgibt,
dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (1) einen Querschnitt mit einer langen Seite (5) und einer kurzen
Seite (6) hat, wobei wenigstens zwei Sekundärluftdüsen (11, 12, 13, 14, 15, 16) zur
Eindüsung der Sekundärluft (L) in den Strömungskanal (1) münden, welche innerhalb
eines Eindüsungsabschnitts (2) des Strömungskanals (1) angeordnet sind und nicht parallel
zur Strömungsrichtung (R) ausgerichtete Eindüsungsrichtungen (R1, R2, R3, R4, R5,
R6) aufweisen.
2. Sekundärbrennkammer (100) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass zwei benachbarte Sekundärluftdüsen (11, 12, 13, 14, 15, 16) einen maximalen Abstand
in Strömungsrichtung (R) zueinander haben, der das Zweifache der Länge der kurzen
Seite (6) beträgt.
3. Sekundärbrennkammer (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Eindüsungsrichtungen (R1, R2, R3, R4, R5, R6) wenigstens annähernd senkrecht
zur Strömungsrichtung (R) ausgerichtet sind.
4. Sekundärbrennkammer (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (1) einen sich in der Strömungsrichtung (R) an den Eindüsungsabschnitt
(2) anschließenden Mischabschnitt (M) aufweist.
5. Sekundärbrennkammer (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die kurze Seite (6) von zwei gegenüberliegenden kurzen Kanalwänden (61, 62) ausgebildet
ist, wobei wenigstens eine der kurzen Kanalwände (61, 62) nach außen gewölbt ist.
6. Sekundärbrennkammer (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die lange Seite (5) von zwei gegenüberliegenden langen Kanalwänden (51, 52) ausgebildet
ist, wobei wenigstens eine Sekundärluftdüse (11, 12, 13, 14, 15, 16) an der ersten
langen Kanalwand (51) und wenigstens eine Sekundärluftdüse (11, 12, 13, 14, 15, 16)
an der zweiten langen Kanalwand (52) angeordnet ist.
7. Sekundärbrennkammer (100) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die an der ersten langen Kanalwand (51) angeordneten Sekundärluftdüsen (11, 12, 13,
14, 15, 16) jeweils versetzt um einen quer zur Strömungsrichtung (R) ausgerichteten
Versatzabstand (c) zu den an der zweiten langen Kanalwand (52) angeordneten Sekundärluftdüsen
(11, 12, 13, 14, 15, 16) angeordnet sind.
8. Sekundärbrennkammer (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die lange Seite (5) eine Länge (a) und die kurze Seite (6) eine Länge (b) aufweisen,
wobei die Länge (a) der langen Seite (5) ungefähr der Länge (b) der kurzen Seite (6)
multipliziert mit der Anzahl der Sekundärluftdüsen (11, 12, 13, 14, 15, 16) abzüglich
einer entspricht.
9. Sekundärbrennkammer (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens vier Sekundärluftdüsen (11, 12, 13, 14, 15, 16), bevorzugt jedoch wenigstens
sechs Sekundärluftdüsen (11, 12, 13, 14, 15, 16) in den Strömungskanal (1) münden.
10. Sekundärbrennkammer (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (1) in eine Brennkammer (102) mündet, wobei die Brennkammer (102)
bevorzugt eine Zyklonbrennkammer ist.
11. Verfahren zum Betrieb einer Sekundärbrennkammer (100) nach einem der Ansprüche 1 bis
10,
gekennzeichnet durch folgende Schritte:
a) Einleiten von Verbrennungsgas (G) in den Strömungskanal (1) mit einer Strömungsgeschwindigkeit
(vG) in Strömungsrichtung (R),
b) Einleiten von Sekundärluft (L) durch die Sekundärluftdüsen (11, 12, 13, 14, 15, 16) in den Strömungskanal (1) mit einer
Eindüsungsgeschwindigkeit (vL),
c) Ausbilden von wenigstens zwei parallelen Strömungswirbeln (W) im Strömungskanal
(1).
12. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass die Eindüsungsgeschwindigkeit (vL) der Sekundärluft (L) wenigstens halb so groß und höchstens viermal so groß ist wie
die Strömungsgeschwindigkeit (vG) des Verbrennungsgases (G).