[0001] Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung für die Zuführung von Abluft und/oder
Verbrennungsluft zu einem Brenner oder einer Brennkammer über einen vorgeschalteten
zylindrischen Einlaufsammler mit tangential in den Einlaufsammler mündenden Zuführungsstutzen
zur Erzeugung einer Drallströmung.
[0002] In Drallbrennkammern, vorzugsweise Combustoren, werden die Verbrennungsluft und/oder
die zu verbrennenden Gase mit einer aufgeprägten Drehbewegung, d.h. unter Drall zugeführt,
so daß sich im Verbrennungsraum ein überkritisches Drallströmungsfeld mit peripherer
Vorwärts- und axialer Rückströmung ausbildet. Aufgrund der dadurch verlängerten Strömungswege
der Gasmoleküle und der erhöhten Durchmischung der Reaktionspartner ist die Wahrscheinlichkeit
für das Aufeinandertreffen der Reaktionspartner im Vergleich zu früher üblichen Brennern
wesentlich erhöht und damit eine hohe Leistungsdichte gewährleistet.
[0003] In der DE 2 925 961 wird ein Drallbrenner beschrieben, der mit Drallklappen zur optimalen
Einstellung der Verbrennungscharakteristik ausgestattet ist. Damit soll insbesondere
erreicht werden, daß der Drallbrenner an unterschiedliche Massenströme und auch unterschiedliche
Brennstoffe und/oder zu verbrennende Gase angepaßt werden kann. Es hat sich jedoch
herausgestellt, daß besonders dann, wenn von dem Brenner oder der Brennkammer ein
hoher Mengen- bzw. Durchsatzregelbereich gefordert wird, bei kleinen Durchsätzen
die zur Erzielung gleichbleibender Verbrennungsergebnisse notwendige Drallintensität
nicht erreicht werden kann. Die zur Drallregulierung nach dem Stand der Technik vorgesehene
Drallklappe bewirkte z.B. daß ihre Korrekturwirkung unterhalb einer Durchsatzmenge
von ca. 25 % des Nenndurchsatzes aufhörte oder sogar in negativer Richtung zu einer
Drallschwächung führte. Als Brennergebnis resultiert dabei unter Umständen eine instabile,
mehrfach unterteilte Flamme, deren Teilabriß schon zu Abgasverunreinigungen im Sinne
einer unvollkommenen Verbrennung führen würde. In ungünstigen Fällen können bei niedrigen
Durchsätzen auch störende Schwingungen auftreten, die zu einer starken Lärmbelästigung
führen.
[0004] Hier setzt die Erfindung an. Es liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drallsteuerung
bzw. Drallregelung in Kombi nation mit einer Brennkammer oder einem Brenner zu entwickeln,
die im Prinzip bei kleinen Durchsätzen eine Drallerhöhung und bei großen Durchsätzen
eine Drallschwächung bewirkt, um über einen großen Durchsatzbereich hinweg (1:10)
optimale Verbrennungsergebnisse zu erzielen. Die optimale Dralleinstellung soll dabei
auch während des Betriebes eines Brenners zum Tragen kommen.
[0005] Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem Einlaufsammler mit tangential einmündenden
Zuführungsstutzen zur Erzeugung einer Drallströmung in Verbindung mit einem Brenner
oder einer Brennkammer erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Hauptzuführungsstutzen
in einem radialen Abstand R von der Brennerachse an dem Einlaufsammler angeordnet
ist, der größer ist als der Radius r des Brennraumes und daß ein mit einem Regelorgan
versehener Sekundärstutzen stromabwärts vom Hauptstutzen über einen Ringspalt, tangential
und gegenläufig zum Hauptstromdrall derart in den Einlaufsammler mündet, daß die
tangentiale Strömungskomponente des Hauptstromes verlangsamt wird.
[0006] In der Regel wird die Anordnung so ausgelegt, daß der Sekundärstutzen vom Hauptstutzen
abzweigt. Zur Grobeinstellung des Dralls ist vorteilhaft auch im Hauptzuführungsstutzen
ein Schieber oder eine Drallklappe vorgesehen.
[0007] Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird das Regelorgan im Sekundärstutzen
durch einen im Hauptzuführungsstutzen angeordneten Mengenstromsensor erst dann geöffnet,
wenn der Durchsatz auf 40 % bis 80 %, vorzugsweise auf 50 % bis 60 %, des Nenndurchsatzes
ansteigt. Dies bedeutet, daß erst bei Durchsätzen >40 % bzw. >50% eine zum Hauptstromdrall
gegenläufige Drallkomponente erzeugt wird, die eine Drallschwächung bewirkt.
[0008] Der Kerngedanke der Erfindung liegt also darin, daß bei kleinen Durchsätzen durch
Vergrößerung des Drallradius R eine wesentlich höhere Drallintensität erzeugt werden
kann und bei höheren Durchsätzen eine Drallschwächung (Drallbremsung) durch den gegenläufig
einmündenden Sekundärstrom erfolgt. Dabei wird der Tatsache Rechnung getragen, daß
sich eine zu hohe Drallintensität ungünstig auf die Verbrennung auswirkt und eine
für den Verbrennungsvorgang wirkungslose Steigerung des Druckverlustes vermieden
wird. Es handelt sich demzufolge um eine fluiddynamische Drallsteuerung bzw. -regelung.
[0009] Im einzelnen wirkt sich der mit der Erfindung erzielbare weite Regel- und Steuerbereich
für den Betrieb des Brenners bzw. der Brennkammer in folgender Weise aus:
1. Es kann eine optimale Flammenstabilisierung erreicht werden, wobei gleichzeitig
ein Verlöschen der Flamme verhindert wird.
1.1 Bei schnellen Mengenstromschwankungen.
1.2 Bei schnellen Beladungsschwankungen.
1.3 Bei schnellen Sauerstoffkonzentrationsschwankungen.
2. Es können hohe Verbrennungsturbulenzen (Tu = 0,3 bis 0,4) realisiert werden. Daraus resultiert:
2.1 eine hohe Leistungsdichte der Verbrennung; d.h. bei gegebener Verweilzeit hat
jedes Brennstoffmolekül eine etwa um den Faktor 10 erhöhte Reaktionschance.
2.2 Ein guter Ausbrand bzw. eine hohe Verbrennungsgüte, was insbesondere bei der
Verbrennung von chloraromatischen Verbindungen von Bedeutung ist.
2.3 Vermeidung von örtlichen, länger andauernden Temperaturspitzen, was sich günstig
im Hinblick auf die NOx-Bildung auswirkt.
[0010] Darüber hinaus werden folgende Vorteile erzielt:
- Aufgrund der fluiddynamischen Drallregelung ist die Mischintensität in weiten Bereichen
einstellbar.
- Störende Schwingungen in Ein- oder Mehrbrennersystemen können vermieden werden.
- Die fluiddynamische Drallregelung läßt hinsichtlich der Werkstoffwahl bei der Ausführung
des Brennraumes gewisse Freiheiten zu. Der Brennraum kann entweder in Metall oder
Keramik ausgeführt sein.
- Außerdem ist aufgrund der fluiddynamischen Regelung der Druckabfall des Drallbrenners
einstellbar und regelbar.
[0011] Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine Drallbrennkammer mit tangentialer Zuführung des Sekundärstromes und fluiddynamischer
Regelung in einer Querschnittsdarstellung.
Fig. 2 die Drallbrennkammer nach Fig. 1 in Draufsicht
Fig. 3 eine Drallbrennkammer mit peripherer Zuführung des Sekundärstromes und fluiddynamischer
Regelung in Querschnittsdarstellung
Fig. 4 die Brennkammer nach Fig. 3 in Draufsicht und
Fig. 5 die Wirksamkeit der fluiddynamischen Drallregelung anhand des Druckabfalls
des Systems als Funktion des Durchsatzes.
[0012] Die in den Zeichnungen wiedergegebene Drallbrennkammer ist einschließlich Dralleinlaufsystem
oder Einlaufsammler dargestellt. Sie besteht im wesentlichen aus dem Einlaufsammler
1 mit einem Ringkanal 2, dem die zu verbrennenden Abgase (Abluft) zusammen mit der
dazu erforderlichen Verbrennungsluft tangential zugeführt werden. Dabei werden die
Gase durch ein in Fortsetzung des Einlaufsammlers 1 verlaufendes Rohr 3 im Ringkanal
um 180° umgelenkt und in eine Vorkammer 16 geführt. An die Vorkammer 16 schließt
sich der eigentliche Brennraum 4 an. Der Brennstoff wird über ein Brennstofforgan
5 axial in den Brennraum 4 eingegeben.
[0013] Wie in Fig. 1 gezeigt, wird der aus Abluft und Verbrennungsluft bestehende Gasstrom
in einen Primärstrom 6 (Hauptstrom) und einen Sekundärstrom 7 aufgeteilt. Primärstrom
6 und Sekundärstrom 7 werden dem Ringkanal 2 über die tangential angeflanschten Hauptstutzen
8 bzw. Sekundärstutzen 9 sowie Einlaufsammler 1 zugeführt. Der Sekundärstutzen 9 mündet
in Strömungsrichtung gesehen hinter dem Hauptstutzen 8 in den Einlaufsammler 1 (siehe
Fig. 2). Durch den Sekundärstrom 7 wird also im Ringkanal eine dem Primärstrom gegenläufige
Drallkomponente erzeugt; d.h. nach der Wiedervereinigung von Primär- und Sekundärstrom
ist die Drallintensität geschwächt. Mit anderen Worten durch die gegenläufige Drallkomponente
des Sekundärstromes 7 wird die tangentiale Strömungskomponente des Primärstromes verlangsamt.
[0014] Konstruktiv von Bedeutung ist die Vergrößerung des Drallradius R bei der Zuführung
des Primärstromes: Der Primärstrom 6 wird über den Hauptzuführungsstutzen 8 in einem
radialen Abstand R von der Brennerachse zugeführt, der größer ist als der Radius r
des Brennraumes 4. Auf diese Weise kann, verglichen mit herkömmlichen Dralleinlaufsystemen,
von vornherein eine wesentlich höhere Drallintensität erzeugt werden.
[0015] Im Hauptstutzen 8 befindet sich ein Drallschieber oder Drallklappe 10 zur Voreinstellung
d.h. Optimierung der Drallstärke für den unteren Durchsatzbereich. Zur Grobeinstellung
des Mengenstromverhältnisses von Primärstrom 6 und Sekundärstrom 7 dient eine Drosselklappe
13. In der Zuleitung für den Sekundärstrom 7 ist ein Regelorgan 11, z.B. eine verstellbare
Drossel angeordnet, die von einem Mengenstromsensor 12 vor der Aufteilung in Primärstrom
und Sekundärstrom gesteuert wird. Diese Steuerung bzw. Regelung wird weiter unten
noch näher beschrieben.
[0016] Eine alternative Ausführung des Dralleinlaufsystems bzw. der Drallbrennkammer ist
in den Fig. 3 und 4 dargestellt. Im Gegensatz zu der Ausführung nach Fig. 1 bis 2
wird hier der Sekundärstrom 7 über gleichmäßig verteilte Einlaßschlitze 14 wieder
mit dem Primärstrom 6 vereinigt. Die Einlaßschlitze 14 verbinden den Ringspalt 2 mit
dem Sammler 15, an den wiederum der Sekundärstutzen 9 tangential angeflanscht ist.
Aufgrund der gleichmäßig über den Umfang verteilten Einlaßschlitze 14 wird die tangentiale
Strömungskomponente der Primärströmung abgeschwächt bzw. verlangsamt. Mit dieser
Anordnung können eine besonders gleichmäßige Zuführung des Sekundärstromes 7 und
als Folge davon besonders gute Ausbrandergebnisse erzielt werden.
[0017] Die Wirksamkeit der beschriebenen fluiddynamischen Drallregelung läßt sich anhand
von Fig. 5 erkennen. In diesem Diagramm ist die Druckdifferenz ΔP zwischen Abluftzuführungsleitung,
das ist vor Abzweigung des Sekundärstromes und Brennraumes 4, als Funktion des Abluftdurchsatzes
aufgetragen. Der Abluftdurchsatz wird dabei in der Leitung vor der Abzweigung des
Sekundärstromes oder im Hauptstutzen 8 gemessen (Sensor 12). Die Regeleinrichtung
11, 12 ist hier so ausgelegt, daß sie erst oberhalb eines vorgegebenen Schwellwertes
(hier 50 % des maximalen Durchsatzes) anspricht. Dies bedeutet, daß erst oberhalb
einer vorgegebenen Durchsatzschwelle das Regelorgan 11 mit zunehmendem Durchsatz immer
stärker geöffnet wird, so daß der Sekundärstrom 7 zunehmend an Einfluß gewinnt und
zu einer Verkleinerung des resultierenden Dralls führt. Dieses Verhalten entspricht
dem rechten Ast a der Kurve für den Druckverlauf. Der linke Ast b ergibt sich, wenn
die Regelung abgeschaltet ist, d.h. ohne Drallabschwächung im oberen Durchsatzbereich.
Man erkennt, daß der Druckverlust mit fluiddynamischer
[0018] Drallregelung (Kurve a) gegenüber b (ohne Drallregelung) deutlich vermindert ist.
Der Schwellwert für den Einsatz der Drallregelung, der hier bei 50 % liegt, wird je
nach den Betriebsbedingungen zwischen 40 % bis 80 %, vorzugsweise zwischen 50 % bis
60 %, des Nenndurchsatzes fest eingestellt.
1. Vorrichtung für die Zuführung von Abluft und/oder Verbrennungsluft zu einem Brenner
über ein vorgeschaltetes zylindrisches Dralleinlaufsystem mit tangential in das Einlaufsystem
mündenden Zuführungsstutzen zur Erzeugung einer Drallströmung, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Hauptzuführungsstutzen (8) in einem radialen Abstand R von der Brennerachse
an dem Einlaufsammler (1) angeordnet ist, der größer ist als der Radius r des Brennraumes
(4) und daß ein mit einem Regelorgan (11) versehener Sekundärstutzen (9) stromabwärts
vom Hauptstutzen (8) über Einlaßschlitze (14) tangential und gegenläufig zum Hauptstromdrall
derart in den Einlaufsammler (1) mündet, daß die tangentiale Strömungskomponente des
Hauptstromes (6) verlangsamt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärstutzen (9)
vom Hauptstutzen (8) abzweigt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Hauptstutzen
(8) eine einstellbare Drallklappe (10) oder ein Drallschieber angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelorgan (11) im
Sekundärstrom (9) durch einen am Hauptstutzen (8) angeordneten Mengenstromsensor geöffnet
wird, wenn der Durchsatz auf 40 % bis 80 %, vorzugsweise auf 50 % bis 60 %, des Nenndurchsatzes
ansteigt, so daß erst bei Durchsätzen >40 % bzw. >50 % eine zum Hauptstromdrall gegenläufige
Drallkomponente erzeugt wird.