Brenner mit einer Vorrichtung für die Zuführung von Abluft und/oder Verbrennungsluft

Abstract

 Die Vorrichtung weist ein vorgeschal­tetes zylindrisches Dralleinlaufsystem (Einlaufsammler 1) mit tangential einmündenden Zuführungsstutzen (8, 9) auf. Dabei ist der Hauptstutzen (8) in einem radialen Abstand (R) von der Brennerachse an dem Einlaufsammler (1) angeordnet, der größer ist als der Radius (r) des Brenn­raums (4). Durch diese Vergrößerung des Drallradius kann bei kleinen Durchsätzen eine wesentlich höhere Drallin­tensität erzeugt werden. Um zu vermeiden, daß bei höhe­ren Durchsätzen der Drall zu stark anwächst, wird dem Einlaufsammler (1) über einen Sekundärstutzen (9) tan­gential und gegenläufig zum Hauptstromdrall ein Sekun­därstrom (7) zugeführt, der über ein Regelorgan (11) eingespeist wird. Alternativ kann der Sekundärstrom (7) dem Einlaufsammler (1) auch über Einlaßschlitze (14) im wesentlichen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung zuge­führt werden. In beiden Fällen wird die tangentiale Strömungskomponente des Hauptstroms (6) verlangsamt. Das Regelorgan (11) im Sekundärstrom (7) ist zweckmäßig so ausgelegt, daß der Sekundärstrom (7) erst dann einsetzt, wenn der Hauptstromdurchsatz auf 50 % bis 60 % des Nenn­durchsatzes ansteigt.

Beschreibung

[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 (T_u = 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 NO_x-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.

Ansprüche

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.

Zeichnung