[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner gemäss Oberbegriff des Anspruchs
1. Sie betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Brenners.
STAND DER TECHNIK
[0002] Aus EP-A1-0 321 809 ist ein Brenner bekanntgeworden, der aus zwei halben hohlen Teilkegelkörper
besteht, die versetzt zueinander aufeinander liegen. Die Kegelform der in der dortigen
Figur gezeigten Teilkegelkörper erstreckt sich in Strömungsrichtung über einen bestimmten
festen Winkel. Die erwähnte Versetzung der Teilkegelkörper zueinander schafft auf
beiden Seiten des Brennerkörpers jeweils einen über die ganze Länge des Brenners tangentialen
Eintrittsschlitz, dessen Breite der jeweiligen Versetzung der Mittelachsen der Teilkegelkörper
zueinander entspricht, und durch welchen die Verbrennungsluft in den Innenraum des
Brenners strömt.
[0003] Im Innenraum am Anfang des Brenners ist eine Brennstoffdüse plaziert, deren Brennstoffeindüsung
vorzugsweise mittig der zueinander versetzten Mittelachsen der Teilkegelkörper ausgeht.
Im Bereich der tangentialen Eintrittsschlitze sind weitere Brennstoffdüsen vorgesehen.
Durch die zentrale Brennstoffdüse wird vorzugsweise flüssiger Brennstoff herangeführt,
während die Brennstoffdüsen im Bereich der tangentialen Eintrittsschlitze vorzugsweise
mit einem gasförmigen Brennstoff betrieben werden. Wird nun ein solcher Brenner mit
einem mittelkalorischen Gas, das in der Regel leicht entzündlichen Wasserstoff enthält,
betrieben, so besteht die konkrete Gefahr, dass sich die herangeführte Verbrennungsluft
und dieses Gas bereits im Eintrittsbereich, am Ort ihres Zusammentreffens, derart
stark vermischen, dass es zu einer verfrühten Zündung des Gemisches kommen kann. Dies
wiederum würde zu einer diffusionsartigen Verbrennung mit stark erhöhter NO
x-Emission führen. Danebst ist feststellbar, dass bei einer solchen Vermischung Luft/Gas
leicht Scherschichten entstehen können, worauf eine Instabilität des Mischvorganges
infolge starker Verwirbelungen die Folge ist. Kommt es auf die Zuführung des Gases
wegen obengenannter Instabilität zu Druckpulsationen, so führt dies, darüber hinaus,
zu starken Schwingungen im System.
AUFGABE DER ERFINDUNG
[0004] 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 Massnahmen vorzusehen, die bei Verwendung eines mittelkalorischen Gases als Brennstoff
eine Frühzündung des Gemisches verunmöglichen. Die Massnahmen sollen auch eine Stabilisierung
des Mischvorganges ermöglichen.
[0005] Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die NO
x-Emissionen, da es zu keiner verfrühten Zündung kommt, tief bleiben.
[0006] Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass der Injektor,
der die aufgabengemässe Lösung bildet, ermöglicht, das Strömungsfeld des zum Einsatz
kommenden Brenners, trotz des hohen Massenstromanteils des mittelkalorischen Gases
am Luft/Gas-Gemisch, nicht nennenswert zu verändern. Dies gelingt mit Hilfe einer
geeigneten Verteilung einer Anzahl von Injektorbohrungen gleicher Grösse oder mit
Hilfe einer Anordnung von Bohrungen, deren Druchmesser in geeigneter Weise variiert.
Dabei ist die Dichte der Gaseintrittsbohrungen (P
GB) proportional zur radial gemittelten Verbrennungslufteintrittsgeschwindigkeit durch
die tangentialen Lufteintrittsschlitze des Brenners.
[0007] Der erfindungsgemässe Injektor lässt des weiteren Scherschichten beim Mischvorgang
nicht entstehen: Diese Scherschichten, die immer dann entstehen, wenn die Geschwindigkeit
des gasförmigen Brennstoffes am Mischort grösser als die Luftgeschwindigkeit ist,
bewirken starke Verwirbelungen, welche eine Instabilität des Systems auslösen. Indem
nun der Injektor so ausgelegt ist, dass am Mischort die beiden Medien mit nahezu gleicher
Geschwindigkeit aufeinander treffen, treten dort keine Turbulenzen auf; auch entstehen
dort keine Druckpulsationen, welche eine negative Auswirkung auf den Misch- und Brennvorgang
hätten, so dass Schwingungen auf das System ausgeschlossen sind. Der Mischvorgang
ist bezüglich Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Brennstoffes auf Vollast ausgelegt:
Der gasförmige Brennstoff wird annähernd drucklos in die Luftströmung "eingehaucht".
Weitere Vorteile der Erfindung betreffen die Vermeidung der akustischen Härte bei
der Eindüsung des Brennstoffes: Indem die Spaltbreite und die Länge des Injektors
entsprechend ausgelegt ist, kann sich die Strömung vor Verlassen des Injektors soweit
erholen, dass die erwähnte akustische Härte nicht entstehen kann.
[0008] Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass in geeigneten Temperatur-
und Druckbereichen sogar eine Verbrennung von Gasen mit niedrigem Heizwert denkbar
ist.
[0009] Vorteilhafte und zweckmässige Wetierbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung
sind in den weiteren Ansprüchen gekennzeichnet.
[0010] Im folgenden wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher
erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen
Elemente sind fortgelassen. Die Strömungsrichtung der verschiedenen Medien ist mit
Pfeilen angegeben. In den verschiedenen Figuren sind gleiche Elemente jeweils mit
den gleichen Bezugszeichen versehen.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
[0011] Es zeigt:
- Fig.1
- eine perspektivische Darstellung des Brenners, entsprechend aufgeschnitten, mit angedeuteter
tangentialer Luftzuführung und
- Fig.2
- einen Schnitt durch die Ebene II-II von Fig. 1, in einer schematischen, vereinfachten
Darstellung.
BESCHREIBUNG DES AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
[0012] Um den Aufbau des Brenners 1 besser zu verstehen, sollen die Fig. 1 und 2 gleichzeitig
herangezogen werden. Des weiteren, damit Fig. 1 übersichtlich bleibt, sind die nach
Fig. 2 gezeigten Injektoren nicht darin aufgenommen worden.
[0013] Fig. 1 zeigt einen Brenner 1, welcher aus zwei halben, hohlen Teilkegelkörpern 2,
3 besteht, die versetzt zueinander aufeinander liegen. Die Kegelform der gezeigten
Teilkegelkörper 2, 3 weist in Strömungsrichtung einen bestimmten festen Winkel auf.
Selbstverständlich können die Teilkegelkörper 2, 3 in Strömungsrichtung eine zunehmende
Kegelneigung (konvexe Form) oder eine abnehmende Kegelneigung (konkave Form) aufweisen.
Die beiden letztgenannten Formen sind zeichnerisch nicht erfasst, da sie ohne weiteres
nachempfindbar sind. Welche Form schlussendlich zum Einsatz gelangt, hängt von den
verschiedenen Parametern des Verbrennungsprozesses ab. Vorzugsweise wird die zeichnerisch
gezeigte Form eingesetzt. Die Versetzung der jeweiligen Mittelachse 2a, 3a (siehe
Fig. 2) der Teilkegelkörper 2, 3 zueinander schafft auf beiden Seiten des Brenners
1 in Strömungsrichtung je einen tangentialen Eintrittsschlitz 2b, 3b, mit einer bestimmten
Eintrittsschlitzbreite S frei (siehe Fig. 2), durch welche die Verbrennungsluft 8
(Luft/Brennstoff-Gemisch) im Innenraum 17 des Brenners 1 strömt. Die Eintrittsschlitzbreite
S ist ein Mass, das aus der Versetzung der beiden Mittelachsen 2a, 3a der Teilkegelkörper
2, 3 resultiert. Die beiden Teilkegelkörper 2, 3 haben je einen zylindrischen Anfangsteil
2c, 3c, die analog den Teilkegelkörpern 2, 3, auch versetzt zueinander verlaufen,
so dass die tangentialen Eintrittsschlitze 2b, 3b von Anfang an vorhanden sind. Selbstverständlich
kann der Brenner 1 eine rein kegelige Form beschreiben, also ohne einen zylindrischen
Anfangskörper. In diesem zylindrischen Anfangskörper ist eine Düse untergebracht,
welche vorzugsweise mit einem flüssigen Brennstoff 5 betrieben wird, und deren Brenn-
stoffeindüsung 15 vorzugsweise mittig zu den beiden Mittelachsen 2a, 3a plaziert ist.
Als weitere Brennstoffzuführung weisen beide Teilkegelkörper 2, 3 je eine Brennstoffleitung
10, 11 auf, welche in Strömungsrichtung mit Öffnungen 21, die über die gesamte Länge
der Brennstoffleitungen verteilt sind, versehen sind. Durch die Brennstoffleitungen
10, 11, wird vorzugsweise ein gasförmiger Brennstoff 6 herangeführt, wobei dieser
Brennstoff im Bereich der tangentialen Eintrittsschlitze 2b, 3b eingedüst wird, wie
dies aus Fig. 2 besonders gut hervorgeht. Der Brenner 1 weist des weiteren eine Brennstoffzuführung
auf, vorzugsweise eines gasförmigen Brennstoffes 4, die über Injektoren 12, 13 stattfindet,
welche auch im Bereich der tangentialen Eintrittsschlitze 2b, 3b über eine Anzahl
Gasbohrungen 14 wirken, wie dies umfassend aus Fig. 2 hervorgeht. Für die diesbezügliche
Beschreibung wird auf Fig. 2 verwiesen. Grundsätzlich ist es so, dass der Betrieb
des Brenners 1 über einzelne Brenntoffzuführungen oder durch einen Mischbetrieb mit
den vorhandenen Brennstoff-Möglichkeiten möglich ist. Brennraumseitig 22 weist der
Brenner 1 eine kragenförmige Wand 20 auf, durch welche, allenfalls, nicht dargestellte
Bohrungen vorgesehen werden, durch welche Verdünnungsluft oder Kühlluft dem vorderen
Teil des Brennraumes 22 zugeführt wird. Der durch die Düse 9 vorzugsweise in den Brenner
1 eingebrachte flüssige Brennstoff 5 wird unter einem spitzen Winkel in den Innenraum
17 eingedüst, dergestalt, dass sich in der Brenneraustrittsebene ein möglichst homogenes
kegeliges Sprühbild einstellt. Bei dieser Brennstoffeindüsung 15 kann es sich um eine
luftunterstützte Zerstäubung oder eine Druckzerstäubung handeln. Das kegelige Flüssigbrennstoffprofil
16 wird von einem trangential einströmenden Verbrennungsluftstrom 8 und einem achsial
herangeführten weiteren Luftstrom 7a umschlossen. Über die Zusamensetzung des tangentialen
einströmenden Luft/Brennstoff-Gemisches 8 wird in der Beschreibung von Fig. 2 näher
eingetreten. In axialer Richtung des Brenners 1, wird die Konzentration des eingedüsten
flüssigen Brennstoffes 5 fortlaufend durch eine Luftströmung oder durch das Luft/Brennstoff-Gemisch
8 abgebaut. Wird gasförmiger Brennstoff 6 über die beiden Brennstoffleitungen 10,
11 eingesetzt, beginnt die Gemischbildung mit der nicht ersichtlichen Luftzuführung
(siehe Fig. 2, Pos. 7) direkt im Bereich der tangentialen Eintrittsschlitze 2b, 3b,
entsprechend den dort vorgesehenen Brennstofföffnungen 21. Bei der Eindüsung von flüssigem
Brennstoff 5 über die Düse 9 wird im Bereich des Wirbelaufplatzens, also im Bereich
einer sich bildenden Rückströmzone 18, die optimale, homogene Brennstoffkonzentration
über den Querschnitt erreicht. Der Verbrennungsvorgang jedes Luft/Brennstoff-Gemisches
beginnt dann an der Spitze dieser Rückströmzone 18. Erst an dieser Stelle kann eine
stabile Flammenfront 19 entstehen. Ein Rückschlag der Flamme ins Innere des Brenners
1, wie dies bei bekannten Vormischstrecken immer gegeben sein kann, wogegen dort mit
komplizierten Flammenhaltern Abhilfe gesucht wird, ist hier nicht zu befürchten. Wird
allgemein die eingesetzte Luft (siehe Fig. 2, Pos. 7) allenfalls vorgewärmt, so stellt
sich eine beschleunigte ganzheitliche Verdampfung des flüssigen Brennstoffes 5 ein,
bevor der Punkt am Ausgang des Brenners 1 erreicht ist, an dem der Verbrennungsvorgang
des Gemisches beginnt. Der Grad der Verdampfung ist von der Grösse des Brenners 1,
von der Tropfengrösse und von der Temperatur der Luftströme 7a, 7 resp. des Luft/Brennstoff-Gemisches
8 abhängig. Unabhängig davon, ob neben der homogenen Tropfenvermischung durch einen
Verbrennungsluftrom niedriger Temperatur oder zusätzlich eine partielle oder die vollständige
Tropfenverdampfung durch vorgeheizte Verbrennungsluft erreicht wird, fallen die Stickoxid-und
Kohlenmonoxid-Emissionen niedrig aus, wenn der Luftüberschuss mindestens 60 % beträgt,
womit hier eine zusätzliche Vorkehrung zur Minimierung der NO
x-Emissionen zur Verfügung steht. Im Falle der vollständigen Verdampfung des eingesetzten
Brennstoffes vor dem Eintritt in die Verbrennungszone sind die Schadstoffemissionswerte
am niedrigsten. Gleiches gilt auch für den nahstöchiometrischen Betrieb, wenn die
Überschussluft durch rezirkulierendes Rauchgas ersetzt wird. Bei der Gestaltung der
Teilkegelkörper 2, 3 hinsichtlich Kegelwinkels und Breite der tangentialen Eintrittsschlitze
2b, 3b sind enge Grenzen einzuhalten, damit sich das gewünschte Strömungsfeld der
Luft mit ihrer Rückströmzone 18 im Bereich der Brennermündung zur Flammenstabilisierung
einstellt. Allgemein ist zu sagen, dass eine Verkleinerung der tangentialen Eintrittsschlitze
2b, 3b, d.h. eine Verkleinerung der Eintrittsbreite S (siehe Fig. 2) die Rückströmzone
18 weiter stromaufwärts verschiebt, wodurch dann allerdings das Gemisch früher zur
Zündung käme. Indessen ist festzuhalten, dass die einmal geometrisch fixierte Rückströmzone
18 an sich positionsstabil ist, denn die Drallzahl nimmt in Strömungsrichtung im Bereich
der Kegelform des Brenners 1 zu. Die Achsialgeschwindigkeit lässt sich des weiteren
durch axiale Zuführung des bereits erwähnten Luftstromes 7a beeinflussen. Die Konstruktion
des Brenners 1 eignet sich vorzüglich, bei vorgegebener Baulänge eines Brenners 1,
die Grösse der tangentialen Eintrittsschlitze 2b, 3b dem Bedarf anzupassen, indem
die Teilkegelkörper 2, 3 zu- oder auseinander geschoben werden, wodurch sich der Abstand
der beiden Mittelachsen 2a, 3a verkleinert resp. vergrössert, und dementsprechend
sich auch die Eintrittsschlitzbreite S verändert, wie dies aus Fig. 2 besonders gut
hervorgeht. Selbstverständlich sind die Teilkegelkörper 2, 3 auch in einer anderen
Ebene zueinander verschiebbar. So gesehen kann der Brenner 1, ohne Veränderung seiner
Brennlänge, individuell angepasst werden.
[0014] Fig. 2 ist ein Schnitt etwa in der Mitte des Brenners 1, gemäss Schnittebene II-II
aus Fig. 1. Die achsensymmetrisch angeordneten Einläufe 23, 24, welche in den Innenraum
17 des Brenners 1 münden, beinhalten je einen Injektor 12, 13, der sich über die ganze
tangentiale Länge des Brenners 1 erstreckt. Der Injektor 12, 13 ist so konzipiert,
dass der vorzugsweise eingesetzte gasförmige Brennstoff 4 von einem durchströmbaren
Gaszuführrohr 12a, 13a aus, über eine Anzahl von Gasbohrungen 14 in einen Gasinjektorkanal
(Einblaskanal) 12b, 13b strömt. Dieser erstreckt sich bis in den Bereich des tangentialen
Eintrittsschlitzes 2b, 3b. Die Breite des Injektors 12, 13 ist so ausgelegt, dass
die herangeführte Luft 7 entlang der Flanken des Injektors 12, 13 strömt, und sich
im Bereich des trangentialen Eintrittsschlitzes 2b, 3b mit dem gasförmigen Brennstoff
4 zu vermischen beginnt, worauf erst das Luft/Brennstoff-Gemisch 8 entsteht. Von grundlegender
Bedeutung ist die Eigenschaft des Injektors 12, 13, das Strömungsfeld des Brenners
1 trotz des hohen Massenstromanteils des eingesetzten mittelkalorischen Gases am Luft/Gas-Gemisch
nicht nennenswert zu verändern. Dies gelingt mit Hilfe einer geeigneten Verteilung
der Gasbohrungen 14 gleicher Grösse oder mit Hilfe einer Anordnung von Bohrungen,
deren Durchmesser in geeigneter Weise variiert. Die Dichte der Gasbohrungen, P
GB genannt, ist dabei proportional zur radial gemittelten Geschwindigkeit der Luft 7
in den Eintrittsschlitzen 2b, 3b des Brenners 1, und folgt folgender Formel:

wobei α der Öffnungswinkel des Brenners 1 (Siehe Fig. 1) ist, S die Eintrittsschlitzbreite
bezeichnet und R der mittlere Radius der jeweils betrachteten Stelle des Eintrittsschlitzes
2b, 3b ist (Siehe Fig. 1). Die Richtungen der Gasbohrungen 14 sollten vorzugsweise
mit der vorherrschenden Strömungrichtung im Eintrittsschlitz 2b, 3b zusammenfallen.
Dabei ist es wichtig, dass das gasförmige Brennstoff 4 die eigentliche Drosselung
beim Eintritt aus dem Gaszufuhrkanal 12a, 13a in die Gasbohrungen 14 erfährt. Da mittelkalorische
Gase in der Regel leicht entzündlichen Wasserstoff enthalten, sind die Gasbohrungen
14 so auszulegen, das sie nicht frei in den Innenraum 17 des Brenners 1 ausblasen
können. Diese Gasbohrungen 14 münden in einen Gasinjektorkanal 12b, 13b, der sich
bis zum Eintrittsschlitz 2b, 3b erstreckt. Vorteilhaft ist es, wenn dieser Kanal in
Längsrichtung mehrfach durch nicht ersichtliche Strömungsbleche unterteilt ist, damit
das gasförmige Brennstoff 4 unter Auslegebedingungen, beispielsweise Vollast, in Richtung
der Verbrennungsluftströmung kanalisiert wird. Des weiteren wird damit Beihilfe geleistet,
dass das gasförmige Brennstoff 4 mit der jeweiligen Geschwindigkeit der herangeführten
Luft 7 im Bereich der Eintrittsschlitze 2b, 3b bläst. Damit wird verhindert, dass
sich die Luft 7 und das zum Einsatz gelangende mittelkalorische Gas 4 bereits im Eintrittsbereich
in den Innenraum 17 des Brenners 1 stark durchmischen kann, denn dies würde zwangsläufig
zu einer verfrühten Zündung führen, welche eine diffusionsartige Verbrennung mit stark
erhöhten NO
x-Emissionen nach sich zieht. Um diese angestrebten Ziele zu erreichen, wird der Übergang
von den Gasbohrungen 14 zum nachfolgenden Gasinjektorkanal 12b, 13b vorzugsweise als
Borda-Carnot-Erweiterung ausgebildet. Was die Mindestlänge des Gasinjektorkanals betrifft,
so wird hier mit Vorteil auf die übliche Regel der 3 - 5 hydraulischen Durchmesser
resp. 6 - 10 Spaltbreite zurückgegriffen. Bei einer solchen Auslegung ist Gewähr vorhanden,
dass sich die beruhigte Gasströmung 4 "hauchartig" mit der Luftströmung 7 vermischen
kann, wodurch auch die akustische Härte beim Mischvorgang vermieden wird.
1. Brenner, im wesentlichen bestehend aus mindestens zwei aufeinander positionierten
Teilkegelkörpern mit einer in Strömungsrichtung sich öffnenden Kegelform, wobei die
Mittelachsen dieser Teilkegelkörper in Längsrichtung zueinander versetzt verlaufen,
dergestalt, dass sich über die Länge des Brenners tangentiale Eintrittsschlitze zum
Innenraum des Brenners bilden, dadurch gekennzeichent, dass sich oberhalb jedes Eintrittsschlitzes
(2b, 3b), ausserhalb des durch die Teilkegelkörper (2, 3) gebildeten Brenners (1),
ein Kanal (23, 24) erstreckt, in welchem ein Injektor (12, 13) für einen Brennstoff
(4) plaziert ist, dass der Brennstoff (4) im Bereich des Eintrittsschlitzes (2b, 3b)
aus dem Injektor (12, 13) strömt und dort mit einem durch den Kanal (23, 24) strömenden
Luftstrom (7) vermischbar ist.
2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor (12, 13) aus einem
sich in Strömungsrichtung des Brenners (1) erstreckenden Zufuhrkanal (12a, 13a) für
den Brennstoff (4) besteht, dass der Zufuhrkanal (12a, 13a) in Strömungsrichtung des
Brennstoffes (4) eine Anzahl Bohrungen (14) aufweist, dass die Bohrungen (14) in einen
sich bis im Bereich des Eintrittsschlitzes (2b, 3b) erstreckenden Injektorkanal (12b,
13b) münden.
3. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang von den Bohrungen
(14) zum nachfolgenden Injektorkanal (12b, 13b) durch eine Borda-Carnot-Erweiterung
gebildet ist.
4. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte (P
GB) der Bohrungen (14) zur radial gemittelten Eintrittsgeschwindigkeit der Luft (7)
im Bereich des Eintrittsschlitzes (2b, 3b) des Brenners (1) proportional ist, nach
folgender Formel:

wobei a der Öffnungswinkel des kegeligen Brenners (1) ist, S die Eintrittsschlitzbreite
bedeutet, R der mittlere Radius der jeweils betrachteten Stelle des Eintrittsschlitzes
(2b, 3b) ist.
5. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Injektorkanal (12b, 13b)
Strömungshilfen für den Brennstoff (4) für eine Angleichung zur Strömungsrichtung
des Luftstromes 7 und der Verbrennungsluft (8) vorhanden sind.
6. Verfahren zum Betrieb eines Brenners nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der Brennstoff (4) durch den Injektor (12, 13) ein gasförmiger ist, dessen Einströmungsgeschwindigkeit
in den Innenraum (17) des Brenners (1) gleich oder kleiner gegenüber der Geschwindigkeit
der Luftströmung (7), die sich im Breich der Eintrittsschlitze (2b, 3b) mindestens
mit dem Brennstoff (4) vermischt, angepasst wird.