Vormischbrenner für einen Wärmeerzeuger

Abstract

 Bei einem Vormischbrenner (100) für einen Wärmeerzeugungung, der im wesentlichen aus mindestens zwei hohlen, kegelförmigen in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten Teilkörpern (101, 102) besteht, wird die Längssymmetrieachse (101b, 102b) der Teilkörper dergestalt zueinander versetzt, dass die benachbarten Wandungen dieser Teilkörper in deren Längserstreckung tangentiale Lufteintrittsschlitze (119, 120) für die Durchströmung einer Verbrennungsluft (115) bilden. Kopfseitig weist der Vormischbrenner (100) eine Brennstoffdüse (103) auf, welche gegenüber der durch die Teilkörper induzierten Kegelanfang (125) um eine Strecke (126) stromauf versetzt ist. Damit wird die Brennstoffeindüsung von der Verbrennungsluft erst dann erfasst, wenn die Durchdringbarkeit des Brennstoffspraykegels besser vonstatten geht, was zu einer besseren Gemischbildung führt.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vormischbrenner gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

[0002] Wird bei drallstabilisierten Brennern, wie dieser beispielsweise aus EP-B1-0 321 809 als Vormischbrenner hervorgeht, auf der Brennerachse ein flüssiger Brennstoff eingedüst, so wirkt die sich von der Brennstoffdüse stromabwärts bildende Flüssigkeitsäule für den tangential in den Innenraum des Vormischbrenners einströmenden Verbrennungsluftstrom insbesondere im ersten Bereich stromab der Eindüsung wie ein Festkörper. Gegenüber der Strömung ohne Flüssigbrennstoffeindüsung wird die Verbrennungsluftzuströmung im Brennerkopf behindert, wodurch sich die Tangentialkomponente der sich bildenden Drallströmung verstärkt. Dies führt zu einer Aenderung der Flammenposition, welche weiter stromauf wandert. Wird entlang der tangentialen Lufteintrittsschlitze eine weitere Eindüsung eines Brennstoffes vorgenommen, so ist der Betrieb einer solchen Brennstoffeindüsung aufs höchste gefährdet, weil einer in diesem Bereich wirkende Flammenfront unweigerlich zu einer Rückzündung in das System führt. Des weiteren kommt es zu einer Anfettung des Flammenzentrum, welche mannigfaltig den Betrieb eines solchen Vormischbrenners benachteiligt. Bei einer solchen Betrieb lassen sich verschiedentliche Nachteile ausmachen, welche sich, nicht abschliessend aufgezählt, wie folgt erfassen lassen:

a) Es findet eine nicht zu unterschätzende Erhöhung der Gefahr eines Flammenrückschlages statt, wobei dies leicht zu einem Abbrennen von Teilen des Vormischbrenners führen kann. Findet eine solche statt, so entsteht ein Gefahrenpotential, insoweit, als abbröckelnde Teile eine schwerwiegende Havarie der Maschine auslösen können;

b) Ein Betrieb bei optimaler Flammenposition mit einem Flüssigbrennstoff darf aus Sicherheitsgründen nicht breit ausgelegt sein, womit der Vormischbrenner einen kleinen Betriebsbereich aufweist;

c) Das Fehlen einer integralen Durchmischung von Anbeginn zwischen dem Spraykegel und dem Verbrennungsluftstrom aus obengenannten Gründen führt unweigerlich zu einer Steigerung der NOx-Emissionen;

d) Die inhomogene Gemischverteilung führt darüber hinaus zu weiteren Nachteilen, welche erhöhte Schadstoff-Emissionen sowie die Entstehung von Pulsationen auslösen;

e) Von den optimalen Strömungsbedingungen für eine sichere und effiziente Verbrennung sind grosse Abweichungen auszumachen.

Darstellung der Erfindung

[0003] Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen geknnnzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Vormischbrenner der eingangs genannten Art eine Flammenstabilisation bei maximiertem Wirkungsgrad und Minimierung der Schadstoff-Emissionen zu erzielen.

[0004] Die wesentliche Massnahme der Erfindung betrifft die Stellung der kopfseitigen Brennstoffdüse, welche um eine bestimmte Strecke gegenüber der Einströmung der Verbrennungsluft stromauf zurückversetzt wird, wobei diese Strecke von dem gewählten Spraywinkel abhängt. Durch diese Versetzung kommt die Mündung der Brennstoffdüse im Bereich einer festen Ummantelung zu stehen, womit hier gleichzeitig radial um die Düsenmündung Oeffnungen vorgesehen werden können, durch welche Spülluft in den von der Brennstoffdüse induzierten Querschnitt einströmt. Der Durchflussquerschnitt dieser Oeffnungen wird so gewählt, dass im Gasbetrieb der durch diese Oeffnungen strömenden Luftmassenstrom nicht ausreicht, um die Rückströmzone weiter stromab zu verschieben. Im Flüssigbrennstoffbetrieb wirkt das Brennstoffspray praktisch als Strahlpumpe, womit sich der Luftmassenstrom durch die genannten Oeffnungen erhöht. Dies bewirkt einen grösseren axialen Impuls, der die Rückströmzone weiter stromab verschiebt.

[0005] Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die Rückversetzung der Brennstoffdüse das Brennstoffspray mit einem grösseren Kegelradius in die Hauptströmung, also in die durch die tangentialen Lufteintrittsschlitze strömende Verbrennungsluft eintritt. Das Brennstoffspray ist in dieser Ebene bereits von einem Film zu Tropfen zerfallen und die Kegelmantelfläche dieses Brennstoffsprays hat sich beim Eintreten in den Bereich der Verbrennungsluft aus den tangentialen Lufteintrittsschlitze um einen Faktor 3 vergrössert. Dadurch wird die Ausbreitung des Brennstoffsprays verbessert und die Zuströmung der Verbrennungsluft nicht behindert.

[0006] Schliesslich ist darauf hinzuweisen, dass der durch die Oeffnungen im Bereich der Brennstoffdüse angesaugte Luftmassenstrom eine Benetzung der Kegelinnenspitze verhindert, da er sich als Film zwischen Brennstoffspray und Wand legt und vor allem den Oeffnungswinkel des Brennstoffsprays definiert. Dieser bleibt über einen grossen Lastbereich konstant.

[0007] Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass durch varieren der Oeffnungsquerschnitte für den Luftmassenstrom im Bereich der Brennstoffdüse die Rückströmzone und somit die Flammenposition während des Betriebes direkt beinflusst werden kann.

[0008] Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung sind in den weiteren Ansprüchen gekennzeichnet.

[0009] Im folgenden wird anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind weggelassen worden. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0010] Es zeigt:

Fig. 1

eine schematische Darstellung eines Vormischbrenners mit Positionierung des Brennstoffsprays,

Fig. 2

einen Vormischbrenner in perspektivischer Darstellung, entsprechend aufgeschnitten,

Fig. 3-5

Ansichten durch verschiedene Schnittebenen des Vormischbrenners gemäss Fig. 2.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

[0011] Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Vormischbrenners, der in den nachfolgenden Fig. 2-5 näher beschrieben wird. Wesentlich an Fig. 1 ist die Darstellung der mittig plazierten Brennstoffdüse 103, welche gegenüber dem Anfang 125 des kegeligen Durchflussquerschnittes stromauf zurückversetzt ist, wobei die Strecke 126 von dem gewählten Spraywinkel 105 abhängt. Durch diese Versetzung kömmt die Mündung 104 der Brennstoffdüse 103 im Bereich der kopfseitigen festen Ummantelung 101a, 102a zu stehen. Das durch die Rückversetzung der Brennstoffdüse 103 entstehende Brennstoffspray 105 tritt mit einem grösseren Kegelradius in den von der Hauptströmung der Verbrennungsluft in den Innenraum 114 des Brenners abgedeckten Bereich ein, so dass sich das Brennstoffspray 105 in diesem Bereich nicht mehr als einen festen kompakten Körper verhält, sondern bereits zu Tropfen zerfallen ist und demnach leicht vom Verbrennungsluftstrom durchdrungen werden kann. Die Zuströmung der Verbrennungsluft 115 in das Brennstoffspray 105 wird demnach durch die Kompaktheit der Brennstoff-eindüsung nicht mehr behindert, was sich auf die Mischungsqualität im positiven Sinne niederschlägt, dadurch, dass das Brennstoffspray 105 leichter durch die Verbrennungsluft durchdrungen werden kann. Darüber hinaus, im Bereich der Ebene der Brennstoffspray-Mündung 104 sind radial oder quasi-radial angeordnete Oeffnungen 124 vorgesehen, durch welche eine Spülluft in den von der Grösse der Brennstoffdüse 103 induzierten Querschnitt einströmt. Der Durchflussquerschnitt dieser Oeffnungen 124 wird so gewählt, dass im Gasbetrieb der durch diese Oeffnungen strömenden Luftmassenstrom nicht ausreicht, um die Rückströmzone (Vgl. Fig. 2, Pos. 106) weiter stromab zu verschieben. Im Flüssigbrennstoffbetrieb wirkt das Brennstoffspray 105 praktisch als Strahlpumpe, womit sich der Luftmassenstrom durch die genannten Oeffnungen 124 erhöht. Dies bewirkt einen grösseren axialen Impuls, der die Rückströmzone weiter stromab verschiebt, was als gute Massnahme gegen eine Rückzündung der Flamme wirkt. Auf die schematisch dargestellten kegelförmigen Teilkörper 101, 102 wird in Fig. 2-5 näher eingegangen. Dort werden auch Konfiguration und Wirkungsweise der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 näher behandelt.

[0012] Um den Aufbau des Brenners 100 besser zu verstehen, ist es von Vorteil, wenn gleichzeitig zu Fig. 2 die einzelnen Schnitte nach den Figuren 3-5 herangezogen werden. Des weiteren, um Fig. 2 nicht unnötig unübersichtlich zu gestalten, sind in ihr die nach den Figuren 3-5 schematisch gezeigten Leitbleche 121a, 121b nur andeutungsweise aufgenommen worden. Im folgenden wird bei der Beschreibung von Fig. 2 nach Bedarf auf die restlichen Figuren 3-5 hingewiesen.

[0013] Der Brenner 100 nach Fig. 2 ist ein Vormischbrenner und besteht aus zwei hohlen kegelförmigen Teilkörpern 101, 102, die versetzt zueinander ineinandergeschachtelt sind. Die Versetzung der jeweiligen Mittelachse oder Längssymmetrieachsen 101b, 102b der kegeligen Teilkörper 101, 102 zueinander schafft auf beiden Seiten, in spiegelbildlicher Anordnung, jeweils einen tangentialen Lufteintrittsschlitz oder Kanal 119, 120 frei (Vgl. insbesondere Fig. 3-5), durch welche die Verbrennungsluft 115 in Innenraum des Brenners 100, d.h. in den Kegelhohlraum 114 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 oder Tulpe resp. Diffusor oder Konfusor. 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 auf, die ebenfalls, analog den kegeligen Teilkörpern 101, 102, versetzt zueinander verlaufen, so dass die tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 über die ganze Länge des Brenners 100 vorhanden sind. Im Bereich des zylindrischen Anfangsteils ist eine Düse 103 untergebracht, die gegenüber der Kegelinnenspitze zurückversetzt ist, wie bereits unter Fig. 1 näher zur Erläuterung gekommen ist. Die Eindüsungskapazität und die Art dieser Düse 103 richtet sich nach den vorgegebenen Parametern des jeweiligen Brenners 100. Selbstverständlich kann der Brenner rein kegelig, also ohne zylindrische Anfangsteile 101a, 102a, aus einem einzigen Teilkörper mit einem einzigen tangentialen Lufteintrittsschlitz, oder aus mehr als zwei Teilkörpern 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. Brennraumseitig 122 geht die Ausgangsöffnung des Brenners 100 in eine Frontwand 110 über, in welcher eine Anzahl Bohrungen 110a vorhanden sind. Die letztgenannten Bohrungen 110a treten bei Bedarf in Funktion, und sorgen dafür, dass Verdünnungsluft oder Kühlluft 110b dem vorderen Teil des Brennraumes 122 zugeführt wird. Darüber hinaus sorgt diese Luftzuführung für eine Flammenstabilisierung am Ausgang des Brenners 100. Diese Flammenstabilisierung wird dann wichtig, wenn es darum geht, die Kompaktheit der Flamme infolge einer radialen Verflachung zu stützen. Bei dem durch die Düse 103 herangeführten Brennstoff handelt es sich vorzugsweise um einen flüssigen Brennstoff 112, wobei ein gasförmiger Brennstoff nicht ausgeschlossen bleibt. Diese Brennstoffe können allenfalls mit einem rückgeführten Abgas angereichert werden. Der flüssige Brennstoff 112 aus der Düse 103 bildet ein ausgeprägtes kegeliges Brennstoffspray 105, das von der tangential einströmenden rotierenden Verbrennungsluft 115 umschlossen wird. In axialer Richtung wird die Konzentration des Brennstoffes 112, auch durch die bereits gewürdigten Versetzung der Düse 103, rasch und fortlaufend durch die einströmende Verbrennungsluft 115 zu einer optimalen Vermischung abgebaut. Wird der Brenner 100 mit einem gasförmigen Brennstoff 113 betrieben, so geschieht dies vorzugsweise über Düsen 117, wobei die Bildung dieses Brennstoff/Luft-Gemisches direkt am Uebergang der Lufteintrittsschlitze 119, 120 zum Kegelhohlraum 114 hin zustande kommt. Die Eindüsung des Brennstoffes 112 über die Düse 103 erfüllt die Funktion einer Kopfstufe; sie kommt normalerweise bei Inbetriebsetzung und bei Teillastbetrieb zum Zuge. Selbstverständlich ist über diese Kopfstufe auch ein Grundlastbetrieb mit einem flüssigen Brennstoff möglich. Am Ende des Brenners 100 stellt sich einerseits die optimale, homogene Brennstoffkonzentration über den Querschnitt, andererseits die kritische Drallzahl ein; letztgenannte führt dann im Zusammenwirken mit der dort disponierten Querschnittserweiterung zu einem Wirbelaufplatzen, gleichzeitig auch zur dortigen Bildung einer Rückströmzone 106. Die Zündung erfolgt an der Spitze dieser Rückströmzone 106. Erst an dieser Stelle kann eine stabile Flammenfront 107 entstehen. Ein Rückschlag der Flamme ins Innere des Brenners 100, wie dies bei bekannten Vormischstrecken latent der Fall ist, wogegen dort mit komplizierten Flammenhaltern Abhilfe gesucht wird, ist hier nicht zu befürchten. Ist die Verbrennungsluft 115 zusätzlich vorgeheizt oder mit einem rückgeführten Abgas angereichert, so unterstützt dies die Verdampfung des allenfalls eingesetzten flüssigen Brennstoffes 112 nachhaltig, bevor die Verbrennungszone erreicht wird. Die gleichen Ueberlegungen gelten auch, wenn über die Leitungen 108, 109 statt gasförmige flüssige Brennstoffe zugeführt werden. Bei der Gestaltung der kegeligen Teilkörper 101, 102 hinsichtlich Kegelwinkels und Breite der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 sind enge Grenzen einzuhalten, damit sich das gewünschte Strömungsfeld der Verbrennungsluft 115 mit der Rückströmzone 106 am Ausgang des Brenners einstellen kann. Allgemein ist zu sagen, dass eine Verkleinerung der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 die Rückströmzone 106 weiter stromaufwärts verschiebt, wodurch dann allerdings das Gemisch früher zur Zündung kommt. Immerhin ist festzustellen, dass die einmal fixierte Rückströmzone 106 an sich positionsstabil ist, denn die Drallzahl nimmt in Strömungsrichtung im Bereich der Kegelform des Brenners 100 zu. Die Axialgeschwindigkeit innerhalb des Brenners 100 lässt sich durch eine entsprechende nicht gezeigte Zuführung eines axialen Verbrennungsluftstromes verändern. Die Konstruktion des Brenners 100 eignet sich des weiteren vorzüglich, die Grösse der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 zu verändern, womit ohne Veränderung der Baulänge des Brenners 100 eine relativ grosse betriebliche Bandbreite erfasst werden kann. Es ist auch ohne weiteres möglich, die kegeligen Teilkörper 101, 102 spriralförmig ineinander zu verschachteln.

[0014] Aus Fig. 3-5 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 verändert wird. 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 Brenner 100 auch ohne Leitbleche betrieben werden, oder es können andere Hilfsmittel hierfür vogesehen werden.

Bezugszeichenliste

[0015] 

100

Vormischbrenner

101, 102

Teilkörper

101a, 102b

Zylindrische Anfangsteile

101b, 102b

Längssymmetrieachsen

103

Brennstoffdüse

104

Brennstoffeindüsung

105

Brennstoffspray (Brennstoffeindüsungsprofil)

108, 109

Brennstoffleitungen

112

Flüssiger Brennstoff

113

Gasförmiger Brennstoff

114

Kegelhohlraum

115

Verbrennungsluft (Verbrennungsluftstrom)

116

Brennstoff-Eindüsung aus den Leitungen 108, 109

117

Brennstoffdüsen

119, 120

Tangentiale Lufteintrittsschlitze

121a, 121b

Leitbleche

123

Drehpunkt der Leitbleche

124

Oeffnungen

125

Kegelinnenspitze

126

Versetzung der Brennstoffdüse 103 stromauf

Ansprüche

1. Vormischbrenner für einen Wärmeerzeuger, im wesentlichen bestehend aus mindestens zwei hohlen, kegelförmigen in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten Teilkörper, wobei die jeweilige Längssymmetrieachse dieser Teilkörper zueinander versetzt verlaufen, dergestalt, dass die benachbarten Wandungen der Teilkörper in deren Längserstreckung tangentiale Lufteintrittsschlitze für die Durchströmung einer Verbrennungsluft in von den Teilkörpern gebildeten Kegelhohlraum bilden, und wobei im Kegelhohlraum mindestens eine Brennstoffdüse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüse (103) gegenüber dem durch die Teilkörper (101, 102) des Vormischbrenners (100) induzierten Kegelanfang (125) um eine Strecke (126) stromauf versetzt ist.

2. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der tangentiale Lufteintrittsschlitze (119, 120) in deren Längserstreckung weitere Brennstoffdüsen (117) angeordnet sind.

3. Vormischbrenner nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüse (103) mit einem flüssigen Brennstoff (112) und die Brennstoffdüsen (117) mit einem gasförmigen Brennstoff (113) betreibbar sind.

4. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper (101, 102) in Strömungsrichtung einen gleichmässig zunehmenden Strömungsquerschnitt bilden.

5. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper (101, 102) in Strömungsrichtung eine zunehmende Kegelneigung aufweisen.

6. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper (101, 102) in Strömungsrichtung eine abnehmende Kegelneigung aufweisen.

7. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörper (101, 102) spiralförmig ineinandergeschachtelt sind.

8. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüse (103) auf der Brennerachse angeordnet ist.

9. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflussquerschnitt der tangentialen Lufteintrittsschlitze (119, 120) in Längsrichtung des Brenners (100) abnimmt.

10. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich einer zur Brennstoffdüse (103) gehörigen Eindüsung (104) radial oder quasi-radial angeordnete Offnungen (124) vorgesehen sind, durch welche ein Luftmassenstrom in einen stromab der Brennstoffdüse (103) gebildeten Durchflussquerschnitt einströmbar ist.

Zeichnung