Kegelbrenner

Abstract

 Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kegelbrenner für gasförmige und/oder flüssige Brennstoffe zu schaffen, der eine verringerte NOx- und Co-Emission aufweist. Erfindungsgemäss wird das dadurch erreicht, dass die Teilkegelkörper (1, 2) an ihrem stromabwärtigen Ende einen gemeinsamen Auslassdiffusor (27) besitzen. Sie weisen einen Übergangsbereich (28) zum Auslassdiffusor (27) auf, in dem die Grösse der Lufteintrittschlitze (7, 8) in Strömungsrichtung (3) kontinuierlich abnimmt. Der Auslassdiffusor (27) ist kreisrund und ohne Lufteintrittschlitze (7, 8) ausgebildet.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft einen Kegelbrenner für gasförmige und/oder flüssige Brennstoffe, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

[0002] Aus dem EP-B1-0321809 ist ein für die Verbrennung gasförmiger und/oder flüssiger Brennstoffe geeigneter Doppelkegelbrenner bekannt. Dieser Brenner bestehet aus zwei hohlen, sich zu einem Körper ergänzenden Teilkegelkörpern, welche tangentiale Lufteintrittschlitze aufweisen. Am radialen Ende jedes Lufteintrittschlitzes ist eine Leitung für gasförmigen Brennstoff angeordnet. Das Zumischen des gasförmigen Brennstoffs in die tangential einströmende Verbrennungsluft erfolgt daher innerhalb der Lufteintrittschlitze, und zwar im gesamten Innenraum des Brenners. Bei Verwendung von flüssigem Brennstoff wird dieser über eine zentral angeordnete Düse in den Brennerinnenraum eingedüst.

[0003] Am Brennerende eines solchen Doppelkegelbrenners kommt es zur Ausbildung einer zentralen Rückströmzone des Brenngemisches. In diesem Bereich ist bereits ein im zeitlichen Mittel homogenes Brennstoffprofil über den Brennerquerschnitt erreicht. Die Zündung des Brenngemisches erfolgt an der Spitze der Rückströmzone, so dass dort eine stabile Flammenfront entsteht. Durch die plötzliche Flächenerweiterung zur Brennkammer bildet sich zudem auch ein äusseres Rezirkulationsgebiet, welches ebenfalls zur Flammenstabilisierung beiträgt.

[0004] Bei Verwendung von flüssigem Brennstoff wird die Brennstoffkonzentration durch die tangential eingeleitete Verbrennungsluft in axialer Richtung abgebaut, so dass ein gut vorgemischtes Brenngemisch entsteht. Wird jedoch gasförmiger Brennstoff eingesetzt, so ist der Abstand zumindest von den im stromabwärtigen Bereich des Brenners angeordneten Einmischstellen des Brennstoffes bis zur Flamme nur sehr gering. Deshalb führt das dort vorliegende, zeitlich und örtlich noch nicht vollständig homogenisierte Brenngemisch zu einer erhöhten Produktion von Stickoxiden und von Kohlenmonoxid.

Darstellung der Erfindung

[0005] Die Erfindung versucht, alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kegelbrenner für gasförmige und/oder flüssige Brennstoffe zu schaffen, der eine verringerte NOx- und CO-Emission aufweist.

[0006] Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass bei einer Vorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die Teilkegelkörper an ihrem stromabwärtigen Ende einen gemeinsamen Auslassdiffusor besitzen. Die Teilkegelkörper weisen einen Übergangsbereich zum Auslassdiffusor auf, in dem die Grösse der Lufteintrittschlitze in Strömungsrichtung kontinuierlich abnimmt. Der Auslassdiffusor ist kreisrund und ohne Lufteintrittschlitze ausgebildet.

[0007] Aufgrund dieser Ausbildung des Kegelbrenners wird bei geeigneter Wahl der Schlitzweite das Wirbelaufplatzen und damit die Zündung des Brenngemisches weiter stromab, in die Nähe des Auslassdiffusorendes verlagert. Dadurch wird die am Brennerende zur Verfügung stehende Mischstrecke und Mischzeit wesentlich verlängert. Somit entsteht ein besser homogenisiertes Brenngemisch, was zu einer deutlichen Verringerung der NOx- und der CO-Emissionen führt. Dies betrifft sowohl den Einsatz von flüssigem als auch von gasförmigem Brennstoff, wobei der Vorteil bei letzterem bedeutend grösser ist. Mit der kontinuierlichen Verringerung der Grösse der Lufteintrittschlitze werden plötzliche Querschnittsprünge im Übergangsbereich von der Kegelbrennergeometrie zum kreisrunden Auslassdiffusor verhindert. Auf diese Weise lassen sich Ablösegebiete der Strömung des Frisch-Brenngemisches und somit eine dort unerwünschte Flammenhaltung vermeiden. Der Kegelbrenner weist nunmehr einen kreisförmigen Austrittsquerschnitt zum Brennraum auf, womit gegenüber den bekannten-Doppelkegelbrennern der Kühlluftbedarf für die dort eingesetzten Sicheln entfällt. Als zusätzlichen Vorteil bewirkt der Auslassdiffusor eine stärkere Abschirmung der Reaktionszone gegenüber den benachbarten Brennern, wodurch eine erhöhte Flammenstabilität erreicht wird.

[0008] Es ist besonders zweckmässig, wenn im Übergangsbereich der Teilkegelkörper zum Auslassdiffusor der Durchmesser der Brennstoff zuführungen in Strömungsrichtung abnimmt. Damit wird die Gasbelochung im Übergangsbereich entsprechend der lokalen Schlitzweite angepasst und eine gleichmässige Verteilung des gasförmigen Brennstoffes in der Verbrennungsluft erreicht.

[0009] Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Auslassdiffusor eine Länge von etwa 10 bis 25 Prozent der Gesamtlänge des Kegelbrenners aufweist und eine Austrittsfläche besitzt, welche nicht grösser als das 1,3-fache einer am Anfang des Übergangsbereiches ausgebildeten Querschnittsfläche des von den Teilkegelkörpern gebildeten Doppelkegelteils ist. Ein solcher, relativ kurzer Diffusor hat eine geringe Grenzschichtdicke zur Folge, so dass ein Rückschlagen der Flamme in der Grenzschicht verhindert wird.

[0010] In einer zweiten Ausführungsform besitzt der Auslassdiffusor einen in Strömungsrichtung kontinuierlich zunehmenden Öffnungswinkel, der anfänglich gleich dem Kegelwinkel des Brenners und stromab kontinuierlich grösser als dieser ausgebildet ist. Dadurch wird die Wandgrenzschicht stabilisiert und so die Gefahr der Strömungsablösung minimiert.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

[0011] In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand eines mit einer Brennkammer verbundenen Doppelkegelbrenners dargestellt.

[0012] Es zeigen:

einen Doppelkegelbrenner des Standes der Technik, perspektivisch und entsprechend aufgeschnitten dargestellt;

Fig. 2

einen Schnitt II-II durch den in Fig. 1 gezeigten Brenner, schematisch vereinfacht dargestellt;

Fig. 3

eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen Doppelkegelbrenners in Seitenansicht;

Fig. 4

einen Ausschnitt von Fig. 3 mit vergrösserter Darstellung des Übergangsbereiches zum Auslassdiffusor;

Fig. 5 bis Fig. 7

Teilquerschnitte des Übergangsbereiches, entlang der Linien V-V, VI-VI, VII-VII in Fig. 4;

Fig. 8

eine Darstellung entsprechend Fig. 3, jedoch in einer anderen Ausführungsform.

[0013] Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

[0014] In der Figur 1 ist ein aus dem Stand der Technik bekannter Doppelkegelbrenner dargestellt. Er besteht aus zwei halben, hohlen Teilkegelkörpern 1, 2, die seitlich versetzt zueinander, aufeinander liegen und sich zu einem Körper ergänzen. Daher besitzen die Teilkegelkörper 1, 2 in Strömungsrichtung 3 versetzt zueinander angeordnete Mittelachsen 4, 5 (Fig. 2). Der Doppelkegelbrenner weist einen sich in Strömungsrichtung 3 kegelförmig erweiternden Brennerinnenraum 6 auf. Zwischen den Teilkegelkörpern 1, 2 sind tangentiale Lufteintrittschlitze 7, 8 ausgebildet.

[0015] An beiden Teilkegelkörpern 1, 2 und dort am äusseren Ende der Lufteintrittschlitze 7, 8 ist jeweils eine Brennstoffleitung 9, 10 für gasförmigen Brennstoff 11 angeordnet (Fig. 1). Die Brennstoffleitungen 9, 10 sind mit mehreren, im gesamten Bereich der Lufteintrittschlitze 7, 8 gleichmässig verteilten und als Öffnungen ausgebildeten Brennstoff zuführungen 12 versehen. Beide Teilkegelkörper 1, 2 besitzen jeweils einen zylindrischen Anfangsteil 13, 14, welche ebenfalls versetzt zueinander angeordnet sind. Somit sind die tangentialen Lufteintrittschlitze 7, 8 anströmseitig über die gesamte Länge des Doppelkegelbrenners ausgebildet. Am stromaufwärtigen Ende des Doppelkegelbrenners, d.h. in dessen zylindrischem Anfangsteil 13, 14, ist eine in den Brennerinnenraum 6 mündende, zentralen Flüssigbrennstoffdüse 15 angeordnet. Beide Teilkegelkörper 1, 2 weisen einen flachen, im Bereich von 10° bis 30° ausgebildeten Kegelwinkel 16 auf. Brennkammerseitig 17 ist am Doppelkegelbrenner eine kragenförmige, als Verankerung für die Teilkegelkörper 1, 2 dienende Abschlussplatte 18 angeordnet. In der Abschlussplatte 18 ist eine Anzahl von Bohrungen 19 ausgebildet, durch welche Kühlluft 20 für die unmittelbar stromauf der Abschlussplatte 18 befindlichen, sichelförmigen Enden der Teilkegelkörper 1, 2 zur Brennkammer 17 abgeleitet wird.

[0016] Bei Verwendung von flüssigem Brennstoff 21 erfolgt dessen Eindüsung in einem spitzen Winkel, am engsten Querschnitt des Brennerinnenraumes 6. Dadurch bildet sich ein kegeliges Brennstoffprofil 22 aus, welches von über die tangentialen Lufteintrittschlitze 7, 8 einströmender, rotierender Verbrennungsluft 23 umschlossen wird. In axialer Richtung wird die Konzentration des flüssigen Brennstoffes 21 fortlaufend durch die eingemischte Verbrennungsluft 23 abgebaut. Am stromabwärtigen Ende des Doppelkegelbrenners kommt es zur Ausbildung einer zentralen Rückströmzone 24 des Brenngemisches, welches das kegelige Brennstoffprofil 22 zum Aufplatzen (Vortex-Breakdown) bringt. Dadurch wird in diesem Bereich eine gute Brennstoffkonzentration über den Brennerquerschnitt erreicht. Die Zündung des Brenngemisches erfolgt an der Spitze der Rückströmzone 24. Erst an dieser Stelle kann eine stabile Flammenfront 25 entstehen.
Wird gasförmiger Brennstoff 11 verbrannt, gelangt dieser durch die Öffnungen 12 in den Brennerinnenraum 6, wobei er der Verbrennungsluft 23 zugemischt wird. Dabei bildet sich im Brennerinnenraum 6 ebenfalls ein kegeliges Brennstoffprofil 22 aus.

[0017] Die Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen Doppelkegelbrenners. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nur die wesentlichen Bauteile bzw. die gegenüber dem in Fig. 1 und 2 aufgezeigten Stand der Technik veränderten Bauteile dargestellt.

[0018] Die beiden halben, hohlen Teilkegelkörper 1, 2 des Brenners ergänzen sich zu einem als Doppelkegelteil ausgebildeten Körper 26, welcher stromab in einen gemeinsamen, kreisrunden Auslassdiffusor 27 übergeht. Unmittelbar stromauf des Auslassdiffusors 27 ist ein Übergangsbereich 28 vom Doppelkegelteil 26 zum Auslassdiffusor 27 ausgebildet. In diesem Übergangsbereich 28 nimmt die Grösse der Lufteintrittschlitze 7, 8 in Strömungsrichtung 3 kontinuierlich ab. Dabei wird jedoch der Brennerquerschnitt kontinuierlich erweitert, wodurch die vom Brenngemisch durchströmte Fläche auch im Übergangsbereich 28 grösser wird oder zumindest konstant bleibt.

[0019] Der Auslassdiffusor 27 weist eine Länge 29 von etwa 15 Prozent der Gesamtlänge 30 des Doppelkelbrenners auf. Seine Austrittsfläche 31 entspricht etwa dem 1,3-fachen der Querschnittsfläche 32 am Anfang des Übergangsbereiches 28. Er besitzt einen Öffnungswinkel 33, der zunächst gleich dem Kegelwinkel 16 des Brenners ist und in Strömungsrichtung 3 kontinuierlich zunimmt.

[0020] In Figur 4 ist der Übergangsbereich 28 zum Auslassdiffusor 27 vergrössert dargestellt, wodurch Anordnung und Ausbildung der am stromabwärtigen Ende des Übergangsbereichs 28 endenden Brennstoffleitung 9 deutlich werden.

[0021] Die Figuren 5 bis 7 zeigen drei Teilquerschnitte des Doppelkegelteils 26 in seinem Übergangsbereich 28. In Fig. 5 ist der Beginn, in Fig. 6 der Mittelteil und in Fig. 7 das Ende des Übergangsbereiches 28 dargestellt. Im Übergangsbereich 28 wird der Durchmesser der Brennstoffleitung 9 sowie der Öffnungen 12 in Strömungsrichtung 3 reduziert. Bereits am Ende des Übergangsbereiches 28 sind die Lufteintrittschlitze 7, 8 und die Öffnungen 12 vollständig verschlossen. Am sich stromabwärts anschliessenden, kreisrunden Auslassdiffusor 27 sind weder Lufteintrittschlitze 7, 8 noch Brennstoffleitungen 9, 10 angeordnet (Fig. 3).

[0022] Im Unterschied zur bereits oben beschriebenen Funktion eines bekannten Doppelkegelbrenners wird durch die Anordnung des Auslassdiffusors 27 zusätzlich Zeit und Raum für die Einmischung auch des erst im stromabwärtigen Bereich des Doppelkegelteils 26 eingeführten, gasförmigen Brennstoffes 11 gewonnen. Auf diese Weise wird eine optimale Brennstoffkonzentration über den Brennerquerschnitt erreicht. Bei Verbrennung eines solchen, homogenisierten Brenngemisches werden die NOx- und die CO-Emissionen deutlich gesenkt. Auch bei Verwendung von flüssigem Brennstoff 21 wird eine Verringerung der Emissionen erreicht, jedoch ist der Vorteil in diesem Fall nicht so gross.

[0023] Im Auslassdiffusor 27 wird die Strömung des Brenngemisches leicht verzögert und somit in ihrem Zentrum instabil. Dadurch kommt es erst in die Nähe des stromabwärtigen Endes des Auslassdiffusors 27 zur Ausbildung der zentralen Rückströmzone 24 des Brenngemisches und somit zum Aufplatzen des kegeligen Brennstoffprofils 22. Weil der Auslassdiffusor 27 trompetenförmig ausgebildet ist, wird ein stetiger Oberflächenverlauf vom Übergangsbereich 28 bis zum Eintritt des Brenngemisches in die Brennkammer 17 erreicht. Demzufolge löst die Grenzschicht in seinem Inneren nicht ab, so dass sich vorteilhaft erst stromab des Doppelkegelbrenners eine stabile Flammenfront 25 ausbilden kann. Durch Veränderung der Länge des Doppelkegelteils 26, der Schlitzweite, des Öffnungswinkels 32 oder der Anzahl der Lufteintrittschlitze 7, 8 kann der Ort des Wirbelaufplatzens entsprechend der konkreten Bedingungen beeinflusst werden.

[0024] Wegen der im Übergangsbereich 28 vom Doppelkegelteil 26 zum Auslassdiffusor 27 kontinuierlich verringerten Grösse der Lufteintrittschlitze 7, 8 wird ein strömungsgünstiger Übergang von der Doppelkegelbrenner-Geometrie zum kreisrunden Auslassdiffusor 27 erreicht. Damit werden plötzliche Querschnittsprünge vermieden. Die Anpassung der Gasbelochung an die lokale Grösse der Lufteintrittschlitze 7, 8 erfolgt durch die entsprechende Verringerung der Öffnungsdurchmesser. Natürlich kann auch der Abstand zwischen den Öffnungen 12 erhöht werden. Ein zusätzlicher Vorteil des trompetenförmig ausgebildeten Auslassdiffusors 27 ist die stabilisierende Wirkung seiner konvex gekrümmten Wand.

[0025] In einem zweiten Ausführungsbeispiel besitzt der Auslassdiffusor 27 einen Öffnungswinkel 34, der gleich dem Kegelwinkel 16 des Brenners ausgebildet ist (Fig. 8). Aufgrund der einfachen, geraden Form des Auslassdiffusors 27 kann dieser Doppelkegelbrenner wesentlich leichter und billiger gefertigt werden. Zudem ist ausserhalb der Brennkammerwand 35 ein Kühlluftleitblech 36 angeordnet, welches stromauf bis zum Auslassdiffusor 27 reicht und am stromabwärtigen Ende der Lufteintrittschlitze 7, 8 endet. Der Auslassdiffusor 27 wird mit im Raum zwischen Brennkammerwand 35 und Kühlluftleitblech 36 zurückströmender Kühlluft von aussen gekühlt, wobei letztere schliesslich in ein stromauf des Brenners ausgebildetes Plenum 37 mündet. Aufgrund dieser konvektiven Kühlung des Auslassdiffusors 27 wird die Betriebssicherheit gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel weiter verbessert.

Bezugszeichenliste

[0026] 

1

Teilkegelkörper

2

Teilkegelkörper

3

Strömungsrichtung

4

Mittelachse

5

Mittelachse

6

Brennerinnenraum

7

Lufteintrittschlitz

8

Lufteintrittschlitz

9

Brennstoffleitung

10

Brennstoffleitung

11

gasförmiger Brennstoff

12

Brennstoffzuführung, Öffnung

13

Anfangsteil

14

Anfangsteil

15

Flüssigbrennstoffdüse

16

Kegelwinkel

17

Brennkammer

18

Abschlussplatte

19

Bohrung

20

Kühlluft

21

flüssiger Brennstoff

22

kegeliges Brennstoffprofil

23

Verbrennungsluft

24

Rückströmzone

25

Flammenfront

26

Körper, Doppelkegelteil

27

Auslassdiffusor

28

Übergangsbereich

29

Länge von 27

30

Gesamtlänge von 26 und 27

31

Austrittsfläche von 27

32

Querschnittsfläche

33

Öffnungswinkel von 27

34

Öffnungswinkel von 27

35

Brennkammerwand

36

Kühlluftleitblech

37

Plenum

Ansprüche

1. Kegelbrenner für gasförmige und/oder flüssige Brennstoffe (11, 21), bestehend aus

a) zumindest zwei hohlen, sich zu einem Körper (26) ergänzenden Teilkegelkörpern (1, 2), deren Mittelachsen (4, 5) in Strömungsrichtung (3) versetzt zueinander angeordnet sind,

b) zwischen den Teilkegelkörpern (1, 2) angeordneten, tangentialen Lufteintrittschlitzen (7, 8),

c) mehreren, im gesamten Bereich der Lufteintrittschlitze (7, 8) gleichmässig verteilten Brennstoffzuführungen (12) für gasförmigen Brennstoff (11),

d) einem sich in Strömungsrichtung (3) kegelförmig erweiternden Brennerinnenraum (6),

e) einer am stromaufwärtigen Ende des Kegelbrenners angeordneten und in den Brennerinnenraum (6) mündenden, zentralen Flüssigbrennstoffdüse (15),

dadurch gekennzeichnet, dass

f) die Teilkegelkörper (1, 2) an ihrem stromabwärtigen Ende einen gemeinsamen Auslassdiffusor (27) besitzen,

g) die Teilkegelkörper (1, 2) einen Übergangsbereich (28) zum Auslassdiffusor (27) aufweisen, in dem die Grösse der Lufteintrittschlitze (7, 8) in Strömungsrichtung (3) kontinuierlich abnimmt,

h) der Auslassdiffusor (27) kreisrund und ohne Lufteintrittschlitze (7, 8) ausgebildet ist.

2. Kegelbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Brennstoff zuführungen (12) im Übergangsbereich (28) der Teilkegelkörper (1, 2) in Strömungsrichtung (3) abnimmt.

3. Kegelbrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslassdiffusor (27) eine Länge (29) von etwa 10 bis 25 Prozent der Gesamtlänge (30) des Kegelbrenners aufweist und eine Austrittsfläche (31) besitzt, die nicht grösser als das 1,3-fache einer am Anfang des Übergangsbereiches (28) ausgebildeten Querschnittsfläche (32) des Körpers (26) ist.

4. Kegelbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslassdiffusor (27) einen Öffnungswinkel (32) besitzt, der gleich dem Kegelwinkel (16) des Brenners ist.

5. Kegelbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslassdiffusor (27) einen Öffnungswinkel (33) besitzt, der anfänglich gleich dem Kegelwinkel (16) des Brenners ist und der in Strömungsrichtung (3) kontinuierlich zunimmt.

Zeichnung