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Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Gasstromes am Einlaß
zu Einrichtungen für schwingende Reaktionssysteme Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Gasstromes am Einlaß zu Einrichtungen für
schwingende Reaktionssysteme, insbesondere für schwingende Verbrennung und/oder
Vergasung, bei welchen ein Teil der Reaktionsgase während der Ausstoßperiode durch
den Eimaß des Reaktionsraumes zurückströmt.
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Es ist bekannt, Verbrennung und Vergasung von Brennstoffen sowie andere
chemische Reaktionen in schwingenden sowie in selbstschwingenden Reaktionssystemen,
z. B. im Schmidtrohr, durchzuführen. Beispielsweise erfolgt die Verbrennung im Schmidtrohr
in der Weise, daß in einen vorzugsweise rohrförmigen, einseitig offenen Reaktionsraum
in regelmäßigen Abständen Brennstoff und Luft durch Einlaßventile angesaugt, gezündet
und die Verbrennungsgase am offenen Ende ausgestoßen werden. Die Ansaugung, Zündung
und das Ausstoßen erfolgen dabei selbsttätig durch die in .dem Rohr sich ausbildende
Gassäule. Nach dem gleichen Verfahrensprinzip können durch Anwendung eines Brennstoffüberschusses
brennbare Gase erzeugt werden, d. h. eine Vergasung durchgeführt werden. Die Durchführung
chemischer Reaktionen, z. B. das Brennen von Kalkstein und Zement oder Verhütten
erzhaltiger Gesteine kann nach einem älteren, nicht zum Stande der Technik gehörenden
Vorschlag ebenfalls vorteilhaft in selbstschwingenden Reaktionssystemen durchgeführt
werden.
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Die bekannten Vorrichtungen für schwingende, insbesondere selbstschwingende
Reaktionssysteme sind auf der Einlaßseite durch Ventile abgeschlossen. Bestehen
diese Einlaßventile aus Ventilen mit bewegten Teilen, welche die Ausströmung während
einer Verbrennungsperiode verhindern sollen, so werden sie schnell zerstört, da
sie zur Erfüllung ihrer Aufgabe fast trägheitslos den Gasströmungen folgen müssen
und demgemäß nur geringe Massen haben dürfen, welche leicht abgenützt werden. Man
hat daher auch aerodynamische Ventile (Rückstromdrosseln) verwendet, welche gekennzeichnet
sind durch eine Vielzahl besonders geformter Körper innerhalb des Lufteinlasses,
welche an der dem Reaktionsraum zugewandten Seite eine Form hohen Strömungswiderstandes
und an der der Lufzuführungsrichtung zugewandten Seite eine Form geringen Strömungswiderstandes
besitzen.
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Diese Vorrichtungen haben den Nachteil, daß die durch sie in den Reaktionsraum
einströmende Verbrennungsluft periodisch der Atmosphäre entnommen wird und daß immer
ein mehr oder weniger großer Anteil der im Reaktionsraum gebildeten Gase im Zeitpunkt
der detonativen Verbrennung bzw. Umsetzung durch das aerodynamische Ventil in die
Atmosphäre geblasen wird. Damit geht aber ein großer Teil der kinetischen Energie
der Gasschwingung des Reaktionsraumes verloren. Es war wohl möglich, bei der Verwendung
zu Strahlantrieben durch Abknickung um 180° des Einlaßrohres oder des Reaktionsrohres
selbst, den aus dem aerodynamischen Ventil austretenden Gasstrahl auch noch zum
Strahlantrieb heranzuziehen.
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Solche Anordnungen eignen sich aber nicht zur Anwendung bei Verbrennungs-,
Vergasungs- oder chemischen Reaktionssystemen, bei denen die Zufuhr von Brennstoff
und Luft oder allgemein der festen, flüssigen und gasförmigen Reaktionsteilnehmer
genau dosiert sein muß, da beim Anschluß von Rohrleitungen oder Drosselorganen an
die Eintrittsöffnungen solcher aerodynamischer Anordnungen die Schwingung der Gassäule
in den meisten Fällen aufhört oder die Reaktionsteilnehmer unter Überdruck zugeführt
werden müssen.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Steuerung eines Gasstromes
am Einlaß zu Einrichtungen für schwingende Reaktionssysteme, bei welchen ein Teil
der Reaktionsgase während der Ausstoßperiode durch den Einlaß des Reaktionsraumes
zurückströmt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die durch den Eimaß entweichenden
Gase mit Frischgas vermischt und bis zur erneuten Ansaugung einer Füllung des Reaktionsraumes
gespeichert und während der Ansaugung dem Reaktionsraum
wieder
zugeführt werden, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens. Diese Vorrichtung besteht aus einem aerodynamischen Ventil (auch Resonanzventil
genannt) mit Düsen, deren Strömungswiderstand in der Rückströmrichtung aus dem Reaktionsraum.
wesentlich höher ist als in der Einströmrichtung. Die Düsen münden, vom Reaktionsraum
aus betrachtet, in einen Ansaugraum, in den die Frischgase von außen einströmen
und der in der Nähe der Düsen in einen Resonanzraum übergeht, dessen akustische
Länge der Zeit zwischen Beginn der Ausstoßperiode und erneuter Ansaugung entspricht.
Die Übergangsstelle zwischen Ansaug- und Resonanzraum ist nach Art eines Strahlrohres
so ausgebildet, daß bei Durchströmung in beiden Richtungen ein Ansaugen von Frischgas
stattfindet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird in der Weise durchgeführt, daß
der während der Detonations-bzw. Auspuffperiode mit hoher Geschwindigkeit aus dem
Reaktionsraum in den Resonanzraum strömende Gasanteil die in den Ansaugraum eingeführten
frischen Reaktionsteilnehmer mit sich in den Resonanzraum reißt, in dem das Gemisch
aus gasförmigen Reaktionsprodukten und frischen, insbesondere gasförmigen Reaktionsteilnehmern
durch Führung entlang eines Strömungsweges in dem Resonanzraum unter Erhaltung der
Strömungsenergie bzw. -geschwindigkeit gespeichert wird. Der Resonanzraum bietet
das gespeicherte Gasgemisch in der Ansaugperiode des Reaktionsraumes der Ansaugöffnung
wieder zeitgerecht an, da die akustische Länge des Resonanzraumes der Zeit zwischen
Beginn der Ausstoßperiode und erneuter Ansaugung entspricht, d. h. die Fortpflanzungszeit
des Gasgemisches entlang dem Strömungsweg im Resonanzraum entspricht der Zeit zwischen
Ausstoß bzw. Detonation und Ans.augung. Bei Eigenschwingung im Reaktionsraum wird
dies dadurch erreicht, daß die akustische. Länge des Strömungsweges gleich der halben
Wellenlänge der Schwingung im. Reaktionsraum ist. Damit erscheint in der Zeit einer
halben Schwingungsdauer nach der Ausstoßperiode des Reaktionsraumes im Resonanzraum
ein Strömungsmaximum bzw. Druckmaximum mit Richtung der Strömung gegen die Eintrittsöffnung
bzw. Ansaugöffnung des Reaktionsraumes für die Reaktionsteilnehmer, welches das
Gemisch von Gasanteil und frischem Reaktionsteilnehmer gerade zur Zeit der Ansaugperiode
vor die Eintrittsöffnung führt.
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Die akustische Länge des Resonanzraumes wird zweckmäßig veränderlich
gemacht, z. B. durch Hosenrohre wie bei der Posaune, um Änderungen der Zeit zwischen
Ausstoß bzw. Detonation und Ansaugung, bzw. Änderungen der Schwingungszahl des Reaktionsraumes
oder Änderungen der Eigenschaften (z. B. Dichte, Temperatur) der Reaktionsteilnehmer
während des Betriebes angepaßt werden zu können.
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Die Wirkung des erfindungsgemäßen Ventils bzw. Resonanzraumes ist
weiter dadurch gekennzeichnet, daß bei richtiger Bemessung seines Volumens und seiner
Strömungsquerschnitte an der Ansaugöffnung stetige Strömung herrscht, während der
Reaktionsraum selbst die Reaktionsteilnehmer periodisch und sogar mit vergrößerter
Füllung aufnimmt.
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Man kann bei Eigenschwingung im Reaktionsraum die einzusaugenden Reaktionsteilnehmer,
z. B. Luft, sogar Arbeit leisten lassen bei gleichem Durchsatz, wie er ohne Anwendung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung sich einstellt, wenn man gleiches Verhältnis der
aufgegebenen Reaktionsteilnehmer voraussetzt. Läßt man durch die Saugkraft des aerodynamischen
Ventils keine Arbeit leisten, so erhöht sich der Durchsatz des Reaktionsraumes beträchtlich.
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Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung werden an Hand
der in den Abb. 1 bis 3 beispielsweise dargestellten Vorrichtungen näher erläutert,
die Schnittzeichnungen verschiedener Ausführungsformen wiedergegeben. In den Abbildungen
sind gleiche Vorrichtungsteile mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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Der im Reaktionsraum 1 umzusetzende Gasstrom tritt bei 2 in den Ansaugraum
3 ein, der zweckmäßig als Ringraum ausgebildet ist. Während der Ausstoßperiode strömt
ein Teil des umgesetzten Gemisches aus dem Reaktionsraum 1 durch das zweckmäßigerweise
schwach konisch verengte Düsenrohr 4, das an dem vom Reaktionsraum abgewandten Ende
5 vorteilhaft abgerundet ist, in den Resonanzraum 6. Dabei wird in den Ansaugraum
3 eingetretenes bzw. einströmendes, umzusetzendes Gas in den Resonanzraum 6 mitgerissen.
Zwischen Ansaugraum 3 und Resonanzraum 6 ist eine blendenartige Verengung 7 vorhanden,
die mit dem unteren Ende 5 des Düsenrohres 4 einen Ringspalt 8 begrenzt, dessen
Durchtri.ttsquerschnitt mehr als doppelt so groß ist wie der Querschnitt der Düse
4 an dem dem Resonanzraum zugewandten Ende. Durch den Ringspalt 8 wird das Frischgas
während der Ausstoßperiode des Reaktionsraumes 1 mit dem zurückströmenden Gas in
den Resonanzraum 6 mitgerissen bzw. eingesaugt und während der Ansaugperiode des
Reaktionsraumes durch das Düsenrohr 4 in den Reaktionsraum 1 eingeführt, d. h.,
das bzw. die umzusetzende(n) Gas(e) strömen kontinuierlich in den Ansaugraum 3 ein.
Die konstruktive Ausbildung von Ansaugraum 3, Düsenrohr 4 und Resonanzraum 6 kann
in verschiedener Weise erfolgen.
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Abb. 1 zeigt eine Ausführungsform, die insbesondere für Reaktionsräume
1 mit relativ kleinem Querschnitt besonders einfach ausführbar ist, Abb. 3 zeigt
eine andere, für Reaktionsräume 1 besonders großen Querschnitts vorteilhafte Ausführungsform,
bei der das Rohr 4 in mehrere, z. B. ringförmig umeinander angeordnete Düsen 4 a
aufgeteilt ist, die sich vor dem Ringspalt 8 wieder vereinigen. Dabei ist die Summe
der Einzelquerschnitte der Düsen etwas größer als der Querschnitt für die wiedervereinigte
Gasströmung. Im Resonanzraum 6 wird das Gasgemisch durch eine ring- oder schleifenförmige
Ausbildung des Resonanzraumes selbst (Abb. 1) bzw. Einbauten 9 (Abb. 2 und 3) vorzugsweise
so geführt, daß die Richtung des von der Blende 7 in den Resonanzraum strömenden
Gasgemisches um 180° umgelenkt und wieder zur Blende 7 zurückgeführt wird, durch
die es während der Ansaugperiode des Reaktionsraumes zurückströmt und durch die
Düse 4, zusammen mit weiterem, aus Ansaugraum 3 eingesaugtem Frischgas in den Reaktionsraum
1 eintritt. Die Größe des Resonanzraumes 1 bzw. die Länge des Strömungsweges in
demselben wird so bemessen, daß seine akustische Länge die Hälfte der Wellenlänge
der Schwingung im Reaktionsraum beträgt. Es tritt dadurch eine halbe Schwingungsdauer
nach der Ausstoßperiode des Reaktionsraumes 1 an der Blende 7 ein Strömungsmaximum
mit gegenüber dem Eintritt in den Resonanzraum
umgekehrter Strömungsrichtung
auf, welches das Gasgemisch aus dem Resonanzraum .6 durch die Blende 7 gerade zur
Zeit der Ansaugperiode des Reaktionsraumes 1 der Öffnung des Düsenrohres 4 zuführt.
Die Strömungswege im Resonanzraum 6 haben etwa den 4fachen Querschnitt des unteren
Endes von Düsenrohr 4. Am Eintritt ist der Resonanzraum zweckmäßigerweise konisch
verengt und hat etwa den 3fachen Querschnitt des dem Resonanzraum zugewandten Endes
von Düse 4. Es ist vorteilhaft, am Reaktionsraum 1 vor der Öffnung der Düse
4 einen Prallkörper 10 anzuordnen, derart, daß ein Ringspalt 11 verbleibt,
dessen Durchtrittsquerschnitt größer oder gleich dem Austrittsquerschnitt der Düse
4 an der Mündung in den Reaktionsraum 1 ist.
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Dieser an sich bekannte Prallkörper hat an der dem Reaktionsraum 1
zugewandten Seite eine Form hohen Strömungswiderstandes und an der der Düse 4 zugewandten
Seite eine Form geringen Strömungswiderstandes. Seine Verwendung ist jedoch nicht
von ausschlaggebender Bedeutung für die Wirkung des Resonanzventils, sein Zweck
ist viehmehr, die Strahlung des Reaktionsraumes in die Eintrittsöffnung der Düse
4 zu vermindern und das Gasvolumen, welches vom Reaktionsraum 1 in den Resonanzraum
6 strömt, zu beschränken. Der Prallkörper 10 kann weggelassen werden, wenn der Resonanzraum
6 bzw. dessen Strömungsquerschnitte entsprechend größer bemessen werden bzw. wenn
durch eine Verengung der Düsenmündung in den Reaktionsraum 1 eine geringfügig verminderte
Ansaugung in Kauf genommen wird.
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Es wurde ferner gefunden, daß die bekannten aerodynamischen Ventile
(Rückstromdrosseln) nur dann anwendbar sind, wenn ein bestimmtes Verhältnis zwischen
der akustischen Rohrlänge des Reaktionsraumes und dem Durchmesser der Eintrittsöffnung
der Reaktionsteilnehmer eingehalten wird. Dieses kritische Verhältnis darf im allgemeinen
12: 1 nicht unterschreiten, weil sonst die Selbstschwingung aufhört. Durch Anwendung
des erfindungsgemäßen aerodynamischen oder Resonanzventils läßt sich dieses kritische
Verhältnis auf einen Wert unter 10:1 herabsetzen.
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Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn die Reaktionsrohre
für großtechnische Betriebseinheiten dimensioniert werden müssen. Da durch die gegebene
Leistung und das oben definierte kritische Verhältnis Apparatlänge und Schwingungszahl
bestimmt werden, gelangt man bei großtechnischen Einheiten zu großen Reaktionsrohrlängen
und damit sehr niedrigen Schwingungszahlen, welche für die durchzuführende Reaktion
oft ungünstig sind.
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Die Verminderung des kritischen Verhältnisses erlaubt nun eine Verkürzung
des Reaktionsrohres und Erhöhung der Schwingungszahl.
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Weiter wurde gefunden, daß eine Steigerung der Durchsatzleistung des
Reaktionsraumes sowie eine Steigerung der Regulierfähigkeit der Leistung dadurch
erzielt werden, daß man die Reaktionsteilnehmer getrennt in den Reaktionsraum einführt
und jeder Einführung ein gesondertes erfindungsgemäßes Resonanzventil zuordnet,
dessen akustische Länge unter Berücksichtigung der Eigenschaften des zu fördernden
Reaktionsteilnehmers (z. B. Dichte, Temperatur) auf die halbe Wellenlänge der Schwingung
des Reaktionsraumes bemessen ist. Hierdurch wird erreicht, daß die Reaktionsteilnehmer
im richtigen, gleichen Zeitpunkt einströmen, so daß sie im gewünschten Verhältnis
auch im gleichen Zeitpunkt zusammentreffend miteinander reagieren können. Bei Verwendung
einfacher Rückstromdrosseln entziehen sich durch Zeitverschiebung in der Einströmung
der Reaktionspartner kleinere oder größere Anteile der Reaktion, da sie den reaktionsfähigen
Partner nicht, oder nicht mehr, in der richtigen Konzentration vorfinden.
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Eine solche Anordnung zeigt Abb. 2, bei der beispielsweise Luft bei
2 zugeführt wird, während ein Brennstoff (z. B. ein brennbares Gas oder in einem
Traggas suspendierter Kohlenstaub), der verbrannt oder vergast werden soll, bei
12 in das zweite aerodynamische Ventil 13 aufgegeben wird, dessen Konstruktion
und Wirkungsweise der vorher beschriebenen, im wesentlichen aus Ansaugraum, Resonanzraum
und Zuführungsrohr zum Reaktionsraum bestehenden erfindungsgemäßen Vorrichtung gleicht.