DE2920233C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Dampferzeuger gemäß dem Oberbe
griff des Anspruchs 1.
Ein derartiger Dampferzeuger ist aus der US-PS 15 31 475 bekannt.
Bei diesem bekannten Dampferzeuger wird der Brennstoff am
oberen Ende des zylindrischen Gehäuses durch eine Öffnung ein
gesprüht; diese Öffnung ist neben dem Lufteinlaßrohr der ein
zige Einlaß in den Verbrennungsbehälter. Daher gibt es hier
keine Unterteilung in einen primären und einen sekundären Strom.
Dieser bekannte Dampferzeuger ist relativ aufwendig, da die
Abschirmung für den zweiten Teil des Verbrennungsgases sehr
viele Löcher aufweist.
Aus der GB-PS 2 71 706 ist ein Dampferzeuger bekannt, bei dem
die Zerstäubungsluft sowie die Hauptverbrennungsluft im wesent
lichen in der gleichen Höhe in die Verbrennungskammer eintreten.
Bei der Eintrittsstelle für die beiden Luftströme handelt es
sich um die Stelle in der Verbrennungskammer, wo der Brennstoff
gezündet wird. Daher bildet sich bei diesem bekannten
Dampferzeuger lediglich eine sogenannte einstufige Flamme aus.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine
einfach gestaltete Abschirmung für den zweiten Teil des Verbren
nungsgases zu schaffen, wobei es ermöglicht werden soll, zu
sätzlich die Durchflußmenge des zweiten Teiles des Verbrennungs
gases einzustellen.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1
gelöst. Dieser erfindungsgemäße Dampferzeuger ist einfach auf
gebaut und damit betriebssicher und darüber hinaus kann die
Durchflußmenge des zweiten Teiles des Verbrennungsgases in
einfacher Weise eingestellt werden.
Der erhaltene Dampf bildet ein heißes
Gemisch, das für verschiedene Zwecke geeignet ist, beispiels
weise als Prozeßdampf und als Dampf für die Fernheizung.
Die Speiseluft wird in zwei Teile unterteilt,
und es wird ein gut vermischtes, stöchiometrisches Gemisch
aus Brennstoff und dem einen Teil der Luft gebildet, das in
einer Vorkammer gezündet und verbrannt wird, die von dem an
deren Teil der Luft umgeben und gekühlt wird. Der zweite
Teil der Luft wird in den Mittelbereich der so gebildeten
Flamme in der Hauptkammer eingeleitet, um
eine vollständige Verbrennung sicherzustellen und so
die Bildung von Kohlenmonoxid auf äußerst niedrige Werte
zu vermindern. Der Mittelbereich der Flamme wird gegen di
rekten Strahlungs- oder Konvektionskontakt mit dem in die
Hauptkammer einströmenden Speisewasser abgeschirmt. Der End
bereich der Flamme wird in guten, unmittelbaren Strahlungs-
und Konvektionskontakt mit dem Speisewasser gebracht, um
dieses zu verdampfen.
Die Luft (oder ein anderes, die Verbren
nung aufrechterhaltendes Gas, wie reiner Sauerstoff) wird kom
primiert und in ein zu dem Dampferzeuger führendes Leitungs
system eingeleitet. Das Leitungssystem weist eine Hauptlei
tung und eine Abzweigleitung auf, die beide mit geeignet
bemessenen Mündungsplatten versehen sind, um die Luft in
einen ersten und einen zweiten Teil mit vorgegebenem
Volumen- oder Wasserverhältnis zu unterteilen.
In Strömungsrichtung unmittelbar hinter dem Beginn der Hauptleitung
wird Brennstoff in die Hauptleitung in einem Men
genverhältnis eingeleitet, das ausreichend ist, um ein stö
chiometrisches Gemisch mit der durch die Hauptleitung strö
menden Luft zu bilden. Als Brennstoffe sind gasförmige
Brennstoffe bevorzugt, wie Erdgas oder Wasserstoff. Durch
Einleiten des Brennstoffs in den turbulenten Bereich in
Strömungsrichtung hinter der Mündungsplatte der Hauptlei
tung wird sichergestellt, daß man eine gute Vermischung
des Brennstoffs mit der Luft erhält. Eine gute Vermischung
erhält man ferner dadurch, daß man das Brennstoff-Luft-Ge
misch durch eine relativ lange Leitung zwischen dem primä
ren Vermischungsort und dem Zündort führt. Vorzugsweise
weist der für die Vermischung vorgesehene Leitungsabschnitt
mindestens einen rechtwinklig abgebogenen Teil auf, um zu
sätzliche Turbulenzen hervorzurufen.
Das stöchiometrische Brennstoff-Luft-Gemisch wird dann in
eine Vorbrennkammer eingeleitet und dort gezündet. Die Ein
leitungsgeschwindigkeit ist größer als die Ausbreitungsge
schwindigkeit der Flamme, so daß diese nicht in die Leitung
zurückschlagen kann. Innerhalb der Vorbrennkammer ist eine
zylindrische Einfassung zum Einschließen der Flamme vorge
sehen. Der Hilfsspeiseluftstrom wird durch seine Leitung
in den Ringraum zwischen der Einfassung und der Außenwand
der Vorbrennkammer eingeleitet, wo er die Einfassung kühlt
und selbst vorgeheizt wird.
Die Vorbrenn
kammer ist am oberen Ende des Dampferzeugerbehälters angeordnet, der die
Hauptbrennkammer aufweist und
ein aufrechtstehender Zylinder mit einem ringförmig um die
sen angeordneten Wasserkühlmantel ist. Das Wasser wird in das
untere Ende des Mantels eingeleitet, strömt durch diesen
nach oben und wird vom oberen Ende des Mantels in die Haupt
brennkammer eingeleitet und an den Kammerwandungen nach un
ten geführt.
Die Vorbrennkammer ist gegenüber der Hauptbrennkammer so
angeordnet, daß sich die in der Vorkammer gezündete Flam
me nach unten in die Hauptbrennkammer erstreckt. Der vorge
heizte zweite Teil des die Verbrennung aufrechterhaltenden Gases tritt aus dem Ringraum in der Vor
brennkammer aus, indem er hinter die Unterkante der ersten
Abschirmung strömt und in die Hauptbrennkammer eintritt, wo
er sich mit der Flamme vereinigt. Die Zugabe überschüssiger
Luft (oder Sauerstoff) zu der Flamme dient zu deren "Abma
gerung" (geringerer Brennstoffanteil), so daß ausreichend
Oxidationsmittel vorhanden ist, um im wesentlichen den ge
samten Kohlenstoff des Brennstoffs in Kohlendioxid umzuwan
deln, anstatt wie bisher einen Anteil des Brennstoffs zu
Kohlenmonoxid umzusetzen.
In dem oberen Endabschnitt der Hauptbrennkammer ist eine
zweite, herabhängende, zylindrische Abschirmung für die
Flamme vorgesehen, um den Teil der
Flamme in der Nähe des oberen Endes der Kammer gegenüber
vollständigen Konvektions- und Strahlungskontakt mit dem
Speisewasserfilm abzuschirmen, der auf der Innenwand des Verdampfers
nach unten strömt. Dadurch wird eine übermäßige Kühlung
oder Abschreckung dieses Teils der Flamme verhindert und
damit zur Aufrechterhaltung einer vollständigen Verbren
nung beigetragen.
In der Hauptbrennkammer erstreckt sich die Flamme nach un
ten über das untere Ende der zweiten Abschirmung für die Flamme in
der Hauptbrennkammer hinaus. Daher ist der untere Abschnitt
der Flamme in vollständigem Strahlungs- und Konvektions
kontakt mit dem Speisewasser, das an der Kammerwandung
nach unten strömt. Das Speisewasser verdampft und vermischt
sich mit den heißen Verbrennungsprodukten (Dampf und nicht
kondensierbare Bestandteile) und bildet so einen Strom von
Produkten, der den Dampferzeuger über die mit seinem Boden
teil verbundene Leitung verläßt. In der Auslaßleitung ist
ein Ventil vorgesehen, um den Gegendruck in dem Verdampfer
zu steuern.
Der erfindungsgemäße Dampferzeuger weist einen außerordent
lich guten Verbrennungswirkungsgrad auf und führt zu ge
ringen Kohlenmonoxidkonzentrationen; daneben behält er auch
zumindest den ausgezeichneten Wärmewirkungsgrad vorbekann
ter Verdampfer bei.
In dem erfindungs
gemäßen Dampferzeuger wird somit eine Dreizonenflamme gebildet und auf
rechterhalten: in der ersten Zone wird ein stöchiome
trisches Gemisch gezündet und durch die Abschirmung
die Flammenstabilität sichergestellt;
in der zweiten Zone wird ebenfalls mit Hilfe einer Abschirmung
zur sicheren Vervollständigung der Verbrennung Überschuß
luft in die Flamme eingeleitet; in der dritten Zone wird
nach dem Abschluß der Verbrennung die Flamme dem Speisewas
ser ausgesetzt, um dieses zu verdampfen und die Flamme abzu
schrecken.
Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die
Zeichnung näher erläutert, die einen erfindungsgemäßen
Dampferzeuger teilweise in Seitenansicht und teilweise in perspek
tivischer Ansicht zeigt.
Die Hauptkomponente des Dampferzeugers 10 ist die eigentliche
oder Hauptbrennkammer 11. Diese Kammer 11 ist vorzugsweise
ein aufrechtstehender, an seinen Enden verschlossener, läng
licher Zylinder, der den Hauptteil der erfindungsgemäß er
zeugten Flamme einschließt. Am Boden der Kammer 11 ist eine
Auslaßleitung 12 vorgesehen, in der ein schematisch darge
stelltes Rückschlag- oder Gegendrucksteuerventil 13 ange
ordnet ist.
Die Kammer 11 weist eine zylindrische Außenwand 19 mit ab
geschlossenen Enden 14, 15 auf. Ferner ist eine Zufuhr zum
Einleiten von Speisewasser ins Innere der Hauptbrennkammer
vorgesehen. Hierfür sind eine Wassereinlaßleitung 16 und
ein innerer Behälter 17 vorgesehen. Die
ser Behälter 17 ist am unteren Ende 15 befestigt und endet an
einem bestimmten Abstand unterhalb des oberen Endes 14.
Dadurch wird ein Mantel 18 zwischen den Wänden 19 und 17
ausgebildet, der sich über fast die gesamte Höhe der Kam
mer 11 erstreckt.
Während des Betriebs wird Speisewasser in den Ringraum oder Mantel 18
durch die Einlaßleitung oder Wasserzufuhr 16 eingeleitet. Beim Aufsteigen des
Wassers in dem Ringraum oder Mantel 18 kühlt es den Dampferzeuger
und wird dabei erhitzt. Das Wasser rinnt dann über die
Oberkante des Behälters 17 und strömt an dessen Innenwand hinab.
Wie nachstehend näher erläutert wird, wird das Wasser
während des ersten Teils der nach unten gerichteten Strömung
durch Wärmeleitung von einem abgeschirmten Teil der Flamme erhitzt.
Während des Endteils dieser nach unten gerich
teten Strömung ist das Speisewasser in direktem Strahlungs-
und Konvektionskontakt mit einem Teil der Flamme und wird
dadurch verdampft, wobei der gebildete Dampf ein Teil des
erzeugten, aus der Kammer 11 über die Leitung 12 austreten
den Stroms wird.
Das erfindungsgemäße Brennstoff- und Luftzufuhrsystem 20
weist einen Luftkompressor 21 mit einem ebenfalls schema
tisch dargestellten Luftfilter 22 auf. Es können verschie
dene Kompressoren mit geeigneten Abgabedrucken und Abgabe
geschwindigkeiten verwendet werden. Die aus dem Kompressor
21 austretende Druckluft tritt in die Leitung 23 ein.
Der Druckluftstrom in der Leitung 23 wird in zwei Teil
ströme unterteilt, die zueinander ein bestimmtes Verhältnis
hinsichtlich ihres Volumens oder ihrer Masse aufweisen.
Diese Trennung erfolgt durch eine Mischleitung 24, die eine
Verlängerung der Leitung 23 bildet, und durch eine Abzweig-
oder Hilfsleitung 25 für die Luft. Die Leitungen 24 und 25
sind jeweils mit der nachstehend näher erläuterten Vorbrenn
kammer verbunden. In der Nähe des Abzweigs sind in den Lei
tungen 24 und 25 Drosselplatten 26 bzw. 27 angeordnet, und
die Bohrungen in diesen Platten sind derart bemessen, daß
die gewünschte Unterteilung des Luftstroms erfolgt. Vorzugs
weise beträgt die Strömung durch die Hilfsleitung 25 etwa
8 bis 10% der Strömung durch die Mischleitung 24.
In Strömungsrichtng unmittelbar hinter der Drosselplatte
26 ist in der Mischleitung 24 ein Brennstoffeinlaß 28 vor
gesehen. Die Strömung in der Leitung 24 in Strömungsrichtung
unmittelbar hinter der Drosselplatte 26 ist ziemlich turbu
lent, und es ist daher wünschenswert, den Brennstoff an die
ser Stelle einzuleiten, um eine kräftige und innige Vermi
schung des Brennstoffs mit der Luft zu bewirken. Ferner ist
die Mischleitung 24 vorzugsweise relativ lang, um eine voll
ständige Vermischung der Luft mit dem Brennstoff zu ermögli
chen, bevor der Strahl die Vorbrennkammer erreicht. Die Ver
mischung wird ferner durch Richtungsänderung der Leitung 24
an dem Knie 29 verstärkt. Der Durchmesser der Mischleitung 24
ist entsprechend der gewünschten Strömungsmenge ausgewählt,
so daß die lineare Geschwindigkeit des durchströmenden Ge
misches im wesentlichen gleich ist oder geringfügig größer
ist als die Flammenausbreitungsgeschwindigkeit, so daß die
in der Vorbrennkammer erzeugte und aufrechterhaltene Flamme
nicht in die Leitung 24 oder das Rohrknie 29 zurückschlagen
kann. Beispielsweise ist bei einer vorgesehenen Brennstoff
menge von etwa 0,48 m3/h, die mit einer stöchiometrischen
Luftmenge vermischt ist, ein nominaler Leitungsdurchmesser
von etwa 5 cm ausreichend.
Die Vorbrennkammer 30 weist ein zylindrisches Gehäuse 31
auf, dessen Durchmesser etwas größer ist als die Öffnung 32
am oberen Ende 14 der Kammer 11. Das Gehäuses 31 ist am obe
ren Ende 14 mit Hilfe eines Flansches 33 befestigt. Das
obere Ende des Gehäuses 31 wird durch eine Platte 34 ver
schlossen. Von der Platte 34 hängt eine
Abschirmung 39 zum Einschließen der Flamme herab, die kurz
vor der Öffnung 32 und dem Flansch 33 endet, so daß ein
kreisförmiger Schlitz 35 zwischen dem Rand der Abschirmung 39
und dem Rand des Flansches 33 gebildet wird. Durch die Abschirmung
39 und das Gehäuse 31 wird ein zylindrischer Ringraum
36 gebildet. Oben an der Vorbrennkammer 30 ist die Leitung
24 angeschlossen, um ein Brennstoff-Luft-Gemisch in den
Raum innerhalb der Abschirmung 39 einzuleiten; an der Seite
der Vorbrennkammer 30 ist die Leitung 25 angeschlossen, um
in den Ringraum 36 Hilfsluft einzuleiten.
Durch das Gehäuse 31 und die Abschirmung 39 der Vorbrennkam
mer 30 erstreckt sich eine Zündkerze 37, die zum gewünschten
Zeitpunkt zum Erzeugen eines Zündfunkens mit Hilfe einer ge
eigneten, nicht dargestellten Einrichtung gezündet werden
kann.
In dem Dampferzeuger 10 ist eine zweite Abschirmung
38 für die Flamme am oberen Ende 14 befestigt und
hängt von der Öffnung 32 nach unten herab.
Der Hilfsluftstrom wird durch die Leitung 25 in den Ring
raum 36 der Vorbrennkammer eingeleitet, und kühlt dort die
Abschirmung 39 und wird dabei selbst vorerhitzt. Dieser
Hilfsluftstrom strömt durch den Schlitz 35 in die Hauptbrenn
kammer und vereinigt sich dort mit einem Teil der Flamme 40.
Die Zugabe der Überschußluft dient zum "Abmagern" der Flam
me und stellt sicher, daß ausreichend Sauerstoff vorhanden
ist, um eine vollständige Verbrennung zu ermöglichen und
insbesondere im wesentlichen den gesamten Kohlenstoff zu
Kohlendioxid zu oxidieren. Die "abgemagerte" Flamme wird
am Eintrittsbereich der Hauptbrennkammer gegen übermäßiges
Abschrecken durch das Speisewasser mit Hilfe der Abschir
mung 38 abgeschirmt, um weiter eine vollständige Verbrennung
sicherzustellen.
Die Flamme 40 erstreckt sich nach unten in die Hauptbrenn
kammer über das untere Ende der Abschirmung 38 hinaus, und
dieser sich nach unten verlängernde Teil ist in Strahlungs-
und Konvektionskontakt mit dem die Wände des Behälters 17 hin
abströmenden Speisewassers. Dabei erfolgt ein guter Wärme
übergang, und das Wasser wird verdampft; der dabei entste
hende Wasserdampf vermischt sich mit den Verbrennungspro
dukten der Flamme und tritt mit diesen durch die Auslaßlei
tung 13 aus.
Die Erfindung wurde vorstehend im Zusammenhang mit Luft als das die
Verbrennung aufrechterhaltende Gas beschrieben; im Rahmen der Erfin
dung kann jedoch jedes die Verbrennung aufrechterhaltende Gas einge
setzt werden.
Claims (5)
1. Dampferzeuger mit
- a) einem aufrechterhaltenden, zylindrischen, mit einem Mantel (18) versehenen Behälter (17), an dessen Oberseite ein Flammeneinlaß und an dessen Unterseite ein Auslaß für die Verbrennungsprodukte vorgesehen ist,
- b) einer Wassserzufuhr (16) für den Mantel (18) des Behäl ters (17) in der Nähe von dessen Boden,
- c) einer Wassereinleitung aus dem Mantel (18) in das Innere des Behälters (17) in der Nähe von dessen oberem Ende,
- d) einer auf dem oberen Ende des Behälters (17) angeordne ten Vorbrennkammer (30),
- e) einer Zufuhreinrichtung für einen Brennstoffstrahl und einen ersten Teil eines die Verbrennung aufrechterhal tenden Gases in die Vorbrennkammer (30),
- f) einer Zufuhreinrichtung zum Einleiten eines zweiten Teils des die Verbrennung aufrechterhaltenden Gases am oberen Ende des Behälters (17),
- g) einem zylindrischen Gehäuse (31) für die Vorbrennkammer (30) und mit einer darin herabhängend angeordneten, zy lindrischen ersten Abschirmung (39) und mit
- h) einer in Flammenrichtung an die erste Abschirmung (39) anschließenden zweiten zylindrischen Abschirmung (38) zum Ausbilden eines ringförmigen Vorwärmraumes für das in den Behälter (17) eingeleitete Wasser,
- i) wobei die Zufuhreinrichtung für das Brennstoff/Gas-Ge misch derart angeschlossen ist, daß der Brennstoffstrahl von oben in die Vorbrennkammer (30) innerhalb der ersten Abschirmung (39) eingeleitet wird,
dadurch gekennzeichnet,
- j) daß die Zuführung des zweiten Teiles des die Verbrennung aufrechterhaltenden Gases nur zwischen den beiden Ab schirmungen (39, 38) erfolgt.
2. Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der zweite Teil des die Verbrennung aufrechterhaltenden
Gases etwa 8% bis 10% des ersten Teils des die Verbrennung
aufrechterhaltenden Gases beträgt.
3. Dampferzeuger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß zur Vorwärmung des zweiten Teiles des die Verbren
nung aufrechterhaltenden Gases dieser zweite Teil die erste
Abschirmung (39) außen umströmt.
4. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Zufuhr des zweiten Teils des die
Verbrennung aufrechterhaltenden Gases durch eine separate Leitung
(25) erfolgt, in der Drosseleinrichtungen (27) angeordnet
sind.
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