DE3835381A1

DE3835381A1 - Brenner

Info

Publication number: DE3835381A1
Application number: DE19883835381
Authority: DE
Inventors: Detlef Dr Ing Altemark; Manfred Weid; Gerhard Stenzel
Original assignee: Ruhrgas AG
Current assignee: EON Ruhrgas AG
Priority date: 1988-10-18
Filing date: 1988-10-18
Publication date: 1990-04-19

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner mit einer Brennkammer, die an ihrem stromab gelegenen Ende eine Austrittsöffnung aufweist, und mit einem die Brennkammer umgebenden Mantel zum Zuführen von Sauerstoffträgergas zur Austrittsöffnung der Brennkammer. Es ergibt sich eine Verbrennungsstufung, da ein Teil des für die Verbrennung notwendigem Sauerstoffträger gases, bei dem es sich vorzugsweise um Luft handelt, erst im Bereich der Austrittsöffnung der Brennkammer zur Flamme ge langt.

Ein derartiger Brenner ist aus dem VDI-Bericht, Nr. 645, Aus gabe 1987, Seite 352 bekannt. Dort weist die Brennkammer stromauf der Austrittsöffnung eine Reihe von Öffnungen auf, durch die Sekundärluft als Sauerstoffträgergas aus dem zwi schen der Brennkammer und dem Mantel gebildeten Ringraum ins Innere der Brennkammer eintreten kann. Es wurde gefunden, daß ein derartiger Brenner hinsichtlich seiner Schadstoff-Emis sionen als verbesserungsbedürftig erscheint.

Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den bekannten Brenner derart weiterzuentwickeln, daß die Schad stoff-, insbesonder die NO_x-Erzeugung absinkt.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist der Brenner nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das stromab gelegene Ende der Brennkammer und der Mantel zwischen sich in Umfangsabstand zueinander liegende Strahlöffnungen für das Sauerstoffträger gas sowie in Umfangsrichtung verlaufende, die Strahlöffnungen miteinander verbindende Spaltabschnitte begrenzen.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Zugabe des Sauerstoffträgergases, z.B. von Sekundärluft, vor der Aus trittsöffnung der Brennkammer zu einer heftigen Durchmischung und dementsprechend zu einem hohen thermischen Umsatz führt. Dabei kommt es zu einer vergleichsweise hohen NO_x-Bildung.

Mit der Konstruktion nach der Erfindung hingegen wird das Sauerstoffträgergas zur Stufung der Verbrennung im wesent lichen strahlenförmig außen auf die aus der Brennkammer aus tretende Flamme aufgelegt. Damit lassen sich das Einmischen des Sauerstoffträgergases in die Flamme und der Ablauf einer zweiten Verbrennungsstufe sehr gut steuern. Je größer die Durchmischung, desto kürzer, härter und NO_x-reicher die Flamme; je geringer die Durchmischung, desto länger, weicher und NO_x-ärmer die Flamme. Erfindungsgemäß läßt sich ohne weiteres eine Optimierung zwischen der Flammenlänge einerseits und der NO_x-Emission andererseits erzielen.

Dabei gilt, daß das aus den Spaltabschnitten austretende Sau erstoffträgergas zwar zu einer Durchmischung praktisch nicht beiträgt, jedoch die durch die Sauerstoffträgergasstrahlen bewirkte, ebenfalls NO_x-mindernde Flammenkühlung unter stützt. Auch kühlt es die Brennermaterialien. Allerdings läßt sich in den Spaltabschnitten der Sauerstoffträgergasdurchsatz nur äußerst schwer einstellen. Dementsprechend wird man die Anordnung vorzugsweise derart treffen, daß die Spaltbreite der Spaltabschnitte klein gegenüber dem Durchmesser der Strahlöff nungen ist.

In wesentlicher Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschla gen, daß die Strahlöffnungen für das Sauerstoffträgergas von Einbuchtungen des stromab gelegenen Endes der Brennkammer und/oder Ausbuchtungen des Mantels gebildet werden. Einbuch tungen der Brennkammer führen dazu, daß sich "Rinnen" in der Flamme bilden, in die die Strahlen eingelegt sind. Bei Aus buchtungen des Mantels werden die Strahlen auf den "unversehr ten" Umfang der Flamme aufgelegt. Sind sowohl Einbuchtungen der Brennkammer als auch Ausbuchtungen des Mantels vorhanden, so können diese übereinander liegen, wobei dann Strahlen ent stehen, die partiell versenkt sind. Liegen die Ein- und Aus buchtungen versetzt zueinander, so wird ein Teil der Strahlen in die Flamme eingebettet, während weitere Strahlen auf den Umfang der Flamme aufgelegt werden. Es entsteht eine in Um fangsrichtung wellenförmige Struktur. Die Erfindung bietet also eine Vielzahl von Kombinationsmöglichkeiten zur gewünsch ten Steuerung der Einmischung des Sauerstoffträgergases in die Flamme und zu deren Kühlung. Hinzu kommt der jeweils bewirkte Effekt der Abgasrezirkulation, der die NO_x-Emission eben falls beeinflußt. Es ergeben sich je nach Führung des Sauer stoffträgergases unterschiedliche Schichtungen Flamme/Sekun därluft/Abgas.

Vorzugsweise besitzen das stromab gelegene Ende der Brennkam mer und der Mantel einen kreissymmetrischen Querschnitt. Zwar sind erfindungsgemäß auch beliebige andere Querschnitte mög lich, jedoch gewährleistet ein kreissymmetrischer Querschnitt eine äußerst gleichmäßige Beeinflussung der gesamten Flamme. Auch ergibt sich eine gleichmäßige Temperaturverteilung, die zu einer symmetrischen Materialbelastung führt.

Außerdem bietet sich die besonders vorteilhafte Möglichkeit, daß die Brennkammer und der Mantel relativ zueinander verdreh bar sind. Damit lassen sich die Einbuchtungen der Brennkammer und die Ausbuchtungen des Mantels in beliebige Relativstellun gen zueinander bringen.

Die Brennkammer kann sich mit konstantem Querschnitt bis zur Austrittsöffnung erstrecken. Die Erfindung wirkt sich jedoch mit besonderem Vorteil auf solche Gasbrenner aus, bei denen das stromab gelegene Ende der Brennkammer als Düse ausgebildet ist, da der Eintritt des Sauerstoffträgergases vor dem engsten Querschnitt der Düse zu besonders hoher NO_x-Emission führt.

Erfindungsgemäß können die Strahlöffnungen für das Sauerstoff trägergas konvergent ausgerichtet sein. Damit drücken sich die Sauerstoffträgergasstrahlen in der jeweils gewünschten Weise in die Flamme ein, wodurch ebenfalls eine Steuerungsmöglich keit für die Durchmischung gegeben ist.

Eine entsprechende konstruktive Gestaltung ist dadurch gekenn zeichnet, daß der Mantel konvergent auf das stromab gelegene Ende der Brennkammer zuläuft. Alternativ kann das als Düse ausgebildete stromab gelegene Ende der Brennkammer erfindungs gemäß einen zur Strömungsrichtung parallelwandigen Endab schnitt aufweisen, auf dessen Ende der Mantel zuläuft. Vor zugsweise verläuft auch das Ende der Brennkammer parallel zur Strömungsrichtung.

In allen Fällen ist es vorteilhaft, daß am stromab gelegenen Ende der Brennkammer ein radialer Flansch angeordnet ist, auf dessen Außenrand der Mantel zuläuft. Die Sauerstoffträgergas strahlen treten dabei in erhöhtem Abstand zum Flammenfuß aus den Strahlöffnungen auf, wodurch sich eine besonders einfache Möglichkeit dafür ergibt, eine Abgasschicht auch noch zwischen die Flamme und die Sauerstoffträgergasstrahlen zu legen. Dies erhöht die Intensität des Mischungsvorgangs.

Um dabei die strömungstechnischen Verhältnisse zu optimieren, schlägt die Erfindung vor, daß die Brennkammer über eine Rundung in die Stirnfläche des Flansches übergeht.

Ferner läßt sich erfindungsgemäß die Führung der Sauerstoff trägergasstrahlen noch dadurch verbessern, daß der Mantel trichterförmig geringfügig über das stromab gelegene Ende der Düse vorsteht.

Die erfindungsgemäße Konstruktion eignet sich vor allem für eine Fertigung aus gießbarem, insbesondere keramischem Mate rial, da der Mantel einerseits und die Brennkammer anderer seits als getrennte Bauteile ausgebildet werden können. Dabei ist es dann besonders vorteilhaft, daß das stromab gelegene Ende verschieblich in dem Mantel geführt ist, um Wärmespannun gen zu vermeiden.

Je nach dem Fertigungsverfahren und zur Vermeidung von Wärme spannungen haben die Bauteile vorzugsweise gleiche Wand dicken.

Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausfüh rungsbeispiele im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 einen axialen Teilschnitt entlang der Linie I-I in Fig. 2 durch eine erste Ausführungsform eines er findungsgemäßen Brenners;

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 einen axialen Teilschnitt entlang der Linie III-III in Fig. 4 durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenners;

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in Fig. 3;

Fig. 5 einen Schnitt entsprechend Fig. 2 durch eine drit te Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bren ners;

Fig. 6 die Vorrichtung nach Fig. 5 in einer anderen Dreh stellung.

Fig. 7 einen axialen Teilschnitt entlang der Linie VII-VII in Fig. 8 durch eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenners;

Fig. 8 eine Vorderansicht der Vorrichtung nach Fig. 7;

Fig. 9 einen axialen Teilschnitt entlang der Linie IX-IX in Fig. 10 durch eine fünfte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenners;

Fig. 10 eine Vorderansicht der Vorrichtung nach Fig. 9.

Fig. 11 einen Schnitt entlang der Linie XI-XI in Fig. 12 durch eine sechste Ausführungsform eines erfin dungsgemäßen Brenners; und

Fig. 12 einen Schnitt entlang der Linie XII-XII in Fig. 11.

Fig. 1 zeigt den stromab gelegenen Bereich eines Brenners, der im vorliegenden Fall als Hochgeschwindigkeitsbrenner ausgebildet ist. Er weist eine Brennkammer 1 auf, deren strom ab gelegenes Ende 2 eine Düse bildet, sowie ferner einen Man tel 3, welcher die Brennkammer 1 umgibt. Der Mantel 3 dient dazu, der Düse Sauerstoffträgergas zuzuführen. Das stromab gelegene Ende 2 der Brennkammer ist gegenüber dem Ende des Mantels 3 geringfügig zurückgesetzt. Etwaige Beschädigungen beschränken sich daher auf den Mantel 3. Dort können sie visu ell festgestellt werden, was bei etwaigen Beschädigungen der Brennkammer nicht der Fall wäre.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, begrenzen das stromab gelegene Ende 2 der Brennkammer und der Mantel 3 zwischen sich in Um fangsabstand zueinander liegende Strahlöffnungen 4 für das Sauerstoffträgergas sowie in Umfangsrichtung verlaufende, die Strahlöffnungen miteinander verbindende Spaltabschnitte 5. Die Strahlöffnungen werden im vorliegenden Falle durch Einbuchtun gen 6 des stromab gelegenen Endes 2 der Brennkammer 1 gebil det.

Die konvergierende Ausrichtung der Strahlöffnungen 4, deren Abmaße sowie die Abmaße der Spaltabschnitte 5 sind so gewählt, daß sich das Sauerstoffträgergas gerade in dem gewünschten Ausmaß mit der aus der Düse austretenden Flamme mischt. Da durch wird erreicht, daß die Flamme nicht zu lang und die NO_x-Emission nicht zu groß wird.

Bei der Konstruktion nach den Fig. 1 und 2 laufen das stromab gelegene Ende 2 der Brennkammer 1 und der Mantel 3 konvergent aufeinander zu. Bei der Konstruktion nach den Figu ren 3 und 4 hingegen weist die Düse einen zur Strömungsrich tung parallelwandigen Endabschnitt 7 auf, auf dessen Ende der Mantel 3 zuläuft. Letzterer ist an seinem Ende ebenfalls achs parallel ausgebildet. Auch hierbei ergibt sich ein konvergie render Austritt der Strahlen. Abgesehen davon, kann sich die Brennkammer 1 zum Ausgleich von Wärmedehnungen gegenüber dem Mantel 3 in Achsrichtung verschieben.

Im übrigen zeigt Fig. 4, daß im vorliegenden Fall die Strahl öffnungen 4′ für das Sauerstoffträgergas von Ausbuchtungen 8 des Mantels 3 gebildet werden. Die Sauerstoffträgergasstrahlen werden also nicht, wie bei der Konstruktion nach den Fig. 1 und 2, in Vertiefungen der Flamme eingelegt, sondern vielmehr auf den Mantel der Flamme aufgelegt.

Bei der Ausführungsform nach den Fig. 5 und 6 weist das stromab gelegene Ende 2 der Brennkammer 1 Einbuchtungen 6 zur Bildung von Strahlöffnungen 4 auf, während der Mantel 3 mit Ausbuchtungen 8 zur Bildung von Strahlöffnungen 4′ versehen ist. Sowohl die Düse als auch der Mantel 3 besitzen einen kreissymmetrischen Querschnitt. Sie sind drehbar ineinander gelagert.

In der Position nach Fig. 5 überlagern sich die Austrittsöff nungen 4 und 4′. Die entsprechend dicken Sauerstoffträgergas strahlen werden also etwa bis zur Mitte ihres Umfangs in die aus der Düse austretende Flamme eingebettet.

In der Position nach Fig. 6 sind die Brennkammer 1 und der Mantel 3 um einen Halbschritt relativ zueinander verdreht. Dies hat zur Folge, daß die aus den Strahlöffnungen 4 austre tenden Sauerstoffträgergasstrahlen in die Flamme eingebettet und die aus den Strahlöffnungen 4′ austretenden Sauerstoffträ gergasstrahlen auf den Flammenumfang aufgelegt werden. Es entsteht also eine in Umfangsrichtung wellenförmige Struktur. Zwischen den Positionen der Fig. 5 und 6 sind beliebige Zwischenstellungen möglich.

Die Fig. 2, 4, 5 und 6 machen deutlich, wie groß die Varia tionsbreite der erfindungsgemäßen Einflußmöglichkeiten ist. Da die Erfindung auch die Abgasrezirkulation mit einbezieht, lassen sich unterschiedlichste Schichtungen von Flamme, Sauer stoffträgergas und Abgas erzielen.

Das aus den Spaltabschnitten 5 austretende Sauerstoffträgergas kann ebenfalls zur Beeinflussung der Flamme herangezogen wer den, und zwar zu deren Kühlung. Allerdings wird man in den meisten Fällen die Spaltbreite klein gegenüber dem Durchmesser der Strahlöffnungen 4 und 4′ wählen, weil der Durchsatz durch die Spaltabschnitte schwer einzustellen ist.

Die Ausführungsform nach den Fig. 7 und 8 unterscheidet sich von der nach den Fig. 3 und 4 vor allen Dingen da durch, daß an dem als Düse ausgebildeten stromab gelegenen Ende 2 der Brennkammer 1, im vorliegenden Fall am stromab gelegenen Ende des parallelwandigen Endabschnitts 7, ein ra dialer Flansch 9 angeordnet ist, auf dessen Außenrand der Mantel 3 zuläuft. Der Übergang zwischen dem Endabschnitt 7 und dem Flansch 9 ist aus strömungstechnischen Gründen gerundet. Aufgrund des Flansches 9 treten die Sauerstoffträgergasstrah len in radialem Abstand vom Flammenfuß aus. Dies erleichtert das Einsaugen einer Abgasschicht als Zwischenlage zwischen der Flamme und den Sauerstoffträgergasstrahlen, was ebenfalls der Optimierung von Flammenlänge und NO_x-Bildung dient und er laubt die Einstellung der Intensität der Verbrennungsstufung.

Im übrigen zeigt Fig. 7, daß der Mantel 3 trichterförmig geringfügig über das stromab gelegene Ende des zur Düse gehö renden Flanschen 9 vorsteht. Dies dient der zuverlässigen Lenkung der Sauerstoffträgergasstrahlen.

Im übrigen zeigen die Fig. 7 und 8, daß die Ausbuchtungen 8, anders als in Fig. 3, mit zunehmender Breite aus dem Man tel 3 herauswachsen.

Die Brennkammer 1 mit ihrem stromab gelegenen Ende 2 und ggf. dem Endabschnitt 7 sowie dem Flansch 9 ist im vorliegenden Fall einstückig aus Keramik hergestellt. Gleiches gilt für den Mantel 3. Die beiden Teile können so angeordnet sein, daß, wie erwähnt, im Bereich der Düse eine Längsverschieblichkeit gege ben ist. Dies läßt nicht nur unterschiedliche Wärmedehnungen zu, sondern kompensiert auch Fertigungstoleranzen. Ferner haben die Bauteile gleiche Wandstärken.

Die Fig. 9 und 10 zeigen einen Hochgeschwindigkeitsbrenner, der im wesentlichen mit der Ausführungsform nach den Fig. 7 und 8 übereinstimmt. Allerdings ist in Fig. 9 der Endabschnitt des Mantels 3 achsparallel ausgerichtet, und es ist anstelle des Flansches 9 ein aufgeweiteter Abschnitt 9′ mit achsparal lelem Auslauf unter Zwischenschaltung des Endabschnittes 7 am stromab gelegenen Ende 2 der Brennkammer 1 angeordnet. Die Ausführungsform nach den Fig. 9 und 10 ist fertigungstech nisch besonders günstig auf den Werkstoff Keramik abgestellt.

Die Fig. 11 und 12 schließlich zeigen die Anwendung der Erfindung auf eine Brennkammer 1, die bis zu ihrem stromab gelegenen Ende 2 mit konstantem Querschnitt ausgeführt ist, also nicht zu einem Hochgeschwindigkeitsbrenner gehört.

Im Rahmen der Erfindung sind durchaus Abwandlungsformen mög lich. So können etwa die Ausführungsbeispiele nach den Fig. 3 und 4 sowie 11 und 12 mit einem Flansch 9 entsprechend den Fig. 7 und 8 versehen werden. Ferner können im Falle der Fig. 1 und 2 Ausbuchtungen 8 des Mantels 3 anstelle der Einbuchtungen 6 der Brennkammer vorhanden sein. Auch hier ist die Anordnung eines Flansches 9 gemäß Fig. 7 und 8 möglich. Sowohl für die letztgenannten Figuren als auch für die Fig. 3 und 4 gilt, daß anstelle der Ausbuchtungen 8 des Mantels 3 Einbuchtungen 6 der Brennkammer 3 bzw. des Abschnittes 7 und ggf. eines Flansches 9 vorgesehen sein können. Anstelle von Einbuchtungen kann der Flansch 9 auch entsprechende Ausnehmun gen seines Randes aufweisen.

Als erfindungswesentlich offenbart gelten auch solche Merk malskombinationen, die von der beiliegenden Anspruchsfassung abweichen.

Claims

1. Brenner mit einer Brennkammer (1), die an ihrem stromab gelegenen Ende (2) eine Austrittsöffnung aufweist, und mit einem die Brennkammer umgebenden Mantel (3) zum Zuführen von Sauerstoffträgergas zur Austrittsöffnung der Brennkammer (1), dadurch gekennzeichnet, daß das stromab gelegene Ende (2) der Brennkammer (1) und der Mantel (3) zwischen sich in Umfangsabstand zueinander liegende Strahlöffnungen (4, 4′) sowie in Umfangsrichtung verlaufende, die Strahlöffnungen miteinander verbindende Spaltabschnitte (5) für das Sauerstoffträgergas begrenzen.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltebreite der Spaltabschnitte (5) klein gegenüber dem Durchmesser der Strahlöffnungen (4, 4′) ist.

3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlöffnungen (4, 4′) für das Sauerstoffträgergas von Einbuchtungen (6) des stromab gelegenen Endes (2) der Brennkammer (1) und/oder von Ausbuchtungen (8) des Mantels (3) gebildet werden.

4. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß das stromab gelegene Ende (2) der Brennkammer (1) und der Mantel (3) einen kreissymmetrischen Querschnitt besitzen.

5. Brenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (1) und der Mantel (3) relativ zueinander verdreh bar sind.

6. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß das stromab gelegene Ende (2) der Brennkammer (1) als Düse ausgebildet ist.

7. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die Strahlöffnungen (4, 4′) für das Sauerstoff trägergas konvergent ausgerichtet sind.

8. Brenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (3) konvergent auf das stromab gelegene Ende (2) der Brennkammer (1) zuläuft.

9. Brenner nach Anspruch 7, dadurch gekenmzeichnet, daß das als Düse ausgebildete stromab gelegene Ende (2) der Brennkam mer (1) einen zur Strömungsrichtung parallelwandigen Endab schnitt (7) aufweist, auf dessen Ende der Mantel (3) zuläuft.

10. Brenner nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Mantels (3) zur Strömungsrichtung parallel verläuft.

11. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge kennzeichnet, daß am stromab gelegenen Ende (2) der Brenkammer (1) ein radialer Flansch (9) angeordnet ist, auf dessen Außen rand der Mantel (3) zuläuft.

12. Brenner nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (1) über eine Rundung in die Stirnfläche des Flan sches (9) übergeht.

13. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge kennzeichnet, daß der Mantel (3) trichterförmig geringfügig über das stromab gelegene Ende der Brennkammer (1) vorsteht.

14. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch ge kennzeichnet, daß das stromab gelegene Ende (2) der Brennkam mer (1) und der Mantel (3) relativ zueinander verschieblich geführt sind.

15. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch ge kennzeichnet, daß die Brennkammer (1) und der Mantel (3) gleiche Wanddicken haben.