DE3888222T3

DE3888222T3 - Mischen unter Anwendung eines Fluidstrahls.

Info

Publication number: DE3888222T3
Application number: DE3888222T
Authority: DE
Inventors: Russell Estcourt Luxton; Graham Jerrold Nathan
Original assignee: Luminis Pty Ltd
Current assignee: Luminis Pty Ltd
Priority date: 1987-04-16
Filing date: 1988-04-15
Publication date: 1997-05-22
Anticipated expiration: 2008-04-16
Also published as: CN1018018B; NO173842B; NO885569D0; GR3023323T3; DK512489A; KR0128277B1; ES2049747T3; NO173842C; CA1288420C; NO885569L; EP0287392A3; EP0287392B1; EP0287392B2; KR890700787A; DK172427B1; EP0287392A2; JPH02503947A; US5060867A; DE3888222T2; DK512489D0

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft allgemein die Steuerung der Bewegung eines aus einer Düse austretenden Fluidstrahls, welcher gasförmig, flüssig oder ein Phasengemisch ist. Die Erfindung befaßt sich mit der Verstärkung oder der Steuerung der Vermischungsrate des Strahls mit seiner Umgebung. Eine besonders nützliche Anwendung der Erfindung betrifft Misch- Düsen, Brenner oder Combustoren, welche gasförmige oder flüssige Brennstoffe oder feste Brennstoffe in Partikelform verbrennen, bei denen es notwendig ist, daß eine brennstoffreiche Strömung von Fluid oder von Partikeln vor Verbrennung so wirksam als möglich mit einem oxidierenden Fluid vermischt wird. Die Erfindung ist jedoch allgemein auf das Vermischen von Fluiden gerichtet und nicht auf Anwendungen beschränkt, welche einen Verbrennungsvorgang umfassen.

Technischer Hintergrund

Wärmeenergie kann aus "erneuerbaren", natürlichen Quellen und aus nicht erneuerbaren Brennstoffen gewonnen werden. Kohle, Öl, natürliches und künstlich hergestelltes Gas sind gegenwärtig die in der Industrie und zur Elektrizitätserzeugung am häufigsten verwendeten Brennstoffe. Die Vorteile von Öl und natürlichem Gas werden gewährleisten, daß sie bevorzugte Brennstoffe bleiben, bis Beschränkungen ihrer lokalen oder globalen Verfügbarkeit bewirken, daß ihre Preise unwirtschaftliche Niveaus erreichen. Die Kohlereserven sind sehr viel größer und es ist wahrscheinlich, daß Kohle weit in die Zukunft hinein einen wesentlichen Anteil des Energiebedarfs, insbesondere zur Elektrizitätsversorgung decken wird. Das Verbrennen von Kohlestaub in Brennern des Düsen-Typs ist gegenwärtig das bevorzugte Verbrennungsverfahren in Brennöfen und Kesselanlagen. Es wird vorhergesagt, daß diese Vorzugsstellung für alle Qualitätsstufen von Kohle, abgesehen von den niedrigsten, andauern wird, wobei für diese Qualitätsstufen Fluidatbetten, Öl/Kohle- Aufschlämmungen oder eine andere Form der Vorbehandlung bevorzugt werden kann.
Kohlevergasung ist eine anerkannte Form der Vorbehandlung. Die Wirtschaftlichkeit der Verwendung von Kohle niedriger Qualität mit Hilfe eines Gasbildungsverfahrens als eine Energiequelle zur Stromerzeugung und zum Heizen könnte erhöht werden, wenn ein inhärent stabiler Gasbrenner entwikkelt werden könnte, der große Schwankungen in der Qualität des ihm zugeführten Gases toleriert.
Eine übliche Beschränkung bei der Konstruktion und im Betrieb gegenwärtiger Verbrennungsdüsen für gasförmige Brennstoffe besteht darin, daß die Durchflußmenge des Brennstoffs durch eine Düse gegebener Größe durch das Ausmaß beschränkt ist, mit der die Düsenstrahlgeschwindigkeit durch Vermischen auf die Flammenausbreitungsgeschwindigkeit in dem Gemisch abfällt. Dieser Zustand muß bei einer Gemischzusammensetzung innerhalb des Brennbereichs des speziellen Brennstoffs und Oxidationsmittels auftreten, wenn eine Flamme existieren soll. Wenn die Strömungsrate durch die Düse hoch ist, so daß der Zustand weit von der Ausgangsebene der Düse entfernt auftritt, wo sowohl die Intensität als auch das Ausmaß der turbulenten Geschwindigkeitsfluktuationen groß sind, kann die Flammenfront über die Mager-Grenze der Verbrennung des Gemischs hinaus fluktuieren, wodurch ein Erlöschen der Flamme resultiert. Wenn daher die Ausbreitungsrate und das Vermischen des aus der Düse austretenden Fluidstrahls stark vergrößert werden können, wird die Flammenfront stabiler sein und näher an der Düse angeordnet sein. In einer ähnlichen Weise können Verbesserungen des Mischverfahrens für die Verbrennung von in einer Gasströmung mitgenommenem, partikelförmigem Brennstoff (z.B. Kohlenstaub) zu effektiverer Steuerung der Partikelverweilzeiten führen, welche zum Trocknen, Vorerwärmen, Freisetzen von flüchtigen Stoffen, Verbrennen der Partikel und die Steuerung unerwünschter Emmissionsprodukte, z.B. Schwefel und Stickstoffoxide, erforderlich sind.
Wirbelbrenner, Strömungsaufweiter mit Körpern hohen Strömungswiderstands oder Flammhalter und sogenannte Spalt- Brenner sind einige der Vorrichtungen, welche zum Verstärken der Vermischung des Brennstoffstrahls mit seiner Umgebung verwendet wurden, um auf Kosten erhöhten Druckverlusts durch die Mischdüse und/oder das sekundäre Luftströmungssystem die Verbrennungsinstabilität des im vorhergehenden Absatz beschriebenen Typs zu überwinden oder zu verzögern. Solche Düsen sind gezwungen, unterhalb eines kritischen Strahlimpulses zu arbeiten, bei dem sich die von ihnen erzeugten, stabilisierenden Strömungsstrukturen unter Verlust ihrer stabilisierenden Eigenschaften plötzlich verändern, wodurch die Flamme dazu gebracht wird, instabil und eventuell ausgelöscht zu werden.
Jedes der oben erwähnten Mittel zum Verbessern der Flammstabilität wird herkömmlicherweise mit teilweisem Vor- Mischen des Brennstoffs mit Luft oder einem Oxidationsmittel kombiniert. Ein solches Vor-Mischen hat den Effekt, daß das zum Erzeugen eines brennbaren Gemischs erforderliche Ausmaß der Vermischung zwischen dem Brennstoffstrahl und seiner oxidierenden Umgebung verringert wird.
Wenn er fehlerhaft konstruiert oder eingestellt ist, kann bei einem Vormischungs-Brenner ein "Flammenrückschlag" auftreten, ein Zustand, bei dem die Flamme von der Brennerdüse strömungsaufwärts wandert. In mehreren Fällen, in denen die üblichen Sicherheitsvorkehrungen fehlschlugen oder ignoriert wurden, führte dies zu einer Explosion.
Ein anderes Mittel zum Erzeugen einer stabilen Flamme bei vergrößerten Brennstoffströmungsraten besteht darin, die Fluidströmung zu pulsieren oder darin, zum Vergrößern der Mischraten den Düsenstrahl akustisch anzuregen. Die Erregung kann mittels eines oder mehrerer Kolben, durch eine Blende, durch eine oder mehrere geschlitzte Scheiben oder mittels eines Lautsprechers oder vibrierenden Blatts oder einer Membran erfolgen, welche in Strömungsrichtung oberhalb oder unterhalb des Strahlausgangs angeordnet sind. Wenn ein Lautsprecher verwendet wird, kann die Phase und Frequenz des Schalls durch einen Rückkoppelungskreis über einen an dem Strahlausgang angeordneten Sensor festgesetzt werden. Unter bestimmten Umständen kann der Strahl durch die Wirkung intensiver Wirbel am Strahlausgang aufgeweitet und sehr schnell vermischt werden. Es ist auch möglich, den Strahl dazu zu bringen, sich selbst akustisch anzuregen, ohne irgendwelcher elektronischer Schaltungen und dgl. zu bedürfen, indem natürlich auftretende Strömungsfluktuationen dazu gebracht werden, einen Hohlraum oder eine akustische Resonanz anzuregen. Es wurde behauptet, daß ein Hohlraum am Düsenausgang bei bestimmten Strahlströmungsgeschwindigkeiten einige Vorteile aufweist. Indem der Resonanzhohlraum zwischen einem Einlaß- und einem Auslaßabschnitt innerhalb der Strahldüse angeordnet wird, tritt verstärktes Mischen über einen größeren Bereich von Strahlströmungsgeschwindigkeiten auf. Dies ist das Prinzip des sog. "Pfeifen" ("Whistle")-Brenners, der in der australischen Patentanmeldung Nr. 88 999/82 beschrieben ist.
Eine ernsthafte Einschränkung des Pfeifenbrenners liegt darin, daß eine Verstärkung nur am oberen Ende des Betriebsbereichs des Brenners auftritt, da die Anregung eine hohe Ausgangsgeschwindigkeit des Brennstoffstrahls aus der Düse erfordert. Der zum Erreichen dieser hohen Ausgangsgeschwindigkeit erforderliche Antriebsdruck ist größer als derjenige, der normalerweise in industriellen Gaszuführungen verfügbar ist.
Ein weiterer Nachteil des Pfeifenbrenners ist der hohe Lärmpegel, der bei einer diskreten Frequenz erzeugt wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Aufgabe der Erfindung in einem oder mehreren ihrer Aspekte liegt darin, eine Fluidmischvorrichtung zu schaffen, welche als eine Verbrennungsdüse verwendet werden kann, um wenigstens teilweise die vorerwähnten Nachteile der gegenwärtig verwendeten Verbrennungsdüsen zu lindern.
Eine besondere Aufgabe einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt darin, ein verbessertes Mischen zwischen einem Fluidstrahl und seiner Umgebung zu schaffen, dessen Ausmaß ähnlich dem mit einem "Pfeifen"-Brenner erreichten ist, aber bei viel kleineren Brennstoffstrahlaustrittsgeschwindigkeiten, bei viel kleineren Antriebsdrücken und ohne Erzeugung von Lärm hoher Intensität bei einer diskreten Frequenz.
Die Erfindung sieht daher eine Fluidmischdüse vor, umfassend eine eine Wandanordnung, welche eine Kammer mit einem Fluideinlaß und einem allgemein gegenüber dem Einlaß angeordneten Fluiddüsenauslaß festlegt, und wobei die Kammer wenigstens in einem Abschnitt des Raums zwischen dem Einlaß und dem Auslaß im Querschnitt größer ist als der Einlaß, wobei die Kammer, der Einlaß und der Auslaß entlang einer Mittelachse der Düse angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strömungsablösemittel vorgesehen ist, um zu bewirken, daß eine den Einlaß vollständig ausfüllende Strömung eines ersten Fluids sich von der Wandanordnung stromaufwärts des Düsenauslasses ablöst, und daß der Abstand zwischen dem Strömungsablösemittel und dem Düsenauslaß bezüglich der Querabmessungen der Kammer dazwischen ausreichend lang ist, so daß die abgelöste Strömung sich stromaufwärts des Düsenauslasses asymmetrisch wieder an die Kammerwandanordnung anlegt und aus der Kammer durch den Düsenauslaß bezüglich der Mittelachse asymmetrisch austritt, um außerhalb des Düsenauslasses einen Strahl zu bilden, wodurch eine Gegenströmung des ersten Fluids bei dem Wiederanliegen in der Kammer zwischen der Strömungsablösung und dem Wiederanliegen wirbelt und dadurch eine Präzession der abgelösten/wiederanliegenden strömung und des Strahls induziert, welche Präzession das Mischen des Strahls mit einem zweiten Fluid zum Kammeräußeren um den und benachbart dem Düsenauslaß verstärkt, und daß der Fluiddüsenauslaß größer ist als der Einlaß, so daß er die austretende asymmetrische Strömung enthält, und eine periphäre Beschränkung umfaßt, um eine Querkomponente der Geschwindigkeit der wiederanliegenden präzedierenden Strömung zu induzieren oder zu vergrößern.
Die Erfindung sieht ferner ein Verfahren zum Mischen erster und zweiter Fluide vor, umfassend: das Einlassen des ersten Fluids in eine Kammer als eine Strömung, welche sich von der Kammerwandanordnung ablöst, und das Ermöglichen, daß die abgelöste Strömung stromaufwärts eines im allgemeinen gegenüber der eingelassenen Strömung angeordneten Düsenauslasses der Kammer sich asymmetrisch wieder an die Kammerwandanordnung anlegt und aus der Kammer durch den Düsenauslaß asymmetrisch austritt, um außerhalb des Düsenauslasses einen Strahl zu bilden, wodurch eine Gegenströmung des ersten Fluids bei dem Wiederanliegen in der Kammer zwischen der Strömungsablösung und dem Wiederanliegen wirbelt und dadurch eine Präzession der abgelösten/wiederanliegenden Strömung und des Strahls induziert, welche Präzession das Mischen des Strahls mit dem zweiten Fluid zum Kammeräußeren um den und benachbart dem Düsenauslaß verstärkt.
In jedem Falle kann eine Strömung des zweiten Fluids, welche vom Äußeren der Kammer durch den Auslaß induziert wird, ebenso mit der Gegenströmung des ersten Fluids zwischen der Strömungsablösung und dem Wiederanliegen wirbeln.
Die Erfindung sieht ferner eine Verbrennungsdüse vor, umfassend eine erfindungsgemäße Fluidmischvorrichtung. Das erste Fluid kann ein gasförmiger Brennstoff sein und das zweite Fluid kann Luft oder Sauerstoff um die Düse herum sein. In einem Brenner oder beim Mischen ungleicher Fluide können die Rollen der beiden Fluide untereinander ausgetauscht werden, wenn ein derartiger Austausch vorteilhaft ist.
Die Vorrichtung ist vorzugsweise im wesentlichen axialsymmterisch, obwohl nicht-asymmetrische Ausführungsformen möglich sind. Wenn die Vorrichtung axialsymmetrisch ist, resultiert die Asymmetrie des Wiederanliegens des primären Strahls in der Kammer aus den natürlich auftretenden, kleinen azimutalen Variationen der Mitführungsrate von umgebendem Fluid vom Innern des beschränkten Raumbereichs der Kammer. Diese Situation ist inhärent instabil, so daß die Ablenkungsrate des primären Strahls progressiv zunimmt, bis er an der Innenwandung der Kammer anliegt.
Der Auslaß ist bevorzugterweise größer als der Einlaß oder wenigstens größer als der Kammerquerschnitt bei der Strömungsablösung. Dies stellt wenigstens bei Flüssigkeiten einen ausreichenden Querschnitt sicher, um sowohl die asymmetrisch hinausgehende präzidierende Strömung und die induzierte Strömung zu umfassen. Der Auslaß kann einfach ein offenes Ende einer Kammer oder eines Kammerabschnitts mit gleichförmigem Querschnitt sein, wobei es aber bevorzugt wird, daß es wenigstens eine gewisse Umfangsbeschränkung an dem Auslaß gibt, um eine Transversalkomponente der Geschwindigkeit in der wiederanliegenden, präzidierenden Strömung zu induzieren oder zu verstärken. Der Fluideinlaß ist bevorzugterweise eine benachbarte, einzelne Öffnung, welche das erste Fluid nicht aufteilt, wenn es in die Kammer eintritt.
Der Begriff "Präzession", so wie er hier verwendet wird, bezieht sich einfach darauf, daß die schräg gerichtete asymmetrische Strömung die Achse umläuft, welche den Einlaß und den Auslaß miteinander verbindet. Dies deutet nicht notwendigerweise darauf hin oder impliziert, daß beim Umlaufen in der Strömung selbst eine Verwirbelung auftritt, obwohl diese selbstverständlich auftreten kann.
Der erste und der zweite Aspekt der Erfindung sind durch diese breite Erfindung umfaßt, in diesen Fällen aber wird die Präzession der Strömung durch die Geometrie der Vorrichtung selbst verursacht.
Wenn eine Mischdüse gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung als eine Brennerdüse für die Verbrennung von gasförmigem Brennstoff ausgeführt wird, wird das Mischen und daher die Flammstabilität im ganzen Betriebsbereich verstärkt, von einer Pilotflamme bis zum Vielfachen des Antriebsdrucks, der erforderlich ist, um eine Schallströmung (sonic flow) durch die kleinste Öffnung innerhalb des Brenners zu erzeugen.
Eine erfindungsgemäße Strahldüse kann daher im Normalbetrieb eine Flamme verbesserter Stabilität bei Betriebsdrükken und Strömungen erzeugen, welche typisch für Verbrennungsdüsen des Stands der Technik sind. Für spezielle Anwendungen, welche eine sehr hochintensive Verbrennung erfordern, erzeugt sie auch eine stabile Flamme bis zu den und über die Drücke hinaus, welche erforderlich sind, um innerhalb der Düse eine Schall("gedrosselte")-Strömung (sonic("choked")flow) zu bewirken.
Es ist wichtig anzumerken, daß das obige höhere Stabilitätsniveau erreichbar ist, ohne den Brennstoff und das Oxidationsmittel vor-mischen zu müssen. Wenn jedoch ein begrenztes Vor-Mischung durchgeführt wird, verbessert das verstärkte Mischen zwischen dem vor-gemischten Strahl und seiner Umgebung wiederum die Flammstabilität.
Die erfindungsgemäße Strahlmischdüse kann mit anderen Verbrennungseinrichtungen kombiniert werden, z.B. Verwirbeln der Sekundärluft, einem Einlaßbrennerstein und für einige Anwendungen einer "Verbrennungskachel", welche eine Kammer und eine Verengung bildet, um eine Hochimpulsflamme zu erzeugen.
Da die Strahlmischdüse bei geringen Strahlgeschwindigkeiten betrieben werden kann und nicht von den akustischen Eigenschaften der Strömung durch sie abhängt, kann sie bei der Verbrennung von pulverisierten Feststoffbrennstoffen, zerstäubten Flüssigbrennstoffen oder Brennstoffaufschlämmungen angewandt werden.
Bei einigen Anwendungen und Ausführungsformen kann die Verstärkung der Vermischung insbesondere in sehr kleinen Düsen eine gelegentliche Intermittenz zeigen. Eine solche Intermittenz kann durch das Anordnen eines Körpers mit sehr hohem Strömungswiderstand oder eines hohlen Zylinders in der Kammer oder unmittelbar außerhalb des Kammerauslasses eliminiert werden. Alternativ dazu kann die in die Kammer eintretende Strömung durch Vor-Verwirbelungsblätter oder durch andere Mittel dazu gebracht werden, geringfügig zu wirbeln, um die Intermittenz wie erforderlich zu eliminieren.
Das Verhältnis der Entfernung zwischen dem Strömungsablösemittel und dem Auslaß zum Durchmesser der Kammer am Wiederanlageort ist vorzugsweise größer als 1,8, vorzugsweiser größer als oder gleich 2,0 und am bevorzugtesten ungefähr 2,7. Wenn die Kammer ein Zylinder gleichförmigen Querschnitts ist, der sich zwischen orthogonalen Endwänden erstreckt, welche den Einlaß und den Auslaß enthalten, ist dieses Verhältnis dasjenige der Kammerlänge zu ihrem Durchmesser.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Figuren 1 (a-h) zeigen eine Auswahl alternativer Ausführungsformen von erfindungsgemäß aufgebauten Mischdüsen, welche zum Mischen einer Strömung mit der Fluidumgebung der Düse geeignet sind;
die Figuren 2 (a-e) zeigen eine Auswahl von Anwendungen von erfindungsgemäßen Mischdüsen, bei denen das Mischen zweier Strömungen erforderlich ist;
Figur 3 zeigt den gemessenen Gesamtdruck (Statischer Druck plus dynamischer Druck) auf der Strahlmittellinie bei einem Ort zwei Ausgangsdurchmesser stromabwärts von dem Düsenausgang für eine bestimmte Düse als eine Funktion der Länge der Kammer. Es ist zu beachten, daß ein niedriger Wert des Gesamtdrucks eine geringe Strömungsgeschwindigkeit anzeigt;
Figur 4 zeigt das gemessene Verhältnis des Flammabstands der Flamme zum Ausgangsdurchmesser als eine Funktion der Reynoldszahl [Figur 4(A)] und als eine Funktion der mittleren Geschwindigkeit durch die Ausgangsebene [Figur 4(B)] für eine unverwirbelte Standardbrennerdüse im Vergleich zu demjenigen bei einer erfindungsgemäßen Brennerdüse;
Figur 5 zeigt für zwei unterschiedliche Düsen gemäß dieser Erfindung und für die bekannte "pfeifende" Düse die geometrischen Verhältnisse, welche erforderlich sind, um stabile Verbrennungsdüsen zu erreichen;
Figur 6 ist ein rein schematisches, geschnittenes Strömungsdiagramm, welches eine perspektivische Ansicht des momentanen Musters der dreidimensionalen, dynamisch präzidierenden und verwirbelnden Strömung zeigt, von der angenommen wird, daß sie in und um eine erfindungsgemäße Düse herum existiert, wenn sich verstärktes Mischen ausgebildet hat;

Detaillierte Beschreibung der dargestellten Ausführungsformen

In den in den Figuren 1(a-e) dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsformen umfaßt die Düse ein Leitungsrohr (5) mit einer Kammer (6). Die Kammer (6) ist durch die innere, zylindrische Fläche des Leitungsrohrs (5) und durch orthogonale Endwände begrenzt, welche eine Einlaßebene (2) und eine Auslaßebene (3) definieren. Die Einlaßebene (2) umfaßt eine Einlaßöffnung (1) mit Durchmesser d&sub1;, deren Umfang dadurch als Mittel dient, eine Strömung durch die Einlaßöffnung (1) von den Wänden der Kammer abzulösen. Die Auslaßebene (3) umfaßt im wesentlichen einen schmalen Rand bzw. Kante (3a), welcher eine Auslaßöffnung (4) mit einem Durchmesser d&sub2; begrenzt, der etwas kleiner ist als d&sub1;. Der Rand bzw. die Kante (3a) kann sich verjüngen, wie es an seiner inneren Randseite gezeigt ist, wobei auch der Umfang der Einlaßöffnung (1) derartig ausgebildet sein kann. Ein Fluid wird an die Öffnung (1) über ein Zuführrohr (o) des Durchmessers do gebracht.
Jede der vier in den Figuren 1(a-e) dargestellten Ausführungsformen umfaßt eine im wesentlichen rohrförmige Kammer der Länge l und des Durchmessers D (wobei der Durchmesser D größer ist als der Einlaßströmungsquerschnittsdurchmesser d&sub1;). Die Kammer braucht entlang ihrer Länge in der Strömungsrichtung keinen konstanten Durchmesser aufzuweisen. Bevorzugterweise ist eine Diskontinuität oder eine andere relativ schnelle Querschnittsänderung in der Einlaßebene (2) ausgebildet, so daß der Einlaßverengungsdurchmesser d&sub1; ist. Die Beziehung zwischen dem Durchmesser der stromaufwärts gelegenen Leitung do und dem Einlaßdurchmesser d&sub1; ist frei wählbar, muß aber do ≥ d&sub1; erfüllen.
Typische Verhältnisse der Abmessungen l zu D liegen im Bereich 2,0 ≤ l/D ≤ 5,0.
Es wurde herausgefunden, daß ein Verhältnis l/D 2,7 eine besonders gute Verstärkung des Mischens ergibt.
Typische Verhältnisse der Abmessungen d&sub1; zu D liegen in dem Bereich 0,15 ≤ d&sub1;/D ≤ 0,3.
Typische Verhältnisse der Abmessungen d&sub2; zu D liegen in dem Bereich 0,75 ≤ d&sub2;/D ≤ 0,95.
Diese Verhältnisse sind für die in den Figuren 1 (a-e) dargestellten Ausführungsformen typisch, aber nicht exklusiv und nicht notwendigerweise jene, welche bei allen Ausführungsformen anwendbar sind. Die Beziehung der geometrischen Verhältnisse dieser Erfindung so, wie sie oben angegeben sind, zu denjenigen der Düsen des Stands der Technik ist in Figur 5 dargestellt. Es ist zu beachten, daß der Bereich der geometrischen Verhältnisse, für die eine Mischverstärkung reproduzierbar stabil ist, durch die in Figur 1 (e) dargestellte Ausführungsform wesentlich vergrößert wird.
In Figur 1 (e) ist ein Körper (7) dargestellt, der zum vorerwähnten Zweck des Verhinderns von Intermittenz, d.h. von Umkehrungen der Präzessionsrichtung in geeigneter Weise in der Strömung schwebend gehalten wird. Der Körper kann massiv oder hohl sein. Er kann auch von seiner Innenfläche zu seiner Außenfläche ventiliert sein. Der Körper (7) kann irgendeine Stromaufwärts- und Stromabwärtsform aufweisen, welche sich bei einer gegebenen Anwendung als geeignet und effektiv herausgestellt hat. Z.B. kann er geschoßförmig oder sphärisch sein. Er kann weiterhin der Einspritzpunkt für flüssige oder partikelförmige Brennstoffe sein. Die Länge des Körpers (x&sub2; - x&sub1;) ist beliebig, aber im allgemeinen kleiner als die halbe Länge l des Hohlraums und typischerweise kleiner als ungefähr D/4. Er ist typischerweise innerhalb des Hohlraums, wie in Figur 1 (e) dargestellt, angeordnet, in diesem Fall ist sowohl x&sub2; < l als auch x&sub1; < l; er kann auch sich über die Ausgangsebene (3) erstreckend angeordnet sein, wobei in diesem Fall x&sub2; > l und x&sub1; < l; oder er kann völlig außerhalb der Ausgangsebene (3) der Düse angeordnet sein, wobei in diesem Fall x&sub2; > l und x&sub1; > l. Der Außendurchmesser d&sub3; des Körpers ist kleiner als der Hohlraumdurchmesser D, und der Innendurchmesser d&sub4; kann jeden Wert von 0 (Massiver Körper) bis zu einer Grenze annehmen, welche sich d&sub3; annähert. Der Körper ist relativ zu dem Leitungsrohr typischerweise symmetrisch angeordnet, kann aber auch asymmetrisch angeordnet sein.
Die Ausführungsformen der Figuren 1(f), 1(g) und 1(h) unterscheiden sich dadurch, daß sich die Kammer (6) von der Einlaßöffnung (1) aus allmählich aufweitet. In diesem Fall muß der Aufweitungswinkel und/oder das Ausmaß der Zunahme des Aufweitungswinkels ausreichen, um zur Ausbildung der Präzession des Strahls ein vollständiges Ablösen der Strömung zu bewirken, welche durch die Einlaßöffnung (1) gelassen wird und diese vollständig ausfüllt.
Die Figuren 2(a-e) zeigen typische Geomentrien zum Vermischen zweier Fluidströme, nämlich einem inneren und einem äußeren, welche durch STRÖMUNG 1 bzw. STRÖMUNG 2 bezeichnet sind. STRÖMUNG 1 oder STRÖMUNG 2 kann z.B. einen Brennstoff darstellen und STRÖMUNG 1 und/oder STRÖMUNG 2 können entweder jeweils einzeln oder beide partikelförmige Materie oder Tröpfchen enthalten. In dem in Figur 2(a) dargestellten Fall wird die STRÖMUNG 2 derart eingeführt, daß ein Wirbel induziert wird, dessen Richtung vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise zu derjenigen der Strahlpräzession entgegengesetzt ist. Die Beziehung zwischen den Durchmessern D und d kann jeden physikalisch möglichen Wert annehmen, der mit der Erzielung des erforderlichen Mischverhältnisses zwischen den Strömen konsistent ist. Die Verbreiterung (8) ist ein Brennerstein (quarl), dessen Form und Winkel für jede Anwendung geeignet gewählt werden können.
Figur 2(b) zeigt eine Variante von Figur 2(a), bei der eine Kammer (10) durch Hinzufügen einer Verbrennungskachel (9) geformt ist, durch welche das brennende Gemisch von Brennstoff und Oxidationsmittel von dem Brennersteindurchmesser dQ aus kontrahiert wird, um einen brennenden Strahl aus einem Ausgang (11) mit Durchmesser dE oder auch einem Ausgangsschlitz (11) der Höhe dE und jeder geeigneten Breite zu formen. Bei dieser Konfiguration kann durch geeignete Wahl der Form und des Verbreiterungswinkels des Brennersteins (8) relativ zu der Verwirbelung der STRÖMUNG 1 und der Präzessionsrate der STRÖMUNG 2 ein Wirbelbersten bewirkt werden, um zusätzlich zu dem durch Präzession des Strahls erzeugten Mischen im großen Maßstab ein Mischen im kleinen Maßstab zwischen den die STRÖMUNG 1 und die STRÖMUNG 2 bildenden Fluiden zu erzeugen.
Eine erfindungsgemäße Düse ist bevorzugterweise aus Metall aufgebaut. Andere Materialien können verwendet werden, welche entweder geformt, gegossen oder gefertigt werden, wobei die Düse z.B. aus einem geeigneten Keramikmaterial hergestellt werden könnte. Bei Verwendung einer Verbrennungskachel sollten sowohl die Kachel als auch der Brennerstein idealerweise aus einem keramischen oder einem anderen wärmebeständigen Material gemacht sein. Bei Nichtverbrennungsanwendungen mit relativ niedrigen Temperaturen können Kunststoff, Glas oder organische Materialien, z.B. Holz, zum Aufbau der Düse verwendet werden.
Die erfindungsgemäßen Düsen weisen bevorzugterweise einen kreisförmigen Querschnitt auf, können aber auch andere Gestalten haben, z.B. quadratische, sechseckige, achteckige, elliptische oder ähnliche. Wenn der Querschnitt des Hohlraums scharfe Ecken oder Kanten aufweist, kann es vorteilhaft sein, diese abzurunden. Wie im vorhergehenden beschrieben, kann es einen oder mehrere Fluidströme geben, wobei jeder Fluidstrom partikelförmige Materie tragen kann. Die Strömungsgeschwindigkeit durch die Einlaßöffnung (1) mit Durchmesser d&sub1; kann im Unterschallgeschwindigkeitsbereich liegen oder bei Vorliegen eines ausreichenden Druckverhältnisses durch die Düse im Schallgeschwindigkeitsbereich liegen. D.h. sie kann eine Geschwindigkeit erreichen, welche gleich der Schallgeschwindigkeit in dem die Strömung durch die Öffnung (1) bildenden, speziellen Fluid ist. Abgesehen von außergewöhnlichen Umständen, in denen das Zuführungsrohr (o) ausreichend erwärmt wird, um zu bewirken, daß die Strömung in den Überschallbereich gerät, ist die Maximalgeschwindigkeit durch die Öffnung (1) die Schallgeschwindigkeit in dem Fluid. In den meisten Verbrennungsanwendungen ist die Geschwindigkeit wahrscheinlich im Unterschallbereich. Bei einigen Anwendungen kann es angemessen sein, nach dem Verengungsabschnitt d&sub1; einen profilierten Abschnitt anzuordnen, der dazu ausgebildet ist, eine Überschallströmung in die Kammer hinein zu erzeugen.
Aus einer Kombination sorgfältiger Visualisierung der Strömung innerhalb und über die erfindungsgemäße Mischdüse hinaus (mittels Hoch- und Niedergeschwindigkeitskinematographie von Farbstoffspuren im Wasser, Rauchmustern in Luft, Partikelbewegungen und den Migrationen von Ölfilmen an den Innenflächen der Düse) und Messungen der mittleren und fluktuierenden Geschwindigkeiten in dem System ergibt sich, daß die folgende Sequenz die Strömung zu beschreiben scheint. Diese detaillierte Beschreibung ist nicht als Beschränkung des Erfindungsbereichs aufzufassen, da sie ein Postulat ist, welches auf einer Analyse beobachteter Effekte basiert. Die Sequenz wird mit Bezug auf Figur 6 beschrieben.
Mit der unverwirbelten (parallelen) Strömung in das stromaufwärts gelegene Einlaßrohr (o) beginnend strömt das Fluid durch die Einlaßöffnung (1) in die Kammer (6), wo sich die Strömung als ein Strahl (20) ablöst. Die Geometrie der Düse ist derart ausgewählt, daß natürlich auftretende Strömungsinstabilitäten bewirken, daß die Strömung (20) (welche sich allmählich aufweitet, da sie Fluid von innerhalb des Hohlraums (21) mitnimmt) bei (22) asymmetrisch wiederanliegt, um sich von der Innenfläche der Kammer (6) zu trennen. Der Hauptteil der Strömung geht in einer allgemein stromabwärts gerichteten Richtung weiter, bis er die Kante oder Diskontinuität (3a) um die Auslaßöffnung (4) herum in der Ausgangsebene (3) der Düse begegnet. Die Kante induziert eine Komponente der Strömungsgeschwindigkeit, welche zur geometrischen Mittellinie der Düse hin gerichtet ist, was bewirkt oder dazu beiträgt, daß die sich aufweitende Hauptströmung bzw. Strahl die Düse bei (23) asymmetrisch verläßt. Der statische Druck innerhalb der Kammer und an der Ausgangsebene der Düse ist aufgrund des Mitnehmens durch den primären Strahl innerhalb der Kammer geringer als derjenige in der Umgebung und diese Druckdifferenz quer zum ausgehenden Strahl verstärkt dessen Ablenkung in Richtung auf die und durch die geometrische Mittellinie. Da die Hauptströmung die verfügbare Fläche der Auslaßöffnung der Düse nicht völlig einnimmt, wird eine in die Kammer (6) hineingehende Strömung (24) aus der Umgebung induziert, welche sich stromaufwärts gerichtet durch den Teil der Auslaßöffnung bewegt, welcher nicht von der Hauptströmung (20) eingenommen wird.
Der die Richtung umkehrende Teil (26) der wiederanliegenden Strömung innerhalb der Kammer nimmt einen Weg, der anfänglich ungefähr axial entlang der Innenfläche der Kammer (6) ist, aber beginnt, sich zu drehen und zunehmend in der Azimut-Richtung ausgerichtet zu werden. Dies wiederum bewirkt, daß die induzierte Strömung (24) eine Verwirbelung entwickelt, welche bei Annäherung an das Einlaßende der Kammer sehr verstärkt wird. Stromlinien in diesem Bereich sind beinahe vollständig azimutal ausgerichtet, wie es durch die gestrichelten Linien (25) in Figur 6 angedeutet ist. Es wird angenommen, daß das Fluid dann in die Mitte der Kammer hin spiralt und dabei wieder in die Hauptströmung (20) hineingezogen wird. Das den starken Wirbel innerhalb der Kammer antreibende Druckfeld zwischen den Punkten des Ablösens (1) und des Wiederanliegens (22) führt zu einer gleichen und entgegengerichteten Drehkraft auf die Hauptströmung (20), welche dazu neigt, diese um den Innenumfang der Kammer herum präzidieren zu lassen. Diese Präzession ist zur Richtung des Fluidwirbels (25) innerhalb der Kammer entgegengesetzt gerichtet und erzeugt eine Drehung des Druckfelds innerhalb der Kammer. Die Stationaritätsbedingung ist daher eine Bedingung dynamischer Instabilität, in der der (strömungsartige) Drehimpuls, welcher der Präzession des primären Strahls und seines Wiederanliegepunkts (22) innerhalb der Kammer (6) zugeordnet ist, zu dem der verwirbelnden Bewegung des übrigen Fluids innerhalb der Kammer gleich und entgegengesetzt ist. Dies liegt daran, daß die Einlaßströmung keinen Drehimpuls aufweist und auf die Strömung innerhalb der Kammer keine von außen angelegte Tangentialkraft ausgeübt wird; daher muß der Gesamtdrehimpuls immer Null sein.
Beim Verlassen der Düse ist die Hauptströmung, wie bereits angemerkt, relativ zu der Mittellinie der Düse asymmetrisch ausgerichtet und präzidiert schnell um die Ausgangsebene herum. Gemittelt gibt es dann eine sehr ausgeprägte anfängliche Ausdehnung der Strömung von der Düse aus. Es ist zu beachten, daß auch die induzierte Strömung (24) aus der Umgebung bei ihrem Eintritt in die Kammer genauso wie die Hauptströmung um die Ausgangsebene präzediert. Dieses externe Fluid wird innerhalb der Kammer in die Hauptströmung hineingezogen, wodurch auf diese Weise der Vermischungsvorgang eingeleitet wird. Eine Folge der das Drehmoment betreffenden Beobachtungen des vorhergehenden Absatzes ist, daß wegen der Drehimpulserhaltung das Fluid innerhalb des Strahls in der zur Präzessionsrichtung entgegengesetzten Richtung wirbeln muß, da die Hauptströmung präzidiert, wenn sie die Düse verläßt.
Es gibt keine notwendigerweise bevorzugte Richtung der Verwirbelung, welche innerhalb der Kammer ausgelöst wird. Wenn sie einmal ausgelöst ist, neigt sie dazu, die gleiche Verwirbelungsrichtung und die entgegengesetzte Präzessionsrichtung während beträchtlicher Zeitperioden beizubehalten. Aus bisher noch nicht verstandenen Gründen jedoch können sich die Richtungen gelegentlich verändern. Wenn dies auftritt gibt es eine momentane Veränderung im Ausmaß der Mischverstärkung. Die Häufigkeit solcher Veränderungen der Verwirbelungs- und Präzessionsrichtungen scheint mit dem Abnehmen der Größe der Düse zuzunehmen. Daher ist die Häufigkeit, mit der die Verstärkungsgradveränderung auftritt, für kleine Düsen größer als für große Düsen. Dies ist die früher angesprochene "Intermittenz". Sie kann durch Einführen irgendeines kleineren Hindernisses z.B. des Körpers 7 von Figur 1(e) oder eines im vorhergehenden beschriebenen massiven Körpers oder durch Vorschreiben einer bevorzugten Verwirbelungsrichtung mittels einer Wirbel bildenden Einrichtung in dem Zuführrohr (o) zu der Düse in die Kammer oder unmittelbar nach dem Auslaß aus der Kammer eliminiert werden. Die resultierende Präzession ist dann stabil und zu der Richtung der Verwirbelung entgegengesetzt gerichtet. Das gesamte Drehmoment muß dann zu jedem Zeitpunkt demjenigen gleich sein, welches durch die Wirbel erzeugende Einrichtung in dem Zuführrohr (o) zu der Düse eingeführt ist.
Ein Nachweis der Wirksamkeit einer Vermischungsbrennerdüse, bei der die ausgehende Strömung erfindungsgemäß präzediert, beim Verbessern der Flammstabilität kann durch Untersuchung der Figur 4 erhalten werden, in der der Flammabstand einer Naturgasflamme gegen die Reynolds-Zahl und gegen die mittlere Düsenausgangsgeschwindigkeit aufgetragen ist. Der Flammabstand ist die Entfernung zwischen der Düsenausgangsebene und der Flammfront und ist ein Maß für die Rate, mit der der Brennstoff und das Oxidationsmittel vermischt werden, relativ zu der Rate, mit der sie advektiert werden. Einfach ausgedrückt bedeutet dies, daß bei einer gegebenen Vermischungsrate die Flamme desto weiter von der Düse beabstandet ist, je höher die Strahlausgangsgeschwindigkeit (welche proportional zu Advektionsgeschwindigkeit ist) ist. Analog ist für eine gegebene Strahlausgangsgeschwindigkeit die Vermischungsrate umso größer, je kürzer der Flammabstand ist. Figur 4 zeigt, daß der Flammabstand für den Brenner mit verstärkter Vermischung außerordentlich klein ist, was darauf hindeutet, daß die Vermischungsrate sehr hoch ist.
Ein Fluidstrahl aus einer Düse in eine ansonsten stationäre Umgebung verringert seine Geschwindigkeit, wenn er sich stromabwärts bewegt. Wenn das Fluid in dem Strahl das umgebende Fluid mitnimmt oder sich mit ihm vermischt, muß es dieses von Ruhe bis zur Vermischungsgeschwindigkeit beschleunigen. Um dies zu erreichen, muß der Strahl einen Anteil seines Impulses opfern und daher in seiner Geschwindigkeit abnehmen. Der Geschwindigkeitsabnahme ist einer Vergrößerung des Strahlquerschnitts zugeordnet; d.h. der Strahl verbreitert sich. Daher ist die Verringerungsrate der Strahlgeschwindigkeit ein Maß für die Verbreiterungsrate oder die Vermischungsrate des Strahls mit seiner Umgebung. Daher kann ein einfacher Vergleich der Vermischungsraten unterschiedlicher Düsenkonfigurationen durch Anordnen eines Geschwindkeitssensors auf der Strahlmittellinie in einer festgelegten geometrischen Stellung relativ zu der Strahlausgangsebene erhalten werden.
Die Ergebnisse eines solchen Experiments sind in Figur 3 gezeigt, in der der zeitgemittelte Gesamtdruck im Strahl bei einer zwei Düsenausgangsdurchmesser stromabwärts von der Ausgangsebene gelegenen Position als eine Funktion der Länge der Kammer innerhalb einer bestimmten erfindungsgemäßen Mischverstärkungsdüse für einen Bereich von Antriebsdrücken, d.h. für einen Bereich von Strömungsraten, aufgetragen ist. Wenn der statische Druck konstant ist, ist der Gesamtdruck proportional zum Quadrat der Strahlgeschwindigkeit am Meßpunkt. Aus Figur 3 ist zu sehen, daß bei einer Kammerlänge von 240 mm, äquivalent zu l/D = 2,64, der gemessene Gesamtdruck für alle Strömungsraten ungefähr Null ist, wodurch eine sehr niedere Strahlgeschwindigkeit zwei Düsenausgangsdurchmesser von dem Düsenausgang entfernt angezeigt wird. Dies wiederum deutet auf eine sehr schnelle Diffusion des Strahls und eine Verstärkung der Vermischung mit seiner Umgebung hin. (Die Krümmung der mittleren Stromlinien des Strahls, welche mit der extrem schnellen Verbreiterungsrate zusammenhängen, bewirken genauer, daß der statische Druck auf der Mittellinie in der Nähe des Düsenausgangs anfänglich unterhalb des Umgebungsdrucks ist, aber innerhalb einer Entfernung von zwei Düsendurchmessern von der Ausgangsebene zum Umgebungsdruck zurückkehrt. Daher bedeutet ein Gesamtdruck Null sehr nahe an der Düsenausgangsebene nicht notwendigerweise, daß die Geschwindigkeit Null ist. Dennoch ist sie sehr gering.).
Es ist vorteilhaft, einen Brennerstein, wie in Figur 2(a) dargestellt, oder eine Kombination aus einem Brennerstein und einer Verbrennungskachel zu verwenden, wie in Figur 2(b) dargestellt, wenn die Düse als ein Brenner betrieben wird, um den Brennstoff und ein Oxidationsmittel zu vermischen, welches in einem mit-strömenden, ringförmigen Strom gemäß der Ausführungsformen der Figuren 2(a) und 2(b) ist, der wirbelnd sein kann. Solche Anordnungen stimulieren ein Vermischen zwischen den reagierenden Stoffen auf sehr feinem Maßstab, um das mit der Präzession zusammenhängende Vermischen im großen Maßstab zu ergänzen. Durch diese Maßnahmen können stabile Flammen bei allen Vermischungsverhältnissen erzielt werden, von sehr fett bis extrem mager.
Alle bis dato erzielten Ergebnisse deuten darauf hin, daß bei allen Strömungsraten die gleichen Strömungsphänomene auftreten, wodurch das Problem begrenzten Umlegeverhältnisses (turn down ratio) überwunden ist, welches mit Verwendung der "Pfeifen"-Düse auftrat.
Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, daß bei einer erfindungsgemäßen Mischdüse die Mitnahmerate des umgebenden Fluids durch den die Düse verlassenden Strahl sehr verstärkt ist, wodurch ein sehr schnelles Verbreitern des Strahls bewirkt wird. Folglich ist bei Verwendung als eine Brennerdüse die zum Unterhalt einer Flamme notwendige Vermischungsstärke viel näher an der Düse vorhanden, als in dem Fall einer vergleichbaren Strömungsrate aus einer Standardbrennerdüse. Die großen Verbreiterungswinkel hängen mit einer sehr schnellen Abnahme der Strahlgeschwindigkeit zusammen, wodurch es der Flammfront möglich ist, sich sehr nahe an dem Düsenausgang zu befinden, wo die Größe von Turbulenzfluktuationen klein ist, so daß eine sehr stabile Flamme erhalten wird. Dies ist besonders wichtig, wenn Brennstoffe mit einer geringen Flammgeschwindigkeit, z.B. Naturgas, und Brennstoffe mit einem niedrigen Heizwert verbrannt werden.
Eine erfindungsgemäße Verbrennungs/Brennerdüse bietet die folgenden Vorteile:
(i) Sie ist im ganzen Betriebsbereich von "Pilot"-Strömungen mit Antriebsdrücken eines Bruchteils von einem Kilopascal bis zu effektiv gedrosselten Strömungen stabil (d.h. z.B. bei einem Antriebsdruck für Naturgas oder Flüssiggas von ungefähr 150 kPa bezogen auf Atmosphäre; bei 180 kPa ist die Strömung sicherlich vollständig gedrosselt). Dieser Antriebsdruck ist mit normalen Haushaltsgasdrücken von ungefähr 1,2 bis 1,4 kPa; Industrieleitungsdrücken von ungefähr 15 bis 50 kPa; und "Spezialbenutzer"-Drücken im Bereich von 70 bis ungefähr 350 kPa zu vergleichen.
(ii) Die Düse kann "überblasen" sein. Tests bis zu 800 kPa (Manometerdruck) konnten die Flamme nicht vom Brenner wegblasen.
(iii) Mit dem Brennerstein und der Kachelanordnung der Figur 2(b) und Gasversorgungsdrücken von 2,5 kPa oder größer war es nicht möglich, mit der Kapazität der in der Experimentiervorrichtung verfügbaren Luftversorgung, die Flamme von der Düse abzublasen. Die verfügbare Spitzenluftströmung entspricht mehr als 1000 % mehr Luft als es für eine stöchiometrische Verbrennung erforderlich ist.
(iv) Das Betriebsgeräusch ist kleiner als das der "Pfeifen"-Düse und umfaßt keine dominanten, diskreten Töne. Im Vergleich zu einer bei der gleichen Durchflußmenge stabil betriebenen, herkömmlichen Düse ist der Lärmpegel wenigstens vergleichbar.
(v) Der Brennstoff kann in einfacher Weise an jedem Punkt im ganzen Betriebsbereich entzündet werden.
(vi) Die Flamme wird durch Erzeugung einer großen Störung am Brennerausgang nicht ausgelöscht - z.B. durch Querströmungen oder durch Schwenken einer Schaufel an der Flamme oder durch die Flamme.
(vii) Der Betrieb toleriert relativ große Schwankungen (ungefähr ±10% der Abmessungen l und d&sub2; bei gegebenen d&sub1; und D). Daher kann davon ausgegangen werden, daß die Langlebigkeit gut ist.
Obwohl sie oberflächlich der in der Patentanmeldung Nr. 88 999/82 offenbarten "pfeifenden" Düse ähneln, weisen die beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung eine sehr unterschiedliche detaillierte Geometrie auf und erzielen die Mischungsverstärkung durch einen völlig unterschiedlichen physikalischen Vorgang. Es ist keine akustische Anregung der Strömung involviert, weder erzwungen oder natürlich auftretend. Diese Tatsache wird durch detaillierte akustische Spektren und durch das folgende Ergebnis demonstriert. Bei einer gegebenen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mischdüse ist die bei Austreten eines Wasserstrahls aus der Düse in ein stationäres Wasservolumen erzielte Mischrate im wesentlichen dieselbe, die erzielt wird, wenn ein Luft- oder Gasstrahl mit der gleichen Reynolds-Zahl aus der Düse in stationäre Luft austritt. Falls die Mischung von einem akustischen Phänomen abhängen würde, hätte dieses Ergebnis nicht erzielt werden können, da die Unterschiede der Materialeigenschaften von Wasser und Luft bewirken, daß sich die Machzahlen der zwei Strömungen um einen Faktor von ungefähr 70 unterscheiden.
Das von einem aus einer erfindungsgemäßen Mischdüse austretenden Inertgasstrahl erzeugte Geräuschspektrum zeigt keine dominanten diskreten Frequenzen, noch treten irgendwelche dominanten diskreten Frequenzen auf, wenn der Strahl gezündet wird. Der von einem aus einer erfindungsgemäßen Mischdüse austretenden Strahl abgestrahlte Lärm ist kleiner als oder vergleichbar mit dem von einem herkömmlichen Strahl derselben Durchflußmenge abgestrahlten und sehr viel kleiner als der von einer "pfeifenden" Düse gemäß der Patentanmeldung Nr. 88 999/82 abgestrahlte.
Der resonante Hohlraum der "pfeifenden" Düse des Stands der Technik wird durch Anordnen zweier Öffnungsplatten in der Düse gebildet. Die in und aus solchen früheren Pfeifenbrennern beobachteten, verstärkten Mischströmungsmuster werden infolge der Tatsache erzeugt, daß der Hohlraum zwischen den zwei Öffnungsplatten dazu gebracht wird, in einer oder mehreren seiner natürlichen akustischen Moden in Resonanz zu schwingen. Diese werden durch starke ringförmige Wirbel angeregt, welche periodisch von der stromaufwärts gelegenen Einlaßöffnungsplatte abgegeben werden. Diese Wirbel treiben die radiale akustische (0,1) Hauptmode in dem Hohlraum durch Wechselwirkung mit der Verengung an der Ausgangsebene an. Während sie nicht aus sich selbst heraus ausreicht, um eine wesentliche Vermischungsverstärkung zu bewirken, kann diese (0,1) Mode in eine oder mehrere der resonanten Hohlraummoden koppeln, z.B. die Orgelpfeifenmode. Die resonante Mode oder die resonanten Moden wiederum treiben einen intensiven toroidalen Wirbel oder ein System von toroidalen Wirbeln in der Nähe und stromabwärts von dem Düsenauslaß an. Das Verhältnis der Länge des Hohlraums der "pfeifenden" Düse zu seinem Durchmesser ist kleiner als 2,0 und kritisch von der Betriebsstrahlgeschwindigkeit abhängig. Ein typisches Verhältnis ist 0,6.
Die akustische Resonanz des Hohlraums der "pfeifenden" Düse wird durch Wirbel angetrieben, welche mit der Strouhal Abgebefrequenz von der stromaufwärts gelegenen Öffnung abgegeben werden. Diese Frequenz muß mit der Resonanzfrequenz einer oder mehreren der akustischen Moden des Hohlraums übereinstimmen, um eine Vermischungsverstärkung in dem resultierenden Strahl zu ergeben. Die Fähigkeit der Strouhal- Wirbel, die resonanten Moden des Hohlraums anzuregen, hängen von ihrer Stärke ab, welche wiederum von der Geschwindigkeit an ihrem Erzeugungspunkt abhängt. Da die Strouhal- Abgabefrequenz ebenfalls von der Geschwindigkeit abhängt, gibt es eine minimale Strömungsrate, bei der die Resonanz "angeschnitten" wird. Der Druckabfall durch eine Öffnungsplatte vergrößert sich mit dem Quadrat der Geschwindigkeit, wodurch die Erzielung der Minimum- oder "Anschneide"- Strömungsrate einen hohen Antriebsdruck erforderlich macht.
Diese verstärkte Mischungsstrahldüse unterscheidet sich von der "pfeifenden" Düse darin, daß sie nicht von einer mit einer der akustischen Moden einer Kammer oder eines Hohlraums koppelnden Störung abhängt. Weiterhin macht sie das Abgeben starker Wirbel von dem Einlaß in die Kammer nicht erforderlich und die minimale Strömungsrate, bei der eine Verstärkung auftritt, wird nicht durch das "Anschneiden" irgendeiner Resonanz bestimmt.

Gewerbliche Anwendungen

Von einer erfindungsgemäßen Düse wird angenommen, daß sie an die folgenden Verbrennungsanwendungen gut angepaßt ist:

Gasförmige Brennstoffe

(i) Umwandlung von ölbefeuerten Öfen auf Naturgas. Naturgas hat ungefähr 1/3 des Heizwerts von Öl. Um dementsprechend die Leistung des Ofens beizubehalten, ist bei Gas relativ zu Öl die dreifache Durchflußmenge erforderlich. Volumenmäßig ausgedrückt ist dies ungefähr eine 2000-fache Vergrößerung. Bei herkömmlichen Brennern führt dies zu sehr langen Gasflammen, welche die rückwärtige Endseite des Ofens ausbrennen können oder aufgrund von Flammfrontoszillationen instabil arbeiten können, wobei die Flammfrontoszillationen zu intermittierenden Flamm-Aus-Zuständen führen können oder eine oder mehrere Systemresonanzen anregen können. Beide Resultate erzwingen entweder eine Verringerung der Nennleistung des Ofens oder einen wesentlichen Umbau des Befeuerungsendes des Ofens. Die Gestalt der Flamme des neuen Brenners ist relativ kurz und bulbiform oder kugelig.
(ii) Verbrennung von "Abfall"-Gasen mit geringem Heizwert, z.B. aus chemischen Prozeßanlagen oder Hochöfen oder aus der Rußschwarz- oder rauchfreien Brennstofferzeugung, sollte möglich sein.
(iii) Eine Korrektur unstabilen Betriebs von gasbefeuerten Kesseln in der Industrie oder in Kraftwerken kann durchgeführt werden. Eine solche Instabilität ist sehr verbreitet und wird von Verbrennungsingenieuren häufig als "intrinsisch" bezeichnet. Viele der gasbefeuerten Kessel in Kraftwerken leiden an diesem Problem. Die Erfinder vermuten, daß die Instabilität nicht völlig intrinsisch ist, sondern v.a. auf ein schlechtes Mischen zurückzuführen ist, welches die Auswirkung einer geringen Strömungsverbreitung in dem Gas/Luftgemisch verschlimmert.
(iv) Hauhalts- und industrielle Wassererwärmer. Die Sicherheit wird durch die Möglichkeit beeinträchtigt, daß die Flamme ausgehen kann, ohne daß dies wegen eines Versagens des Flammerfassungssystems erfaßt wird. Bei dieser Erfindung ist die Wahrscheinlichkeit, daß die Flamme unerwartet ausgelöscht wird, verringert.
(v) Industrielle Gasturbinenverbrenner. Viele Anwendungen von Gasturbinen in Meeresfortbewegungssystemen, in industriellen Verarbeitungsanlagen oder als ein Vorschaltzyklus für Stromerzeugungsdampfanlagen ergeben sich und viele Anlagen existieren. Die Entwicklung neuer Generationen von Kohle-Gasbildungsanlagen wird die Anwendungsmöglichkeiten ausdehnen, z.B. Uhde-Rheinbraun-, Sumitomo, Westinghaus usw., welche Gas mit relativ niedrigem Heizwert erzeugen. Solche Anlagen werden herkömmlicherweise von einer Stufe gefolgt, in der das Gas rekonstituiert wird, um ein synthetisches Naturgas (SNG) zu werden. Das ist ein kostspieliges Verfahren und ergibt bei Umgehung desselben das Problem des stabilen Verbrennens von Gas mit niedrigem Heizwert, niedriger Flammgeschwindigkeit und variabler Qualität. Dies erfordert mit herkömmlichen Mitteln sehr große Verbrennungskammern, komplexe Zünder und Pilotflammsysteme und möglicherweise die Zugabe von Gas hoher Qualität zu Zeitpunkten, in denen die Kohlegasqualität niedrig ist. Durch diese Erfindung kann die Flammstabilität stark vergrößert und der Verbrennungsraum stark verringert werden.

Flüssige Brennstoffe

(i) Die erfindungsgemäße Düse sollte die Leistung ölbefeuerter Anlagen verbessern, insbesondere dann, wenn eine Luftstoßzerstäubung verwendet wird.
(ii) Wenn sie mit flüssigen Brennstoffen erfolgreich ist, würden die Anwendungen diejenigen umfassen, welche bei den gasförmigen Brennstoffen aufgeführt sind, zu diesen würden aber noch hinzukommen:
- Luftfahrzeuggasturbinen (insbesondere dann, wenn die Fähigkeit des Anzündens der Flamme bei voller Brennstoffströmung, welche sich für Gas ergeben hat, mit einem flüssigen Brennstoff wiederholt werden kann).
- Kraftfahrzeugbrennstoffeinspritzsysteme - insbesondere das von der Orbital Engine Co. entwickelte und patentierte Gebläseluftsystem.

Feste (pulverisierte) Brennstoffe

(i) Vorläufige Untersuchungen mit pulverisiertem Brennstoff haben ergeben, daß die Kammer innerhalb der Düse selbstreinigend ist und sich nicht mit Brennstoff verstopft.
(ii) Die Fähigkeit eines Brenners mit dieser Düse, bei geringen Strömungsraten betrieben zu werden, und die Tatsache, daß sie nicht auf einer Wiederzirkulationszone am Düsenausgang beruht, legen nahe, daß eine erfolgreiche Befeuerung mit pulverisiertem Brennstoff mit der neuen Konstruktion möglich sein mag. Ausführungsformen, z.B. diejenige von Figur 1(e) mit über den Körper (7) zugegebenem, pulverisiertem Brennstoff oder von Figur 2(a) mit durch die Strömung 1 eingeführtem, pulverisiertem Brennstoff sind vielversprechend. Im Erfolgsfall könnte der Anwendungsbereich des Brenners auf befeuerte Kessel aller Typen von Kraftwerken zu industriellen Kesseln, eingeschlossen diejenigen der Metallindustrie, ausgedehnt werden.
(iii) Ein möglicher positiver Nebeneffekt kann darin liegen, daß schwefelhaltige Kohle durch Mischen des pulverisierten Brennstoffs mit Dolomit verbrannt werden könnte. Dies liegt in der Möglichkeit begründet, daß eine gewisse Steuermöglichkeit der Verbrennungstemperatur durch Herstellung der geeigneten Beziehung zwischen der Primärluftquantität und Temperatur und der Mischungsrate mit der Sekundärluft möglich ist.
Eine erfindungsgemäße Düse mit verstärkter Mischung könnte an die folgenden, Nicht-Verbrennungsanwendungen angepaßt werden, wenn sie als eine bloße Düse betrachtet wird, welche zusätzlich zu den oben diskutierten Verbrennungsanwendungen eine intensive Vermischung erzeugt.
(a) Ejektoren - welche entweder dazu verwendet werden, einen kleinen Druckanstieg von p&sub1; auf p&sub2; (z.B. in einem Dampf-"Strahlsauger" - für den es viele Anwendungsmöglichkeiten in der Fertigungsindustrie gäbe, falls p&sub2;/p&sub1; für einen gegebenen Hochdruckdampfverbrauch durch die Düse vergrößert werden könnte) oder um einen verringerten Druck p&sub1; (z.B. die Laborwasserstrahlpumpe) zu erzeugen oder einen Massenfluß durch das System zu induzieren. Eine Ausführungsform davon ist der Schwimmbecken"Staubsauger", eine andere, wichtigere ist die raketenunterstützte Luftstaudüse, bei dem eine kleine Rakete mit festem, flüssigem oder gasförmigem Brennstoff einen Strahl mit hoher Temperatur und hohem Druck erzeugt, welcher die umgebende Luft mitnimmt und dadurch einen größeren Massendurchsatz durch das System induziert als der, welcher einfach durch Vorwärtsflug auftreten würde. Ein solches System ist auch selbststartend, dadurch, daß das Fahrzeug nicht irgendeine gewisse Minimalgeschwindigkeit erreichen muß, ehe der Luftstaudüseneffekt beginnt zu wirken - d.h. eine sekundäre Leistungseinheit ist nicht notwendig.
(b) Auspuffdüsen von Luftfahrzeugstrahltriebwerken. Der Impulsfluß durch die Ausgangsebene der Auspuffdüse bestimmt den Düsenschub. Dies wird von der Ausbreitungsrate des Strahls (Vermischungsrate) stromabwärts der Ausgangsebene nicht betroffen. Durch Induzieren einer hohen Vermischungsrate kann der Düsenlärm beträchtlich verringert werden.
(h) Die Genauigkeit und die Reichweite von Granaten, welche aus großen Kanonen abgefeuert werden, kann durch Zünden eines kleinen Raketenmotors an der Basis der Granate vergrößert werden. Die Zündzuverlässigkeit ist bei einer solchen Anwendung kritisch und deshalb auch die Anwendbarkeit dieser Erfindung.
(j) Basische Sauerstoffumwandlung von Eisen in Stahl. Das tatsächliche Eintauchen der Sauerstofflanze (z.B. dann, wenn sie aus Keramik hergestellt ist) kann möglich sein, statt sich auf eine Durchdringung der Oberfläche der Schmelze durch einen Sauerstoffstrahl mit sehr hoher Geschwindigkeit verlassen zu müssen, wodurch sich ein verringerter Verbrauch von Sauerstoff ergibt.

Claims

1. Fluidmischdüse, umfassend eine Wandanordnung (5), welche eine Kammer (6) mit einem Fluideinlaß (1) und einem allgemein gegenüber dem Einlaß angeordneten Fluiddüsenauslaß (4) festlegt, und wobei die Kammer (6) wenigstens in einem Abschnitt des Raums zwischen dem Einlaß und dem Auslaß im Querschnitt größer ist als der Einlaß (1), wobei die Kammer, der Einlaß und der Auslaß entlang einer Mittelachse der Düse angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strömungsablösemittel (2) vorgesehen ist, um zu bewirken, daß eine den Einlaß (1) vollständig ausfüllende Strömung eines ersten Fluids sich von der Wandanordnung stromaufwärts des Düsenauslasses (4) ablöst, und daß der Abstand zwischen dem Strömungsablösemittel (2) und dem Düsenauslaß (4) bezüglich der Querabmessungen der Kammer (6) dazwischen ausreichend lang ist, so daß die abgelöste Strömung sich stromaufwärts des Düsenauslasses (4) asymmetrisch (22) wieder an die Kammerwandanordnung anlegt und aus der Kammer durch den Düsenauslaß (4) bezüglich der Mittelachse asymmetrisch austritt, um außerhalb des Düsenauslasses (4) einen Strahl zu bilden, wodurch eine Gegenströmung des ersten Fluids bei dem Wiederanliegen (22) in der Kammer (6) zwischen der Strömungsablösung und dem Wiederanliegen wirbelt und dadurch eine Präzession der abgelösten/wiederanliegenden Strömung und des Strahls induziert, welche Präzession das Mischen des Strahls mit einem zweiten Fluid zum Kammeräußeren um den und benachbart dem Düsenauslaß (4) verstärkt, und daß der Fluiddüsenauslaß größer ist als der Einlaß, so daß er die austretende asymmetrische Strömung enthält, und eine periphäre Beschränkung umfaßt, um eine Querkomponente der Geschwindigkeit der wiederanliegenden präzedierenden Strömung zu induzieren oder zu vergrößern.

2. Fluidmischdüse nach Anspruch 1, worin die Wandanordnungskammer (5), die Kammer (6), der Einlaß (1), der Düsenauslaß (4) und das Strömungsablösemittel (2) axialsymmetrisch sind.

3. Fluidmischdüse nach Anspruch 1 oder 2, worin der Fluiddüsenauslaß (4) größer ist als der Kammerquerschnitt bei der Ablösung der Strömung.

4. Fluidmischdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Fluideinlaß (1) eine zusammenhängende, einzelne Öffnung ist, welche das erste Fluid nicht aufteilt, wenn es in die Kammer eintritt.

5. Fluidmischdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend ein Mittel zum Reduzieren der Intermittenz beim Mischen, wobei das Mittel einen Körper (7) umfaßt, welcher innerhalb der Kammer (6) oder direkt außerhalb des Fluiddüsenauslasses (4) angeordnet ist.

6. Fluidmischdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Kammer einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und das Verhältnis des Abstands (1) zwischen dem Strömungsablösemittel (2) und dem Düsenauslaß (4) zum Durchmesser (D) der Kammer (6) am Ort des Wiederanliegens größer ist als 1,8.

7. Fluidmischdüse nach Anspruch 6, worin das Verhältnis größer oder gleich 2,0 jedoch kleiner oder gleich 5,0 ist.

8. Fluidmischdüse nach Anspruch 7, worin das Verhältnis ungefähr 2,7 ist.

9. Fluidmischdüse nach Anspruch 6, 7 oder 8, worin das Verhältnis des Durchmessers (d&sub1;) des Fluideinlasses (1) zum Durchmesser (D) der Kammer (6) am Ort des Wiederanliegens größer oder gleich 0,15 jedoch kleiner oder gleich 0,3 ist.

10. Fluidmischdüse nach Anspruch 6, 7, 8 oder 9, worin das Verhältnis des Durchmessers (d&sub2;) des Fluiddüsenauslasses (4) zum Durchmesser (D) der Kammer (6) am Ort des Wiederanliegens größer oder gleich 0,75 jedoch kleiner oder gleich 0,95 ist.

11. Fluidmischdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Strömungsablösemittel (2) durch einen Einlaßbrennerstein (8) vorgesehen ist, welcher sich von dem Fluideinlaß (1) in die Kammer (6) aufweitet.

12. Fluidmischdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 11, worin eine vom Äußeren der Kammer (6) durch den Auslaß (4) induzierte Strömung des zweiten Fluids auch in der Kammer (6) zwischen der Strömungsablösung und dem Wiederanliegen wirbelt.

13. Verbrennungseinrichtung mit einer Verbrennungsdüse, welche eine Fluidmischdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfaßt.

14. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 13, ferner umfassend ein Verbrennungskachelmittel, welches die Kammer mit dem Fluidauslaß verbindet.

15. Verfahren zum Mischen erster und zweiter Fluide, umfassend: das Einlassen des ersten Fluids in eine Kammer als eine Strömung, welche sich von der Kammerwandanordnung ablöst, und das Ermöglichen, daß die abgelöste Strömung stromaufwärts eines im allgemeinen gegenüber der eingelassenen Strömung angeordneten Düsenauslasses der Kammer sich asymmetrisch wieder an die Kammerwandanordnung anlegt und aus der Kammer durch den Düsenauslaß asymmetrisch austritt, um außerhalb des Düsenauslasses einen Strahl zu bilden, wodurch eine Gegenströmung des ersten Fluids bei dem Wiederanliegen in der Kammer zwischen der Strömungsablösung und dem Wiederanliegen wirbelt und dadurch eine Präzession der abgelösten/wiederanliegenden Strömung und des Strahls induziert, welche Präzession das Mischen des Strahls mit dem zweiten Fluid zum Kammeräußeren um den und benachbart dem Düsenauslaß verstärkt.

16. Verfahren nach Anspruch 15, worin die Strömung beim Austreten aus der Kammer durch den Düsenauslaß divergent ist.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, ferner umfassend das Behindern der Strömung am Düsenauslaß, um eine Querkomponente der Geschwindigkeit in der wiederanliegenden präzedierenden Strömung zu induzieren oder zu vergrößern.

18. Verfahren nach Anspruch 15, 16 oder 17, worin eine Strömung des zweiten Fluids vom Äußeren der Kammer durch den Düsenauslaß induziert wird, um mit der Gegenströmung des ersten Fluids in der Kammer zwischen der Strömungsablösung und dem Wiederanliegen zu wirbeln.