DE6606067U

DE6606067U - Vorrichtung zum erzeugen eines flammstrahls

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Publication number: DE6606067U
Application number: DE6606067U
Authority: DE
Original assignee: H E FLETCHER CO
Current assignee: H E FLETCHER CO
Priority date: 1965-12-07
Filing date: 1966-08-03
Publication date: 1970-10-01
Also published as: GB1120326A; US3363661A; DE1501833A1

Description

Anlage AHenzeiAen ^ JC&Qfr/Zk b

zur Engobe vom Name d. Anm. H. S. Fletcher CO,

vorrichtung zum Erzeugen eines Flamiiistrahls

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Geräte zum Verbrennen von s Brennstoff- und fbcidationsmittelmengen unter Überdruck in einem geschlossenen Raum zur Erzeugung eines Flammstrahles. ^r'ie Erfindung be-

■ zieht sich insbesondere auf eine n**u^a Technik zum Zusammenbringen beliebiger brennstoff- und Luftmencren in einer Brennkammer derart Besteuert, daß bei hoher Durchsatzfreschwindigkeit ein wesentlich breiterer Bereich von Brenn ^t-"ΓΤ-Luft-Verhäitnissen in einer Brennkammer stabil verbrannt werden kann.

Ein Hauptgegenstand der Erfindung ist daher die Verbesserung eines Gerätes zur Erzeugung von Flammstrahlen und die Entwicklung eines VerbrennungsVerfahrens, durch das höhere Heaktionsmittelmengen in einem gegebenen Kammervolumen verbrannt werden können.

Die Erfindung soll ferner ein Gerät angeben, in den ein Oxidationsmittel mit Brennstoff derart gemischt wird, daß innerhalb eines ausgedehten Bereiches etablier Verbrennung eine Kühlung der Elamme erzielt wird. Die Erfindung soll außerdem einen verbesserten Brenner zur Aufnahme von

■ ) Verbrennung von Reaktionspartner«! angeben.

HINWEIS: Di«· Unterlag« (Besdircibung pid ursprünglich eing«r*ic}iton Unterlagen QD. Die gereichten Unterlagen befinden sich in den AmIi renfrei eingesehen werden. Auf Antrag werden G Ott \i.ir)

innegative zu aen uu,.„»... _

D*«Hd«ci FeteniMi, Geiinxidisawslentelle

Für das Verständnis des Wesens der vorliegenden Srfindung lot eine Erörterung der bekannten Verfahren zur Erzeugung von Flainmstrahlen wichtig, üblich ist auf dem betreffenden Fachgebiet zur Zeit die Verwendung einer rohrförmigen Brennerkonstruktion, bei der man in ein inneres Sndö Brennstoff und ein Oxidationsmittel, wie z.3. Luft, unter Druck einführt, wobei das entstehende Gemisch augenblicklich verbrannt wird. Hierdurch wird ein Verbrennungsproduktstrom erzeugt, der am äu3eren .^nde der Brennerkonstruktion mit hoher Geschwindigkeit ausgestoßen wird.

In Fachkreisen hat man gefunden, daß es für Jedes Volumen der Brennkammer, in der die Verbrennung stattfindet, eine bestimmte Grenze hinsichtlich ies anwendbaren Brennstoff- Luft- Verhältnisses ebenso wie hinsichtlich der Brennstoff- und Luftir—-r^en gibt> iie bei Aufrechtorhaltung einer stabilen Verbrennung ir. aen Brenner eingeführt und verbrannt werden können* Versuche haben gezeigt, daß sich hierdurch unerwünschte Grenzen hinsichtlich der Leistungsfähigkeit und der Arbeitstesperaturberoiche derartiger Flammstrahlen ergeben und dies ist von besonderer Bedeutung, *sm der Flararnstrahl zum Spalten von Kj verschiedener Art verwendet werden soll.

Angesichts dieser Menget der herkömmlichen Flanünstrahlen schafft die Erfindung ein neues Verfahren zur Verbrennung eines Brennstoffes und eines Oxidationsmittels derart, daß ohne nennenswerte Verringerung der Flammenstabilität und unter wünschenswerter Herabsetzung der Flammentemperaturen in einem beliebigen, gegebenen Kammervolumen eine vergleichsweise größere Brennstoff- und Oxidationsmittelmenge verbrannt werden kann.

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Das verbesserte Verbrennungsverfahren beruht auf einer neuen Konzeption, die darin besteht, daß ein Primärluftstrom erzeugt wird, der rr.it Brennstoff gemischt und einleitend in einer Brennkammer verbrannt wird, und daß ferner ein Sekundärluftstrom erzeugt wird, der zur Erzeugung einer entgegengesetzt gerichteten Luftströmung in dasjenige

^! Ende der Brennkammer injiziert wird, das dem Ende gegenüber-

liegt, in dem die Verbrennung eingeleitet wird. Man sorgt dafür* daß diese entgegengesetzt gerichtete Luftströmung sich entgegen der Strömung der Verbrennungsprodukte bewegt, so daß

] ein Bereich extremer Turbulenz am Ausgangsende der Brennkam-

j mer entsteht. Infolge dieser Turbulenz wird in unmittelbarer

Nähe der Auslaßiüse, durch die der Flammstrahl ausgestoßen wird, eine äußerst wünschenwerte sekundäre Mischung des Brennstoffes

j mit Luft erzeugt.

j Es wurde gefunden, daß durch diese Einleitung eines entgegen-

gesetzt gerichteten Luftstromes in das Austrittser.de des Bren-

\ ners ein erweiterter Bereich anwendbarer Brennstoff- Luft- Ver—

holtnisse bestiicrabsrer Art. verwirklicht werden kann ynd i&fclge= dessen wesentlich größere Brennstoffssngea bei einen gegebenen

t Brennervolusen angewendet werden können. Ss wurde ferner gefunden, daß die so erzeugte Flamme mit einem Luftübarschuß gefahren

■ werden kann und daß dieser Luftüberschuß eine deutliche Ab=

kühlung der Flsnsne bewirkt.

Das V.'esen der Erfindung und ihre weiteren Aufgaben und neuen Merkmale werden nachfolgend ausführlicher im Rahmen der Beschreibung der beiliegenden Zeichnungen erläutert.

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Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Bauforrii des Brenners gemäß der Erfindung, in dem eine Gxiuauionsmitteigegenströmung angewendet werden kann.

Fig. 2 zeigt einen Teillangsschnitt durch einen Brenner, der dem in Fig. 1 dargestellten Brenner gleicht, wobei hier jedoch eine
andere Ausführungsform der Einlasse zur Erzeugung einer Oxidationsmittelgegenströmung dargestellt ist.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt nach der Linie 3-3 in Fig. 1

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt nach der Linie 4-4 in Fig. 1

Fig. 5 zeigt in einem der Fig. 1. im wesentlichen entsprechenden Längsschnitt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der der Brennstoff- und der Qxidaticnsmittelstrora unabhängig voneinander eingeJtellt werden können.

Fig. 6 zeigt in einem Diagramm die Abhängigkeit zwischen dem
Verhältnis von Luft zu Brennstoff und den Temperaturänderungen.

Fig. 7 zeigt einen Teillangsschnitt durch eine andere Ausführungsform eines Brenners mit Sekundalstronung.

Fig. 8 ist ein Querschnitt nach der Linie 8-8 in Fig. 7·

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Durchführung wird ein
Flammstrahl durch Verbrennung von Luft und Brennstoff iss wesentlichen auf die im USA -Patent 3,103,251 beschriebene Weise erzeugt. In diesem Patent ist ein

Verfahren zur Plammbearbsitung eines Mineralkörpers beschrieben, bei dem die Kühlung eines Flammstrahlers durch Verwendung von Luft als Oxidationsmittel und Zugabe eines tragen Gases zur Luft zur Verringerung der Flammentemperatur erreicht wird. Der Bereich der angewendeten Brennstoff/Luft-Gemische ist durch die Notwendigkeit begrenzt, innerhalb eines Bereiches äabiler Verbrennung zu bleiben, um einen Betrieb mit mangelhafter Flamme oder ein Erlöschen der Flamme zu vermeiden.

Bei der Erzeugung eines FlaiMstrahls gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet man vorzugsweise eine. Brennerkonstruktion mit- einer FlammsnstabilisierunssfläGhe und man wendet auch die Kühlwirtomg eines trägen Gases gemäß dam oben erwähnten USA-Patent 3,1o3,25t an.

GemäB der vorliegenden Erfindung wird der Oxidationsmittelstroa jedoch außerdem auf eine spezielle Weise so gesteuert, daB in βϊϊϊβΣ* 3re?3sic3i5™e3? ein Bereich, starker Turbulenz an. eineia von der Flaiamenstabilisierungsflache deutlieh entfernten Punkt erzeugt wird und auf diese Weise wird ein sekundärer Fiammenentstehungsbereich erzeugt und aufrecht erhalten.

6606u67-].io.

i nun i:.-. einzelner, die in Fig. 1 darrrjstellto bevorrügto Ausführuns^f orr. der Brennerkonstruktion ?.ur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung betrachtet. Ein allgemein mit 10 bezeichneter Rohrkörper besteht aus einem äußeren Rohr 12 und einem inneren Rohr 13* zwischen denen ein Abstand vorhanden ist. In ein ^nde der beiden Rohre 12 und 13 ist ein Düsenkopf 1²! eingepaßt, der eine Schulter 14a zur Aufnahme eines Endes des Rohres 13 anJ eine Schulter 14b aufweist, urr. die das entsprechende Ende ies Rohres 12 angeordnet ist.

Ai.\ gegenüber liegenden Ende des beschriebenen Jtohrkörpers Jst ein Injektionakopf 11 vorgesehen, an den das äußere Rohr 12 gemäß der Darstellung angepaßt ist; der Injektionskopf 11 weis*: einen inneren, ringförmigen Teil 11a auf, der eire Schultor 11b hat, auf der las Ende des inneren Rohres 13 sitzt. Durch den lajektionskopf 11 hindurch ist eine Luftleitung 15 angeordnet, die mit einer zwischen dem TeilH und dem Teil 11a angeordneten Vorteilerringkammei* in Verbindung steht. Mittig durch tlen Injektionskopf 11 hindurch verläuft eine Brennstoffleitung JO, die ··:.it einer öffnung 23 in Verbindung steht, welche wiederum in das Innere des Rohres 13 führt. Durch die Leitung 15 wird Druckluft in die Vorteilerringkammer 16 eingeführt. Dor Brennstoff wird unter Druck durch die Leitung 30 eingeführt und tritt durch den um die Leitung 30 angeordneten In,Jektorteil 3'I in die öffnung 23. Die Düse 14 kann, wenn dies gewünscht wird, mit Einern durch Pfeile angedeuteten Wasserstrom gekühlt werden, der durch einen am linken Ende von Pig. 1 dargestellten Ringkanal 39 geleitet wird.

Gemäß der Erfindung wird die durch die Leitung 15 zugeführte Luft

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in zwei unabhängige Ströme aufgeteilt. Diese beiden Luftatröise kann man zweckmäßig als "Prirärströrnuns" und ⁿSe~ kundärsuröamg" bezeichnen. Die Primärlui*tströmung tritt von aer Verteilerringkaminer 16 durch eine Reihe von Öffnungen 22 hindurch, die in die öffnung 2j5 münden, so daß diese Luftströmung durch die öffnung 23 in die Brennkammer gelangt.

Die Sekundärluftströnaing tritt durch eine Vielzahl von öffnungen 17 aus der Verteilerringkamnier 16 aus und strömt durch einen Ringr-aum "SS zwischen aen Rohren 12 und 1J, wo sie eine Kühlwirkung auf das Erennkanunerrohr 1j5 ausübt. Die Sekundärruftströnains gelangt weiter an das Ende des Brenners und wird hier plötzlich durch eine Vielzahl von Einlaßöffnungen I9 umgelenkt«, wobei diese öffnungen I9 um das innere Rohr 1jj herum angeord/st und vorzugsweise gemäß der Darstellung in Fig. 1 unter ein^m Winkel derart verlaufen, daß die Richtung der Luftströmung im wesentlichen umgekehrt wird, so daß diese Sekundärluft strömung anschließend in Pig. 1 von links nach rechts verlauf: .

Gemäß der Erfindung werden der Brennstoff und die Luft beim Austritt aus der öffnung 23 durch irgendwelche geeigneten Kittel gezündet und verbrennen kontinuierlich, so daß sie eine Strömung von Verbrennungsprodukten erzeugen, die sich mit hoher Geschwindigkeit in Fig. 1 von rechts nach links bewegt. Die Verbrenmmgsproduktotrömung, die Teile uuverbrannten Brennstoffes enthält, trifft plötzlich auf diß zahlreichen sekundären Oxidationsmittel- oder Luftströme, welche durch die öffnungen I9 nach innen injiziert v/erden. Infolgedsesen bildet sich ein Bereich überaus starker Turbulenz, der allgemein durch Pfeile an der

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Stelle 36 angezeigt ist. Da die Sekundärluft um den ganzen Umfang des Brennerrohres 13 herur.. injiziert wird, wird eine äußere wulst- oder ringförmige Oxidationsäriittelströmung erzeugt, die sich mit der mittleren, unverbrannten Brennstoff enthaltenden Verbrennungsproduktströmung innig mischt.

Infolge des Aufeinandertreffens der Sekundärluftströmung und der Verorenriungsprcduktströznung v;ird hier eine Abstufung des 3renn3toff/Luft-/eihältnisses von reich nach arm an einer Stelle eier In. einen Bereich verwirklicht, wo das Verhältnis stolchiometrisch Ist. Die Wirkung des turbulenten Bereiches besteht in der Erzeugung eines Flamrnenauslösungsbereiches, der zur Aufrechterhaltung einer stabileren Verbrennung neigt, als das sonst der !•'-tll wSre. Tatsächlich kann dieser durch die Turbulenz des Sokundärlufteinlasses erzeugte Plarmnenauslösungsbereich praktisch als sekundärer Flammenausgangsbereich angesehen werden, da in unmittelbarer· Nähe der Öffnung 23 ein erster oder primärer Flammenausgangsberelch vorhanden ist. Das Ringglied 11a ist rait einer besonderen Flammenstabilisierungsoberfläche 11d ausgebildet, die bestrebt 1st, die Bildung eines wulstförmigen Strömungsverlaufes des brennenden Materials 35 zu fördern, so daß dieses brennende Material auf sich selbst zurückgeworfen wird, um mit frischen Brennstoff- und Oxidationsmittelmengen in Berührung zu kommen, iio gemäß der Darstellung im oben erwähnten deutschen Patent No. durch die öffnung ausgestoßen werden.

Zz werden daher 2.tfei voneinander getrennte Flamnonauslösungsbereicho erzeugt, die zusammenwirken, um einer stabilen Verbrennung an beiden Snden des Brenners förderlich zu sein,

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' Ss wurde gefunden, daß durch die Anordnung einer Gegenluftj strömung in: Bereich j>6 große Brennstoff- und Luftmengen verbrannt werden können. Z. B. konnte .T.an bei herkömmlichen .

Brennern mit einer Kammer von 5»C") cro Durchmesser und 40.6*i C"· Länge, die beispielsweise ir.i'ü deni Volumen 20 in den Zeichnungen zu vergleichen ist, maximal 11,53 ir/ttin. (400 ssfm'i Luft stabil verbrennen. Der Brenner gemäß der vorliegenden Erfindung mit gleichen Brennkantr.erabrnessuiigen ist in der Lage,, rr.ehr aiö 14,2 nrVtfin. ( 500 scfm) Luft rait Brennstoff 213 verbrennen. AuSerdem hat sich gezeigt, daß der verbesserte Bremer gemäß der Erfindung leichter zu zünden Ist und, was ncc'a wichtiger ist, auf einem wesentlich breiteren Dereich von Brennstoff/Luft- Verhältnissen stabil ist. Dieses Kerk&ml i~;t isn Diagrar^m gamäß Fig. dargestellt, wo 3 das sU ichiometrische "erh.iltnis und L1 die Grenzen der stabilen Verbrennung eines herkömmlichen Brenners der beschriebenen Art darsteils. I.-. vergleich hierzu zeigt L2 die Grenzen der stabilen Verbrennung des gleichen Brenners, wenn dieser mit Mitteln zur An^andunt, einer Oxidationsmittelgegenströiuung versehen ist.

Vtonn 'las Brennstoff/Luft-Verhältnis die /erwendung eines erheblicher Luftüberschus.-es vorsieht, ergibt sich eine sehr deutliche Abkühlung, die bis zu den durch daa Verfahren gemäß dem USA-Patent 3,10^,251 erzielbaren KUhrwirkungen reicht. Diese Kühlwirlcuns vorijetzt den Flarmstrahl, der aus den; Brenner austritt, in die Lage, eine WSrinespaltwirkung bei einer wesentlich größeren Anzahl von Mineralien zu erzeugen und insbesondere bei Mineralien, wie etwa Schiefer oder anderen Substanzen, bei denen verhältnismäßig niedrige Temperaturen ang'rwentet worden !nüssen«

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Durch diese Anwendung einer Gegenströmung aus Oxidationsrjttel, wie beispielsweise Luft, wird· außerdem ein wünschenswerter Kühleffekt auf die Düse dos Brenners ausgeübt. Sine Anordnung dieser Art ist beispielsweise in Fig. 2 dargestellt. Hier tritt der Sekundärluftstrom 42 durch einen Pingkanal 4^ zwischen den Rohren 40 und 41 hindurch. Der Düsenkopf 44 enthält einen RingrauEi 45, durch den der Sekundär^- luftstron fließt, bevor er in umgekehrter Richtung durch die öffnungen 46 ausgestoßen wird« Man erkennt, daß der- Sekund abluftstrom beim Bestreichen der verhältnismäßig großen Oberflächen des Ringrauines 45 und der Öffnungen 46 eine sehr wesentliche Kühlung des Düsenkopfes 44 bewirkt. Man erkennt ferner, daß bei dieser Anordnung gemäß Pig. 2 di-3 entgegengesetzt gerichteten Öffnungen 46 ein anderes und wünschenswertes Mittel liefern, um die Gegenströmung auf Rineni Weg zu injizieren, der in axialer Richtung der Verbrennungsproduktströmung (Pfeile 49) genau entgegengesetzt gerichtet ist, so daß eine noch turbulentere Zone erzeugt wird, die durch das Becugszeichen 47 gekennzeichnet ist.

Zusammengefaßt bestehen die neuen "Schritte der Erfindung im wesentlichen also darin, daß zwei einander entgegengesetzte Oxidationsmittelströne von. zwei ^nden einer geschlossenen 7erbrennungäcammer her eingeleitet "werden. Die eine Qxidationsnittelströniung, die als Prirnärströmuns bezeichnet werden kann, enthält Brennstoff. Die Sekundär luftströmung wird vorgesehen, u.-zur verbrennung des Brennstoffes beizutragen, der in Verbrennungsproduktstroir mitgeschleppt wird, und un eine hohe Verbrennunsjsstabiiität aufrechtzuerhalten. Die ganze so eingespeiste Lwffc kann in der Verbrennungsreaktion verbraucht werden.

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Außerdem wird dieser Sekundärluftstrom dadurch, daß er beim ; Durchgang durch den Kanal 18 ab Kühlmittel für das Brennkammer-13 wirkt, erhitzt. Diese im Sekundärluftstrom enthaltende Hitze

ι trägt weiter zum Platnmenstabilisierungseffekt des turbulenten Bereiches bei, der durch die Einführung von Sekundärluft erzeugt wird. f

Es kann erwünscht SeIn₅ die beschriebene Konstruktion auf verschiedene Weise abzuwandeln, beispielsweise gemäß der Darstellung in Pig. 5; der dort dargestellte Brenner gleicht in jeder Hin-

sieht dem in Fig. 1 dargestellten Brenner, nur daß der die Primärluft bildende Luftstrom unabhängig durch ein Ventil V eingespeist wird, während der Sekundärluftstrom zur Bildung der Gegenströmung gemäß der Erfindung unabhängig hiervon durch ein Ventil VI eingespeist wird. Hier können daher wünschenswerte Steuerungen der Plammenstabilität für jede gegebene Brennstoff- und Luftmenge verwirklicht werden und desgleichen kann man eine veränderliche Steuerung der Temperatur des aus dem Brenner austretenden Strahls im Sinne der oben im Zusammenhang mit Fig. 2 gegebenen Beschreibung \ verwirkliehen.

Schutzansprüche

Claims

Dr. ing. E. BERKENrELD · Dip;.-;r.g. H. BERKiNFELD, Patentanwälte, Κδΐπ Anlage Aktenzeichen F 3θ 585/24 zur En9abe vom Name d. Anm. H.E. Fletcher CO. Sehutzansprüche

1. Brenner gekennzeichnet durch einen rohrförmigen Körper (Ic-), in dem eine Brennkammer (2o) ausgebildet ist, durch Einlaßmittel 05, 3o) zur Einspeisung unabhängiger Oxidationsmittel- und Brennstoffströme unter Druck in ein Ende der Kammer (2o) und durch Leitungen (18, 19) zur Einleitung von Oxidationsmittel an einem gegenüberliegenden Ende der Brennkammer (2o).

2. Brenner nach Anspruch I₅ dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen derart angeordnet sind, daß die Oxldationsmittelströmung (21) entgegen der Strömungsrichtung (49) der Verbrennungsprodukte verläuft.

3· Brenner nach den Ansprüchen 1-2 dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung aus einer Hülse (12, 40)besteht, die im Abstand um den Brenner (I}, 41) derart angeordnet ist, daß ein Ringkanal (18, 4j) entsteht und daß axial verlaufende öffnungen (46) mit dem Ringkanal in Verbindung stehen, so daß eine Kühlung des Beirenners bewirkt wird.

4. Brenner naoh einem derAnsprüche 1 ·* 3# dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (19, 46) derart gestaltet ist, daß die Sekundär= luft sich auf einem entgegengesetzt gerichteten Weg bewegt, wenn sie in die Brennkammer (2o) eintritt,

5· Kenner nach einem der Ansnrüche 1-4 dadurch gekennzeichnet, daß er voneinander unabhängige Ventile (V₁VT) zur Veränderung beider Oxidationsmittel^trömungen unabhängig vorneinander aufweist.