DE69208079T2

DE69208079T2 - Mischvorrichtung und verfahren für gasförmige, flüssige oder pulverisierte feste substanzen

Info

Publication number: DE69208079T2
Application number: DE69208079T
Authority: DE
Inventors: Gustaaf Jan Witteveen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-03-20
Filing date: 1992-03-19
Publication date: 1996-08-22
Anticipated expiration: 2012-03-20
Also published as: NL9100490A; EP0575499A1; WO1992016794A1; ATE133771T1; ES2084355T3; AU1552392A; EP0575499B1; DK0575499T3; CA2106467A1; DE69208079D1

Description

Es handelt sich um einen Brenner, versehen mit Mitteln zum Mischen eines Stroms van Verbrennungsluft mit einem Brennstoff und ein Verfahren für die Realisierung der Mischung. Die Erfindung betrifft einen Brenner, der mit Mitteln zur Mischung eines Stroms von Verbrennungsluft mit einem Brennstoff versehen ist, enthaltend: (i) eine axial-symmetrische Wirbelkammer, die in der axialen Strömungsrichtung an der Austrittsseite einen Einengungsteil hat, mit einer zentralen Öffnung, die von einem Flammenraum gefolgt wird, (ii) einen Körper, der eine Rotation der Verbrennungsluft hervorruft, der am Umfang der genannten Wirbelkammer angeordnet ist, und nahe dem Anfang des genannten Einengungsteils mit Austrittsöffnungen für die Verbrennungsluft versehen ist, (iii) wobei die Wirbelkammer an ihrem Umfang eine größere Querschnittsfläche in axialer Strömungsrichtung aufweist als die Austrittsöffnungen, und (iv) der Strömungsquerschnitt nach der zentralen Öffnung sich plötzlich erweitert und der Durchmesser des Flammraums wenigstens das 2,5-fache der zentralen Öffnung beträgt, und ferner betrifft sie ein Verfahren zum Mischen eines Verbrennungsluftstroms mit einem Brennstoff.
Ein derartiger Brenner ist aus EP-A-0 028 025 bekannt, vgl. Fig. 7. Bei diesem bekannten Gerät verringert sich durch das Einengungsteil der Durchmesser der Luftströmung auf weniger als 30%, was einer Reduktion des Querschnitts von weniger als 9% entspricht. Dies entspricht einer hohen Geschwindigkeitszunahme und einer sehr erheblichen Reibung, so daß ein relativ hoher Druckabfall für die Verbrennungsluft erforderlich ist. Ein Teil der Verbrennungsluft wird direkt in den Flammraum eingeführt, und das sich einstellende Strömungsmuster in dem Raum ist schraubenförmig.
Die Erfindung strebt die Erzielung eines Strömungsmusters mit sehr intensiver Vermischung von Luft und Kraftwstoff an, so daß die NOX-Werte sehr niedrig sind.
Entsprechend wird im Rahmen der Erfindung vorgeschlagen, daß das Einengungsteil des Durchmesser der Wirbelkammer auf das 0,9- bis 0,7-fache ihres größten Durchmessers reduziert.
Die Erfindung beruht auf dem Verständnis, daß eine Gasströmung mit einer starken Rotation um die Strömungsachse im Vergleich zur axialen Komponente bei einer plötzlichen Erweiterung des Strömungsdurchmessers ein Strömungsmuster bildet, das eine plötzliche und sehr starke Turbulenz in der Strömung aufweist, was im folgenden als "als Wirbelbrechung" bezeichnet wird. Die Wirbeibrechung zeigt sich in einer Zerstörung oder Explosion des Strahlstroms unter Bildung sehr starker lokaler Turbulenzen, was zu einer außerordentlich gründlichen Vermischung der Substanzen in der strömung führt.
Zusätzlich wird ein sehr stabiler Wirbel erzeugt, indem sich ein sehr gründlich gemischtes Brennstoff-Luftgemisch innerhalb einer kurzen Zeitdauer derart verbrennen läßt, daß außerordentlich niedrige NOx-Werte auftreten. Die gleiche gründliche Vermischung ermöglicht die vollständige Verbrennung mit nahezu keinem Austritt von Luft. Nimmt die Tangentialkomponente im selben Umfang wie die Axialkomponente bei der Zunahme der Gasgeschwindigkeit zu, so ist ein Ausblasen der Flamme nahezu unmöglich. Eine weitere Eigenschaft der Wirbelbrechung besteht darin, daß ein axialer Gegenstrom induziert wird, der erfindungsgemäß durch den Einengungsteil zurückfließt und hierdurch die zu vermischende Substanz an die Außenseite drückt, und zwar vorzugsweise gegen die Wand des Einengungsteils.
Es sei betont, daß der Einengungsteil aus einem Material bestehen kann, das die Kammer, wie oben beschrieben, einengen kann und zusätzlich aus einer Vorrichtung zum Einblasen oder Ausrichten von Luft, wodurch der Verbrennungsluftstrom eine nach innen gerichtete Radialkomponente erhält.
Entsprechend wird im Rahmen der Erfindung ein Verfahren zum Vermischen eines Verbrennungsluftstroms mit einem gasförmigen, flüssigen oder pulverisierten Brennstoff für dessen Verbrennung geschaffen, und ein Luftstrom wird einer axialsymmetrischen Wirbelkammer am Rand der Kammer mit einer Rotationskomponente zugeführt, und die Wirbelkammer enthält eine sich in einen Flammraum erstreckende Öffnung mit einem Durchmesser von höchstens dem 2,5-fachen des kontrahierten Luftstroms, und es ist dadurch gekennzeichnet, daß ein gasförmiger Strom mit Luft mit nach innen gerichteter Radialkomponente eine Kontrahierung des Querschnitts des Verbrennungsluftstroms in Axialrichtung bewirkt, auf weniger als die axiale Querschnittsfläche des Wirbelraums an dessen Anfang, wo in diesen der Verbrennungsluftstrom eintritt, und auf das 0,9- bis 0,7-fache von dessen größtem Durchmesser vor der Kontrahierung.
Zum Vermeiden eines großen Unterschieds bei der Strömungsgeschwindigkeit bei dem Aufeinandertreffen dieser Gasströmung und des verbrennungsluftstroms mit einem Rotationsanteil ist bei dieser Ausführungsform selbstverständlich gewährleistet, daß der die Einengung bewirkende Gasstrom eine Rotationsbewegung ausführt und eventuell auch eine Axialbewegung.
Bei Einengung eines Strahlstroms, der um seine Achse rotiert, wird die dem Strahlstrom zugeführte Energie in Rotationsenergie durch die Coriolis- Kräfte umgesetzt. Im Ergebnis nimmt das Verhältnis zwischen der Rotationskomponente, insbesondere an der Außenseite des Strahlstroms, und der Translationskomponente zu. Dies führt zu einem Druckabfall in der Mitte des Strahlstroms, was zu einem Unterdruck führen kann, wodurch sich im Ergebnis prinzipiell ein Strom erzeugen läßt, der gegen die Axialrichtung des Stroms gerichtet ist.
Vorzugsweise bildet der Einengungsabschnitt an einem seiner Enden einen Winkel mit der Achse von mehr als 50º. An dieser Stelle sei betont, daß auch dann, wenn spitze Winkel mit der Achse an dem Ende mit der Einengung gebildet werden, gute Ergebnisse erhalten werden, daß jedoch mit Winkeln zwischen 50º bis etwa 60º eine geeignete schnelle Kompression des Strahlstroms mit einer kurzen Übergangszeit kombiniert werden kann, und daß deshalb geringe Schubverluste und die Bildung von Mikroturbulenzen in der eigentlichen Drehströmung möglich sind.
Bei der Erfindung ist der Körper zum Hervorrufen der Rotation lediglich an der Außenwand der Wirbelkammer befestigt. Dies bedeutet, daß die Innenfläche des Strahlstroms, die die Fläche innerhalb des Außenmantels bildet, auch für die Axialströmung des Strahlstroms zur Verfügung steht. Im Ergebnis wird der Gesamtguerschnitt größer, da die Querschnittsfläche des Außenmantels geringer ist als der Gesamtquerschnitt bei der Einengung. Dies führt zu einer Abnahme der Axialgeschwindigkeit der Strömung und deshalb zu einer Zunahme des Verhältnisses zwischen der Rotationskomponente und der Axialkomponente der Strömung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Mitte einer Fläche zum Abschließen des Mittenbereichs des Körpers zum Hervorrufen einer Rotation einen Einlaß für einen flüssigen oder pulverisierten Brennstoff aufweist, der sich entlang der Oberfläche zu den Austrittsöffnungen des Körpers zum Hervorrufen der Rotation bewegen kann. Wichtig ist, daß in der Mitte des Strahlstroms ein Unterdruck erzeugt wird, mit einer Gegenströmung in der Nähe der Achse. Dies führt die Mischsubstanzen gegen die Rückfläche. Während des Prozesses trägt eine starke Rotation dazu bei, daß dann, wenn die Mischsubstanz ein Fluid wie Öl ist, dieses sich entlang der Fläche bewegt. Hierdurch wird erreicht, daß das Fluid entlang den Flächen der Wirbel geführt wird, die näher an der Außenseite liegen, an der die Geschwindigkeit der Wirbelströmung hoch ist, -so daß die Flüssigkeit vernebelt werden kann.
Die Flüssigkeit oder der pulverisierte Brennstoff wird jedoch der stärksten Zerstäubung und Vermischung unterzogen, wenn es von dem Rand des Einengungsabschnitts weggeschleudert wird und in den Wirbelbrechungsbereich eintritt. Im Ergebnis ist es möglich, eine sehr gute Zerstäubung von Öl zu erreichen, das mit einem sehr niedrigen Druck - beispielsweise 5 cm von Wasser eingeführt wird.
Eine weitere Verfeinerung besteht darin, daß die Fläche sich konisch entlang der Richtung der Strömung erweitert. Im Ergebnis wird die Gravitationskomponente mit ihrem Effekt auf die Mischsubstanz teilweise durch die Neigung der Rückfläche kompensiert, wodurch sich eine bessere symmetrische Ausströmung des Brennstoffs ergibt.
Wie oben erwähnt wurde, tritt die Wirbelbrechung dann auf, wenn sich der Strömungsouerschnitt erweitert. Es ist zu empfehlen, daß der Strömungsquerschnitt für kleine Brenner (bis zu ca. 50 kW) sich vorzugsweise um mindestens das Fünffache, bezogen zu dem des Einengungsagschnitts erweitert, und daß für große ein Wert von ca. dem 2,5- bis 3,5-fachen gewählt wird.
Die obigen Ergebnisse haben sich vorteilhaft für den Betrieb eines erfindungsgemäßen Brenners erwiesen. Aufgrund der Wirbelbrechung ermöglicht ein derartiger Brenner eine außerordentlich gründliche Vermischung von Brennstoff mit Verbrennungsluft in einem sehr kurzen Bereich. Zusätzlich hat sich gezeigt, daß in dem Bereich direkt hinter der Erweiterung eine Verwirbelung auftritt, die nicht nur eine Rotationskomponente um die Achse der Strömung aufweist, sondern auch eine hierzu rechtwinklig verlaufende Rotation, was bedeutet daß Gas zu der Rückwand der Erweiterung zurückgeleitet wird, und von dort wiederum in die Basis der Flamme. Dies bedeutet, daß die Basis der Flamme auch eine bereits vollständig oder zum Teil verbrannte und abgekühlte Gasmischung empfängt, was dazu führt, daß die Verbrennungstemperatur niedriger bleibt und entsprechend der Bildung von Stickstoffoxiden entgegenwirkt.
Tritt bei einem Brenner eine Wirbelbrechung auf, so ist es möglich, zu gewährleisten, daß der Durchmesser des Flammenraums eine derartige Einengung aufweist, daß hinter einem Raum mit Unterdruck aufgrund der Explosion des Strahlstroms ein stabilder Gaskörper entsteht, wodurch eine Rückströmung des Gases von dem Endbereich des Brennerkonus zu einem Raum mit Unterdruck vermieden wird. Obgleich die Verwirbelung bereits einen wichtigen Teil bei der Vermeidung des Ausblasens der Flamme direkt hinter der Öffnung spielt, gewährleistet die oben erwähnte Einengung des Flammraums, die ein ausreichendes Nachinnenführen des ausströmenden Gases bewirkt, in noch größerem Umfang, daß die Flamme nicht ausgeblasen wird. Es ist zu erwähnen, daß aufgrund der Anwendung der Erfindung ein Großteil der Strömungsenergie in der Form von Turbulenzen auftritt und im Ergebnis dem Ausblasen tatsächlich entgegengewirkt wird. In der Praxis läßt sich ein stabiler Brenner mit relativ geringen Abmessungen erhalten, bei dem das Ausblasen der Flamme unmöglich ist.
Weiterhin wird der Bildung von Stickstoffoxiden entgegengewirkt, indem die Rückwand des Flammraums gekühlt wird.
Ferner läßt sich die erzeugte Verwirbelung an der Erweiterung hinter der Mittenöffnung dadurch einsetzen, daß ein Luftschlitz in dem Flammraum in der Nähe der Rückwand zum Einführen von Luft, verbranntem Gas und/oder Abgas, das durch die Verbrennung abgebrannt werden soll, vorgesehen ist. Dieser Schlitz führt das Gas zur Mitte, wo ein Kühlgas eine Temperaturabnahme der Flammenbasis gewährleistet.
Zum Schaffen eines Brenners, in dem sich die Erfindung anwenden läßt und der steuerbar ist, versteht sich von selbst, daß auch die Luftgeschwindigkeit minimale Anforderungen erfüllen muß, selbst bei einer geringeren Einstellung und einer hieraus resultierenden geringeren Luftzufuhr. Demnach ist bei einer Ausführungsform der Erfindung ein steuerbarer Luftabgriff vorgesehen, für Luft, die völlig oder teilweise durch den Körper zum Hervorrufen einer Rotation hindurchgetreten ist.
Wie weiter unten beschrieben wird, zeigt eine analytische Untersuchung der Strömung vor und hinter dem Einengungsabschnitt, daß keine Lösung für eine stetige Strömung in dem Fall existiert, in dem eine geeignete, hohe Wirbelintensität und eine Erweiterung des Strömungsquerschnitts vorliegt. Das Ergebnis der Untersuchung zeigt, daß dann, wenn die Gleichung bei der gilt, U&sub0; Axialgeschwindigkeit bei dem Einengungsteil;
U&sub1; = Axialgeschwindigkeit in dem Brennerkegel;
k = 2 Ω/U&sub0; mit Ω = Winkelgeschwindigkeit, und
J&sub0; und J&sub1; für Besselfunktionen der nullten und ersten Ordnung, keine reelle Lösung existiert, eine Wirbelbrechung zu erwarten ist.
Die Formeln wurden jedoch unter Annahme einer Strömung ohne Turbulenzen und Dissipation abgeleitet, was selbstverständlich nicht vollständig der Realität entspricht, so daß diese Formeln lediglich einen Hinweise dafür geben, ob eine Wirbelbrechung auftreten wird.
Nun folgt eine weitere Erläuterung der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung; es zeigen:
Fig. 1 schematisch einen erfindungsgemäßen Brenner und die hierin auftretenden Strömungen;
Fig. 2 das Strömungsbild zum Vermeiden einer Gegenströmung, unter Vernachlässigung von Details der Aufwärtsströmung in dem Brenner, ausgehend von dem Einengungsabschnitt;
Fig. 3 schematisch einen Querschnitt einer Wirbelkammer, die im Rahmen der Erfindung eingesetzt wird;
Fig. 4 schematisch eine Querschnittsansicht einer Wirbelvorrichtung gemäß der Erfindung;
Fig. 5 schematsich einen Querschnitt einer anderen Ausführungsform, und
Fig. 6 einen Graph zum Darstellen des analytischen Verfahrens zum Bestimmen der Wirbelbrechung.
In Fig. 1 ist eine Luftversorgung für einen Brenner durch 1 gekennzeichnet, wobei die Luft einer Druckzunahme von 5 cm einer Wassersäule oder 50º N/m² unterzogen wurde. Diese Luft wird über axial oder tangential ausgerichtete Schlitze 2 einer Wirbelkammer 3 zugeführt. Die Wirbelkammer enthält an ihrer Austrittsseite einen Einengungsabschnitt 4, der bewirkt, daß die Luftwirbel vor dem Ausströmen noch stärker sind. Die starken Wirbel führen zu einem Unterdruck in dem Axialbereich und somit zu einer Gegenströmung, wie schematisch anhand der Strömungslinien 5 gezeigt ist.
Mit Hilfe einer zentralen Ölzufuhrleitung 6 wird Öl in die konische Rückfläche 7 der Wirbelkemmer 3 eingeführt. Durch die Gegenströmung und die Wirbelbewgung der Luft in der Wirbelkammer 3 wird Öl entlang dem Kegel 7 herausgeführt, damit es über die Wandteile zwischen den Passagen 2 die Fläche erreicht, die sich kegelförmig zu der Öffnung 4 hin erstreckt, bei der der Wirbelluftstrom 8 gewährleistet, daß sich das Öl in einem dünnen Film entlang der Oberfläche mit relativ hoher Geschwindigkeit bewegt. In dem Einengungsabschnitt 4 tritt eine Aufblätterung des Ölfilms auf, der direkt zerstäubt wird. Aufgrund der Wirbelbrechung, die unmittelbar nach der Einengung 4 in dem Flammenraum 9 auftritt, findet eine außerordentlich feine Zerstäubung statt. Dieser Flammenraum enthält eine Rückwand 10 und eine Kegelwand 11, die als Zylinder gezeigt ist.
Der die Wirbelkammer 3 verlassende Strom explodiert unter Bildung sehr starker Turbulenzen, wodurch im Ergebnis axial ein Unterdruck gebildet wird, und ein Gegenstromwirbel 12, der entlang der Rückwand 10 strömt und sich in stabiler Weise an der Rückwand schließt, teilweise aufgrund des durch die lokale Strömungsgeschwindigkeit gebildeten Unterdrucks.
Wird die Flamme gezündet, so tritt eine sehr konzentrierte Verbrennung in dem Bereich 13 auf, der durch eine gestrichelte Linie gekennzeichnet ist, jedoch gewährleistet die Gegenströmung 14 aufgrund des Wirbels 12 eine Abkühlung der Flamme. In dem Mittenabschnitt vor dem Entladungsbereich der Strömung der Wirbelkammer 3 tritt ein Unterdruck auf, und hierdurch kann ein Wirbel auftreten, wie durch 15 gezeigt ist. Auch dieser Wirbel ist stabil und läßt sich nicht ausbiasen. Da die Hauptströmung, die bei 16 gezeigt ist, sich wieder zu der Achse des Flammenraums bewegt, ist es nicht möglich, daß Gas aus dem Auslaßbereich des Brenners oder selbst im mittleren Bereich in den Bereich der Flamme zurückströmt.
Der Schlitz 17 zwischen der Wand 11 und der Rückfläche 10 kann eine Sekundärluftversorgung gewährleisten, wenn dies gewünscht ist. Weiterhin läßt sich die Rückfläche 10 kühlen, beispielsweise durch Wasser in dem Fall, in dem der Brenner zum Heizen von Wasser eingesetzt wird, beispielsweise in einem Zentralheizungskessel. Anstelle der Sekundärluft kann Abgas oder ein zu verbrennendes gasförmiges Produkt eingeführt werden, und in diesem Fall gewährleistet die sehr starke Vermischung durch die Wirbelbrechung eine höchsteffiziente Verbrennung.
Da die Rotationsgeschwindigkeit nur geringfügig oder gar nicht abnehmen darf, wenn durch Steuerung des Brenners eine Wirbelbrechung erhalten werden soll, kann eine Steuerung so realisiert werden, daß Verbrennungsluft mit voller Geschwindigkeit zugeführt wird und anschließend ein Teil dieser Luft rückgeführt wird, wie schematisch durch die Schlitze 18 gezeigt ist, die einen Zugriff auf einen Raum 19 ermöglichen, der einen Luftauslaß über einen Steuerblock 20 aufweist.
Der gezeigte Brenner weist nicht nur eine hohe Stabilität zum Vermeiden des Ausblasens und eine außerordentlich gründliche Vermischung von Verbrennungsluft und Brennstoff und somit eine kurze Flamme auf, sondern er gewährleistet auch, daß eine Mischung mit Sauerstoff und Stickstoff nur über eine kurze Zeitdauer hinweg eine hohe Temperatur aufweist. Dies ist ein weiterer Grund dafür, daß der Brenner eine geringe Stickstoffoxid-Emission aufweist.
Die gezeigte Wirbelkammer 3 empfängt das Gas mit einem Rotationsanteil durch die Schlitze 2, die eine Vorrichtung zum Auslösen einer Rotation bilden. Die Axialgeschwindigkeit der ausströmenden Luft ist nun umgekehrt proportional zu dem Quotienten des kreisförmigen Schlitzbereichs 2 und der Kreisöffnung in dem Einengungsabschnitt. Es ist sehr gut möglich, daß die letztere größer ist als der Abschnitt des kreisförmigen Schlitzes, wobei in diesem Fall die Axialgeschwindigkeit beim Ausströmen aus der Wirbelkammer niedriger als beim Eintritt ist, wodurch sich das Verhältnis zwischen der Rotationsgeschwindigkeit und der Axialgeschwindigkeit weiter erhöht.
Selbst in dem Fall, in dem ein Körper zum Herbeiführen einer Rotation einen Wirbel mit überall gleicher Winkelgeschwindigkeit um die Achse bewirkt (Festkörper-Rotation) und dieser Wirbel über die Einengung in eine geräumigere Strömungsröhre gleitet wird, tritt wiederum eine Wirbeibrechung auf, und zudem ein Kreiswirbel. Dies bewirkt eine außerordentlich intensive Vermischung der Gasströmung, beispielsweise wenn diese ein Mischgas, ein Mischfluid oder pulverförmige Partikel enthält. Zusätzlich sei erwähnt, daß sich die Erfindung für die Verbrennung eines pulverförmigen Brennstoffs, beispielsweise Kohlenpartikel, bestens eignet, jedoch auch von Aluminium, das zu Aluminiumoxid verbrannt werden kann, was möglicherweise beim Erhalten von Solarenergie wichtig wird, wenn sich durch Solarenergie Aluminiumoxid zu Aluminium reduzieren läßt und später wiederum als Energiequelle verbrannt werden kann.
Die Fig. 2 zeigt schematisch den Fall, in dem ein Körper 21 zum Herbeiführen einer Rotation einen Wirbel mit überall gleicher Winkelgeschwindigkeit um die Achse bewirkt (Festkörper-Rotation). Dieser Wirbel wird über die Einengung 22 geführt, die nicht maßstabsgetreu gezeigt ist, und zwar in eine größere Strömungsröhre 23, wobei während dieses Prozesses wiederum eine Wirbelbrechung auftritt, und ferner der Kreiswirbel 24. Auch diese Vorrichtung bewirkt eine außerordentlich intensive Vermischung der Gasströmung, beispielsweise wenn sie ein Mischgas, ein Mischfluid oder pulverförmige Partikel enthält.
Wie sich aus der Zeichnung gemäß Fig. 3, in der die Einengung nicht maßstabsgetreu gezeigt ist, ergibt, wird in Punkt 25 durch die Wirbelbrechung ein Unterdruck erzeugt, was dazu führt, daß sich möglicherweise der durch den Pfeil 26 gezeigte Strom bildet. Jedoch zwingt der Flammenraum 27 die ausströmenden Gase, deren Volumen durch die Verbrennung erheblich zunimmt, zurück entlang der Achse in den Raum, wie durch die Pfeile 29 gezeigt ist. Hierdurch wird gewährleistet, daß der Strom 26 gering bleibt oder sogar unterbrochen wird, während der Strömungskörper 30 aufgrund des Unterdrucks bei 25 und des durch die schnelle Bewegung des Gases in seiner unmittelbaren Nähe erzeugten Unterdrucks stabilisiert und nicht ausgeblasen wird.
Die Fig. 4 zeigt einen schematischen Querschnitt zum Darstellen einer vorteilhaften Form der Einengung. Es hat sich gezeigt, daß eine zu steile Einengung zu einem gewissen Schub führt, und daß dann, wenn sie zu flach ist, sie eine zu große axiale Länge aufweist, und entsprechend eine zu große Reibung bewirkt. In dem Beispiel, das in Fig. 4 gezeigt ist, ist der Winkel, der von der Einengung mit der Achse an dem Ende der Einengung gebildet wird, etwas geringer als 60º.
Im Fall des Kreisschlitzes mit einer Breite von 1/8 bis 1/4 des Außendurchmessers D (vgl. Fig. 1 und 4) wurde mit einer Axialgeschwindigkeit im Schlitz, die gleich der Rotationsgeschwindigkeit an Ort und Stelle ist, ein Brenner mit kontinuierlichem Brennvorgang erhalten, bei einem Außendurchmesser des Schlitzes von 17,5 mm, einem Innendurchmesser der Mittenöffnung von 12 mm und einem Durchmesser des Brennerkörpers von 90 mm. Ein derartiger Brenner hält einem Druck der eingeführten Verbrennungsluft von 1000 N/m² stand, ohne daß die Gefahr des Ausblasens besteht.
In Fig. 5 ist ein weiteres Beispiel einer Ausführung schematisch dargestellt. Hier ist der Luftzuführungsschlitz 2 wieder gezeigt, durch den axial verwirbelte Luft in den Raum 31 eintritt, wie durch den Pfeil 32 gezeigt ist. Der Pfeil ist nach innen geneigt, da durch einen ringförmigen oder kreisförmigen Schlitz 33 radial nach innen strömendes und tangential verwirbeltes Gas eingeführt wird, das vorzugsweise auch eine Axialgeschwindigkeit aufweist. Dies ist jedoch in Fig. 5 nicht gezeigt. Die Luft zwingt die aus dem kreisförmigen Schlitz 2 austretende verwirbelte Luft nach innen, was im Ergebnis dazu führt, daß die letztere eingeschränkt wird, wodurch sich eine Expansion der Verwirbelung ergibt.
Durch die Erfindung wird nicht nur ein kompakter und außerordentlich stabiler Brenner geschaffen, sondern sie dient auch zur Herstellung einer Brenner-Sprühdüse mit einem breiten Angleichsbereich. Im Vergleich zu bekannten Drucksprühdüsen weist eine derartige Brenner-Sprühdüse zwei Vorteile auf:
1) Bei einer niedrigen Öldurchströmung ist die Zerstäubung besser als bei einer hohen Öldurchströmung. Da jedoch bei einer hohen Durchströmung die Flamme länger wird und demnach mehr Raum einnimmt, in dem eine Vermischung auftreten kann, wird eine konstante Brennqualität bei hoher und geringer Öldurchströmung erreicht.
2) Eine gute Luftkühlung, durch die vermieden wird, daß der Brenner verschmutzt oder bei hohen Temperaturen blockiert wird.
Aus diesem Grund eignet sich die Erfindung als Sprühdüse für jede Art von Brenner, also zum Mischen von Brennstoff mit Verbrennungsluft für jede Anwendung bei einem breiten Anwendungsbereich.
Zum Erklären des Phänomens der Wirbeibrechung dienen die folgenden Anmerkungen.
Bei einer rotationssymmetrischen zweidimensionalen stetigen Strömung läßt sich aus der Kontinuitätsgleichung
die Existenz einer Strömungsfunktion Φ ableiten:
und
Liegen keine externen Kräfte vor und wird der Einfluß der Viskosität vernachlässigt, so ergibt sich gemäß Navier-Stokes
mit
für die Wirbelbewegung führt dies zu:
Die φ-Komponente von (1) führt nun zu Uφ. r = konsant f(Φ), wenn man davon ausgeht, daß der Bereich um die Achse ein Bereich mit "Festkörper"- Rotation ist; demnach gilt
Uφ = Ω.r
und
Ω r²=f(φ).
Für die Komponenten von ω gilt nun
und
Aus (1) und (2) folgt für
so daß die Strömungsfunktion Φ gegeben ist durch
mit f = Ωr².
Nun soll untersucht werden, was passiert, wenn eine Strömung in dem Zylinder auf einen anderen Zylinder mit größerem Durchmesser trifft.
Für den kleinsten Zylinder stromaufwärts sei angenommen, daß in der Nähe der Achse in Z-Richtung eine Geschwindigkeit U&sub0; beträgt, so daß gilt:
und somit
und
Die Bernoulli-Flächen bei dieser Strömung sind Zylinder, und somit ist der Druck bis auf einen konstanten Term gegeben durch
Dann wird
bis auf eine Konstante dargestellt durch:
Der obige Ausdruck führt zu
Die Strömungsfunktion
einer Rotationsströmung in einem Zylinder ist demnach bestimmt durch
einer Bessel-Gleichung erster Ordnung.
Somit ergibt sich für die reguläre Lösung bei der Achse
In dem kleinsten Zylinder stromaufwärts sei der Wert einer Axialgeschwindigkeit U&sub0; in einem Bereich mit Verwirbelung und mit einem Durchmesser von 2r&sub0;.
Stromabwärts in dem größten Zylinder sie der Wert einer Axialgeschwindigkeit U&sub1; in dem Bereich mit Verwirbelung mit einem Durchmesser von 2r&sub1;.
Für die stromaufwärtige und die stromabwärtige Strömungsfunktionen gilt demnach:
und somit.
und
Erfolgt ein Bezug auf die Axialgeschwindigkeit am Rand der stromaufwärtigen Verwirbelung unter U&sub1;, so ergibt sich als Beziehung zwischen U&sub1;, U&sub0;, kr&sub0; und kr&sub1;:
Ist kr&sub0; groß genug und/oder U&sub1;/U&sub0; klein genug, so hat der obige Ausdruck keine Lösung. In diesem Fall tritt eine "Wirbeibrechung" auf.
In der Figur ist der Wert von kr&sub1;/kr&sub0; als eine Funktion von kr&sub0; bezeichnet. Es zeigt sich, daß anfänglich zwei Lösungen bei einem bestimmten Wert von kr&sub0; möglich sind, anschließend lediglich eine in einem Maximum und schließlich keine. In diesem letzten Bereich tritt eine Wirbelbrechung auf, jedoch sollte in Betracht gezogen werden, daß in der Strömung immer kleinere Wirbel auftreten, die in die Berechnung nicht mit einbezogen sind, so daß die angegebene Beziehung lediglich als eine Approximation anzusehen ist und hieraus keine Beschränkung der Erfindung abzuleiten ist.
Es ist leicht, eine Wirbelbrechung in einem Brenner zu beobachten, da in diesem Fall die Verbrennung in einem relativ geringen torusförmigen Bereich auftritt. Dieser Bereich ist ruhig und bewegt sich kaum. Besteht der Brennstoff aus Öl, so hat dieser Bereich eine blaue Farbe und das Öl wurde nahezu vollständig in Gasform übergeführt. Mit steigender Temperatur nimmt dieser Bereich einen tieferen Blauton an. Im Fall einer weniger vollständigen Umsetzung in Gas liegen gelbe leuchtende Kohlepartikel in diesem Bereich vor, jedoch zeigt die Erfahrung, daß mit einer ausreichenden Zufuhr von Sauerstoff sämtliche nicht verbrannte Rußpartikel oder Kohlenwasserstoffe in dem Restgas vollständig verbrannt werden.
Eine wichtige Anwendung der Erfindung ist eine Sprühdüse bzw. zerstäuber, in der der erhaltene sehr feine Nebel, die sehr gründlich durchmischte Gasmischung oder die sehr homogene Suspension fester Partikel direkt in dem Flammenraum verbrannt werden.
Es ist möglich, die gemischte Substanz vor dem Entstehen des Kontakts mit dem Luftstrom in eine Rotationsbewegung zu versetzen. Dies ist insbesondere in dem Fall wichtig, in dem ein Mischen mit einem Gas mit geringem Heizwert erfolgt.
Der Körper zum Herbeiführen der Rotationsbewegung kann jede Form aufweisen, solange er eine zusätzliche Rotationsbewegung bei der Gasströmung bewirkt. Zusätzlich kann er auch sich bewegende oder drehende Teile enthalten, beispielsweise ein Laufrad.

Claims

1. Brenner, versehen mit Mitteln zur Mischung eines Verbrennungsluftstroms mit einem Brennstoff, enthaltend:

(i) eine axial-symmetrische Wirbelkammer (3), die in axialer Stromöungsrichtung an der Austrittsseite einen Einengungsteil (4) hat, mit einer zentralen Öffnung, die von einem Flammenraum (9) gefolgt wird,

(ii) einen Körper (2), der Rotation der Verbrennungsluft hervorruft, beim Umfang der genannten Wirbelkammer (3) angeordnet und nahe dem Anfang des genannten Einengungsteil (4) mit Austrittsöffnungen für die Verbrennungsluft versehen ist,

(iii) wobei die Wirbelkammer (3) an ihrem Anfang eine größere Querschnittsfläche in der axialen Strömungsrichtung als die Austrittsöffnungen hat,

(iv) wobei der Strömungsquerschnitt nach der zentralen Öffnung sich plötzlich erweitert und der Diameter des Flammraums (9) wenigstens 2,5 mal den der zentralen Öffnung ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Einengung den Diameter der Wirbelkammern zu 0,9 - 0,7 ihres größten Diameters zurückbringt.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichung

in welcher

U&sub0; = axiale Geschwindigkeit am Ende der Einengung;

U&sub1; = axiale Geschwindigkeit im Flammraum;

k = 2Ω/U&sub0; mit Ω = die Winkelgeschwindigkeit, und J&sub0; und J&sub1; Besselfunktionen der nullsten und ersten Ordnung sind, keine reelle Lösung hat.

3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, in welchem der tangentiale Komponent des Stroms, der in die Wirbelkammer geführt wird, wenigstens dem axialen Komponenten gleich ist.

4. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Einengungsteil unmittelbar mit den Austrittsöffnungen des die Rotation hervorrufenden Körpers verbunden ist.

5. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Einengungsteil an seinem Ende einen Winkel von mehr als 50º mit der Achse einschließt.

6. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mitte einer Oberfläche, die das zentrale Gebiet des die Rotation hervorrufenden Körpers abschließt, eine Zufuhr für flüssigen oder pulverförmigen Brennstoff enthält, der über diese Oberfläche bis zur Austrittsöffnungen des die Rotation hervorrufenden Körpers kann bewegen.

7. Brenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Oberfläche kegelförmige und der Hauptströmungsrichtung entgegen gerichtet ist.

8. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Diameter des Flammraums wenigstens fünf mal der Öffnung der der Öffnung im Einengungsteil ist.

9. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Flammraum derart zapfenförmig ist, daß sich ein stabiler Gaskörper bildet der vorbeugt, daß Gas zurückströmt vom Endgebiet des Flammraums zu dem Unterdruckgebiet, der vom vortex break down gebildet wird.

10. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Hinterwand des Flammraums, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel anwesend sind um die Hinterwand zu kühlen.

11. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Hinterwand des Flammraums, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schlitz im Flammraum nahe der Hinterwand anwesend ist.

12. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine steuerbare Abzweigung für Luft anwesend ist, die ganz oder teilweise durch den die Rotation hervorrufenden Körper gegangen ist.

13 - Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel angeordnet sind um eine pulverförmige Substanz in den Lufteinlaßstrom einzulassen.

14. Verfahren zur Mischung eines Verbrennungsluftsroms mit einem gasförmigen, flüssigen oder pulverförmigen Brennstoff zur Verbrennung desselben, in welchem ein Luftstrom in eine axial symmetrische Wirbelkammer beim Umfang dieser Kammer geführt mit einer Rotationskomponente wobei die Wirbelkammer einen Austritt hat, der in einen Flammraum mündet mit einem Diameter von wenigstens 2,5 mal den des eingeengten Luftstroms, dadurch gekennzeichnet, daß ein gasförmiger Strom, der Luft enthält, mit einem nach innen gerichteten Komponent den Verbrennungsluftstrom verläßt seinen Querschnitt zu kontrahieren in der axialen Richtung bis zu weniger als die axiale Querschnittsfläche der Wirbelkammer bei deren Anfang, wo sie den Verbrennungsluftstrom empfängt, und bis auf 0,9- 0,7 seines größten Diameters vor der genannten Kontrahierung.