DE102022106816A1 - Burner device - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennervorrichtung (100) zur Verbrennung von mindestens einem Brennstoff mit mindestens einem Oxidator, wobei die Brennervorrichtung (100) eine zentrale Längsachse (102) und eine zur zentralen Längsachse (102) zumindest annähernd parallele Hauptströmungsrichtung (104) aufweist, und wobei die Brennervorrichtung (100) Folgendes umfasst: einen Brennerkopf (108) zur Zuführung von Brennstoff und/oder Oxidator zu einer Brennkammer, und ein Flammrohr (106), in welchem der Brennerkopf (108) angeordnet ist, wobei der Brennerkopf (108) Folgendes umfasst: zumindest eine Eindüsungsvorrichtung (120, 122) mit mehreren Eindüsungsöffnungen (132, 164) zur Eindüsung von Brennstoff, und zumindest eine Blendenplatte (116, 118) mit mehreren Blendenöffnungen (146, 148) für Brennstoff und/oder Oxidator, wobei die zumindest eine Blendenplatte (116, 118) bezüglich der Hauptströmungsrichtung (104) stromabwärts der zumindest einen Eindüsungsvorrichtung (120, 122) angeordnet ist; und/oder wobei die zumindest eine Blendenplatte (116, 118) mehrere unterschiedlich ausgebildete Blendenöffnungen (146, 148) umfasst; und/oder wobei die zumindest eine Eindüsungsvorrichtung (120, 122) mehrere unterschiedlich ausgebildete Eindüsungsöffnungen (132, 164) umfasst. The present invention relates to a burner device (100) for burning at least one fuel with at least one oxidizer, wherein the burner device (100) has a central longitudinal axis (102) and a main flow direction (104) that is at least approximately parallel to the central longitudinal axis (102), and wherein the burner device (100) comprises: a burner head (108) for supplying fuel and/or oxidizer to a combustion chamber, and a flame tube (106) in which the burner head (108) is arranged, the burner head (108) having the following comprises: at least one injection device (120, 122) with a plurality of injection openings (132, 164) for injecting fuel, and at least one aperture plate (116, 118) with a plurality of aperture openings (146, 148) for fuel and / or oxidizer, the at least an orifice plate (116, 118) is arranged downstream of the at least one injection device (120, 122) with respect to the main flow direction (104); and/or wherein the at least one aperture plate (116, 118) comprises a plurality of differently designed aperture openings (146, 148); and/or wherein the at least one injection device (120, 122) comprises a plurality of differently designed injection openings (132, 164).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennervorrichtung zur Verbrennung von mindestens einem Brennstoff mit mindestens einem Oxidator. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennerkammervorrichtung mit einer Brennervorrichtung und ferner eine thermische Abgasreinigungsanlage mit einer Brennervorrichtung.The present invention relates to a burner device for burning at least one fuel with at least one oxidizer. The present invention further relates to a burner chamber device with a burner device and further to a thermal exhaust gas purification system with a burner device.
Immer strengere gesetzliche Vorgaben bedingen beispielsweise bei thermischen Abluftreinigungssystemen eine Tendenz hin zu immer niedrigeren NOx-Werten, welche mit den bisherigen Brennervorrichtungen bzw. Brennern kaum noch zu erreichen sind, da derzeit u.a. noch sehr hohe Brennkammertemperaturen bei geringem Massenstrom vorherrschen. Zudem tritt bei klassischen Low-NOx-Strahlbrennern der Brennstrahl tief in das Strömungsgebiet nach dem Brennerkopf ein, wodurch seitlich dieses Strahls größere Rezirkulationsgebiete entstehen. Infolgedessen wird versucht, eine schnelle Homogenisierung von Brennstoff und Oxidator durch eine komplexe Eindüsungsgeometrie zu erreichen, was aber bei größeren Brennern schnell zu hohen Investitionen führt. Schließlich sind die aktuellen Brenner nicht für die Nutzung von Wasserstoff ausgelegt.Increasingly strict legal requirements, for example in thermal exhaust air purification systems, result in a trend towards ever lower NO x values, which can hardly be achieved with the previous burner devices or burners, since very high combustion chamber temperatures still prevail at low mass flow rates. In addition, in classic low-NO x jet burners, the combustion jet enters deep into the flow area after the burner head, which creates larger recirculation areas to the side of this jet. As a result, attempts are made to achieve rapid homogenization of fuel and oxidizer through a complex injection geometry, but this quickly leads to high investments for larger burners. After all, current burners are not designed to use hydrogen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Brennervorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche einfach und kostengünstig herzustellen ist, eine gleichmäßige und schnelle Durchmischung von Brennstoff und Oxidator erzielt, geringere NOx-Emissionen verursacht und/oder zumindest für die Nutzung von Wasserstoff/Methan-Gemischen vorbereitet ist.The present invention is therefore based on the object of creating a burner device of the type mentioned, which is simple and inexpensive to produce, achieves uniform and rapid mixing of fuel and oxidizer, causes lower NO x emissions and / or at least for the use of Hydrogen/methane mixtures are prepared.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Brennervorrichtung zur Verbrennung von mindestens einem Brennstoff mit mindestens einem Oxidator bereitgestellt wird, wobei die Brennervorrichtung eine zentrale Längsachse und eine zur zentralen Längsachse zumindest annähernd parallele Hauptströmungsrichtung aufweist, und wobei die Brennervorrichtung Folgendes umfasst:
- - einen Brennerkopf zur Zuführung von Brennstoff und/oder Oxidator zu einer Brennkammer, und
- - ein Flammrohr, in welchem der Brennerkopf angeordnet ist,
- - a burner head for supplying fuel and/or oxidizer to a combustion chamber, and
- - a flame tube in which the burner head is arranged,
Der Brennerkopf umfasst Folgendes:
- - zumindest eine Eindüsungsvorrichtung mit mehreren Eindüsungsöffnungen zur Eindüsung von Brennstoff, und
- - zumindest eine Blendenplatte mit mehreren Blendenöffnungen für Brennstoff und/oder Oxidator,
wobei die zumindest eine Blendenplatte mehrere unterschiedlich ausgebildete Blendenöffnungen umfasst; und/oder
wobei die zumindest eine Eindüsungsvorrichtung mehrere unterschiedlich ausgebildete Eindüsungsöffnungen umfasst.The burner head includes the following:
- - at least one injection device with several injection openings for injecting fuel, and
- - at least one aperture plate with several aperture openings for fuel and/or oxidizer,
wherein the at least one aperture plate comprises a plurality of differently designed aperture openings; and or
wherein the at least one injection device comprises a plurality of differently designed injection openings.
Vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Brennervorrichtung kann sein, dass im Vergleich zu herkömmlichen Brennervorrichtungen deutlich niedrigere NOx-Werte bei einer gleichmäßigeren Verbrennung erreicht werden können. Durch eine gleichmäßigere und schnellere Durchmischung von Brennstoff und Oxidator werden die entsprechenden thermischen Reaktionen beschleunigt, wodurch sich die Brennkammertemperatur senken lässt.An advantage of the burner device according to the invention can be that, compared to conventional burner devices, significantly lower NO x values can be achieved with more uniform combustion. By mixing the fuel and oxidizer more evenly and quickly, the corresponding thermal reactions are accelerated, which allows the combustion chamber temperature to be reduced.
Insbesondere der Einsatz der Blendenplatte optimiert vorzugsweise die Rezirkulationszonen, die Flammenankerung und/oder die Flammenstabilisierung. Vorzugsweise werden zudem der eingedüste Brennstoff oder Oxidator beschleunigt und/oder eine verbesserte Durchmischung von Brennstoff und Oxidator ermöglicht. Im Ergebnis kann die Verbrennung, wie bereits erwähnt, vorzugsweise bei niedrigeren Temperaturen ablaufen, wodurch insbesondere die NOx-Emissionen gesenkt werden.In particular, the use of the orifice plate preferably optimizes the recirculation zones, the flame anchoring and/or the flame stabilization. Preferably, the injected fuel or oxidizer is also accelerated and/or improved mixing of fuel and oxidizer is made possible. As a result, as already mentioned, combustion can preferably take place at lower temperatures, which in particular reduces NO x emissions.
Es ist ferner möglich, dass je zwei benachbarte Blendenöffnungen der zumindest einen Blendenplatte und/oder je zwei benachbarte Eindüsungsöffnungen der zumindest einen Eindüsungsvorrichtung unterschiedlich in Form, Dimensionierung und/oder ihrer Ausrichtung zueinander und/oder in Bezug auf die Hauptströmungsrichtung bzw. zentrale Längsachse ausgebildet und/oder angeordnet sind.It is also possible for two adjacent aperture openings of the at least one aperture plate and/or two adjacent injection openings of the at least one injection device to be designed differently in shape, dimension and/or their orientation to one another and/or in relation to the main flow direction or central longitudinal axis and / or are arranged.
Außerdem kann vorgesehen sein, dass die Anordnung der zumindest einen Blendenplatte an der zumindest einen Eindüsungsvorrichtung bedeutet, dass diese in Bezug auf die Hauptströmungsrichtung in unmittelbarer räumlicher Nähe zueinander angeordnet sein können, ohne dabei jedoch die Strömung des Oxidators um die Eindüsungsvorrichtung herum durch die Blendenöffnungen der zumindest einen Blendenplatte hindurch zu verhindern.In addition, it can be provided that the arrangement of the at least one aperture plate on the at least one injection device means that they can be arranged in close spatial proximity to one another with respect to the main flow direction, but without the flow of the oxidizer around the injection device through the aperture openings of the to prevent at least one aperture plate from passing through.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Brennerkopf weiter zumindest eine Drallvorrichtung zur Verdrallung des durch den Brennerkopf zugeführten Brennstoffs und/oder Oxidators umfasst, welche bezüglich der Hauptströmungsrichtung zumindest teilweise stromaufwärts der zumindest einen Eindüsungsvorrichtung angeordnet ist.In one embodiment of the invention it is provided that the burner head further has at least one swirl device for swirling the fuel and/or oxide supplied through the burner head dators, which is arranged at least partially upstream of the at least one injection device with respect to the main flow direction.
Hierdurch wird der durchströmende Anteil des Oxidators nur einmal für die Verdrallung umgelenkt und somit kann die Strömungsgeschwindigkeit vorzugsweise fast unverändert für die Durchmischung mit dem Brennstoff verwendet werden. Die Eindüsung des Brennstoffs wird durch einen derartigen Aufbau vorzugsweise optimiert und es kommt optimalerweise zu weniger Druckverlusten und/oder niedrigeren Emissionen.As a result, the portion of the oxidizer flowing through is deflected only once for the twist and thus the flow velocity can preferably be used almost unchanged for mixing with the fuel. The injection of the fuel is preferably optimized by such a structure and optimally there are fewer pressure losses and/or lower emissions.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zumindest eine Drallvorrichtung mit der zumindest einen Eindüsungsvorrichtung verbunden ist oder einen Abstand zu der zumindest einen Eindüsungsvorrichtung aufweist, welcher konstant ist oder variabel einstellbar ist.In one embodiment of the invention it is provided that the at least one swirl device is connected to the at least one injection device or has a distance from the at least one injection device which is constant or variably adjustable.
Vorstellbar ist, dass die zumindest eine Eindüsungsvorrichtung an dem in Bezug auf die Hauptströmungsrichtung stromabwärtsseitigen Ende der zumindest einen Drallvorrichtung zumindest teilweise in diese integriert ist. Aber auch ein fester Abstand zwischen der zumindest einen Drallvorrichtung und der zumindest einen Eindüsungsvorrichtung kann vorteilhaft sein. Ferner ermöglicht ein variabel einstellbarer Abstand auf veränderliche Randbedingungen des Strömungssystems der Brennervorrichtung zu reagieren, um den Verbrennungsvorgang so anzupassen zu können, dass die NOx-Emissionen effizient reduziert werden.It is conceivable that the at least one injection device is at least partially integrated into the at least one swirl device at the downstream end with respect to the main flow direction. But a fixed distance between the at least one swirl device and the at least one injection device can also be advantageous. Furthermore, a variably adjustable distance makes it possible to react to changing boundary conditions of the flow system of the burner device in order to be able to adapt the combustion process so that the NO x emissions are efficiently reduced.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zumindest eine Drallvorrichtung mit der zumindest einen Blendenplatte verbunden ist.In one embodiment of the invention it is provided that the at least one swirl device is connected to the at least one diaphragm plate.
Durch eine Verbindung der zumindest einen Drallvorrichtung mit der zumindest einen Blendenplatte und der zwischen diesen beiden angeordneten, zumindest einen Eindüsungsvorrichtung kann in vorteilhafter Weise eine kompakte Bauform der Brennervorrichtung realisiert werden.By connecting the at least one swirl device to the at least one diaphragm plate and the at least one injection device arranged between these two, a compact design of the burner device can advantageously be realized.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Drallvorrichtung mehrere Drallkörper umfasst, welche zur Verdrallung des durchströmenden Brennstoffs und/oder Oxidators gegenüber der Hauptströmungsrichtung jeweils um eine radiale Achse, bezogen auf die zentrale Längsachse, geneigt sind.In one embodiment of the invention it is provided that the swirl device comprises a plurality of swirl bodies, which are each inclined about a radial axis, relative to the central longitudinal axis, in order to swirl the fuel and/or oxidizer flowing through relative to the main flow direction.
Die Drallkörper können vorzugsweise die Form von geraden oder gebogenen Platten aufweisen; vorstellbar sind u.a. aber auch Flügelprofile oder dergleichen.The swirl bodies can preferably have the shape of straight or curved plates; Wing profiles or the like are also conceivable.
Vorteilhaft ist es, wenn die Drallkörpern in einer Umfangsrichtung, bezogen auf die zentrale Längsachse, äquidistant zueinander angeordnet sind, da somit eine gleichmäßige Verdrallung des durchströmenden Oxidatoranteils gewährleistet wird und es auf Höhe der Drallkörper nicht zu lokalen Druckunterschieden bzw. -verlusten kommt.It is advantageous if the swirl bodies are arranged equidistant from one another in a circumferential direction, relative to the central longitudinal axis, since this ensures uniform twisting of the oxidizer portion flowing through and there are no local pressure differences or losses at the level of the swirl bodies.
In einer bevorzugten Ausgestaltung erstrecken sich die Drallkörper lediglich bis zur Innenseite des Flammrohrs. Allerdings können sich die Drallkörper auch in einer möglichen weiteren Ausgestaltung radial zur zentralen Längsachse durch schlitzförmige Öffnungen des Flammrohrs erstrecken, wodurch zum einen eine kompakte Bauform ermöglicht und zum anderen die Möglichkeit der Verdrallung durch den das Flammrohr radial überragenden Abschnitt der Drallkörper auch für einen gewissen Bereich außerhalb des Flammrohrs verfügbar gemacht wird.In a preferred embodiment, the swirl bodies only extend to the inside of the flame tube. However, in a possible further embodiment, the swirl bodies can also extend radially to the central longitudinal axis through slot-shaped openings in the flame tube, which, on the one hand, enables a compact design and, on the other hand, the possibility of twisting through the section of the swirl bodies that projects radially beyond the flame tube, even for a certain area is made available outside the flame tube.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Drallkörper an ihren bezüglich der Hauptströmungsrichtung stromaufwärtsseitigen Kanten einen Vorsprung aufweisen.In one embodiment of the invention it is provided that the swirl bodies have a projection on their edges upstream with respect to the main flow direction.
Günstig an derartigen Vorsprüngen kann es sein, dass der durchströmte Bereich mit variablen Flammenhöhen beaufschlagt wird, d.h. es wird in Abhängigkeit der konkreten Ausgestaltung der Vorsprünge Einfluss auf die Flammhöhe in Hauptströmungsrichtung genommen.What is advantageous about such projections is that the area through which the flow flows is subjected to variable flame heights, i.e. the flame height in the main flow direction is influenced depending on the specific design of the projections.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Flammrohr an seinem bezüglich der Hauptströmungsrichtung stromabwärtsseitigen Ende mindestens einen Diffusor ausbildet.In one embodiment of the invention it is provided that the flame tube forms at least one diffuser at its downstream end with respect to the main flow direction.
Vorteilhaft kann es sein, wenn der Diffusor die Rezirkulation der inneren Strömung fördert und/oder wenn aufgrund des Diffusors das Flammrohr in seiner Geometrie stabilisiert wird, beispielsweise das entsprechende Ende des Flammrohrs eine im Vergleich zu einer zylinderförmigen Ausgestaltung erhöhte Steifigkeit aufweist. Der Diffusor bewirkt vorzugsweise ein Aufklappen des sekundären Anteils des Oxidators oder der Sekundärluft, welche außen am Flammrohr entlangströmt. Ein Aufklappen bzw. Aufweiten dieses Oxidatoranteils kann besonders wichtig für eine schnelle Durchmischung von Brennstoff und Oxidator sein, was vorzugsweise zu einer besseren Abluftreinigung führt.It can be advantageous if the diffuser promotes the recirculation of the internal flow and/or if the geometry of the flame tube is stabilized due to the diffuser, for example the corresponding end of the flame tube has increased rigidity compared to a cylindrical configuration. The diffuser preferably causes the secondary portion of the oxidizer or the secondary air to unfold, which flows along the outside of the flame tube. Opening up or expanding this oxidizer portion can be particularly important for rapid mixing of fuel and oxidizer, which preferably leads to better exhaust air purification.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Diffusor bezüglich der Hauptströmungsrichtung stromabwärts eine stetige Querschnittserweiterung aufweist.In one embodiment of the invention it is provided that the diffuser has a continuous cross-sectional expansion downstream with respect to the main flow direction.
Die notwendige oder gewünschte Geschwindigkeit der Durchmischung ist u.a. durch den Öffnungswinkel und den Verlauf der Querschnittserweiterung einstellbar, sodass eine stetige Querschnittserweiterung lediglich als besonders vorteilhaft angesehen wird.The necessary or desired speed of mixing is determined, among other things, by the opening angle and the course of the cross-sectional expansion The adjustment can be adjusted, so that a constant expansion of the cross-section is only viewed as particularly advantageous.
Der Öffnungswinkel der Querschnittserweiterung kann gleichbleibend sein. Möglich ist aber auch, dass der Öffnungswinkel der Querschnittserweiterung zu- oder abnimmt.The opening angle of the cross-sectional expansion can be constant. However, it is also possible that the opening angle of the cross-sectional expansion increases or decreases.
Sofern der Diffusor mittels eines additiven Fertigungsverfahrens wie dem 3D-Druck hergestellt wird, kann es sich ergeben, dass fertigungsbedingt Stufen ausgebildet werden. Diese in der Regel nicht stark ausgeprägte Stufenkontur auf Außen- und/oder Innenfläche des Diffusors soll ebenso als stetige Querschnittserweiterung verstanden werden.If the diffuser is manufactured using an additive manufacturing process such as 3D printing, it may result in production-related stages being formed. This generally not very pronounced step contour on the outer and/or inner surface of the diffuser should also be understood as a constant cross-sectional expansion.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zumindest eine Eindüsungsvorrichtung erste Eindüsungsöffnungen aufweist, deren Mittelachsen zumindest annähernd in die Hauptströmungsrichtung weisen.In one embodiment of the invention it is provided that the at least one injection device has first injection openings whose central axes point at least approximately in the main flow direction.
Hierdurch wird der Brennstoff und/oder Oxidator zumindest annährend parallel zur Hauptströmungsrichtung in die Brennerkammer eingedüst, wobei als Mittelachse einer Eindüsungsöffnung deren Hauptausströmungsrichtung zu verstehen ist.As a result, the fuel and/or oxidizer is injected into the burner chamber at least approximately parallel to the main flow direction, with the central axis of an injection opening being understood to be its main outflow direction.
Vorstellbar ist aber auch, dass die Mittelachsen der Eindüsungsöffnungen und die Hauptströmungsrichtung einen Winkel größer Null einschließen, da es vorteilhaft sein kann, die Eindüsungsöffnungen nicht in Richtung der Hauptströmungsrichtung auszurichten, sondern in Abhängigkeit weiterer einstellbarer Elemente der Brennervorrichtung einen Winkel gegenüber der Hauptströmungsrichtung vorzugeben, beispielsweise um die Durchmischung von eingedüstem Brennstoff und durchströmendem Oxidator zu optimieren.However, it is also conceivable that the central axes of the injection openings and the main flow direction enclose an angle greater than zero, since it can be advantageous not to align the injection openings in the direction of the main flow direction, but rather to specify an angle relative to the main flow direction depending on further adjustable elements of the burner device, for example in order to optimize the mixing of injected fuel and the oxidizer flowing through.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest eine der ersten Eindüsungsöffnungen einen in Hauptströmungsrichtung hervorragenden Eindüsungsstutzen aufweist.In one embodiment of the invention it is provided that at least one of the first injection openings has an injection nozzle which projects in the main flow direction.
Günstig ist dabei, dass Eindüsungsstutzen an den Eindüsungsöffnungen in Abhängigkeit ihres Profils bzw. ihrer Geometrie entlang der Mittelachse die Austrittsgeschwindigkeit des Brennstoffs aus der Eindüsungsöffnung erhöhen können.It is advantageous that injection nozzles at the injection openings can increase the exit speed of the fuel from the injection opening depending on their profile or geometry along the central axis.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zumindest eine Eindüsungsvorrichtung zweite Eindüsungsöffnungen aufweist, deren Mittelachsen jeweils mit der Hauptströmungsrichtung einen Winkel zwischen 0 Grad und 90 Grad einschließen.In one embodiment of the invention it is provided that the at least one injection device has second injection openings, the central axes of which each enclose an angle between 0 degrees and 90 degrees with the main flow direction.
Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn die zweiten Eindüsungsöffnungen einen von Null verschiedenen Winkel mit den ersten Eindüsungsöffnungen einschließen.In particular, it can be advantageous if the second injection openings enclose an angle other than zero with the first injection openings.
Zusätzliche Eindüsungsöffnungen, welche nicht in Hauptströmungsrichtung ausgerichtet sind, ermöglichen vorzugsweise, dass es zu lokaler vorgemischter Verbrennung kommt oder zumindest die lokale Durchmischung von Brennstoff und Oxidator erhöht wird und dadurch insgesamt neben einem erhöhten verfügbaren Brennstoffvolumen die Homogenisierung des Gemisches beschleunigt wird.Additional injection openings, which are not aligned in the main flow direction, preferably enable local premixed combustion to occur or at least the local mixing of fuel and oxidizer to be increased and thereby, overall, in addition to an increased available fuel volume, the homogenization of the mixture is accelerated.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die ersten und zweiten Eindüsungsöffnungen unabhängig voneinander steuerbar sind, d.h. es können entweder die ersten, die zweiten, oder die ersten und zweiten Eindüsungsöffnungen aktiviert bzw. deaktiviert werden, wodurch sich der Volumenstrom an Brennstoff einstellen lässt. Des Weiteren ist es möglich, dass über die ersten und die zweiten Eindüsungsöffnungen unterschiedliche Brennstoffe eingedüst werden. Die ersten und zweiten Eindüsungsöffnungen der zumindest einen Eindüsungsvorrichtung können alternierend oder gruppenweise angeordnet sein.In a further possible embodiment of the invention, it can be provided that the first and second injection openings can be controlled independently of one another, i.e. either the first, the second, or the first and second injection openings can be activated or deactivated, whereby the volume flow of fuel can be adjusted. Furthermore, it is possible for different fuels to be injected via the first and second injection openings. The first and second injection openings of the at least one injection device can be arranged alternately or in groups.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zumindest eine Eindüsungsvorrichtung ein Rohrring, eine sternförmige, geschlossene Rohranordnung, ein Rohrring mit einem fluidisch verbundenen, innenliegenden Rohrkreuz oder ein Rohrkreuz ist.In one embodiment of the invention it is provided that the at least one injection device is a pipe ring, a star-shaped, closed pipe arrangement, a pipe ring with a fluidically connected, internal pipe cross or a pipe cross.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind die Eindüsungsvorrichtungen nicht auf eine bestimmte Ausgestaltung eingeschränkt. Vielmehr ist in Abhängigkeit des konkreten Anwendungsfalls eventuell eine andere Ausgestaltung als ein Rohrring vorzugwürdig. So bietet z.B. die Variante eines Rohrrings mit fluidisch verbundenem Innenrohrkreuz die Möglichkeit, mehr Brennstoff in einem zentralen Bereich über die zusätzlichen Eindüsungsöffnungen einzudüsen.Within the scope of the present invention, the injection devices are not limited to a specific design. Rather, depending on the specific application, a design other than a pipe ring may be preferable. For example, the variant of a pipe ring with a fluidically connected inner pipe cross offers the possibility of injecting more fuel into a central area via the additional injection openings.
Als Rohrkreuz ist eine Anordnung zu verstehen, deren Anzahl an Kreuzstreben und damit verbunden auch der zwischen den Streben herrschende Winkel vom Anwendungsfall abhängen. Dabei soll unter einem Rohrkreuz insbesondere auch eine Anordnung von mindestens Rohrabschnitten verstanden werden, die im Wesentlich strahlenförmig um einen gemeinsamen Mittelpunkt angeordnet sind, bevorzugt mit einem eingeschlossenen Winkel von 120° zwischen je zwei benachbarten Rohrabschnitten. Die drei Rohrabschnitte sind dabei strömungsleitend mit zumindest einer Zuführung verbunden. Die Zuführung kann sowohl im Zentrum als auch das Rohrkreuz der Rohrabschnitte zumindest teilweise umschließend angeordnet sein.A pipe cross is an arrangement whose number of cross struts and, associated with this, the angle between the struts depend on the application. A pipe cross should in particular also be understood to mean an arrangement of at least pipe sections which are arranged essentially in a radial manner around a common center, preferably with an included angle of 120° between two adjacent pipe sections. The three pipe sections are connected to at least one feed in a flow-conducting manner. The feed can be in the center as well the pipe cross of the pipe sections can also be arranged at least partially enclosing it.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zumindest eine Eindüsungsvorrichtung einen runden oder eckigen Querschnitt aufweist.In one embodiment of the invention it is provided that the at least one injection device has a round or square cross section.
Runde oder rundliche Querschnitte sollen kreisförmige, ovale und elliptische Querschnitte umfassen.Round or rounded cross-sections shall include circular, oval and elliptical cross-sections.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zumindest eine Eindüsungsvorrichtung bezogen auf eine Ebene senkrecht zur zentralen Längsachse wellenförmig ausgebildet ist.In one embodiment of the invention it is provided that the at least one injection device is designed to be wave-shaped with respect to a plane perpendicular to the central longitudinal axis.
Über eine wellenförmige oder zick-zack-förmige Ausgestaltung einer Eindüsungsvorrichtung lässt sich vorzugsweise Einfluss auf die Flammenhöhe nehmen, wobei zusätzlich vorgesehen sein kann, dass die Ausrichtung der Eindüsungsöffnung einer solchen Eindüsungsvorrichtung in Bezug auf die Hauptströmungsrichtung im Tal und am Berg der Wellenform unterschiedlich sein kann.The flame height can preferably be influenced via a wave-shaped or zigzag-shaped design of an injection device, and it can also be provided that the orientation of the injection opening of such an injection device can be different in relation to the main flow direction in the valley and at the peak of the waveform .
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zumindest eine Blendenplatte erste Blendenöffnungen und zweite Blendenöffnungen aufweist.In one embodiment of the invention it is provided that the at least one aperture plate has first aperture openings and second aperture openings.
Vorzugsweise sind die ersten und zweiten Blendenöffnungen unterschiedlich in Form, Dimensionierung und/oder ihrer Ausrichtung zueinander und/oder in Bezug auf die Hauptströmungsrichtung bzw. zentrale Längsachse ausgebildet und/oder angeordnet, womit sich Einfluss nehmen lässt auf die Stabilisierung der Flammen.Preferably, the first and second aperture openings are designed and/or arranged differently in shape, dimension and/or their orientation to one another and/or in relation to the main flow direction or central longitudinal axis, which can be used to influence the stabilization of the flames.
Bei einer möglichen weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die ersten Blendenöffnungen und die zweiten Blendenöffnungen der Blendeplatte alternierend entlang der Umfangsrichtung angeordnet sind.In a possible further embodiment of the invention it is provided that the first aperture openings and the second aperture openings of the aperture plate are arranged alternately along the circumferential direction.
Die alternierende Anordnung kann den Vorteil bieten, dass sich verschiedene Verbrennungstypen und/oder Verbrennungsmodi an den jeweiligen Öffnungen einstellen und es so zu einer gegenseitigen Stabilisierung der Verbrennung an benachbarten Öffnungen kommt.The alternating arrangement can offer the advantage that different types of combustion and/or combustion modes occur at the respective openings, thereby resulting in mutual stabilization of the combustion at adjacent openings.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die ersten Blendenöffnungen kreisförmige Blendenöffnungen sind und dass die zweiten Blendenöffnungen elliptische, langloch- oder nierenförmige Blendenöffnungen sind.In one embodiment of the invention it is provided that the first aperture openings are circular aperture openings and that the second aperture openings are elliptical, elongated hole or kidney-shaped aperture openings.
Durch die unterschiedlichen Geometrien der Blendenöffnungen werden unterschiedliche Zone an der Blendenplatte erzeugt, welche sich vorzugsweise gegenseitig stabilisieren.The different geometries of the aperture openings create different zones on the aperture plate, which preferably stabilize one another.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweiten Blendenöffnungen bezüglich der Hauptströmungsrichtung stromabwärtsseitig der zumindest einen Blendenplatte zumindest teilweise abgedeckt sind, wobei der Grad der Abdeckung einstellbar ist.In one embodiment of the invention it is provided that the second aperture openings are at least partially covered with respect to the main flow direction downstream of the at least one aperture plate, the degree of covering being adjustable.
Einstellbar soll in diesem Zusammenhang einerseits eine Möglichkeit zur Einstellung des Abdeckungsgrades der zweiten Blendenöffnungen in Abhängigkeit der variablen Verbrennungsparameter, wie der Brennkammer-Temperatur, den Volumenströmen, den Drücken etc., bedeuten. d.h. eine Steuerung oder Regelung des Abdeckungsgrades ist möglich. Andrerseits kann sich die Einstellbarkeit auf die Anpassung des Abdeckungsgrades bei der Fertigung der zumindest einen Blendenplatte oder vor der Inbetriebnahme jeweils in Abhängigkeit des eigentlichen Anwendungsfalls.In this context, adjustable should mean, on the one hand, a possibility of adjusting the degree of coverage of the second aperture openings depending on the variable combustion parameters, such as the combustion chamber temperature, the volume flows, the pressures, etc. i.e. control or regulation of the degree of coverage is possible. On the other hand, the adjustability can refer to the adjustment of the degree of coverage during the production of the at least one aperture plate or before commissioning, depending on the actual application.
Die Abdeckung der zweiten Blendenöffnungen kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung mechanisch über Klappwinkel eingestellt werden.In an advantageous embodiment, the cover of the second aperture openings can be adjusted mechanically via folding angles.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass durch die ersten Blendenöffnungen hindurch Brennstoff von je einer der Eindüsungsöffnungen in die Brennkammer zuführbar ist und dass durch die zweiten Blendenöffnungen hindurch Brennstoff von je zwei der Eindüsungsöffnungen in die Brennkammer zuführbar ist.In one embodiment of the invention it is provided that fuel can be fed into the combustion chamber from one of the injection openings through the first aperture openings and that fuel can be fed into the combustion chamber from two of the injection openings through the second aperture openings.
Günstig kann es sein, wenn innerhalb einer Blendenplatte unterschiedliche Verbrennungsstufen oder Verbrennungstypen stattfinden. Während es an den kreisförmigen, ersten Blendenöffnungen mit einer zugeordneten Eindüsungsöffnung zu einer fetteren Verbrennung kommt, herrscht an den vorzugsweise langlochförmigen, zweiten Blendenöffnungen optimalerweise eine magerere Verbrennung, die wiederum über die fettere Verbrennung stabilisiert wird.It can be beneficial if different combustion stages or types of combustion take place within a diaphragm plate. While there is a richer combustion at the circular, first aperture openings with an associated injection opening, there is optimally a leaner combustion at the preferably elongated, second aperture openings, which in turn is stabilized by the richer combustion.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die je zwei Eindüsungsöffnungen, welche durch eine zweite Blendenöffnung Brennstoff in die Brennkammer zuführen, gegenüber einer Längsmittelachse der langlochförmigen Blendenöffnung radial, bezogen auf die zentrale Längsachse, versetzt sind.In one embodiment of the invention it is provided that the two injection openings, which supply fuel into the combustion chamber through a second aperture opening, are offset radially relative to the central longitudinal axis with respect to a longitudinal central axis of the elongated hole-shaped aperture opening.
Dies kann den Vorteil haben, dass sich die Brennerflamme bzw. die Verbrennung im radial äußeren Bereich stabilisiert. Dies kann auch dadurch bedingt sein, dass es durch die radial versetzte Anordnung von langlochförmiger Blendenöffnung und den zwei Eindüsungsöffnungen an der radial innenliegenden Langseite der langlochförmigen Blendenöffnung zu einem größeren Strom des Oxidators kommt, d.h. an den langlochförmigen Blendenöffnungen entstehen an den radial außenliegen Langseiten heißere Strömungspfade, während sich radial innenliegend vorzugsweise die kälteren Strömungspfade ausbilden.This can have the advantage that the burner flame or the combustion stabilizes in the radially outer area. This can also be due to the fact that it is due to the radially offset arrangement of the elongated hole-shaped aperture opening and the two injection openings on the radially inner long side of the elongated hole-shaped Aperture opening leads to a larger flow of the oxidizer, ie at the elongated hole-shaped aperture openings, hotter flow paths arise on the radially outer long sides, while the colder flow paths preferably form on the radially inner side.
Anders gesagt, ist es besonders vorteilhaft, wenn der Mittelpunkt der entsprechenden Blendenöffnungen bzw. deren Mittelachse, bezogen auf die Umfangsrichtung der Blendenplatte, radial weiter innen angeordnet ist als der Mittelpunkt der zugeordneten Eindüsungsöffnung bzw. -öffnungen, denn dadurch stellt sich eine stabile Flamme am äußeren Rand der Blendenplatte ein.In other words, it is particularly advantageous if the center of the corresponding aperture openings or their central axis, based on the circumferential direction of the aperture plate, is arranged radially further inwards than the center of the associated injection opening or openings, because this creates a stable flame outer edge of the aperture plate.
Dieser Effekt könnte des Weiteren auch, alternativ oder zusätzlich zu einem radialen Versatz der Blenden- und Eindüsungsöffnungen, durch Einschnürungen bzw. Vorsprünge, Aufweitungen oder dergleichen am äußeren und/oder inneren Rand der Blendenplatte erreicht bzw. gefördert werden.This effect could also, as an alternative or in addition to a radial offset of the aperture and injection openings, be achieved or promoted by constrictions or projections, widenings or the like on the outer and / or inner edge of the aperture plate.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Ableitkörper zur radialen Ableitung des Brennstoffs und/oder Oxidators bezüglich der Hauptströmungsrichtung stromabwärts im Wesentlichen mittig an der zumindest einen Blendenplatte angeordnet ist.In one embodiment of the invention, it is provided that a discharge body for radial discharge of the fuel and/or oxidizer is arranged downstream of the main flow direction substantially centrally on the at least one diaphragm plate.
Der Ableitkörper kann beispielsweise in einer bevorzugten Ausgestaltung kegelstumpfförmig sein, wodurch vorteilhaft der Fluidstrom beim stromabwärtsseitigen Austritt aus der zumindest einen Blendenplatte durch den kegelstumpfförmigen Ableitkörper weiter radial nach außen geführt bzw. gedrängt wird, womit eine schnelle Durchmischung von Brennstoff und Oxidator gefördert wird.For example, in a preferred embodiment, the diverter body can be truncated cone-shaped, whereby the fluid flow is advantageously guided or pushed further radially outward through the truncated cone-shaped diverter body as it exits the at least one diaphragm plate on the downstream side, thereby promoting rapid mixing of fuel and oxidizer.
Andere Geometrie sind aber auch vorstellbar, wie z.B. ein Rohr mit einem überstehenden Abschlussdeckelelement am stromabwärtsseitigen Ende.However, other geometries are also conceivable, such as a pipe with a protruding end cover element at the downstream end.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Brennerkopf eine erste Blendenplatte, eine zweite Blendenplatte, eine erste Eindüsungsvorrichtung und eine zweite Eindüsungsvorrichtung aufweist.In one embodiment of the invention it is provided that the burner head has a first orifice plate, a second orifice plate, a first injection device and a second injection device.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste und die zweite Blendenplatte ringförmig und die erste und die zweite Eindüsungsvorrichtung ringrohrförmig sind, wobei der Ringdurchmesser der zweiten Blendenplatte und der zweiten Eindüsungsvorrichtung größer ist als der Ringdurchmesser der ersten Blendenplatte und der ersten Eindüsungsvorrichtung, und wobei die zweite Blendenplatte und die zweite Eindüsungsvorrichtung radial, bezogen auf die zentrale Längsachse, zu der ersten Blendenplatte und der ersten Eindüsungsvorrichtung beabstandet sind.In one embodiment of the invention it is provided that the first and second diaphragm plates are ring-shaped and the first and second injection devices are ring-tube-shaped, the ring diameter of the second diaphragm plate and the second injection device being larger than the ring diameter of the first diaphragm plate and the first injection device, and wherein the second aperture plate and the second injection device are spaced radially, with respect to the central longitudinal axis, from the first aperture plate and the first injection device.
Insbesondere sind die zweite Blendenplatte und die zweite Eindüsungsvorrichtung koaxial zu der ersten Blendenplatte und der ersten Eindüsungsvorrichtung angeordnet.In particular, the second aperture plate and the second injection device are arranged coaxially to the first aperture plate and the first injection device.
Vorteilhaft an dieser Ausgestaltung kann die zweistufige Verbrennung mit einer innenliegenden Pilotstufe, umfassend die erste Eindüsungsvorrichtung und die erste Blendenplatte, und einer außenliegenden Hauptstufe, umfassend die zweite Eindüsungsvorrichtung und die zweite Blendenplatte, sein, wobei die Eindüsungsvorrichtungen vorzugsweise den gleichen oder unterschiedliche Brennstoffe eindüsen können. Vorzugsweise sind die beiden Eindüsungsvorrichtungen dabei derart mit einer jeweils zugeordneten Brennstoffversorgung verbunden, dass ein Volumenstrom, ein Druck und/oder eine Dauer der Brennstoffzufuhr zur jeweiligen Eindüsungsvorrichtung voneinander unabhängig steuer- oder regelbar sind.An advantage of this embodiment can be the two-stage combustion with an internal pilot stage, comprising the first injection device and the first orifice plate, and an external main stage, comprising the second injection device and the second orifice plate, whereby the injection devices can preferably inject the same or different fuels. Preferably, the two injection devices are connected to a respective assigned fuel supply in such a way that a volume flow, a pressure and/or a duration of the fuel supply to the respective injection device can be controlled or regulated independently of one another.
Optional kann eine Ausgestaltung mit einer weiteren Stufe dahingehend günstig sein, dass ein höheres Volumen an brennbarem Gemisch bereitgestellt wird.Optionally, an embodiment with a further stage can be favorable in that a higher volume of combustible mixture is provided.
Bei einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Blendenplatte eine Innenkreisplatte umfasst oder mit einer solchen verbunden ist. Die Innenkreisplatte ist insbesondere radial innenliegend und/oder beabstandet von der ersten Blendenplatte angeordnet und/oder über Stege mit derselben verbunden.In a possible embodiment of the invention it is provided that the first diaphragm plate comprises an inner circle plate or is connected to such. The inner circle plate is in particular arranged radially on the inside and/or at a distance from the first diaphragm plate and/or connected to it via webs.
Über eine geeignete Dimensionierung der Innenkreisscheibe ist die Rezirkulation im stromabwärtsseitigen Gebiet vor dem Brennerkopf anpassbar. Zudem fungiert die Innenkreisscheibe vorzugsweise als Hitzeschild gegenüber der Brennstoffzufuhr.The recirculation in the downstream area in front of the burner head can be adjusted by appropriately dimensioning the inner circular disk. In addition, the inner circular disk preferably acts as a heat shield against the fuel supply.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Blendenplatte und die erste Eindüsungsvorrichtung bezüglich der Hauptströmungsrichtung stromabwärts oder stromaufwärts der zweite Blendenplatte und der zweiten Eindüsungsvorrichtung angeordnet sind.In one embodiment of the invention it is provided that the first orifice plate and the first injection device are arranged downstream or upstream of the second orifice plate and the second injection device with respect to the main flow direction.
Vorteilhaft kann insbesondere eine Anordnung sein, bei welcher die erste Blendenplatte und die erste Eindüsungsvorrichtung stromabwärts vorgelagert sind, weil somit ein Aufklappen bzw. Öffnen der Strömung gefördert und ein Druckabfall gesenkt wird.An arrangement in which the first diaphragm plate and the first injection device are positioned downstream can be particularly advantageous, because this promotes opening or opening of the flow and reduces a pressure drop.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Anzahl der Blendenöffnungen der ersten Blendenplatte und der zweiten Blendenplatte unterschiedlich ist.In one embodiment of the invention it is provided that the number of apertures first aperture plate and the second aperture plate is different.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die und/oder Innenkontur der ersten Blendenplatte und der zweiten Blendenplatte unterschiedlich sind.In one embodiment of the invention it is provided that the and/or inner contour of the first aperture plate and the second aperture plate are different.
Sowohl die unterschiedliche Anzahl der Blendenöffnungen als auch die unterschiedlichen Konturen sorgen vorzugsweise dafür, dass eine Bildung von Wirbelstraßen unterbunden wird bzw. das Risiko für deren Bildung minimiert wird, womit vorzugsweise zugleich eine periodische Ablösung und damit verbunden auch eine Oszillation der Verbrennung verhindert wird. Ohne eine derartige periodische Ablösung ist der Ausbrand höher und damit auch die Abluftreinigung besser.Both the different number of aperture openings and the different contours preferably ensure that the formation of vortex streets is prevented or the risk of their formation is minimized, which preferably simultaneously prevents periodic separation and associated oscillation of the combustion. Without such periodic replacement, the burnout is higher and therefore the exhaust air purification is better.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Flammrohr so in einem Leitrohr angeordnet ist, dass zwischen dem Flammrohr und dem Leitrohr ein Strömungskanal ausgebildet ist, welcher von einem Teil des Oxidators durchströmbar ist.In one embodiment of the invention it is provided that the flame tube is arranged in a guide tube in such a way that a flow channel is formed between the flame tube and the guide tube, through which part of the oxidizer can flow.
Die Aufteilung der Oxidatorströmung in einen primären Anteil, welcher den Brennerkopf und das Flammrohr durchströmt, und einen sekundären Anteil, welcher den ringförmigen Strömungskanal zwischen Leitrohr und Flammrohr durchströmt, beschleunigt vorzugsweise die schnelle Durchmischung des Brennstoffs und des Oxidators.The division of the oxidizer flow into a primary portion, which flows through the burner head and the flame tube, and a secondary portion, which flows through the annular flow channel between the guide tube and the flame tube, preferably accelerates the rapid mixing of the fuel and the oxidizer.
Bei einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Drallkörper mit ihren bezüglich der zentralen Längsachse radialen Kanten die Innenseite des Leitrohrs berühren.In a further possible embodiment of the invention, it can be provided that the swirl bodies touch the inside of the guide tube with their edges that are radial with respect to the central longitudinal axis.
Dies kann den Vorteil bieten, dass der sekundäre Anteil des Oxidators, welcher den ringförmigen Strömungskanal, der zwischen dem Leitrohr und dem Flammrohr ausgebildet ist, durchströmt, vollständig verdrallt wird.This can offer the advantage that the secondary portion of the oxidizer, which flows through the annular flow channel formed between the guide tube and the flame tube, is completely twisted.
Es ist aber auch vorstellbar, dass die Drallkörper nicht bis an die Innenseite des ersten Leitrohrs heranreichen und so innerhalb des ringförmigen Strömungskanals ein nicht verdrallter Strömungspfad, welcher im Wesentlichen entlang der Innenseite des ersten Leitrohrs verläuft, und ein verdrallter Strömungspfad, welcher im Wesentlichen entlang der Außenseite des Flammrohrs verläuft, entsteht, wobei dies vorzugsweise zumindest für den stromaufwärtsseitigen Eingang des ringförmigen Strömungskanals gilt und/oder wobei es vorzugsweise stromabwärts bedingt durch die Strömungsdynamik zu einer Vermischung der Pfade kommt.However, it is also conceivable that the swirl bodies do not reach as far as the inside of the first guide tube and so within the annular flow channel there is a non-twisted flow path, which runs essentially along the inside of the first guide tube, and a twisted flow path, which essentially runs along the Outside of the flame tube, this arises, whereby this preferably applies at least to the upstream entrance of the annular flow channel and / or where the paths are mixed preferably downstream due to the flow dynamics.
Bei einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann wiederum vorgesehen sein, dass das Leitrohr so in einem weiteren, zweiten Leitrohr bzw. Mantelrohr angeordnet ist, dass zwischen dem Leitrohr und dem Mantelrohr ein zweiter, ringförmiger Strömungskanal ausgebildet ist, welcher von einem Teil des sekundären Oxidatoranteils durchströmbar ist.In a further possible embodiment of the invention, it can again be provided that the guide tube is arranged in a further, second guide tube or jacket tube in such a way that a second, annular flow channel is formed between the guide tube and the jacket tube, which is filled with a part of the secondary oxidizer portion can be flowed through.
Somit entsteht in diesem zweiten, ringförmigen Strömungskanal eine Strömung eines Teils des sekundären Anteils des Oxidators, welche nicht verdrallt ist. Die Aufteilung in einen verdrahten und einen nicht verdrahten sekundären Anteil des Oxidators verstärkt vorzugsweise im Ergebnis die Rezirkulation.This creates a flow of part of the secondary portion of the oxidizer in this second, annular flow channel, which is not twisted. The division into a wired and a non-wired secondary portion of the oxidizer preferably increases recirculation as a result.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Strömungskanal zwischen dem Flammrohr und dem Leitrohr zumindest eine Bypass-Eindüsungsvorrichtung zur Eindüsung von Brennstoff angeordnet ist.In one embodiment of the invention it is provided that at least one bypass injection device for injecting fuel is arranged in the flow channel between the flame tube and the guide tube.
Durch die Bypass-Eindüsungsvorrichtung wird bereits im Strömungskanal Brennstoff mit einem Teil des Oxidators vermischt. Somit steigert die Bypass-Eindüsung die Verbrennung, wobei der Brennstoff, welcher mittels der Bypass-Eindüsungsvorrichtung eingedüst wird, der gleiche Brennstoff wie der über die Eindüsungsvorrichtung eingedüste Brennstoff sein kann oder aber auch ein von diesem verschiedener Brennstoff sein kann.The bypass injection device mixes fuel with part of the oxidizer in the flow channel. The bypass injection thus increases combustion, whereby the fuel that is injected using the bypass injection device can be the same fuel as the fuel injected via the injection device or can also be a different fuel.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Strömungskanal zwischen dem Flammrohr und dem Leitrohr zumindest eine weitere Drallvorrichtung zur Verdrehung des Oxidators angeordnet ist.In one embodiment of the invention it is provided that at least one further swirl device for rotating the oxidizer is arranged in the flow channel between the flame tube and the guide tube.
Hierdurch wird die Durchmischung des durch die Bypass-Eindüsungsvorrichtung eingedüsten Brennstoffs und des durch den Strömungskanal strömenden Oxidatoranteils gefördert.This promotes the mixing of the fuel injected through the bypass injection device and the oxidizer portion flowing through the flow channel.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Bypass-Eindüsungsvorrichtung bezüglich der Hauptströmungsrichtung stromabwärts der zumindest einen weiteren Drallvorrichtung angeordnet ist.In one embodiment of the invention it is provided that the bypass injection device is arranged downstream of the at least one further swirl device with respect to the main flow direction.
Hierdurch wird der Brennstoff der Bypass-Eindüsungsvorrichtung in den verdrahten Oxidatoranteil eingedüst, was zu einer verbesserten Durchmischung führt.As a result, the fuel from the bypass injection device is injected into the wired oxidizer portion, which leads to improved mixing.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Oxidator in den Strömungskanal mit einer Geschwindigkeit von 50 m/s bis 70 m/s, insbesondere von 60 m/s, eintritt.In one embodiment of the invention it is provided that the oxidizer enters the flow channel at a speed of 50 m/s to 70 m/s, in particular 60 m/s.
Hierdurch wird kann vorteilhafterweise eine Jet-Strömung am Brennerkammereintritt realisiert werden.In this way, a jet flow can advantageously be realized at the burner chamber inlet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß ferner durch die Verwendung einer Brennervorrichtung wie vorstehend beschrieben gelöst. Die Brennervorrichtung wird insbesondere zur Abgasreinigung und/oder Abluftreinigung verwendet.The object is further achieved according to the invention by using a burner device as described above. The burner device is used in particular for exhaust gas purification and/or exhaust air purification.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß ferner durch ein Verfahren zum Betrieb einer Brennervorrichtung gelöst, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- Zuführen von Oxidator zu einem erfindungsgemäßen Brennerkopf zur Ausbildung mindestens eines Oxidatorstroms;
- Zuführen von Brennstoff zu einer Eindüsungsvorrichtung des Brennerkopfs; und Eindüsen des Brennstoffs mittels der Eindüsungsvorrichtung des Brennerkopfs in den mindestens einen Oxidatorstrom.
- Supplying oxidizer to a burner head according to the invention to form at least one oxidizer stream;
- supplying fuel to an injector of the burner head; and injecting the fuel into the at least one oxidizer stream using the injection device of the burner head.
Die Aufgabe kann erfindungsgemäß ferner durch ein Brennkammersystem mit zumindest einer Brennkammer und mit mindestens einer Brennervorrichtung wie vorstehend beschrieben gelöst werden, wobei die Brennervorrichtung an ihrem Außenumfang mit einem Boden der Brennkammervorrichtung verbunden ist.According to the invention, the object can further be achieved by a combustion chamber system with at least one combustion chamber and with at least one burner device as described above, the burner device being connected on its outer circumference to a bottom of the combustion chamber device.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennervorrichtung in die Brennkammer eingeschoben ist und außerhalb der Brennkammer befestigt ist, wobei zwischen dem Außenumfang der Brennervorrichtung und der Brennkammer ein Strömungskanal ausgebildet ist, welcher von einem Teil des Oxidators durchströmbar ist.In one embodiment of the invention it is provided that the burner device is inserted into the combustion chamber and is fastened outside the combustion chamber, with a flow channel being formed between the outer circumference of the burner device and the combustion chamber, through which part of the oxidizer can flow.
Hierdurch strömt, insbesondere bei einer Brennervorrichtung mit Leitrohr, ein Teil des Oxidators zum einen durch den Strömungskanal zwischen Flammrohr und Leitrohr und zum anderen durch den ringförmigen Spalt zwischen Leitrohr und dem entsprechenden Einschubbereich der Brennkammervorrichtung. Dieser ringförmige Spalt kann in Folge von Fertigungstoleranzen oder aber durch thermische Verformungen asymmetrisch ausgebildet sein. Durch das Vorsehen eines Leitrohrs ist dennoch eine symmetrische Strömung vom Flammrohr zur Öffnung der Brennkammervorrichtung vorherrschend.As a result, particularly in a burner device with a guide tube, part of the oxidizer flows through the flow channel between the flame tube and the guide tube and on the other hand through the annular gap between the guide tube and the corresponding insertion area of the combustion chamber device. This annular gap can be designed asymmetrically as a result of manufacturing tolerances or due to thermal deformation. By providing a guide tube, a symmetrical flow from the flame tube to the opening of the combustion chamber device still prevails.
Die Aufgabe kann erfindungsgemäß weiter auch durch eine thermische Abgasreinigungsanlage mit einer Brennervorrichtung wie vorstehend beschrieben gelöst werden.According to the invention, the object can also be achieved by a thermal exhaust gas purification system with a burner device as described above.
Weitere bevorzugte Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.Further preferred features and/or advantages of the invention are the subject of the following description and the graphic representation of exemplary embodiments.
In den Figuren zeigen:
-
1 eine schematische perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer Brennervorrichtung im Zusammenwirken mit einer Basiseinheit befestigt an einer Halterung; -
2 eine schematische perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer Brennervorrichtung; -
3 eine schematische perspektivische Schnittdarstellung der Ausführungsform aus2 ; -
4a eine erste schematische perspektivische Darstellung einer Ausführungsform eines Brennerkopfes; -
4b eine zweite schematische perspektivische Darstellung der Ausführungsform eines Brennerkopfes; -
4c eine dritte schematische perspektivische Darstellung der Ausführungsform eines Brennerkopfes; -
5 eine schematische perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer ersten und einer zweiten Blendenplatte; -
6 eine schematische perspektivische Schnittdarstellung eines Abschnitts der Ausführungsform eines Brennerkopfes aus4a ; -
7 eine schematische Darstellung der Strömung zwischen einer Eindüsungsvorrichtung und einer Blendenplatte; -
8a eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform einer Eindüsungsvorrichtung; -
8b eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform einer Eindüsungsvorrichtung; -
8c eine schematische Schnittdarstellung einer dritten Ausführungsform einer Eindüsungsvorrichtung; -
8d eine schematische Schnittdarstellung einer vierten Ausführungsform einer Eindüsungsvorrichtung; -
9 eine schematische Schnittdarstellung einer fünften Ausführungsform einer Eindüsungsvorrichtung; -
10a eine schematische Draufsicht auf eine sechste Ausführungsform einer Eindüsungsvorrichtung; und -
10b eine schematische Draufsicht auf eine siebte Ausführungsform einer Eindüsungsvorrichtung.
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1 a schematic perspective view of an embodiment of a burner device in cooperation with a base unit attached to a holder; -
2 a schematic perspective view of an embodiment of a burner device; -
3 a schematic perspective sectional view of the embodiment2 ; -
4a a first schematic perspective view of an embodiment of a burner head; -
4b a second schematic perspective view of the embodiment of a burner head; -
4c a third schematic perspective view of the embodiment of a burner head; -
5 a schematic perspective view of an embodiment of a first and a second aperture plate; -
6 a schematic perspective sectional view of a section of the embodiment of a burner head4a ; -
7 a schematic representation of the flow between an injection device and an orifice plate; -
8a a schematic sectional view of a first embodiment of an injection device; -
8b a schematic sectional view of a second embodiment of an injection device; -
8c a schematic sectional view of a third embodiment of an injection device; -
8d a schematic sectional view of a fourth embodiment of an injection device; -
9 a schematic sectional view of a fifth embodiment of an injection device; -
10a a schematic top view of a sixth embodiment of an injection device; and -
10b a schematic top view of a seventh embodiment of an injection device.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.Identical or functionally equivalent elements are provided with the same reference numbers in all figures.
In
Eine in
Die Brennervorrichtung 100 ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch um eine zentrale Längsachse 102 ausgebildet, wobei eine Hauptströmungsrichtung 104 zumindest annähernd parallel zu der zentralen Längsachse 102 verläuft. Bezogen auf die Darstellung der Brennervorrichtung 100 in
Die Brennervorrichtung 100 umfasst ein Flammrohr 106, einen Brennerkopf 108 und ein Leitrohr 110. Der Brennerkopf 108 ist so in dem Flammrohr 106 angeordnet, dass das Flammrohr 106 den Brennerkopf 108 stromabwärts überragt.The
Das Flammrohr 106 weist an seinem stromabwärtsseitigen Ende einen Diffusor 112 auf. Der Diffusor 112 ist geprägt durch eine stetige Querschnittserweiterung, beispielsweise mindestens ungefähr 15°, vorzugsweise mindestens ungefähr 25°, und/oder höchstens ungefähr 60°, insbesondere höchstens ungefähr 45°.The
Das Flammrohr 106 ist in dem Leitrohr 110, welches aus Gründen der Sichtbarmachung darunter befindlicher Elemente in
Zwischen dem Flammrohr 106 und dem Leitrohr 110 ist ein ringförmiger Strömungskanal 114 ausgebildet, in welchen optional eine Bypass-Eindüsungsvorrichtung Brennstoff eindüsen kann, um diesen mit dem durchströmenden Oxidatoranteil zu vermischen.An
Der Brennerkopf 108 umfasst eine erste Blendenplatte 116, eine zweite Blendenplatte 118 eine erste Eindüsungsvorrichtung 120, eine zweite Eindüsungsvorrichtung 122, eine Drallvorrichtung 123 mit mehreren Drallkörpern in Form von Drallplatten 124 sowie einen zentralen Hohlkörper 126, der in
Weitere Einzelheiten zum Brennerkopf 108 werden weiter unten mit Bezug auf
Die Drallplatten 124 erstrecken sich vom zentralen Hohlkörper 126 durch schlitzförmige Öffnungen 128 im Flammrohr 106 bis zur Innenseite des Leitrohrs 110. Zudem weisen die Drallplatten an ihren stromaufwärtsseitigen Kanten jeweils einen Vorsprung 130 auf, welcher an die Innenseite des Leitrohrs 110 angrenzt.The
Diese Vorsprünge 130 an den Drallplatten 124, welche auch als Flossen bezeichnen werden können, sollen den durchströmten Bereich, also den ringförmigen Strömungskanal 114 mit variablen Höhen beaufschlagen, d.h. es soll Einfluss auf die Flammenhöhe in Hauptströmungsrichtung 104 genommen werden, um die einhüllenden Heißzone zu verstärken.These
Das Flammrohr 106 und der Brennerkopf 108 werden von einem primären Anteil des Oxidators, z.B. Primärluft, durchströmt. Der ringförmige Strömungskanal 114 wird von einem sekundären Anteil des Oxidators, z.B. Sekundärluft, durchströmt.A primary portion of the oxidizer, e.g. primary air, flows through the
Der sekundäre Anteil des Oxidators, welcher den ringförmigen Strömungskanal 114 durchströmt, wird durch den im ringförmigen Strömungskanal 114 befindlichen Abschnitt der Drallplatten 124 verdrallt und durch die Form des Diffusors 112 nach außen, d.h. von der zentralen Längsachse 102 weg, gelenkt bzw. aufgeklappt.The secondary portion of the oxidizer, which flows through the
Durch dieses Aufklappen direkt am stromabwärtsseitigen Ende der Brennervorrichtung 100 wird eine schnelle Homogenisierung des Brenngemisches bewirkt und zudem werden vorzugsweise seitliche kalte Strähnen in der Hauptströmung stromabwärts der Brennervorrichtung 100 unterbunden.This opening directly at the downstream end of the
Durch das Zusammenwirken des Diffusors 112 mit den Drallplatten 124 ist weniger Verdrehung, d. h. ein geringerer Neigungswinkel der Drallplatten 124 nötig, was zu einem niedrigeren Druckverlust führt.The interaction of the
Nicht dargestellt in
Es ist ferner vorstellbar, flüchtige organische Verbindungen (volatile organic compounds, kurz VOC) zwischen Flammrohr 106 und Leitrohr 110 und/oder zwischen Leitrohr 110 und Mantelrohr einzudüsen.It is also conceivable to inject volatile organic compounds (volatile organic compounds, VOC for short) between the
In
Ferner werden die erste Eindüsungsvorrichtung 120 und die zweite Eindüsungsvorrichtung 122 durch Brennstoffzuleitungen 134 versorgt.Furthermore, the
Die zweite Blendenplatte 118 weist an ihrer Außenkontur Zacken 136 auf, welche die Innenseite des Flammrohrs 106 berühren.The
Jede der Drallplatten 124 hat an ihrer stromabwärtsseitigen Kante, also in der
Die erste Eindüsungsvorrichtung 120 ist zwischen den Drallplatten 124 und der ersten Blendenplatte 116 in den entsprechenden Aufnahmen 138 der Drallplatten 124 angeordnet und die zweite Eindüsungsvorrichtung 122 ist zwischen den Drallplatten 124 und der zweiten Blendenplatte 118 in den entsprechenden Aufnahmen 138 der Drallplatten 124 angeordnet.The
Die erste Eindüsungsvorrichtung 120 kann auch als Pilotstufe und die zweite Eindüsungsvorrichtung 122 als Hauptstufe bezeichnet werden.The
Der Vorteil an einer Drallerzeugung bzw. Verdrallung des Oxidators nahe an der Eindüsung ist eine Minimierung der Druckverluste, welche wiederum zu niedrigeren Emissionen führen. Anders formuliert kann durch die Kombination der Drallplatten mit den Eindüsungsvorrichtungen 120, 122 die Geschwindigkeit des Oxidators durch einmalige Umlenkung direkt verwendet werden, was eine kompaktere Bauform ermöglicht.The advantage of generating a swirl or twisting the oxidizer close to the injection is a minimization of pressure losses, which in turn leads to lower emissions. In other words, by combining the swirl plates with the
Vorteilhaft ist es, wenn die erste Eindüsungsvorrichtung 120 entlang der zentralen Längsachse 102 stromabwärts der zweiten Eindüsungsvorrichtung 122 angeordnet ist, d.h. die erste Eindüsungsvorrichtung 120 oder auch Pilotstufe ist der zweiten Eindüsungsvorrichtung 122 vorgelagert. Infolgedessen wird das radiale Öffnen der Strömung gefördert und der Druckabfall weiter gesenkt.It is advantageous if the
Auch ist es vorstellbar, dass stromabwärts der ersten Eindüsungsvorrichtung 120 ein in den Brennraum des Flammrohrs 106 hineinragender Körper an die Innenkreisscheibe 142 angrenzt, vorzugsweise ein kegelstumpfförmiger Körper, dessen Seite mit dem kleineren Durchmesser stromaufwärts weist. Durch diesen zusätzlichen kegelstumpfförmigen Körper wird das radiale Aufweiten bzw. Umlenken der Strömung weiter gefördert. Zudem reduziert ein derartiger Körper die Rezirkulation am Austritt des Brennerkopfs 108 bzw. blockiert einen Teil des Rezirkulationsgebiets, wodurch ein Zusammengehen der Brennerflamme an der ersten und der zweiten Eindüsungsvorrichtung 120, 122 unterdrückt wird.It is also conceivable that downstream of the first injection device 120 a body protruding into the combustion chamber of the
Die erste Blendenplatte 116 und die zweite Blendenplatte 118 sind jeweils mittels mehrerer Verbindungen 140, vorzugsweise mit Schraubverbindungen, an der ersten Eindüsungsvorrichtung 120 bzw. an der zweiten Eindüsungsvorrichtung 122 beanstandet und lösbar befestigt.The
In
Die Kombination aus zweiter Blendenplatte 118 und zweiter Eindüsungsvorrichtung 122 weist einen größeren Durchmesser auf als die Kombination aus erster Blendenplatte 116 und erster Eindüsungsvorrichtung 120. Zudem sind beide Kombinationen radial voneinander beabstandet angeordnet und/oder koaxial miteinander ausgerichtet.The combination of
Bezüglich der ersten Blendenplatte 116 radial innenliegend und auf gleicher Ebene angeordnet ist vorzugsweise eine Innenkreisscheibe 142, welche über mehrere Stege 144, vorzugsweise über acht Stege 144, mit der ersten Blendenplatte 116 verbunden ist.With respect to the
Die Innenkreisscheibe 142 in ihrer zentralen Position dient vorzugsweise als Hitzeschild bezüglich der Brennstoffzufuhr im Rezirkulationsgebiet.The inner
Die erste Blendenplatte 116 und die zweite Blendenplatte 118 umfassen jeweils mehrere erste Blendenöffnungen 146, welche beispielsweise kreisförmig ausgebildet sind, und mehrere zweite, geometrisch verschiedene Blendenöffnungen 148, welche beispielsweise langlochförmig ausgebildet sind. Die kreisförmigen Blendenöffnungen 146 und die langlochförmigen Blendenöffnungen 148 sind entlang des Umfanges der Blendenplatten 116, 118 vorzugsweise alternierend angeordnet.The
Die Blendenfläche der kreisförmigen Blendenöffnungen 146 ist geringer als diejenige der langlochförmigen Blendenöffnungen 148.The aperture area of the
Durch die unterschiedliche Größe der Blendenflächen der Blendenöffnungen 146, 148 werden kleine und große Flammen und dementsprechend heiße und kältere Zonen erzeugt. Dies kann den Vorteil bieten, dass die Methanwerte im Brennraum drastisch reduziert werden.Due to the different sizes of the aperture surfaces of the
Insbesondere mit Blick auf
Hinzu kommt, dass die Eindüsungsöffnungen 132 der kreisförmigen Blendenöffnungen 146 gegenüber diesen zentriert sind, wohingegen die Eindüsungsöffnungen 132 der langlochförmigen Blendenöffnungen in Bezug auf die Längsachse der langlochförmigen Blendenöffnungen vorzugsweise radial nach außen versetzt sind, da der Biegeradius der jeweiligen Eindüsungsvorrichtung 120, 122 größer ist als der Biegeradius der zugehörigen langlochförmigen Blendenöffnungen 148. Letzteres sorgt dafür, dass die Verbrennung im äußeren Bereich der Brennervorrichtung 100 stabilisiert wird.In addition, the
Durch die unterschiedliche Anzahl wirksamer Eindüsungsöffnungen 132 der kreisförmigen und der langlochförmigen Blendenöffnungen 146, 148 kommt es innerhalb der Blendenplatten 116, 118 zu zwei unterschiedlichen Verbrennungsverhältnissen. An den kreisförmigen Blendenöffnungen 146 kommt es zu einer fetteren Verbrennung, während an langlochförmigen Blendenöffnungen 148 magerer verbrannt wird, wobei die magerere Verbrennung über die fettere stabilisiert wird.Due to the different number of
Die Blendenplatten 116, 118 fördern die Rezirkulation, indem sie den Oxidator in der Nähe der Eindüsungsvorrichtungen 120, 122 beschleunigen, wodurch es zu einer höheren Durchmischung des Oxidators und des Brennstoffes kommt. Die erhöhte Durchmischung ermöglicht eine Verbrennung bei geringerer Temperatur, was zu einer geringeren NOx-Emission führt. Die Verbrennung nahe der Blendenplatten 116, 118 stabilisiert die Volumenverbrennung.The
Der
Die erste Blendenplatte 116 weist hingegen entlang ihrer Außenkontur bzw. ihres Außenumfangs runde Einbuchtungen 154 auf.The
Ferner ist festzustellen, dass die Anzahl der kreisförmigen und der langlochförmigen Blendenöffnungen 146, 148 in der ersten und der zweiten Blendenplatte 116, 118 unterschiedlich ist.Furthermore, it should be noted that the number of circular and slot-shaped
Durch die Unterschiede in der Außen- bzw. Innenkontur sowie der Anzahl der Blendenöffnungen 146, 148 ist gewährleistet, dass keine Wirbelstraßen entstehen und es zu keinen periodischen Ablösungen kommt, welche zur Oszillation in der Verbrennung führen können. Es folgt daraus ein höherer Ausbrand und dadurch auch eine verbesserte Abluftreinigung.The differences in the outer and inner contours as well as the number of
Mit den Darstellungen der
In
In den
In den
Während in
Ferner lässt sich die Durchmischung dadurch steuern, dass Eindüsungsöffnung 132 gegenüber der Hauptströmungsrichtung 104 geneigt ist, also mit dieser einen Winkel einschließt, wie in
Auch ist eine Ausführungsform möglich, bei welcher auf der Eindüsungsöffnung 132 ein Eindüsungsstutzen 166 bzw. Eindüsungslanzen angeordnet ist, dessen innerer Querschnitt sich beispielsweise bezüglich der Hauptströmungsrichtung 104 verjüngt, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit des ausströmenden Brennstoffs erhöht wird und es zu einer höheren bzw. schnelleren Durchmischung kommt.An embodiment is also possible in which an
In
In den
In
Alternativ dazu kann eine Eindüsungsvorrichtung 120, 122 auch als vierzackiger Stern ausgebildet sein, wie der
BezugszeichenReference symbols
- 100100
- BrennervorrichtungBurner device
- 102102
- zentrale Längsachsecentral longitudinal axis
- 104104
- HauptströmungsrichtungMain flow direction
- 106106
- Flammrohrflame tube
- 108108
- Brennerkopfburner head
- 110110
- Leitrohrguide tube
- 112112
- Diffusordiffuser
- 114114
- erster ringförmiger Strömungskanalfirst annular flow channel
- 116116
- erste Blendenplattefirst aperture plate
- 118118
- zweite Blendenplattesecond aperture plate
- 120120
- erste Eindüsungsvorrichtungfirst injection device
- 122122
- zweite Eindüsungsvorrichtungsecond injection device
- 123123
- DrallvorrichtungSwirl device
- 124124
- DrallplattenSwirl plates
- 126126
- zentraler Hohlkörpercentral hollow body
- 128128
- schlitzförmige Öffnungslot-shaped opening
- 130130
- Vorsprunghead Start
- 132132
- (erste) Eindüsungsöffnung(first) injection opening
- 134134
- BrennstoffzuleitungFuel supply line
- 136136
- ZackenPink
- 138138
- AufnahmeRecording
- 140140
- VerbindungConnection
- 142142
- InnenkreisscheibeInner circular disk
- 144144
- Stegweb
- 146146
- erste (kreisförmige) Blendenöffnungfirst (circular) aperture
- 148148
- zweite (langlochförmige) Blendenöffnungsecond (elongated hole-shaped) aperture opening
- 150150
- eckige Ausbuchtungangular bulge
- 152152
- Bohrungdrilling
- 154154
- runde Einbuchtunground indentation
- 156156
- LanglochinnenstegElongated inner bridge
- 158158
- LanglochaußenstegElongated hole outer bridge
- 160160
- heißer Strömungspfadhot flow path
- 162162
- kalter Strömungspfadcold flow path
- 164164
- zweite Eindüsungsöffnungsecond injection opening
- 166166
- EindüsungsstutzenInjection nozzle
- 168168
- fluidisch verbundenes InnenrohrkreuzFluidically connected inner tube cross
- 200200
- BasiseinheitBase unit
- 300300
- Halterungbracket
Claims (26)
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Citations (1)
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-
2022
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-
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