-
Verfahren und Vorrichtung zum Vermischen mehrerer Fluide in einer
Kammer Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vermischen mehrerer Fluide in einer
Kammer, bei dem ein erstes Fluidum als bezüglich der Kammerachse kegelförmig divergierender
Hauptstrom und wenigstens ein weiteres Fluidum in einer zum Hauptstrom entgegengesetzten
Richtung unter Druck der Kammer zugeführt werden.
-
Bei bekannten Ö1- oder Gasfeuerungen sind Luftzuführungskanäle in
der Weise vorgesehen, daß sie der aus ihnen austretenden Luft eine der Strahlrichtung
des Brennstoffes entgegengesetzte Strömungsrichtung erteilen. Die Verbrennungsluft
wird einem konischen Verbrennungsraum zugeführt, wobei sich die Zuführungsöffnungen
in den konischen Wandteilen befinden, so daß durch diese Art der Luftzuführung zahlreiche
Wirbelzonen entstehen. Die zahlreichen kleinen Wirbel in unmittelbarer Nähe der
konischen Außenwand können zwar eine gewisse Durchmischung der zugeführten Luft
und des angesprühten Brennstoffes bewirken, die Vermischung beschränkt sich jedoch
im wesentlichen auf die äußersten Randzonen der Kammer. Keinesfalls tritt hierbei
eine gleichmäßige Durchmischung des Brennstoffes mit der zugeführten Luft ein, so
daß, um eine vollständige Verbrennung des schlecht durchgemischten Brennstoff-Luft-Gemisches
im inneren Bereich des konisch strömenden Luftgemisches zu erreichen, Luft im Überschuß
zugeführt werden muß. Des weiteren kann bei den vorbekannten Anordnungen nicht der
ganze, kegelförmige Mischraum für die Verbrennung ausgenutzt werden, da erst in
der Nähe der Austrittsöffnung dieses Raumes eine einigermaßen hinreichende Vermischung
zwischen Brennstoff und zugeführter Luft eintreten kann.
-
Es wurde ferner bereits vorgeschlagen, zur Verwirklichung einer raschen
Zündung einem strömenden Brenngemisch Flammgase als sogenannte Kehrströme entgegenzuführen.
Diese Kehrströme tragen aber zur Durchmischung des eigentlichen Brenngemisches nichts
bei.
-
Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, zwei unter Druck zugeführte
Fluide innig miteinander zu vermischen.
-
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein weiteres
Fluidum unter Druck als nicht wirbelnder Ringstrom von dem äußeren Rand der Kammer
her konvergierend an der Basis des (vom ersten Fluidum gebildeten) Hauptstromkegels
in dessen Inneres derart eingeführt wird, daß sich zwischen dem Hauptstrom und dem
Ringstrom ein toroidförmiger, die Fluide durchmischender Wirbel bildet, der achsparallel
mit der Kammer und zwischen
den sich ihm als Tangenten anlegenden, kegelförmigen
Fluidumströmen liegt, und daß durch ständige Fluidumnachlieferung der Austritt der
vermischten Ströme aus der Kammer bewirkt wird.
-
Der durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugte toroidförmige Wirbel,
der die gesamte Masse der miteinander zu vermischenden Medien enthält, führt zu
einer innigen Vermischung der beiden Medien und damit zu einer besseren Verbrennung
derselben.
-
Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der weiteren Erläuterung.
-
Es zeigt Fig. 1 schematisch einen Schnitt einer Mischkammer, in der
die toroidförmige Mischung innerhalb des konisch divergierenden Hauptstromes erfolgt,
und Fig.2 schematisch einen Schnitt einer Mischkammer, bei der eine toroidförmige
Mischung sowohl an der Innen- als auch der Außenseite des konisch divergierenden
Stromes vor sich geht.
-
In dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 hat eine Mischkammer eine
Vorderwand 1, eine im wesentlichen rechtwinklig zur Längsachse der Kammer angeordnete
Rückwand 2 und eine zylindrische Hauptwand 3. In der Mitte der Vorderwand 1 ist
eine
Fluidumdispergierungsvorrichtung 4, beispielsweise in Form
eines Druckzerstäubers oder eines Doppelfluidzerstäubers angeordnet. Der zentrale
Teil der Rückwand 2 ist als Austrittsleitung 5 ausgebildet.
-
In Fig. 1 ist das Innere der Vorderwand 1 konisch und entspricht
annähernd der Konizität des Hauptstromes A des durch den Zerstäuber 4 dispergierten
Fluidums. In der Rückwand 2 ist ein ringförmiger Durchgang 6 angeordnet. Gegebenenfalls
kann auch eine entsprechende kreisförmige Gruppe von Düsen oder auf dem Umfang im
Abstand angeordneten Öffnungen von beispielsweise gekrümmter, rechtwinkliger Gestalt
so vorgesehen sein, daß ein konvergierender, keinen Wirbel bildender Fluidumstrom
B symmetrisch der Kammer in Gegenrichtung zugeführt wird, wobei dieser Strom B einer
Fluidumdruckquelle X entnommen wird. Die beiden Ströme A, B haben, wie dargestellt,
im wesentlichen die gleiche Konizität, und die Weite des zwischen ihnen vorhandenen
Raumes ist ungefähr gleich dem Radius der Kammer, so daß der durch das Mischen der
Fluiden entstehende Ringwirbel C beinahe die ganze Querschnittsfläche der Kammer
einnimmt.
-
Durch die Pfeile ist annähernd die dynamische Strömung angedeutet.
An jedem Querschnitt können die Fluiden innerhalb des Wirbels mehrmals zirkulieren,
und wenn der verwendete Zerstäuber dem dispergiert aus ihm ausfließenden Strom A
eine drehende Bewegung erteilt, so zirkuliert der Ringwirbel C als Ganzes wie ein
sich drehendes Rad.
-
Es sei darauf hingewiesen, daß Fig. 1 eine Anordnung zeigt, bei der
der Ringwirbel C durch einen entgegen dem divergierenden Hauptstrom A fließenden
Fluidumstrom B gebildet und aufrechterhalten wird, wobei dieser Strom B konvergiert
und koaxial zu dem divergierenden Hauptstrom A angeordnet ist.
-
Wenn die beiden konischen Ströme A, B den gleichen Konuswinkel haben,
so hat der Raum zwischen ihnen die Form eines kegelförmigen Ringes von gleichförmiger
Dicke oder Weite. Wenn die Konizitäten sich unterscheiden, so ändert sich die Stärke
des Ringraumes zwischen den Strömen ständig-entlang dem Ring.
-
Die Breite des Ringraumes zwischen den Strömen A, B bestimmt die
Größe des aus Fluiden, beispielsweise einer Gasmischung aus diesen Fluiden, gebildeten
Ringwirbels C, und diese Breite ist zum Teil durch die Form der Kammer festgelegt,
in der die Mischung stattfindet. Wie dargestellt, nimmt der Ringwirbel C vorzugsweise
einen wesentlichen Teil in bezug auf Länge und Breite der Kammer ein, wobei der
minimale Durchmesser des Wirbels C ziemlich klein und der äußere Durchmesser im
wesentlichen gleich dem Durchmesser oder der Weite der Kammer ist.
-
Vom geometrischen Standpunkt aus ergeben sich praktische Grenzen
für die Größe und Form der Kammer und auch für die Konizitäten und den Abstand zwischen
den Fluidumströmen A, B. Wenn, wie bereits erwähnt, ein wesentlicher Anteil der
Weite der Kammer von dem Ringwirbel C eingenommen wird, ergibt sich eine praktische
Grenze für die Steilheit der Konizitäten der beiden Ströme A, B, weil die Umschließungskammer
dann sehr stark verlängert werden müßte, wenn die Spitzen der steilen Konusse weit
voneinander entfernt sind. Andererseits gestatten konische Ströme mit einem weiten
Konuswinkel Ringbildungen von entweder kleinen oder
großen Dimensionen und von entsprechenden
Kammern.
-
In der Praxis reicht der Bereich der Konuswinkel der beiden Ströme
A, B von ungefähr 450 bis ungefähr 1200, und das Verhältnis der Länge zur Weite
(oder des Durchmessers) der Kammer kann zwischen ungefähr 0,5 und ungefähr 2,0 liegen.
Die Erfindung ist im besonderen für Verbrennungskammern geeigneu, die in ihren Abmessungen
gedrungen sind und eine große Wärmeabgabe, beispielsweise von mehr als 8,9 Mill.
kcal/m3 pro Stunde (one million B.T. U.'s per cu. ft. per hour) haben.
-
Wie bereits erwähnt, hat die Rückwand 2 der Kammer eine zentrale
Ausgangsleitung 5, deren Durchmesser sich mit dem Durchmesser der Kammer ändert.
Wenn es erwünscht ist, daß Kammern mit einem ständig zunehmenden Durchmesser eine
ungefähr gleichförmige Ausgangsgeschwindigkeit aufweisen, so nimmt der Durchmesser
der Austrittsleitung 5 mit dem Durchmesser der Kammer zu, jedoch nicht in einem
einfachen Verhältnis, sondern in einem ständig zunehmenden Umfang. Schließlich kann
der Durchmesser der Austrittsleitung gleich dem Durchmesser der Kammer werden. Wenn
der Durchmesser der Austrittsleitung nicht im richtigen Verhältnis zunimmt, so ändert
sich die Konizität des Gegenstromes B in der Kammer.
-
Zusätzlich zu den zwei Strömen A, B oder A, B1, die in die Kammer,
wie oben erwähnt, eintreten, können noch ein oder mehrere zusätzliche Ströme der
Kammer in Richtungen zugeführt werden, die im wesentlichen tangential zu dem Ringwirbel
C oder in gleicher Strömungsrichtung wie dieser sind. Hierbei können der eine oder
die mehreren zusätzlichen Ströme dicht entlang den Kammerwänden fließen, um so eine
sogenannte Filmkühlung hervorzurufen.
-
Ein derartiger zusätzlicher Strom kann beispielsweise radial nach
innen dicht an der inneren Fläche der Hauptwand der Kammer fließen. Eine Mischkammer
dieser Art ist in F i g. 2 dargestellt. Hier ist der aus den sich mischenden Fluiden
bestehende Hauptringwirbel der gleiche wie in F i g. 1, d. h., es erfolgt ein Mischen
des divergierenden Hauptstromes A und eines primären, ringförmigen, von einer Quelle
X zuströmenden Stromes B von konisch konvergierender Gestalt, doch ist hier die
Stirnwand 1 der Kammer so geformt, daß sich ein sekundärer Ringwirbel C 1 bilden
kann. Dieser sekundäre Ringwirbel C1 wird an der Außenseite des divergierenden Hauptstromes
A dadurch gebildet, daß ein von einer Fluidumdruckquelle Z zufließender Fluidumstrom
D radial nach innen in der Nähe der Innenfläche der Stirnwand 1 durch einen Ringschlitz
7 (oder entsprechende Einlaßmittel) zugeführt wird, wobei sich im wesentlichen der
durch die Pfeile dargestellte dynamische Fluß des Fluidums ergibt. In Fig. 2 ist
ferner ein dritter, von einer Fluidumdruckquelle Y zugeführter Fluidumstrom B 2
dargestellt, der in die Kammer in zylindrischer Form und in Vorwärtsrichtung durch
einen Ringschlitz 8 (oder gleichwertige Einlaßmittel) eintritt. Dieser ebenfalls
keine Wirbel bildende Strom B 2 dient als Kühlfilm für die Hauptwand3 der Kammer,
wenn diese als Verbrennungskammer verwendet wird.