DE19548853A1 - Kegelbrenner - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Kegelbrenner für gasförmige und/oder flüssige Brennstoffe, gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

Stand der Technik

Aus dem EP-B1-0321809 ist ein für die Verbrennung gasförmiger und/oder flüssiger Brennstoffe geeigneter Doppelkegelbrenner bekannt. Dieser Brenner bestehet aus zwei hohlen, sich zu ei­ nem Körper ergänzenden Teilkegelkörpern, welche tangentiale Lufteintrittsschlitze aufweisen. Am radialen Ende jedes Luft­ eintrittsschlitzes ist eine Leitung für gasförmigen Brennstoff angeordnet. Das Zumischen des gasförmigen Brennstoffs in die tangential einströmende Verbrennungsluft erfolgt daher inner­ halb der Lufteintrittsschlitze, und zwar im gesamten Innenraum des Brenners. Bei Verwendung von flüssigem Brennstoff wird dieser über eine zentral angeordnete Düse in den Brennerin­ nenraum eingedüst.

Am Brennerende eines solchen Doppelkegelbrenners kommt es zur Ausbildung einer zentralen Rückströmzone des Brenngemisches. In diesem Bereich ist bereits ein im zeitlichen Mittel homo­ genes Brennstoffprofil über den Brennerquerschnitt erreicht. Die Zündung des Brenngemisches erfolgt an der Spitze der Rückströmzone, so daß dort eine stabile Flammenfront ent­ steht. Durch die plötzliche Flächenerweiterung zur Brennkam­ mer bildet sich zudem auch ein äußeres Rezirkulationsgebiet, welches ebenfalls zur Flammenstabilisierung beiträgt.

Bei Verwendung von flüssigem Brennstoff wird die Brennstoff­ konzentration durch die tangential eingeleitete Verbrennungs­ luft in axialer Richtung abgebaut, so daß ein gut vorge­ mischtes Brenngemisch entsteht. Wird jedoch gasförmiger Brennstoff eingesetzt, so ist der Abstand zumindest von den im stromabwärtigen Bereich des Brenners angeordneten Ein­ mischstellen des Brennstoffes bis zur Flamme nur sehr gering. Deshalb führt das dort vorliegende, zeitlich und örtlich noch nicht vollständig homogenisierte Brenngemisch zu einer erhöh­ ten Produktion von Stickoxiden und von Kohlenmonoxid.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kegelbrenner für gas­ förmige und/oder flüssige Brennstoffe zu schaffen, der eine verringerte NOx- und CO-Emission aufweist.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die Teil­ kegelkörper an ihrem stromabwärtigen Ende einen gemeinsamen Auslaßdiffusor besitzen. Die Teilkegelkörper weisen einen Übergangsbereich zum Auslaßdiffusor auf, in dem die Größe der Lufteintrittsschlitze in Strömungsrichtung kontinuierlich abnimmt. Der Auslaßdiffusor ist kreisrund und ohne Luftein­ trittsschlitze ausgebildet.

Aufgrund dieser Ausbildung des Kegelbrenners wird bei geeig­ neter Wahl der Schlitzweite das Wirbelaufplatzen und damit die Zündung des Brenngemisches weiter stromab, in die Nähe des Auslaßdiffusorendes verlagert. Dadurch wird die am Bren­ nerende zur Verfügung stehende Mischstrecke und Mischzeit we­ sentlich verlängert. Somit entsteht ein besser homogenisier­ tes Brenngemisch, was zu einer deutlichen Verringerung der NOx- und der CO-Emissionen führt. Dies betrifft sowohl den Einsatz von flüssigem als auch von gasförmigem Brennstoff, wobei der Vorteil bei letzterem bedeutend größer ist. Mit der kontinuierlichen Verringerung der Größe der Luftein­ trittsschlitze werden plötzliche Querschnittsprünge im Über­ gangsbereich von der Kegelbrennergeometrie zum kreisrunden Auslaßdiffusor verhindert. Auf diese Weise lassen sich Ablö­ segebiete der Strömung des Frisch-Brenngemisches und somit eine dort unerwünschte Flammenhaltung vermeiden. Der Kegel­ brenner weist nunmehr einen kreisförmigen Austrittsquer­ schnitt zum Brennraum auf, womit gegenüber den bekannten Dop­ pelkegelbrennern der Kühlluftbedarf für die dort eingesetzten Sicheln entfällt. Als zusätzlichen Vorteil bewirkt der Aus­ laßdiffusor eine stärkere Abschirmung der Reaktionszone ge­ genüber den benachbarten Brennern, wodurch eine erhöhte Flam­ menstabilität erreicht wird.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn im Übergangsbereich der Teilkegelkörper zum Auslaßdiffusor der Durchmesser der Brennstoffzuführungen in Strömungsrichtung abnimmt. Damit wird die Gasbelochung im Übergangsbereich entsprechend der lokalen Schlitzweite angepaßt und eine gleichmäßige Vertei­ lung des gasförmigen Brennstoffes in der Verbrennungsluft er­ reicht.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Auslaßdiffusor eine Län­ ge von etwa 10 bis 25 Prozent der Gesamtlänge des Kegelbren­ ners aufweist und eine Austrittsfläche besitzt, welche nicht größer als das 1,3-fache einer am Anfang des Übergangsberei­ ches ausgebildeten Querschnittsfläche des von den Teilkegel­ körpern gebildeten Doppelkegelteils ist. Ein solcher, relativ kurzer Diffusor hat eine geringe Grenzschichtdicke zur Folge, so daß ein Rückschlagen der Flamme in der Grenzschicht ver­ hindert wird.

In einer zweiten Ausführungsform besitzt der Auslaßdiffusor einen in Strömungsrichtung kontinuierlich zunehmenden Öff­ nungswinkel, der anfänglich gleich dem Kegelwinkel des Bren­ ners und stromab kontinuierlich größer als dieser ausgebil­ det ist. Dadurch wird die Wandgrenzschicht stabilisiert und so die Gefahr der Strömungsablösung minimiert.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand eines mit einer Brennkammer verbundenen Doppelkegel­ brenners dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Doppelkegelbrenner des Standes der Technik, perspektivisch und entsprechend aufgeschnitten dar­ gestellt;

Fig. 2 einen Schnitt II-II durch den in Fig. 1 gezeigten Brenner, schematisch vereinfacht dargestellt;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsge­ mäßen Doppelkegelbrenners in Seitenansicht;

Fig. 4 einen Ausschnitt von Fig. 3 mit vergrößerter Dar­ stellung des Übergangsbereiches zum Auslaßdiffu­ sor;

Fig. 5 bis Fig. 7 Teilquerschnitte des Übergangsbereiches, entlang der Linien V-V, VI-VI, VII-VII in Fig. 4;

Fig. 8 eine Darstellung entsprechend Fig. 3, jedoch in ei­ ner anderen Ausführungsform.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli­ chen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmit­ tel ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

In der Fig. 1 ist ein aus dem Stand der Technik bekannter Doppelkegelbrenner dargestellt. Er besteht aus zwei halben, hohlen Teilkegelkörpern 1, 2, die seitlich versetzt zueinan­ der, aufeinander liegen und sich zu einem Körper ergänzen. Daher besitzen die Teilkegelkörper 1, 2 in Strömungsrichtung 3 versetzt zueinander angeordnete Mittelachsen 4, 5 (Fig. 2). Der Doppelkegelbrenner weist einen sich in Strömungsrichtung 3 kegelförmig erweiternden Brennerinnenraum 6 auf. Zwischen den Teilkegelkörpern 1, 2 sind tangentiale Lufteintritts­ schlitze 7, 8 ausgebildet.

An beiden Teilkegelkörpern 1, 2 und dort am äußeren Ende der Lufteintrittsschlitze 7, 8 ist jeweils eine Brennstoffleitung 9, 10 für gasförmigen Brennstoff 11 angeordnet (Fig. 1). Die Brennstoffleitungen 9, 10 sind mit mehreren, im gesamten Be­ reich der Lufteintrittsschlitze 7, 8 gleichmäßig verteilten und als Öffnungen ausgebildeten Brennstoffzuführungen 12 ver­ sehen. Beide Teilkegelkörper 1, 2 besitzen jeweils einen zy­ lindrischen Anfangsteil 13, 14, welche ebenfalls versetzt zu­ einander angeordnet sind. Somit sind die tangentialen Luft­ eintrittsschlitze 7, 8 anströmseitig über die gesamte Länge des Doppelkegelbrenners ausgebildet. Am stromaufwärtigen Ende des Doppelkegelbrenners, d. h. in dessen zylindrischem An­ fangsteil 13, 14, ist eine in den Brennerinnenraum 6 münden­ de, zentralen Flüssigbrennstoffdüse 15 angeordnet. Beide Teilkegelkörper 1, 2 weisen einen flachen, im Bereich von 10° bis 30° ausgebildeten Kegelwinkel 16 auf. Brennkammerseitig 17 ist am Doppelkegelbrenner eine kragenförmige, als Veranke­ rung für die Teilkegelkörper 1, 2 dienende Abschlußplatte 18 angeordnet. In der Abschlußplatte 18 ist eine Anzahl von Bohrungen 19 ausgebildet, durch welche Kühlluft 20 für die unmittelbar stromauf der Abschlußplatte 18 befindlichen, si­ chelförmigen Enden der Teilkegelkörper 1, 2 zur Brennkammer 17 abgeleitet wird.

Bei Verwendung von flüssigem Brennstoff 21 erfolgt dessen Eindüsung in einem spitzen Winkel, am engsten Querschnitt des Brennerinnenraumes 6. Dadurch bildet sich ein kegeliges Brennstoffprofil 22 aus, welches von über die tangentialen Lufteintrittsschlitze 7, 8 einströmender, rotierender Verbren­ nungsluft 23 umschlossen wird. In axialer Richtung wird die Konzentration des flüssigen Brennstoffes 21 fortlaufend durch die eingemischte Verbrennungsluft 23 abgebaut. Am stromabwär­ tigen Ende des Doppelkegelbrenners kommt es zur Ausbildung einer zentralen Rückströmzone 24 des Brenngemisches, welches das kegelige Brennstoffprofil 22 zum Aufplatzen (Vortex- Breakdown) bringt. Dadurch wird in diesem Bereich eine gute Brennstoffkonzentration über den Brennerquerschnitt erreicht. Die Zündung des Brenngemisches erfolgt an der Spitze der Rückströmzone 24. Erst an dieser Stelle kann eine stabile Flammenfront 25 entstehen.

Wird gasförmiger Brennstoff 11 verbrannt, gelangt dieser durch die Öffnungen 12 in den Brennerinnenraum 6, wobei er der Verbrennungsluft 23 zugemischt wird. Dabei bildet sich im Brennerinnenraum 6 ebenfalls ein kegeliges Brennstoffprofil 22 aus.

Die Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines erfin­ dungsgemäßen Doppelkegelbrenners. Aus Gründen der Übersicht­ lichkeit sind nur die wesentlichen Bauteile bzw. die gegen­ über dem in Fig. 1 und 2 aufgezeigten Stand der Technik ver­ änderten Bauteile dargestellt.

Die beiden halben, hohlen Teilkegelkörper 1, 2 des Brenners ergänzen sich zu einem als Doppelkegelteil ausgebildeten Kör­ per 26, welcher stromab in einen gemeinsamen, kreisrunden Auslaßdiffusor 27 übergeht. Unmittelbar stromauf des Aus­ laßdiffusors 27 ist ein Übergangsbereich 28 vom Doppelkegel­ teil 26 zum Auslaßdiffusor 27 ausgebildet. In diesem Über­ gangsbereich 28 nimmt die Größe der Lufteintrittsschlitze 7, 8 in Strömungsrichtung 3 kontinuierlich ab. Dabei wird jedoch der Brennerquerschnitt kontinuierlich erweitert, wodurch die vom Brenngemisch durchströmte Fläche auch im Übergangsbereich 28 größer wird oder zumindest konstant bleibt.

Der Auslaßdiffusor 27 weist eine Länge 29 von etwa 15 Pro­ zent der Gesamtlänge 30 des Doppelkegelbrenners auf. Seine Aus­ trittsfläche 31 entspricht etwa dem 1,3-fachen der Quer­ schnittsfläche 32 am Anfang des Übergangsbereiches 28. Er be­ sitzt einen Öffnungswinkel 33, der zunächst gleich dem Kegel­ winkel 16 des Brenners ist und in Strömungsrichtung 3 konti­ nuierlich zunimmt.

In Fig. 4 ist der Übergangsbereich 28 zum Auslaßdiffusor 27 vergrößert dargestellt, wodurch Anordnung und Ausbildung der am stromabwärtigen Ende des Übergangsbereichs 28 endenden Brennstoffleitung 9 deutlich werden.

Die Fig. 5 bis 7 zeigen drei Teilquerschnitte des Doppel­ kegelteils 26 in seinem Übergangsbereich 28. In Fig. 5 ist der Beginn, in Fig. 6 der Mittelteil und in Fig. 7 das Ende des Übergangsbereiches 28 dargestellt. Im Übergangsbereich 28 wird der Durchmesser der Brennstoffleitung 9 sowie der Öff­ nungen 12 in Strömungsrichtung 3 reduziert. Bereits am Ende des Übergangsbereiches 28 sind die Lufteintrittsschlitze 7, 8 und die Öffnungen 12 vollständig verschlossen. Am sich strom­ abwärts anschließenden, kreisrunden Auslaßdiffusor 27 sind weder Lufteintrittsschlitze 7, 8 noch Brennstoffleitungen 9, 10 angeordnet (Fig. 3).

Im Unterschied zur bereits oben beschriebenen Funktion eines bekannten Doppelkegelbrenners wird durch die Anordnung des Auslaßdiffusors 27 zusätzlich Zeit und Raum für die Einmi­ schung auch des erst im stromabwärtigen Bereich des Doppelke­ gelteils 26 eingeführten, gasförmigen Brennstoffes 11 gewon­ nen. Auf diese Weise wird eine optimale Brennstoffkonzentra­ tion über den Brennerquerschnitt erreicht. Bei Verbrennung eines solchen, homogenisierten Brenngemisches werden die NOx- und die CO-Emissionen deutlich gesenkt. Auch bei Verwendung von flüssigem Brennstoff 21 wird eine Verringerung der Emis­ sionen erreicht, jedoch ist der Vorteil in diesem Fall nicht so groß.

Im Auslaßdiffusor 27 wird die Strömung des Brenngemisches leicht verzögert und somit in ihrem Zentrum instabil. Dadurch kommt es erst in die Nähe des stromabwärtigen Endes des Aus­ laßdiffusors 27 zur Ausbildung der zentralen Rückströmzone 24 des Brenngemisches und somit zum Aufplatzen des kegeligen Brennstoffprofils 22. Weil der Auslaßdiffusor 27 trompeten­ förmig ausgebildet ist, wird ein stetiger Oberflächenverlauf vom Übergangsbereich 28 bis zum Eintritt des Brenngemisches in die Brennkammer 17 erreicht. Demzufolge löst die Grenz­ schicht in seinem Inneren nicht ab, so daß sich vorteilhaft erst stromab des Doppelkegelbrenners eine stabile Flammen­ front 25 ausbilden kann. Durch Veränderung der Länge des Dop­ pelkegelteils 26, der Schlitzweite, des Öffnungswinkels 32 oder der Anzahl der Lufteintrittsschlitze 7, 8 kann der Ort des Wirbelaufplatzens entsprechend der konkreten Bedingungen beeinflußt werden.

Wegen der im Übergangsbereich 28 vom Doppelkegelteil 26 zum Auslaßdiffusor 27 kontinuierlich verringerten Größe der Lufteintrittsschlitze 7, 8 wird ein strömungsgünstiger Über­ gang von der Doppelkegelbrenner-Geometrie zum kreisrunden Auslaßdiffusor 27 erreicht. Damit werden plötzliche Quer­ schnittsprünge vermieden. Die Anpassung der Gasbelochung an die lokale Größe der Lufteintrittsschlitze 7, 8 erfolgt durch die entsprechende Verringerung der Öffnungsdurchmesser. Na­ türlich kann auch der Abstand zwischen den Öffnungen 12 er­ höht werden. Ein zusätzlicher Vorteil des trompetenförmig ausgebildeten Auslaßdiffusors 27 ist die stabilisierende Wirkung seiner konvex gekrümmten Wand.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel besitzt der Auslaßdif­ fusor 27 einen Öffnungswinkel 34, der gleich dem Kegelwinkel 16 des Brenners ausgebildet ist (Fig. 8). Aufgrund der einfa­ chen, geraden Form des Auslaßdiffusors 27 kann dieser Dop­ pelkegelbrenner wesentlich leichter und billiger gefertigt werden. Zudem ist außerhalb der Brennkammerwand 35 ein Kühl­ luftleitblech 36 angeordnet, welches stromauf bis zum Aus­ laßdiffusor 27 reicht und am stromabwärtigen Ende der Luft­ eintrittsschlitze 7, 8 endet. Der Auslaßdiffusor 27 wird mit im Raum zwischen Brennkammerwand 35 und Kühlluftleitblech 36 zurückströmender Kühlluft von außen gekühlt, wobei letztere schließlich in ein stromauf des Brenners ausgebildetes Ple­ num 37 mündet. Aufgrund dieser konvektiven Kühlung des Aus­ laßdiffusors 27 wird die Betriebssicherheit gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel weiter verbessert.

Bezugszeichenliste

1 Teilkegelkörper
2 Teilkegelkörper
3 Strömungsrichtung
4 Mittelachse
5 Mittelachse
6 Brennerinnenraum
7 Lufteintristschlitz
8 Lufteintristschlitz
9 Brennstoffleitung
10 Brennstoffleitung
11 gasförmiger Brennstoff
12 Brennstoffzuführung, Öffnung
13 Anfangsteil
14 Anfangsteil
15 Flüssigbrennstoffdüse
16 Kegelwinkel
17 Brennkammer
18 Abschlußplatte
19 Bohrung
20 Kühlluft
21 flüssiger Brennstoff
22 kegeliges Brennstoffprofil
23 Verbrennungsluft
24 Rückströmzone
25 Flammenfront
26 Körper, Doppelkegelteil
27 Auslaßdiffusor
28 Übergangsbereich
29 Länge von 27
30 Gesamtlänge von 26 und 27
31 Austrittsfläche von 27
32 Querschnittsfläche
33 Öffnungswinkel von 27
34 Öffnungswinkel von 27
35 Brennkammerwand
36 Kühlluftleitblech
37 Plenum.

Claims (5)

1. Kegelbrenner für gasförmige und/oder flüssige Brennstof­ fe (11, 21), bestehend aus

• a) zumindest zwei hohlen, sich zu einem Körper (26) ergänzenden Teilkegelkörpern (1, 2), deren Mittel­ achsen (4, 5) in Strömungsrichtung (3) versetzt zu­ einander angeordnet sind,
• b) zwischen den Teilkegelkörpern (1, 2) angeordneten, tangentialen Lufteintristschlitzen (7, 8),
• c) mehreren, im gesamten Bereich der Lufteintritts­ schlitze (7, 8) gleichmäßig verteilten Brennstoff­ zuführungen (12) für gasförmigen Brennstoff (11),
• d) einem sich in Strömungsrichtung (3) kegelförmig er­ weiternden Brennerinnenraum (6),
• e) einer am stromaufwärtigen Ende des Kegelbrenners angeordneten und in den Brennerinnenraum (6) mün­ denden, zentralen Flüssigbrennstoffdüse (15),
  dadurch gekennzeichnet, daß
• f) die Teilkegelkörper (1, 2) an ihrem stromabwärtigen Ende einen gemeinsamen Auslaßdiffusor (27) besit­ zen,
• g) die Teilkegelkörper (1, 2) einen Übergangsbereich (28) zum Auslaßdiffusor (27) aufweisen, in dem die Größe der Lufteintrittsschlitze (7, 8) in Strö­ mungsrichtung (3) kontinuierlich abnimmt,
• h) der Auslaßdiffusor (27) kreisrund und ohne Luft­ eintrittsschlitze (7, 8) ausgebildet ist.

2. Kegelbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Brennstoffzuführungen (12) im Übergangsbereich (28) der Teilkegelkörper (1, 2) in Strömungsrichtung (3) abnimmt.

3. Kegelbrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaßdiffusor (27) eine Länge (29) von etwa 10 bis 25 Prozent der Gesamtlänge (30) des Kegelbrenners aufweist und eine Austrittsfläche (31) besitzt, die nicht größer als das 1,3-fache einer am Anfang des Übergangsbereiches (28) ausgebildeten Querschnittsfläche (32) des Körpers (26) ist.

4. Kegelbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaßdiffusor (27) einen Öffnungswinkel (32) besitzt, der gleich dem Kegelwinkel (16) des Brenners ist.

5. Kegelbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaßdiffusor (27) einen Öffnungswinkel (33) besitzt, der anfänglich gleich dem Kegelwinkel (16) des Brenners ist und der in Strömungsrichtung (3) kontinu­ ierlich zunimmt.