DE19725613A1 - Heißgaserzeuger - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Heißgaserzeuger, der heiße Abgase durch Verbrennung von fluidem Brennstoff mit Luft erzeugt.

Bei der Beheizung gewisser Objekte, wie beispielsweise Wirbel­ roste, Trommeltrockner u.ä. mit Heißgasen treten Probleme auf, wenn die Heißgasströmung Strähnen aufweist, in denen die Tempe­ ratur von einer vorgegebenen Solltemperatur abweicht. Sind die Strähnen heißer als die Solltemperatur, wird das beheizte Objekt durch lokale Überhitzung gefährdet. Sind die Strähnen kälter als die Solltemperatur, ist eine örtlich mangelhafte Heizleistung die Folge. Senkt man die Heißgastemperatur soweit ab, daß die heißen Strähnen für das beheizte Objekt nicht mehr gefährlich sind, leidet die Heizleistung ggf. erheblich. Je gleichmäßiger das Temperaturprofil der Heißgasströmung ist, umso höher darf die Durchschnittstemperatur sein und umso bes­ ser ist daher die Heizleistung und damit die Gesamtwärmeaus­ nutzung. Strähnenfreiheit ist daher das wirtschaftliche und technische Anwendungskriterium.

Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Maßnahmen bekannt, mit denen eine Strähnenfreiheit erzielt werden soll. Zumeist setzt man Mischeinrichtungen ein, um das Temperaturpro­ fil der Heizgasströmung zu vergleichmäßigen. Beispiele sind Steingitter und Lochbleche, die in den Strömungsweg des Heiß­ gases eingefügt sind. Andere Lösungen sehen das Einblasen ein­ zelner Luft- oder Rauchgasstrahlen im Bereich des Heißgasaus­ tritts des Heißgaserzeugers vor.

Befriedigende Temperaturprofile erfordern einen entsprechend großen apparativen Aufwand. Erschwerend kommt hinzu, daß heiße Gase eine hohe kinematische Zähigkeit haben und sich schlecht mischen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Heißgaserzeuger anzugeben, der einfach aufgebaut ist und ein möglichst homoge­ nes, strähnenfreies Heißgas erzeugt.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegen­ stand der Unteransprüche.

Der erfindungsgemäße Heißgaserzeuger erzeugt als Folge seines Strömungsbildes einen besonders großen Bereich turbulenter Schwankungsbewegungen, d. h. Wirbelfrequenzen, in der Heißgas­ strömung, die erst weit hinten im Strömungsfeld stromabwärts der Flamme abklingen und somit Flammgase und Luft ausmischen. Auf den Einsatz einer gesonderten Mischvorrichtung kann daher verzichtet werden.

Das Ergebnis ist erstauntlich. Die Temperaturprofile sind - bis auf eine wandnahe Grenzschicht an der Wand der Brennkammer - so gleichmäßig, daß keine Temperaturspitze oder -delle um mehr als 5% vom Mittelwert abweicht.

Ein anderer Vorteil der Erfindung ist, daß die Gleichmäßigkeit des Temperaturprofils nicht vom Durchsatz, vom Luftüberschuß oder von einer eventuellen Luftvorwärmung abhängt.

Der genannte Bereich angefachter turbulenter Schwankungsbewe­ gungen ist so groß, daß selbst die bei konventionellen Heißgas­ erzeugern gefürchteten Zähigkeitswirkungen keine meßbare Rolle mehr spielen.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß der Aufbau des Heißgaserzeugers sehr einfach ist. Er besteht im wesentlichen aus einem divergenten Blechkegel, dem am Ende kleineren Durch­ messers der fluide Brennstoff und, über radial erstreckte, unter einem Anstellwinkel zum Umfang ausgerichtete Leitschau­ feln, die Verbrennungsluft zugeführt werden.

Die Erfindung und ein Anwendungsbeispiel derselben werden nach­ folgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 in Längsschnittdarstellung eine Schemazeichnung eines erfindungsgemäßen Heißgaserzeugers mit einem einem ersten Betriebszustand entsprechenden Flammbild,

Fig. 2 den Heißgaserzeuger nach Fig. 1 mit einem einem zwei­ ten Betriebszustand entsprechenden Flammbild,

Fig. 3 und 4 graphische Darstellungen der Temperaturprofile in den den Fig. 1 und 2 entsprechenden Betriebszustän­ den, und

Fig. 5 als Längsschnittsdarstellung schematisch einen mit staubförmigem Brennstoff zu befeuernden Heißgaser­ zeuger.

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Heißgaserzeuger besteht aus einer sich konisch erweiternden, beidseitig offenen Misch- und Brennkammer 1, an deren Ende kleineren Durchmessers d ein Schaufelgitter 2 mit sich radial, bevorzugt logarithmisch-spi­ ralig erstreckenden Schaufeln 2a axial angesetzt ist. Dieses Schaufelgitter 2 und ein Teil der Misch- und Brennkammer 1 sind von einem Luftsammelgehäuse 3 umgeben, das einen Lufteinlaß 4 aufweist und die eingeführte Luft beruhigt und dem Schaufelgit­ ter 2 zuführt. An das der Misch- und Brennkammer 1 abgewandte Ende des Schaufelgitters 2 schließt sich eine Kopfkammer 5 an, in die eine mit der Misch- und Brennkammer 1 koaxiale Heizöl­ düse 6 mündet. Weiterhin sind an und in der Kopfkammer 5 übli­ che Zünd- und Überwachungseinrichtungen 7 angeordnet, die hier nur schematisch dargestellt sind, da eine Erläuterung derselben zum Verständnis der Erfindung nicht erforderlich ist.

Dem Heißgaserzeuger ist über die Heizöldüse 6 Heizöl und über den Lufteinlaß 4 Verbrennungsluft zuführbar, die bevorzugt vor­ gewärmt ist. Im Betrieb strömt die Verbrennungsluft aus dem Luftsammelgehäuse 3 durch das Schaufelgitter 2 in die Misch- und Brennkammer 1, wo sie in einer wirbelnden, sich schrauben­ förmig ausbildenden Flamme das durch die Heizöldüse 6 einge­ düste Heizöl verbrennt.

Der Heißgaserzeuger kann auch mit staubförmigen Brennstoffen befeuert werden. Dieser wird mit einem gasförmigen Trägermedium - vor­ zugsweise Luft - transportiert und mittels einer Staub­ lanze eingeblasen.

Der dargestellte Heißgaserzeuger ist dazu bestimmt, bis zu 20 000 m_n ³/h Heißgas mit einstellbaren Temperaturen von 250°C bis 950°C aus vorgewärmter Luft einer Temperatur von 60°C bis 300°C zu erzeugen, um damit beispielsweise einen großen, wir­ belschicht-gefeuerten Kraftwerkskessel anzufahren. Hierfür muß die Stahlstruktur des Wirbelrostes des Kraftwerkkessels langsam nach einem vorgegebenen Programm mit dem Heißgas hochgeheizt werden. Im Heißgasstrom darf bei keiner Heißgastemperatur eine Temperaturspitze auftreten, die von der jeweiligen Durch­ schnittstemperatur um mehr als 5% abweicht, weil sonst der Wir­ belrost Schaden leiden könnte.

Der Heißgaserzeuger hat bei der durch die vorgenannten Daten bestimmten Leistung die folgenden Abmessungen (siehe Fig. 2).

Axiale Länge der Schaufeln 2a des Schaufelgitters 2	b = 45 cm
Anstellwinkel der Schaufeln 2a gegen den Umfang	9,5°
Eintrittsdurchmesser der Misch- und Brennkammer 1	d = 77 cm
Länge der Misch- und Brennkammer 1	L = 335 cm
Austrittsdurchmesser der Misch- und Brennkammer 1	D = 150 cm

Diese Werte ergeben optimale Temperaturprofile der aus der Brennkammer austretenden Heißgasströmung. Manche dieser Werte kann man verändern, wenn man geringe Abweichungen vom Optimum in Kauf nimmt:

• - eine Vergrößerung von b und d um 20% bis 30% ergibt eine Ver­ ringerung des Druckabfalls, aber eine Vergrößerung der Dicke der Kaltluftschicht um die Flamme in der Misch- und Brennkammer 1;
• - eine Verkleinerung von b und d um 20% bis 30% ergibt eine Flammberührung der Wand der Misch- und Brennkammer 1 im Endzu­ stand, d. h. bei maximaler Leistung des Heißgaserzeugers und damit eine Beeinträchtigung des Materials und sollte daher ver­ mieden werden;
• - eine Vergrößerung von L um 10% bis 15% schadet nicht, ist aber nutzloser Aufwand;
• - eine Verkleinerung von L verschlechtert das Temperaturprofil der Heißgasströmung, wenn der Heißgaserzeuger mit maximaler Leistung betrieben wird;
• - Variationen von D wirken entgegengesetzt zu den beschriebenen Veränderungen von b und d, jedoch beträgt die Auswirkung nur etwa 20% bis 25% von derjenigen von b und d;
• - der Schaufelanstellwinkel gegen den Umfang hat bei 9,5% sein Optimum, ist bei 8% und 10,5% noch gut, bei weniger als 8% ergibt sich ein unnötiger Druckverlust, bei mehr als 11% ver­ ringert sich die Mischleistung des Heißgaserzeugers.

Weiter wurde gefunden, daß das Strömungsbild oberhalb von Rey­ noldszahlen (Re) von ca. 100 nicht mehr von der Reynoldszahl abhängt. Damit gelten die einfachen Modellgesetze (Bernoulli, Kontinuität):

• - man kann die beschriebene Vorrichtung storchschnabelartig vergrößern oder verkleinern. Der Durchsatz und somit die Lei­ stung verändert sich dann quadratisch mit dem Änderungsverhält­ nis der Abmessungen;
• - man kann eine gegebene Vorrichtung mit kleineren oder größe­ ren Durchsätzen, Drucken oder Temperaturen betreiben. Der Druckverlust ändert sich dann nach den obigen Regeln, die aus der Strömungslehre bekannt sind. Danach ändert sich der Druck­ verlust:
• a) proportional der Dichte am Eintritt in den Heißgaserzeuger,
• b) proportional dem Quadrat des Volumenstroms am Eintritt in den Heißgaserzeuger.

In der Praxis hat man im Bereich der Druckverluste von 10 hPa bis 30 hPa ein Minimum an Kapital- und Betriebskosteneinsatz. Die Auslegung nach den Fig. 1 und 2 ist daher besonders vor­ teilhaft.

Die untere Grenze der Druckverluste liegt, abhängig von der Apparategröße, bei 1 hPa bis 3 hPa; die obere Grenze hängt nur von der Reaktionsgeschwindigkeit des jeweils eingesetzten Brennstoffs ab.

Im Betrieb wird mit den Abgasen des zu beheizenden Wirbel­ schichtkessels mittels eines Wärmetauschers (nicht dargestellt) die dem Heißgaserzeuger zugeführte Verbrennungsluft vorgewärmt. In der Startphase des Wirbelschichtkessels wird die Verbren­ nungsluft auf eine Temperatur von 60°C vorgewärmt. Dieser Zustand mit entsprechend kurzer Flamme ist in Fig. 1 darge­ stellt. Man betreibt den Heißgaserzeuger anfänglich mit einem Durchsatz von ca. 120 kg/h Heizöl EL, der während des Hochfah­ rens des Heißgaserzeugers allmählich bis auf ca. 460 kg/h gesteigert wird. Entsprechend nimmt die Heißgastemperatur bei konstant gehaltenem Heißgasvolumenstrom von anfänglich 250°C auf ca. 950°C im Endzustand zu und steigt die Vorwärmtemperatur der Verbrennungsluft auf ca. 300°C. Dieser Endzustand mit ent­ sprechend langer Flamme ist in Fig. 2 dargestellt.

Mit zunehmender Volumenausdehnung des Heißgases steigt der Widerstand des Wirbelrostes, d. h. der Druck am Austritt des Heißgaserzeugers, von 1120 hPa auf 1300 hPa und der erforder­ liche Luftvordruck von 1137 hPa auf 1325 hPa.

Die Betriebsdaten sind somit (HG = Heißgaserzeuger):

Man kann den Heißgaserzeuger auch mit größeren oder kleineren Luftverhältnissen als oben angegeben betreiben. An den Abmes­ sungen, Druckverlusten, Temperaturprofilen usw. ändert dieses jedoch nichts, es wären lediglich die Werkstoffe eventuell höheren, sich aus dem Luftverhältnis ergebenden Temperaturen in bekannter Weise anzupassen.

Die Temperaturprofile und sonstigen Betriebsdaten ändern sich nicht oder nur in vernachlässigbarer Größe, wenn statt Heizöl EL, wie im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2, etwa Gas oder ein staubförmiger Brennstoff, etwa Kohlenstaub, eingesetzt wird.

Ebenso hängt die Form der Temperaturprofile nicht von der Luft­ vorwärmung ab. Es kann kalte Umgebungsluft verwendet werden oder ggf. auch Luft, die über 900°C vorgewärmt ist. In diesem Falle sind die Luftleitschaufeln 2a am Schaufelgitter durch eine feuerfest ausgeführte logarithmische Eintrittsspirale gleichen Spiralwinkels zu ersetzen.

Die Fig. 3 und 4 zeigen jeweils rechts neben dem Heißgaser­ zeuger von Fig. 1 bzw. 2 in graphischer Darstellung die Tempe­ raturprofile P in °C über dem Querschnitt der Heißgasströmung, hier durch den Radius R ausgedrückt. Man sieht, daß sowohl bei einer niedrigen Leistung mit einem Heizöleinsatz von 120 kg/h Heißöl EL gemäß Fig. 1 und 3 das Temperaturprofil mit einer mittleren Temperatur von 250°C vollkommen gleichmäßig ist. Es zeigt lediglich den Abfall der Temperatur am Rand der Heißgas­ strömung. Gleiches gilt für eine Leistung, bei der ein Durch­ satz von 457 kg/h Heizöl EL herrscht, wo die mittlere Tempera­ tur des Heißgases 950°C beträgt, wie durch die Fig. 2 und 4 dargestellt.

Fig. 5 zeigt als Ausführungsbeispiel einen Heißgaserzeuger, der mit einem staubförmigen Brennstoff arbeitet. Zusätzlich zu dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 ist die Brennkammer 1 mit einer zentrisch angeordneten Staubeinblaslanze 8 versehen. Diese trägt an ihrem in der Brennkammer 1 gelegenen freien Ende eine Umlenkhaube 9, die staubförmigen Brennstoff und ein Trä­ germedium für diesen um 180° umlenkt und gegen die Hauptdurch­ satzrichtung in die Flamme einbläst. Die Wirkungsweise ist im übrigen der unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 beschriebenen gleich.

Claims (4)

1. Heißgaserzeuger zur Erzeugung heißer Abgase durch Verbren­ nung von fluidem Brennstoff mit Luft, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einer konisch-divergenten Misch- und Brennkammer (1) besteht, an deren Ende kleineren Durchmessers (d) ein Schaufel­ gitter (2) mit radial erstreckten Leitschaufeln (2a) zur Zuführung von Verbrennungsluft angesetzt ist, an dessen der Misch- und Brennkammer (1) abgewandten Ende sich eine Kopfkam­ mer (5) anschließt, in die eine zur Misch- und Brennkammer (1) koaxiale Brennstoff-Zuführdüse (6) mündet, und daß, bezogen auf die folgenden Betriebsdaten:
Luftdurchsatz: 19 861 bis 19 473 m_n ³/h
Luftvorwärmung: 60°C bis 300°C
Druckverlust: 17,5 bis 25 hPa
Temperaturabweichungen innerhalb der erzeugten Heißgasströmung vom Temperaturmittelwert: < 10%
der Heißgaserzeuger folgende Abmessungen hat:
- axiale Länge der Leitschaufeln (2a) b = 35 . . . 60 cm - Winkel der Leitschaufeln gegen den Umfang 8° . . . 11° - Öffnungsdurchmesser der Misch- und Brennkammer (1) am Ende kleineren Durchmessers d = 60 . . . 100 cm - Öffnungsdurchmesser der Misch- und Brennkammer (1) am Ende größeren Durchmessers D = 117 . . . 186 cm - Länge der Misch- und Brennkammer (1) L = 235 . . . 375 cm

2. Heißgaserzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Abmessungen wie folgt sind:
- axiale Länge der Leitschaufeln (2a) b = 45 cm - Schaufelwinkel gegen den Umfang 9,5° - Eintrittsdurchmesser der Misch- und Brennkammer (1) d = 77 cm - Austrittsdurchmesser der Brennkammer (1) D = 150 cm - Länge der Misch- und Brennkammer (1) L = 335 cm

3. Heißgaserzeuger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Leitschaufeln (2a) logarithmisch-spiralig ausge­ bildet sind.

4. Heißgaserzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für andere als im Anspruch 1 ange­ gebene Luftdurchsätze, Druckverluste oder Luftvorwärmtemperatu­ ren die Abmessungen mit Ausnahme des Anstellwinkels der Leit­ schaufeln (2a) nach dem Satz von Bernoulli und der Kontinui­ tätsbedingung nach den Regeln der Strömungslehre gegenüber den­ jenigen nach Anspruch 1 verändert sind.