DE19738054A1

DE19738054A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Veränderung der Drallzahl der Verbrennungsluft eines Brenners während des Betriebes

Info

Publication number: DE19738054A1
Application number: DE1997138054
Authority: DE
Inventors: Heinrich Koehne; Frank Kleine-Jaeger
Original assignee: Individual
Current assignee: Costerm Swiss Ag Schwerzenbach Ch
Priority date: 1997-09-01
Filing date: 1997-09-01
Publication date: 1998-04-02
Anticipated expiration: 2017-09-02
Also published as: DE19738054C2

Description

Die Erfindung betrifft das Verfahren und die Vorrichtung zur Veränderung der Drallzahl der Verbrennungsluft eines Brenners für flüssige, gas- und/oder staubförmiger Brennstoffe mit dem Ziel der Beeinflussung der Abgasrezirkulationsmenge während des Betriebes.

Bei Brennern für flüssige, gas- und/oder staubförmige Brennstoffe kann durch Rezirkulation von Verbrennungsabgasen in die Verbrennungszone eine Abkühlung der Flamme und eine bessere Vermischung von Brennstoff und Verbrennungsluft erreicht werden. Dies führt zu einer Reduzierung der mittleren und der maximalen Temperatur in der Flamme, so daß die thermisch gebildete Stickoxidemission verringert wird.

Die Verbrennungsabgase werden aufgrund der Injektorwirkung der Luft über Rezirkulationsöffnungen in die Flamme eingesaugt und mit dem Brennstoff und der Verbrennungsluft vermischt. Bei blau brennenden Konzepten führt ein hoher Rezirkulationsmassenstrom im stationären Betrieb zu einer deutlichen Reduzierung der Stickoxidemission. Realisiert wird dies in der Praxis beispielsweise durch große Rezirkulationsöffnungen.

Begrenzt wird die Höhe des Rezirkulationsmassenstromes durch das Stabilitätsverhalten der Flamme, da aufgrund der Temperaturabsenkung Teilverlöschungen im Bereich der Flammenfront auftreten, die zum Auftreten thermoakustischer Druckschwingungen und/oder zur Verlöschung der Flamme führen können. Insbesondere in der Startphase des Brenners kann dies zu Problemen führen, da die rezirkulierten Verbrennungsgase wesentlich kälter sind als im Dauerbetrieb.

Aus der DE 39 30 569 A1 ist ein Brennerkopf bekannt, bei dem am stromaufliegenden Ende des Flammenrohres Eintrittsöffnungen vorgesehen sind, durch welche aufgrund der Injektorwirkung der Strömung Verbrennungsabgase aus der Umgebung in das Flammenrohr gesaugt werden. Die Eintrittsöffnungen sind in der Wand des Flammenrohres stromabseitig von der Mischkammerrückwand angeordnet. Eine Beeinflussung der Rezirkulationsfläche ist nicht vorgesehen.

Bei dem Brenner K1 (sv) der Firma Körting ist der Durchtrittsquerschnitt für das rezirkulierende Gas einstellbar, was zu einer Anpassung der rezirkulierenden Verbrennungsgase an die Feuerraumtemperatur und daher zu einer Vermeidung der oben genannten Probleme führt.

Die Verstellbarkeit von Durchtrittsflächen rezirkulierender Verbrennungsabgase ist jedoch problematisch, da in vielen Fällen eine Verschiebung von Bauteilen im Bereich hoher Temperaturen notwendig ist. Zudem ist in diesen Fällen in der Regel ein Stellmotor notwendig, der als zusätzliches Brennerbauteil kostenintensiv ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vollständige oder teilweise Unterdrückung der Rezirkulation von Verbrennungsabgas aus der Brennkammer während des Brennerstarts so zu realisieren, daß durch eine Verstellung im kalten Bereich des Brenners vom Startbetrieb zum Dauerbetrieb übergegangen werden kann.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Veränderung der Drallzahl der Verbrennungsluft eines Brenners mit dem Ziel der Beeinflussung der Abgasrezirkulationsmenge mit den Merkmalen des Anspruches 1.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gegeben.

Dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Veränderung der Drallzahl der Verbrennungsluft liegt die Idee zugrunde, anhand einer Veränderung der Strömungsverhältnisse im Bereich der Verbrennungsluftzufuhr, die korrespondierende Drallzahl derart zu beeinflussen, daß eine vorteilhafte Veränderung der Rezirkulationsmenge gegeben ist.

Zur Beschreibung der Drallintensität von Strömungen lassen sich Kennzahlen definieren. Die theoretische Drallzahl δ_0th setzt den theoretischen Drehimpulsstrom ₀ in ein Verhältnis zum mittleren Axialimpulsstrom ₀ und einer charakteristischen Länge R

Eine Beeinflussung der Drallzahl ist gemäß obiger Formel direkt über eine Veränderung des Verhältnisses "Drehimpulsstrom" zu "Axialimpulsstrom" bei konstanter geometrischer Abmessung von R möglich.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Veränderung der Drallzahl der Verbrennungsluft sieht nun vor, die Drallzahl δ_0th durch eine Veränderung des Verhältnisses "Drehimpulsstrom" zu "Axialimpulsstrom" so zu beeinflussen, daß in der Brenner-Startphase ein im Vergleich zum stationären Betrieb veränderter Wert eingestellt wird. Vorteilhaft an diesem Verfahren ist der Sachverhalt, daß auf eine Verstellung von Bauteilen im Bereich hoher Temperaturen verzichtet werden kann und lediglich ein Verstellmechanismus im Bereich der Verbrennungsluftzufuhr und demzufolge niedriger Temperaturen notwendig ist, was zu einer höheren Betriebssicherheit führt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Drallerzeuger mit tangentialer und axialer Luftzuführung.

Fig. 2 Multi-Tangential/Radial-Konfusor.

Fig. 3 und 3b Zweistufiger Drallerzeuger.

Fig. 4 Drallerzeuger mit axialer Luftzuführung und Bypass.

Eine vorteilhafte Möglichkeit zur Erzeugung eines Drehimpulses ist die Anordnung von Einzelrohren (1) an ein Luftleitrohr (2), wie es der Fig. 1 zu entnehmen ist. Die Einzelrohre (1) sind so positioniert, daß die zugeführte Verbrennungsluft rein tangential in das Luftleitrohr (2), in dem der Düsenstock (3) konzentrisch geführt ist, einströmt. Nach Austritt aus der Luftdüse, tritt die Verbrennungsluft in die Mischkammer (4) des Brenners ein, die durch ein Flammenrohr (5) mit Rezirkulationsbohrungen (6) begrenzt wird. Stromauf am Luftleitrohr (2) befindet sich ein Deckel (7), in dem mehrere Bohrungen (8) vorhanden sind, durch welche die Verbrennungsluft in das Luftleitrohr (2) eintreten kann.

Die Aufteilung der Luftströme, die durch die Einzelrohre (1) und die Bohrungen (8) in das Luftleitrohr (2) eintreten, geschieht mit Hilfe des Bechers (9), der durch den Düsenstock (3) zentriert wird und zudem drehbar gelagert ist. In dem Becher (9) befinden sich Bohrungen im Deckel (11) und im Kragen (10), die so angeordnet sind, daß bei vollständiger Überdeckung der Bohrungen (8) und (11) der Becher (9) das Eindringen von Luft in die Einzelrohre (1) verhindert. Umgekehrt sind bei Überdeckung der Bohrungen (10) mit den freien Querschnitten (12) der Einzelrohre (1) die Bohrungen (8) durch den Becher verschlossen. Durch Verdrehen des Bechers (9) mittels der Verstelleinrichtung (13) ist somit eine stufenlose Verstellung der Luftvolumenströme "tangential zugeführte Luft" und "axial zugeführte Luft" und demzufolge der Drallzahl möglich.

Die Fig. 2 zeigt eine alternative Lösung zur tangentialen Luftzuführung der Fig. 1. Statt der Einzelrohre (1) wird ein Multi-Tangential/Radial-Konfusor eingesetzt, der aus zwei kreisförmigen Platten (14) und (15) sowie mehreren Luftleitblechen (16) besteht. Die Funktionsweise des Konfusors ist ähnlich der in Fig. 1 dargestellten Funktionsweise der Einzelrohre (1). Die Einstellung des durch den Konfusor strömenden Volumenstroms kann wiederum mittels eines verschiebbaren Bauteiles vorgenommen werden. Vorteilhaft bei der Verwendung des Konfusors ist die Generierung einer annähernd homogenen Geschwindigkeitsverteilung innerhalb des Luftleitrohres (2), was eine Verkürzung der Luftleitrohrlänge ermöglicht. Wie in Fig. 1, ist die stufenlose Verstellung der Luftvolumenströme auch bei Einsatz des Konfusors möglich.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt Fig. 3. Analog zur Fig. 1 kann über die Einzelrohre (17) die Verbrennungsluft rein tangential zugegeben werden. Dies setzt voraus, daß der Verschiebering (18) so positioniert ist, daß die freie Querschnittsfläche der Einzelrohre (17) nicht verdeckt ist. In Fig. 3 ist dieser Verschiebering (18) so eingestellt, daß die schräg angeordneten Rohre (19) von der Verbrennungsluft durchströmt werden, während die Rohre (18) verdeckt sind. Anhand der axialen Verschiebung des Verschieberinges (18) ist somit eine Veränderung der Drallzahl der Verbrennungsluft möglich, da das Verhältnis von Drehimpulsstrom zu Axialimpulsstrom bei Durchströmung der Rohre (17) höher ist als bei Durchströmung der Rohre (19).

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt Fig. 4. Die Erzeugung des Dralls geschieht in diesem Fall mittels eines Axial-Drallerzeugers (21), welcher sich innerhalb eines Rohres (22) befindet und damit die innerhalb des Drallerzeugers befindliche Luft daran hindert, radial nach außen zu strömen. Anhand der axialen Verschiebbarkeit des Drallerzeugers auf dem Brennstoff-Düsenstock (23) kann der freie Querschnitt (24) zwischen dem Drallerzeuger (21) und dem Luftleitrohr (25) eingestellt werden. Während der Axialimpuls der Luftströmung konstant ist, kann der Tangentialimpuls der Luftströmung durch den Drallgitterwinkel und den Volumenstrom, der durch das Drallgitter strömt, variabel eingestellt werden. Dies geschieht durch den Bypass- Volumenstrom (26), welcher direkt durch die freie Querschnittsfläche (24) strömt und damit den Volumenstrom, der durch den Drallerzeuger strömt, reduziert.

Claims

1. Verfahren und Vorrichtung zur Veränderung der Drallzahl der Verbrennungsluft eines Brenners für flüssige, gas- und/oder staubförmige Brennstoffe, der zur Stabilisierung der Flamme mit einem Flammenrohr (5) versehen ist, das optional mit mindestens einer Rezirkulationsöffnung (6) versehen ist und in welches die Verbrennungsluft/der Oxidator durch eine Luftdüse/-blende einströmt, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb eines Drallerzeugers eine Veränderung der Strömungsverhältnisse der Verbrennungsluft im Bereich des Luftleitrohres (2) und nach Austritt der Verbrennungsluft aus der Luftdüse/-blende im Bereich der Mischkammer (4) möglich ist, dergestalt, daß die zur Beschreibung der Drallströmung herangezogene Kennzahl, die Drallzahl, welche das Verhältnis von Drehimpulsstrom zu Axialimpulsstrom multipliziert mit einer charakteristischen Länge beschreibt, dadurch verändert wird, daß das Verhältnis von Drehimpulsstrom zu Axialimpulsstrom verändert wird mit dem Ziel, die Rezirkulation von Verbrennungsabgasen, die durch die Rezirkulationsöffnungen (6) treten, in der Startphase des Brenners zu reduzieren oder zu verhindern, und in der stationären Brennerbetriebsphase die Rezirkulation möglichst großer Mengen von Verbrennungsabgasen zu ermöglichen.

2. Verfahren und Vorrichtung zur Veränderung der Drallzahl der Verbrennungsluft nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drallerzeuger ausgebildet ist als ein Luftleitrohr (2), in welches mindestens ein Rohr (1) mündet, dessen Achse sich versetzt zu der des Luftleitrohres befindet und durch welches die Verbrennungsluft in das Luftleitrohr strömt und der Hauptströmung im Luftleitrohr (2) eine Tangentialgeschwindigkeitskomponente aufprägt, welches stromauf mit einem Deckel versehen ist, in dem mindestens eine Öffnung (8) vorhanden ist, durch welche Verbrennungsluft in das Luftleitrohr (2) strömen dann und welches am stromab liegenden Austritt mit einer Luftdüse/-blende versehen ist, und daß in diesem Drallerzeuger mittels eines Bechers (9), der durch Bewegen wahlweise mindestens eine Bohrung (11) oder (10) freigibt, durch welche Verbrennungsluft strömt, das Verhältnis "Volumenstrom durch Bohrung (11)" zu "Volumenstrom durch Bohrung (10)" festgelegt wird, über das die Drallzahl der Strömung innerhalb des Drallerzeugers bestimmt wird.

3. Verfahren und Vorrichtung zur Veränderung der Drallzahl der Verbrennungsluft nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einbringung der Verbrennungsluft in das Luftleitrohr (2) und zur Erzeugung einer Tangentialgeschwindigkeitskomponente innerhalb der Hauptströmung des Luftleitrohres (2) ein Multi-Tangential/Radial-Konfusor, vorzugsweise bestehend aus zwei Deckeln und einer Mehrzahl von Leitblechen, eingesetzt wird.

4. Verfahren und Vorrichtung zur Veränderung der Drallzahl der Verbrennungsluft nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der Drallzahl, stellvertretend beschrieben durch das Verhältnis von Drehimpulsstrom zu Axialimpulsstrom innerhalb des Luftleitrohres, dadurch erzeugt wird, daß mindestens zwei unterschiedlich angeordnete Rohre (17) und (19), durch welche die Verbrennungsluft wahlweise strömt und welche einen unterschiedlichen Anstellwinkel (20) besitzen, und ein Verstellring (18) vorhanden ist, der so bewegt werden kann, daß jeweils mindestens ein Rohr (17) von der Verbrennungsluft durchströmt werden kann und gleichzeitig sämtliche Rohre (19) teilweise oder komplett verschlossen werden können oder bei Verstellung des Ringes (18) die Durchströmung der Rohre (19) möglich ist, während die Rohre (17) teilweise oder komplett verschließbar sind.

5. Verfahren und Vorrichtung zur Veränderung der Drallzahl der Verbrennungsluft nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der Drallzahl, stellvertretend beschrieben durch das Verhältnis von Drehimpulsstrom zu Axialimpulsstrom innerhalb des Luftleitrohres, dadurch erzeugt wird, daß der Tangentialimpuls veränderlicher Größe mittels der Veränderung des Volumenstroms, der durch einen Axial-Drallerzeuger (21) strömt, der verschiebbar ist und durch die Verschiebung eine freie Querschnittsfläche (24) veränderlicher Größe freigibt, durch welche ein Bypass-Volumenstrom (26) strömt, der keinen Tangentialimpuls besitzt, erzeugt wird und der Axialimpuls der Strömung konstant bleibt.