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Dokumentenidentifikation DE2821160C2 05.11.1987
Titel Verdampfungsbrennkammer
Anmelder Eisfeld, Fritz, Prof. Dr.-Ing., 6750 Kaiserslautern, DE
Erfinder Eisfeld, Fritz, Prof. Dr.-Ing., 6750 Kaiserslautern, DE
DE-Anmeldedatum 13.05.1978
DE-Aktenzeichen 2821160
Offenlegungstag 15.11.1979
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 05.11.1987
Veröffentlichungstag im Patentblatt 05.11.1987
IPC-Hauptklasse F23R 3/32

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Verdampfungsbrennkammer mit allseitig umströmtem rohrförmigen Oberflächenverdampfer, der in einer Brennkammer, bestehend aus einer Verdampfungszone und einer Reaktionskammer, axial angeordnet ist, wobei der Ringspalt zwischen Verdampfer und Brennkammerwand so dimensioniert ist, daß die Verbrennungsluft, die mit Drall zugeführt wird, an der Außenseite in Richtung Brennkammeraustritt strömt, während sich durch das Verdampferrohr heißes rezirkulierendes Gas in entgegengesetzter Richtung bewegt und sich anschließend mit der Frischluft in einem Mischraum vor dem Verdampfer mischt, um danach wieder an der Außenseite in Richtung Brennkammeraustritt zu strömen.

Bei Verdampfungsbrennkammern wird der Brennstoff in ein Verdampferrohr oder in eine Verdampfungskammer mit niedrigem Druck eingespritzt, wo er zum größten Teil verdampft, sich mit Verbrennungsluft mischt, und das Gemisch aus dem Rohr bzw. aus der abgetrennten Kammer in den Hauptbrennraum austritt. Es gibt auch Vorschläge, bei denen der Brennstoff außerhalb der Brennkammer verdampft, und dieser Dampf der Brennkammer zugeführt wird. Die Vorteile einer solchen Vorverdampfung sind bekannt. Einmal neigen diese Kammern weniger zum Rußen, außerdem sind auch die Emissionsraten gasförmiger Schadstoffe geringer. Hervorzuheben ist weiterhin die größere Elastizität im Betrieb solcher Kammern.

In den Fällen, in denen der Brennstoff eingespritzt wird und in einem Verdampferrohr oder in einer abgetrennten Kammer verdampft, wird jedoch stets ein Teil des Brennstoffs beim Austritt des Luft-Dampf-Gemischs in den Hauptbrennraum noch nicht völlig verdampft sein, sondern es befinden sich noch Tropfen im Gemisch. Der verdampfte Anteil liegt dabei je nach Bauart zwischen 25 und 75%. Die Schwierigkeit liegt bei diesen Kontruktionen darin, daß in der zur Verfügung stehenden kurzen Zeit noch genügend Wärme an den flüssigen Brennstoff herangebracht werden kann, um diesen vollständig zu verdampfen.

Bei den sogenannten Filmverdampfungsbrennkammern, bei denen der Brennstoff auf die Wand eines Kreisrohres entweder durch feine Bohrungen in der Wand, oder durch eine poröse Oberfläche aufgetragen wird, hat man keine Tropfen im Brennstoffdampf-Luft-Gemisch. Bei den bekannten Konstruktionen mit Wandauftragung des Brennstoffes bewegt sich die Verbrennungsluft schraubenförmig an der benetzten Rohrwand entlang. Durch die Drallströmung der Luft findet bei entsprechender Gestaltung der Brennkammer und bei entsprechender Drallerzeugung eine starke Rezirkulation des heißen Gases statt, derart, daß im Kern das heiße Gas in axialer Richtung zurückströmt, sich dann später mit der Frischluft vermischt. Dadurch strömt ein aufgeheiztes Frischluft-Abgas-Gemisch über den Brennstoffilm hinweg und erhöht die Verdampfungsrate.

Der verdampfte bzw. verdunstete Kraftstoff dringt in die Verbrennungsluft ein, wird abtransportiert und durch turbulenten Austausch über den Brennkammerquerschnitt verteilt. Die Verbrennung setzt bereits über dem Brennstoffilm ein. Die Hauptreaktion findet jedoch erst in der Reaktionszone statt. Damit ist jedoch noch nicht das Optimum der Wärmezufuhr erreicht, da die Wärme dem Film nur von einer Seite zugeführt wird.

Soweit derartig konzipierte Brennkammern mit Wandauftragung des Brennstoffes durchgemessen wurden, ergab sich ein relativ kleiner Betriebsbereich. Das liegt daran, daß bei mageren Brennstoff-Luft-Gemischen die Gastemperatur so niedrig liegt, daß die Temperaturen an der Grenzfläche Flüssigkeit-Gas nicht mehr für eine zündfähige Brennstoff-Luft-Konzentration ausreichen.

Bei einer neueren Konstruktion (DE-OS 25 11 172) führt man deshalb über ein kompliziertes System, der trockenen Seite des Verdampfers heißes Gas zu. Wegen der geringen Gasgeschwindigkeit ist jedoch der Wärmeübergang und damit die Erhöhung der Verdampfungsrate gering. Bei dieser Brennkammer wird der Kraftstoff in einer schmalen Ringzone auf die Wand gespritzt und anschließend durch die strömende Luft über die Verdampfungsfläche verteilt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verdampfungsbrennkammer mit einem relativ einfach aufgebauten, wirkungsvollen Verdampfer mit mit einem breiten Betriebsbereich zu schaffen.

Die Mängel, die den bisherigen Konstruktionen anhaften, werden dadurch beseitigt, daß ein Maximum an Wärme an den Brennstoffilm übertragen wird. Die Erkenntnis, daß eine größere Wärmemenge an den Film nur dadurch übertragen werden kann, daß der Verdampfer allseitig vom Gas mit großer Geschwindigkeit umströmt wird, führte zu folgender Konzeption: Führt man den Verdampfer als Rohr aus, an dessen Außenfläche in axialer Richtung zum Brennkammeraustritt hin die Luft sich spiralförmig fortbewegt, so erhält man hinter dem Verdampferrohr bei ausreichendem Drall eine starke Drucksenke um die Rotationsachse, die zu einer Rückströmung des heißen Gases durch das Verdampferrohr führt, so daß die Innenwand des Rohres vom heißen Gas beaufschlagt wird. Das führt zu einer beachtlichen Erhöhung der an den Verdampfer übertragenen Wärme. Die Folge davon ist, daß eine wesentlich größere Brennstoffmenge verdampft wird als bei anderen Konstruktionen. Das wird dadurch erreicht, daß man einmal den Brennstoff auf der Außen- und Innenfläche verteilen kann, zum andern läßt sich aber eine wesentliche Erhöhung der Brennstoffilmtemperatur erzielen, wenn man eine Mantelfläche des Verdampfers trocken läßt und die Wärme durch die Verdampferwand dem Brennstoff zuführt. Wesentlich hierfür ist die Tatsache, daß durch den abdampfenden Kraftstoff der Wärmeübergang an den Flüssigkeitsfilm vermindert wird und deshalb der Kraftstoff nicht zum Sieden gebracht werden kann. Führt man die Wärme der Flüssigkeit durch die trockene Oberfläche des Verdampfers zu, läßt sich die übertragene Wärmemenge und die Kraftstofftemperatur wesentlich steigern. Die Erhöhung der Filmtemperatur hat zur Folge, daß auch bei geringerer Brennkammerleistung, also bei Teillastbetrieb, der Partialdruck an der Grenzfläche Flüssigkeit-Gas so hoch ist, daß noch ein zündfähiges Gemisch entsteht. Das bedeutet aber, daß eine Brennkammer mit einem solchen allseitig umströmten Verdampfer in einem wesentlich größeren Bereich betrieben und seine Lage im Betrieb verlängert werden kann, so daß sich optimale Verhältnisse für jeden Betriebsbereich erreichen lassen. Ein weiterer Vorteil dieses Verdampfers, der mit höheren Grenzflächentemperaturen arbeitet als dies bei den bisher bekannten Filmverdampfungsbrennkammern möglich war, ist der, daß hier sich auch schwerer siedende Brennstoffe verbrennen lassen, ohne daß die Verbrennungsluft vorgewärmt werden muß.

Wesentlich bei der erfindungsgemäßen Filmverdampfungsbrennkammer ist dabei, daß der Ringspalt zwischen dem Verdampferrohr und der Brennkammerwand so bemessen ist, daß ein optimales Verhältnis zwischen vorwärtsströmendem Gas im Ringspalt und rückwärtsströmendem Heißgas auf der Innenseite des Verdampferrohres erzielt wird. Außerdem muß der Raum in dem sich das Heißgas mit dem Frischgas mischt optimiert werden.

Bei einer Modifikation derart, daß der Brennstoffilm selbst nicht direkt mit der Verbrennungsluft in Berührung kommt, kann sich der Kraftstoffdampf über dem Film in einem abgedeckten Ringraum, dem Wärme von den beiden Wandungen zugeführt wird, sammeln. Der Dampf tritt hier durch Lochreihen aus, vermischt sich mit dem über den Verdampfer strömenden Gas und verbrennt. Diese Anwendung ist besonders für höher siedende Brennstoffe vorteilhaft. Durch Bohrungen, die in dem an den Verdampfer anschließenden Strömungsführungsrohr angebracht werden können, läßt sich ein Queraustausch von heißem und kaltem Gas bewirken, der zur Stabilisierung der Verbrennung beiträgt. Anhand der Zeichnung wird die Konzeption beispielsweise erläutert.

Fig. 1 zeigt einen rohrförmigen Verdampfer 1 in einer Brennkammer 2, der die Frischluft 3, wie durch Pfeil angedeutet, mit Drall zuströmt. Der Brennstoff 4 tritt durch die poröse Wand oder durch feine Bohrungen aus dem Verdampferrohr aus und benetzt dessen äußere Mantelfläche. An den Verdampfer schließt sich ein trockenes Strömungszuführungsrohr 5 an. Die Bohrungen 6 ermöglichen einen Queraustausch des strömenden Gases. Der Verdampfer kann auch im Betrieb, wie durch Pfeil 7 angedeutet, verschoben werden.

Fig. 2 zeigt eine ähnliche Ausführungsform. Jedoch wird hier der Brennstoff 4 auf der inneren Mantelfläche verteilt.

Fig. 3 zeigt ein Verdampferrohr, bei dem Brennstoff 4 sowohl auf der äußeren als auch auf der inneren Mantelfläche verteilt wird.

Fig. 4 stellt einen Verdampfer dar, bei dem über der vom Brennstoff benetzten Mantelfläche ein weiteres Rohr 8 angebracht wird, so daß ein Ringraum entsteht, aus dem der Brennstoffdampf durch Bohrungen 9 in das darüberströmende Gas austreten kann.


Anspruch[de]
  1. 1. Verdampfungsbrennkammer mit einem Verdampfungsabschnitt, in dem ein allseits umströmter rohrförmiger Oberflächenverdampfer angeordnet ist, und mit einem in Hauptströmungsrichtung axial anschließenden Brennraum, dadurch gekennzeichnet,

    1. a) daß die Verbrennungsluft dem Verdampfungsabschnitt axial mit Drall zugeführt wird,
    2. b) daß der Verdampfer (1) einen derartigen Durchmesser aufweist, daß sein Mantel bei Auslegungsbedingungen die Trennfläche zwischen einer äußeren Drallströmung zum Brennraum und einer inneren Rückströmung heißen Gases aus dem Brennraum bildet und
    3. c) daß der Verdampfer von dem Drallerzeuger für die Verbrennungsluft einen ausreichenden axialen Abstand zur Umlenkung und Mischung des rückströmenden heißen Gases mit der mit Drall herangeführten Verbrennungsluft aufweist, wonach das Gemisch im Ringspalt zwischen Verdampfer und Brennraumwand des Verdampfungsabschnitts zum Brennraum strömt.


  2. 2. Verdampfungsbrennkammer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Verteilung des Brennstoffs auf der inneren Mantelfläche des Verdampfers.
  3. 3. Verdampfungsbrennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff sowohl auf der äußeren als auch auf der inneren Mantelfläche des Verdampferrohres verteilt wird.
  4. 4. Verdampfungsbrennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß über der vom Brennstoff 4 benetzten Mantelfläche konzentrisch ein Rohr 8 angebracht ist, so daß ein Ringraum entsteht, aus dem der Brennstoffdampf durch Bohrungen 9 in die Brennkammer austreten kann.
  5. 5. Verdampfungsbrennkammer nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer während des Betriebes axial verschoben werden kann.






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