DE2524887C2 - Verbrennungsvorrichtung zur Verbrennung eines Brennstoffs mittels eines Druckfluids und eines Additivs - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Verbrennung eines Brennstoffs mittels eines Druckfluids und eines Additivs mit einer kreisförmigen Mischkammer, die mit einem Düsenabschnitt in Verbindung steht, mit einem Druckabschnitt für das Druckfluid mit Zuführleitungen für den Brennstoff, das Additiv und das Druckfluid, mit einer Zerstäubungsdüse an dem dem Druckabschnitt gegenüberliegenden Ende der Mischkammer und mit einer Einstellvorrichtung für das Brennstoffgemisch.

Aus der DE-OS 25 45 443 ist eine Vorrichtung zum vollständigen Vergasen des Kohlenstoffs von brennbaren Flüssigkeiten der eingangs genannten Art bekannt, bei der der Brennstoff über einen Eintrittskanal einem freien Raum zugeführt wird, an den Verteilungsschlitze grenzen. Diese als Düsenabschnitt wirkende Vertei lungsschlitze verbinden den Brennstofffreiraum mit der Mischkammer. Die Verteilungsschlitze münden in die Stirnseite der Mischkammer. Am Umfang der kreisförmigen Mischkammer münden tangentiale Schlitze, durch die einerseits Druckluft aus einer Drucklufivertei lung: kammer als auch ein zusätzliches Strömungsmittel münden, welches Über eine Ausnehmung in die tangentiaicn Schlitze eintritt. An die Mischkammer schließt sich ein Zerstäuberteil an, welches in Längsrichtung verstellbar ist Die bekannte Vorrichtung ist aufwendig und enthält keine klassischen Düsenabschnitte zur Erzielung hoher Strömungsgeschwindigkeiten für das Druckfluid. Aus der US-PS 33 71 869 ist ein Ultraschall-Zerstäuber bekannt, der einen Düsenabschnitt enthält, welcher mit einem Druckabschnitt für Druckluft verbunden ist.

Im Düsenabschnitt münden Zuführungsleitungen für eine zu zerstäubende Flüssigkeit. Im Anschluß an den Düsenpibschnitt findet sich ein Auslaßbereich. In einem vorgegebenen Abstand von der Auslaßöffnung befindet sich ein Ultraschall-Geber. Hierdurch werden im Wege der Zerstäubung Tröpfchen von einheitlicher Größe erzeugt. Eine solche Vorrichtung ist für eine Verbrennungsvorrichtung nicht geeignet.

Die Zerstäubung oder Feinverteilung von Flüssigkeit, wie flüssigen Brennstoffen, wurde bisher unter Verwen dung von Zentrifugal-Einspritzventilen, Aufprallein spritzventilen, Lufteinspritzyentilen, rotierenden Scheiben, elektromechanischen Überschallgeneratoren, usw. durchgeführt. Die Verwendung einer dieser Vorrichtungen brachte jedoch die Schwierigkeit mit sich, in einem kurzen Zeitintervall fein verteilte Partikel zu erzeugen sowie eine große Menge eines Gemisches von mindestens zwei Arten von Flüssigkeiten in Form einer Emulsion zu erhalten.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine

Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei einfachem Aufbau eine verbesserte Verbrennungsvorrichtung mit wirksam verbesserten Verbrennungscharakteristiken schafft, bei der die Mengen schädlicher Bestandteile im Abgas verringert sind und

so die einen herabgesetzten Brennstoffverbrauch aufweist. Des weiteren soll die Mischung des Brennstoffs mit Luft verbessert werden, wobei die sich ergebende Flamme verkürzt und verdünnt werden soll. Auch soll die Menge der von der Flamme abgestrahlten Wärme gesteigert sowie das Zeitintervall verkürzt werden, welches zur vollständigen Verbrennung des Brennstoff-Luft-Gemisches erforderlich ist. Auch soll die Möglichkeit geschaffen werden, daß das aus der Düse austretende Gemisch fein verteilt in die Brennkammer gelangt.

μ Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Mischkammer in einem Rohr ausgebildet ist und mit einer einzigen Düse im Düsenabschnitt in Verbindung steht, an den der Druckabschnitt angrenzt, der mit der unter Hochdruck stehenden Zuführleitung des Druckfluids oder Strömungsmittels verbunden ist, daß in die Düse sowohl die Zuführleitung für den Brennstoff, als auch die Zuführleitung für das Additiv münden, daß die Einstellvorrichtung zur Einstellung des Sprühwin-

kels um die Außenwandung der Mischkammer vorgesehen ist, und daß stromabwärts von der Zerstäuberdüse ein Prallverteiler angeordnet ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß sowohl der Brennstoff als auch das Additiv im Düsenabschnitt dem Strömung}mittel zugeführt werden, welches innerhalb der Düse eine hohe Strömungsgeschwindigkeit aufweist. Hierdurch wird ein gut gemischtes, fein verteiltes Strömungsmittel mit dem unter hohen Druck stehenden gasförmigen Strömungsmittel (Druckfluid) gemischt, um fein verteilte Partikel des flüssigen Brennstoffs zu bilden. Dieses Gemisch wird mit hoher Geschwindigkeit iii die Brennkammer gesprüht, wobei der Prallverteiler dafür sorgt, daß das fein verteilte, aus der Düse ausgesprühte Strömungsmittel noch feiner verteilt wird. Infolge der hohen Strömungsgeschwindigkeit des Druckfluids innerhalb der Düse erfolgt bereits eine fein verteilte Zugabe des Brennstoffs sowie des Additivs. Die Zerstäubungswirkurig wird dann am Prallverteiler noch erhöht. Die Einstellvorrichtung zur Einstellung des Sprühwinkels um die Außenwandung der Mischkammer ergibt den Vorteil, daß der Winkel bestimmt werden kann, über den der Prallverteiler das feiner verteilte Strömungsmittel bzw. Brennstoffgemisch in die Brennkammer spritzt.

Ferner wird durch die Erfindung eine neue und verbesserte Vorrichtung sowohl zum feinen Zerteilen einer Flüssigkeit in Form gleichmäßig fein verteilter Partikel als auch zum Umwandeln von mindestens zwei Arten von Flüssigkeit zu einem Gemisch aus fein verteilten Partikeln in Form einer Emulsion geschaffen, wobei die Vorrichtung einen einfachen Aufbau aufweist.

Die Einrichtung zum Einstellen der Dispersion kann vorzugsweise um die Düse angeordnet sein, um einen Winkel zu bestimmen, über den der Prallverteiler das feiner verteilte Strömungsmittel in die Brennkammer spritzt.

Um den Dispersionswinkel, über welchen der Prallverteiler das feiner verteilte Strömungsmittel in die Brennkammer spritzt, automatisch zu steuern, können vorteilhaft Lager stromauf der Düse angeordnet sein, um den Prallverteiler in einer Richtung der Strömung des fein verteilten Strömungsmittels stromauf der Düse beweglich zu lagern.

Die Vorrichtung zum feinen Verteilen einer Flüssigkeit umfaßt eine Düse zum Durchtritt eines unter hohem Druck stehenden gasförmigen Strömurigsmittels, einen Impulswellengenerator mit einem Hohlraumresonator zur Erzeugung einer Impulswelle durch die Verwendung des Hochdruckströmungsmittels, das aus der Düse austritt, und eine Leitung und einen Eintritt um eine fein zu verteilende Flüssigkeit in die Düse einzubringen.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der Impulswellengenerator die Form eines hohlen Zylinders mit einer ringförmigen konkaven Endfläche am abströmseitigen Ende haben, welcher dem Hohlraumresonator gegenüberliegt, um einem Strom fein verteilter Partikel, der durch die Düse ausgespritzten Flüssigkeit zu richten, während eine andere Düse stromauf der ersten Düse und in Verbindung mit dieser angeordnet ist und die Leitung und die Einlaßöffnung aufweist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Teil eines Längsschnittes einer Verbrennungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die zugeordneten Zuführsystemc für Strömungsmittel schematisch als Blockdiagramm dargestellt sind,

F i g. 2 ein Blockdiagramm, das zur Erläuterung der Zufuhr eines flüssigen Brennstoffes und einer damit zu mischenden Flüssigkeit zum in F i g. 1 gezeigten Mischrohr nützlich ist,

F i g. 3,4 und 5 Längsschnitte verschiedener Abwandlungen des Mischrohres und des Prall Verteilers, die in F i g. 1 gezeigt sind,

ίο Fig.6 einen Längsschnitt einer Vorrichtung zum Zerstäuben einer Flüssigkeit zu fein verteilten Partikeln gemäß der Erfindung.

In F i g. 1 ist ein Teil einer Verbrennungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung darge stellt. Die dargestellte Anordnung umfaßt eine Zuführ leitung 10 für Strömungsmittel, die von einer nicht dargestellten Quelle eines unter hohem Druck stehenden gasförmigen Strömungsmittels kommt, mit einem Absperrventil 12 und einem Druckregelventii 14, einem Rohr 16 mit Kreisquerschnitt, das mit einem Ende mit der Zuführleitung 10 verbunden ist, und mit einer Brennkammer 18, von der nur ein Teil dargestellt ist und einer Einlaßöffnung 20. Das Rohr 16 mit Kreisquerschnitt erstreckt sich mit seinem anderen Ende durch die Einlaßöffnung 20 in die Brennkammer 16, so daß die Längsachse des Rohres 16 im wesentlichen mit der der Brennkammer 18 ausgerichtet ist.

Das Kreisquerschnitt aufweisende Rohr 16 wird aus einem Rohrabschnitt 22 für Hochdruckströmungsmittel, einem Düsenabschnitt 24 mit einer Düse 24' und einem Mischrohrabschnitt 26 gebildet. Der Rohrabschnitt 22 für Hochdruckströmungsmittel ist direkt an die Zuführleitung 10 für Strömungsmittel angeschlossen und mehrere, in diesem Fall zwei Zuführleitungen 28 und 30 für Strömungsmittel münden im Düsenabschnitt 24 in die Düse 24'. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel dient die Zuführleitung 28 dazu, einen flüssigen Brennstoff zur Düse 24' im Düsenabschnitt 24 zu leiten, während die Zuführleitung 30 dazu dient, eine Flüssigkeit in die Düse 24' zu leiten, welche mit dem Brennstoff gemischt werden soll.

Der Mischrohrabschnitt 26 endet an einer Zerstäubungsdüse 32 und ein Prallverteiler 34 in Form eines umgekehrten Kegelstumpfes ist vor der Zerstäubungs düse 32 bzw. stromab derselben angeordnet, in dem seine Fläche mit dem größeren Durchmesser der Düse gegenüber und im wesentlichen normal zur Längsachse des Rohres 16 angeordnet ist. Hierfür ist eine Tragstange 36 an einem Paar mit Abstand angeordneter Zapfen

so 38 aufgehängt, die radial von der Umfangswand des Mischrohrabschnittes 26 nach innen ragen, so daß die Tragstange auf der Längsachse des Mischrohrabschnitts 26 liegt und ein Ende derselben über die Düse 32 hinausragt. Der Prallverteiler 34 ist starr an diesem Ende befestigt, so daß er normal zur Achse der Tragstange 36 angeordnet ist. Eine Einstelleinrichtung 40 für die Strömung, welche die Form eines Hohlzylinders aufweist, ist am Endabschnitt des Mischrohrabschnitts 26 mit der Zerstäubungsdüse 32 angeordnet und ragt über

bo die Endfläche des Mischrohrabschnitts 26 hinaus, bis seine scharfe Umfangskante 40' gerade kurz vor der größeren Durchmesser aufweisenden Fläche des Prallvertei'ers 34 liegt. Die scharfe Umfangskante 40' ist radial außerhalb der scharfen Umfangskante 34' der den größeren Durchmesser aufweisenden Fläche des Prallvcrteilers 34 angeordnet, so daß ein ringförmiger Spalt zwischen beiden Umfangskanten gebildet wird. Die axiale Lage der Einstelleinrichtung 40 für die Strömung

ist vorzugsweise in bezug auf den Mischrohrabschnitt 26 steuerbar. Die Einstelleinrichtung 40 und der Prallverteiler 34 sind innerhalb des Einlasses der Brennkammer 18 angeordnet.

Die Arbeitsweise der in F i g. 1 gezeigten Anordnung wird nun in Verbindung mit einem Gemisch aus einem flüssigen Brennstoff und Wasser beschrieben. Es versteht sich, daß ein Gemisch aus flüssigem Brennstoff und einer anderen Flüssigkeit als Wasser oder ein Gemisch aus flüssigem Brennstoff, Wasser und einer anderen Flüssigkeit als Wasser zweckmäßig sein und wirksam in der Brennkammer 18 verbrannt werden kann. Wenn das Absperrventil 12 geöffnet ist, strömt ein unter hohem Druck stehendes gasförmiges Strömungsmittel von der Zuführleitung 10 durch das Absperrventil !2 und das Druckregelventil 14, wo zweckmäßig sein Druck gesteuert wird. Dann fließt das gasförmige Strömungsmittel in den Hochdruckrohrabschnitt 22. Das hohen Druck aufweisende, gasförmige Strömungsmittel, das innerhalb des Hochdruckrohrabschnittes 22 mit G 1 bezeichnet ist, wird mit hoher Geschwindigkeit durch die Düse 24' im Düsenabschnitt 24 in den Mischrohrabschnitt 26 gesprüht. Zu diesem Zeitpunkt werden ein flüssiger Brennstoff und Wasser durch die entsprechenden Zuführleitungen 28 bzw. 30 in die Düse 24 gespritzt damit sie fein verteilt und miteinander und mit dem unter hohem Druck stehenden gasförmigen Strömungsmittel gemischt werden. Das sich ergebende gasförmige Gemisch welches fein verteilte Partikel des Brennstoffes und des Wassers enthält, wird von dem Düsenabschnitt 24 durch den Mischrohrabschnitt 26 geleitet während der Brennstoff das Wasser und das gasförmige Strömungsmittel noch wirksamer miteinander gemischt werden. Schließlich wird das Gemisch durch die Zerstäubungsdüse 32 in die Brennkammer 18 gesprüht.

Das Gemisch aus Brennstoff und Wasser in Form fein verteilter Partikel und unter hohem Druck stehendem gasförmigen Strömungsmittel, welches in die Brennkammer 18 gesprüht wird, trifft auf den Prallverteiler 34, damit es verteilt wird. Unter diesen Umständen tritt ständig die Erscheinung auf, daß das dispergierte Gemisch erneut mit dem nachfolgenden, ähnlichen Gemisch zusammenprallt, was dazu führt, daß es angenähert in Form eines Konus mit einem Verteilwinkel a verteilt wird. Mehr im einzelnen trifft das Gemisch auf die größeren Durchmesser aufweisende Fläche des Prall Verteilers 34 und bildet einen Strom A 1, wie er mit gestrichelten Linien in F i g. 1 dargestellt ist. Während sich der Strom A 1 des Gemisches weiter in die Brennkammer 18 bewegt, trifft er erneut mit dem ähnlichen folgenden Strom zusammen und ein Teil des Stromes A 1 trifft erneut gegen die scharfe Umfangskante 34' des Prallverteilers 34 und bildet einen zweiten Strom A 2, wie er ebenfalls in F i g. 1 mit gestrichelten Linien dargestellt ist Der Strom A 2 des Gemisches enthält feiner verteilte Partikel von Brennstoff und Wasser. Den Strom A 2 setzt ein dritter Strom A 3 fort. Dies führt dazu, daß das Gemisch des gasförmigen Strömungsmittels und der fein verteilten Partikel des Brennstoffes und des Wassers eine Zeit lang angenähert in Form eines Konus mit einem Dispersionswinkel χ dispergiert wird, bis es innerhalb der Brennkammer 18 wirksam verbrannt ist.

Es wurde gefunden, daß das Zusammenprallen der Ströme mit flüssigem Brennstoff und Wasser bemerkenswert, insbesondere im Schnittpunkt der Ströme A 1 und A 2 verursacht wird, dieser Schnittpunkt ist durch einen Kreis einschließlich eines Punktes P gegeben ^v (F i g. 1) und liegt in einer Ebene normal zur Längsachse des Mischrohrabschnitts 26 und des Prallverteilers 34. Dieses Zusammenstoßen steigert die Wirkung der feinen Verteilung und die Mischwirkung,
Außerdem verursacht der Zusammenprall des Gemisches mit der anströmscitigen Fläche des Prallverteilers 34 einen Druckabfall an der rückseitigen oder abströmseitigcn Fläche desselben, was dazu führt, daß ein Teil des Stromes A 2 radial nach innen zur Längsachse der Brennkammer 18 und dann zur Rückseite des Prallverteilers 34 gesogen wird, um einen vierten Strom A 4 zu bilden, der ebenfalls mit gestrichelten Linien in F i g. 1 dargestellt ist. Der so gebildete Strom A 4 des Gemisches wirkt zum Erwärmen und Verdampfen oder Ver-

!■5 gasen der fein verteilten Brennstoff- und Wasscrpartikel, die in dem folgenden Gemisch eingeschlossen sind. Dies wird durch die Rezirkulation gasförmiger Verbrennungsprodukte bewirkt. So kann die Verbrennung, beginnend mit der rück- oder abströmseitigen Fläche des

PrallverHeilers 34, stabil durchgeführt werden.

Außerdem dienen die beiden Zapfen 38 dazu, eine turbulente Strömung im Gemischstrom aus gasförmigem Strömungsmittel und fein verteilten Partikeln des Brennstoffes und des Wassers zu erzeugen, welcher durch den Mischrohrabschnitt 26 fließt. Dies führt ebenfalls zu einer wirksameren Mischung und einer feineren Verteilung.

Der Dispersionswinkel λ hängt von der Geschwindigkeit ab, mit welcher das Gemisch des unter hohem Druck "stehenden, gasförmigen Brennstoffes und des Wassers durch die Zerstäubungsdüse 32 ausgesprüht wird, von der Entfernung zwischen dem Ende der Zerstäubungsdüse 32 und der Aufprallfläche des Prallverteilers 34, und der Fläche dieser Aufprallfläche ab. Ferner kann die scharfe Umfangskante 40' der Einstelleinrichtung 40 für die Strömung in ihrer Lage längs der Längsachse des Mischrohrabschnitts 26 zusammenwirken, um sowohl den Dispersionswinkel λ als auch das Ausmaß einzustellen, in welchem der konische dispergierte Strom dünn ausgebildet wird. Wenn die Einstelleinrichtung 40 z. B. näher an den Prallvertciler 34 herangeschoben wird, wird der Dispersionswinkel λ kleiner mit dem Ergebnis, daß die im Strom A des Gemisches eingeschlossenen Partikel durch Aufprall des Stroms A 1 gegen die scharfe Umfangskante 40' der Einstelleinrichtung 40 feiner verteilt werden, während der Strom gleichzeitig insgesamt dünner ausgebildet wird. Aus diesem Grunde ist die Einstelleinrichtung 40 in ihrer Lage vorzugsweise entlang der Längsachse des Mischrohrab-Schnitts 26 einstellbar.

Die Dispcrsionsiorm hängt auch von der Form des Prallverteilers 34 und einem Winkel des letzteren relativ zur Längsachse des Mischrohrabschnitts 26 und daher von der Tragstange 36 ab. In F i g. 1 ist der Prallverteiler 34 so dargestellt, daß seine Aufprallfläche im wesentlichen normal zur Tragstange 36 liegt, damit ein Dispersionsmuster geschaffen wird, das einem Konus angenähert und in bezug auf die Längsachse des Mischrohrabschnitts 26 symmetrisch ist. Gegebenenfalls kann der Prallverteiler 34 in bezug auf die Längsachse des Mischrohrabschnitts 26 gekippt werden.

Während der flüssige Brennstoff und Wasser den Zuführleitungen 28 und 30 unter Verwendung einzelner, nicht dargestellter Versorgungspumpen zugeführt wcr-

M den können, wird die Zufuhr zu den Zuführleitungen zu 28 und 30 zweckmäßig durch Verwendung einer Differenz zwischen einem Strömungsmitteldruck in der Hochdruck aufweisenden Zuführleitung 10 und einem

verringerten Druck durchgeführt, der in der Düse 24' im Düsenabschnitt 24 entwickelt wird.

Im letzteren Fall ist ein Brennstofftank 42 (Fig. 2) über ein Durchflußregelventil 46 und ein Absperrventil 50, wie es in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, an die Zuführleitung 28 für Brennstoff angeschlossen. Ähnlich ist ein Wassertank 44 (Fig.2) über ein Durchflußregelvcntil 48 und ein Absperrventil 52 an die Zuführleitung 30 für Wasser angeschlossen. Wie in F i g. 2 gezeigt ist, werden sowohl der Brennstoff- als auch der Wassertank 42 bzw. 44 über einen Dreiwegehahn und eine Druckleitung 56 mit dem Druck des Strömungsmittels innerhalb der Zuführleitung 10, welcher durch das Druckregelventil 14 gesteuert wird, beaufschlagt. So werden Brennstoff und Wasser jeweils vom eigenen Tank 42 bzw. 44 über die Ventile 46 und 50 oder 48 und 52 und die Zuführleitungen 28 und 30 entsprechend einer Differenz zwischen dem auf den eigenen Tank 42 und 44 aufgebrachten Strömungsmitteldruck und einem verringerten Druck der in der Düse 24' im Düsenabschnitt 24 auftritt zun: Düsenabschnitt zugeführt, während die Durchflußmenge des Brennstoffes und der Flüssigkeit durch die einzelnen Durchflußregelventile 46 bzw. 48 gesteuert werden.

Der Dreiwegehahn 54 ist auch an ein Entlüftungsrohr 58 angeschlossen. Wenn die bestimmte Verbrennung beendet ist oder wenn es erforderlich ist sie auszusetzen, wird das Absperrventil 12 geschlossen während der Dreiwegehahn 54 so gedreht wird, daß die Druckleitung 56 mit dem Entlüftungsrohr 58 in Verbindung steht. So wird die Zufuhr des unter hohem Druck stehenden gasförmigen Strömungsmittels zum Düsenabschnitt 24 unterbrochen uno der Strömungsmitteldruck innerhalb jedes Tanks 42 bzw. 44 kann über die Druckleitung 56 den Dreiwegehahn 54 und das Entlüftungsrohr 58 zur Atmosphäre hin abgebaut werden, wodurch die Zufuhr von Brennstoff und Wasser zum Düsenabschnjtt ?4 unterbrochen wird. Daher wird kein Gemisch des önter hohem Druck stehenden gasförmigen Strömungsmittels und der fein verteilten Partikel des Brennstoffes und des Wassers zur Brennkammer 18 zugeführt.

Um den Brennstoffstrom und den Wassersirom durch die einzelnen Zufuhrleitungen 28 und 30 ζ·μ steuern, enthält ein Steuersystem einen TemperatunühW 60, der zweckmäßig um die Brennkammer 18 angeordnet ist, um eine Temperatur eines durch die Brennkammer 18 zu erwärmenden Objektes, z. B. einer Wassermenge, zu erfassen, sowie einen Zustandsfühler 62, der zweckmäßig innerhalb der Brennkammer 18 angeordnet ist, um den Zustand der Verbrennung innerhalb der Brennkammer 18 zu erfassen. Beide Fühler 60 und 62 sind schematisch als Punkte dargestellt und mit einem Monitor 64 verbunden. Der Monitor spricht entweder auf eines oder beide erfaßten Signale an, die von den Fühlern 60 und 62 abgegeben werden, um ein Steuersignal zu erzeugen. Entsprechend dem Steuersignal vom Monitor 64 steuert ein Druckregler R 1 die Offen-Stellung des Druckregelventils 14 und Durchflußregler R 2 und R 3 steuern die Durchflußregelventile 44 und 46. Ferner betätigt der Monitor 64 einen Luftmengenregler R 4, um die Steuereinrichtung 66 für die Luftzufuhr zu regeln, die dicht in der Nähe der Einlaßöffnung 20 der Brennkammer 18 angeordnet ist, wo sie den Mischrohrabschnitt 26 umgibt, um die Menge der Luft G 2 zu regeln, die direkt in die Brennkammer 18 fließt Gegebenenfalls können die verschiedenen Steuerventile und die Steuereinrichtung für die Luftzufuhr von Hand gemäß einem Steuersignal vom Monitor 64 betätigt werden. Auf diese Weise werden die der Brennkammer 18 zugeführten

Mengen an Brennstoff, Wasser und Luft mit ihren optimalen Durchflußmengen aufrechterhalten werden.

Eine Änderung des Flüssigkeitsniveaus innerhalb der Tank.s 42 und 44 kann eine Änderung des Druckes verursachen, unter welchem die Flüssigkeit zur zugeordneten Zuführleitung 28 oder 30 zugeführt wird. Dieses führt zu einer Änderung der Durchflußmenge innerhalb dieser Zuführleitung. Wenn es gewünscht ist, diese Änderung der Durchflußmenge zu kompensieren, kann jeder Behälter mit einem Druckfühler versehen werden, um einen Druck am Boden desselben abzutasten und ein vom Fühler abgegebenes Signal wird jeweils dem Durchflußregler R2 bzw. A3 für Regelzwecke zugeführt, obwohl solche Fühler und ihre Anschlüsse an die Durchflußregler /?2 und A3 in Fig. 1 nicht dargestellt sind.

Während der Prallverteiler 34 mit kreisförmigem Querschnitt beschrieben wurde, versteht es sich, daß er nicht durch oder auf einen solchen Querschnitt beschränkt sein soll und daß er jeden gewünschten Querschnitt wie einen polygonalen oder unsymmetrischen Querschnitt haben kann. Auch kann die Aufprallfläche des Prallverteilers 34 konvex, konkav oder konisch anstatt flach sein, je nachdem wie es für den besonderen Anwendungsfall am besten ist.

In den F i g. 3,4 und 5 sind verschiedene Abwandlungen des Prallverteilers 34 dargestellt. In Fig.3 hat der Prallvcrteiler 34 die Form eines hohlen Zylinders, der an einem Ende offen und am anderen Ende mit einer Halbkugel verschlossen ist. Im übrigen ist die Anordnung mit der in F i g. 1 gezeigten identisch. Die Anordnung kann als Hohlraum-Rcsonanz-Schallenergie-Generator betätigt werden, indem genau sowohl der Innendurchmesser d des Hohlzylinders die Länge A des Hohlzylinders als auch eine Entfernung h zwischen dem Ende der Zerstäubungsdüse 32 und dem offenen Ende des hohlen Zylinders abhängig von der Geschwindigkeit des aus der Zerstäubungsdüse 32 gesprühten Gemisches gewählt werden. Wenn dies der Fall ist, wird eine hohe Schallenergie mit einer Resonanzfrequenz erzeugt, wie sie durch den Kohlraum des Aufprallverteilers 34 bestimmt ist und kann zum feineren Verteilen des Gemisches aus Hochdruckgas, Brennstoff und Wasser und zum vollständigeren Mischen der Bestandteile mitein ander verwendet werden, während gleichzeitig die Ver brennungsgeschwindigkeit aufgrund einer in der sich ergebenden Flamme erzeugten Turbulenz anwächst.

Die in F i g. 4 gezeigte Anordnung unterscheidet sich von der in Fi g. 1 gezeigten nur dadurch, daß die Trag stange 36 durch ein kleines Rohr 36' ersetzt ist, das sich durch das gesamte Rohr 16 erstreckt und an einem Ende über ein Durchflußregelventil an eine Quelle unter hohem Druck stehenden Strömungsmittels angeschlossen ist, obwohl die Quelle und das Durchflußregelventil nicht dargestellt sind. Das kleine Rohr 36' öffnet sich am anderen Ende an der abströmseitigen Fläche des Prallverteilers 34. Im übrigen ist die Anordnung mit der in Fig. 1 gezeigten identisch. Die in Fig.4 gezeigte Anordnung wird vorteilhaft verwendet, um Luft oder ein anderes geeignetes Strömungsmittel B direkt an eine gewünschte Stelle innerhalb der Brennkammer zu leiten, wo es mit einer darin erzeugten Flamme gemischt werden soll. Gegebenenfalls kann der Prallverteiler in bezug auf die Zerstäubungsdüse 32 und axial zum Mischrohrabschnitt 26 beweglich sein, wie in F i g. 5 gezeigt ist. Dort ist zu sehen, daß sich die Tragstange etwas in Richtung des Düsenabschnitts 24 erstreckt und am überstehenden

Ende mit einer Scheibe 68 versehen ist, um Druck aufzunehmen, der von dem Gemisch aus unter hohem Druck stehenden Gas Brennstoff und Wasser erzeugt wird, welches durch den Düsenabschnitt 24 gesprüht wird. Außerdem ist eine Druckfeder 70 zwischen der Druck aufnehmenden Scheibe 68 und dem dem Düsenabschnitt 24 näher liegenden Zapfen 38 und um die Verlängerung der Tragstange 36 angeordnet. Bei der Anordnung der F i g. 5 ist die Tragstange 36 und dadurch der Prallverteiler 34 entlang der Längsachse des Mischrohrabschnitts 26 entsprechend dem Druck des unter hohem Druck stehenden gasförmigen Strömungsmittels und unter Steuerung der Druckfeder 70 beweglich, wodurch die Entfernung zwischen dem Ende der Zerstäubungsdüse 32 und dem Aufprallverteiler 34 automatisch geändert wird. Dieses crrnögüchi die automatische Steuerung des Dispersionswinkels. Insbesondere die Druck aufnehmende Scheibe 68 bildet eine automatische Dispersionswinkelsteuerung mit der Druckfeder 70. Im übrigen ist die Anordnung mit der in Fig. 1 gezeigten identisch.

Die vorliegende Erfindung hat viele Vorteile. Zum Beispiel kann bei dieser Verbrennungsvorrichtung der Dispersionswinkel einer Flamme gesteigert und die Flamme dünn ausgebildet werden. Insbesondere fein verteilte Wasserpartikel expandieren und breiten sich explosionsartig im Verbrennungsbereich aus, um die noch feinere Verteilung der fein verteilten Brennstoffpartikel zu fördern. Dieses führt zu einer schnellen Steigerung der Flammentemperatur und einer Verringerung des Zeitintervalls das zur vollständigen Verbrennung erforderlich ist, zu Verbesserungen in der Zusammensetzung des Abgases und zur Einsparung von Brennstoff. Indem ein Übergangsabschnitt zwischen dem Einlaß und dem Hauptteil der Brennkammer 18 als Kegelstumpf mit einem Scheitelwinkel gleich dem optimalen Dispersionswinkel ausgebildet wird, der zur Verbesserung des Verbrennungswirkungsgrades, der Zusammensetzung der Abgase usw. ausgewählt wurde, wie es in F i g. 1 gezeigt ist, kann außerdem die von einer solchen Brennkammer erzeugte Wärmeenergie wirksam ausgenutzt werden.

Während die Erfindung in Verbindung mit einem Gemisch aus unter hohem Druck stehenden Gas einem flüssigen Brennstoff und Wasser beschrieben wurde, versteht sich, daß ein Brenngas, ein flüssiger Brennstoff und mehr als eine Art Flüssigkeit wirksam miteinander gemischt und zur Verbrennung fein verteilt werden können. Wenn das letztere der Fall ist, können sich die erforderlichen Zuführleitungen, wie die Zuführleitungen 28 und 30 in der Düse 24' im Düsenabschnitt 24 vorzugsweise unier gleichen winkeiabständen öffnen. Darüber hinaus können mehrere Sätze von Mischrohrabschnitten 26 und die zugeordneten Komponenten wirksam parallel an eine einzige Brennkammer gekoppelt werden, um mehr Brennstoff verbrennen zu können.

In F i g. 6 ist eine Einrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt Die dargestellte Anordnung umfaßt einen Hochdruckrohrabschnitt 122, welchem unter hohem Druck stehendes gasförmiges Strömungsmittel G an einem Ende von außen zugeführt wird, einen Düsenabschnitt 124 mit einem Endabschnitt 124a, welcher mit Schraubengewinde in das andere Ende des Hochdruckrohrabschnitts 122 geschraubt ist, und mit einer darin angeordneten Düse 1246 und einen kombinierten Aufprall- und Resonanz-Schallgenerator 170, der mit dem Düsenabschnitt 124 verbunden ist Eine Zuführleitung 128 für Flüssigkeit ist mit einem Flüssigkeitstank 142 über ein Durchflußregelventil 146 verbunden und hat eine Auslaßöffnung 128a, die sich in der Düse 1246 öffnet. Ähnlich ist eine andere Zuführleitung

S 130 für Flüssigkeit über ein Durchflußregelventil 148 mit einem getrennten Flüssigkeitstank 144 verbunden und hat eine Auslaßöffnung 130a, die sich in der Düse 1246 diametral gegenüber der Auslaßöffnung 128a öffnet.

ίο Der Flüssigkeitstank 142 enthält eine Menge einer Flüssigkeil 172 einer Art und der Flüssigkeitstank 144 enthält ähnlich eine Menge einer Flüssigkeit 174 einer anderen Art. Beide Arten von Flüssigkeiten 172 und 174 können miteinander gemischt und fein verteilt werden, wie im folgenden beschrieben wird. Die Flüssigkeitsbehälter 142 und 144 sind mit dem Hochdruckrohrabschnitt 122 zum Zuführen unter Druck stehenden Strömungsmittels über entsprechende Druckleitungen 176 und 178 verbunden, so daß beide Flüssigkeiten 172 und 174, die in Flüssigkeitstanks 142 und 144 angeordnet sind, dem Strömungsmitteldruck innerhalb des Hochdruckrohrabschnitts 122 für noch zu erläuternde Zwekkc ausgesetzt werden. Der kombinierte Aufprall- und Resonanz-Schallgene rator 170 umfaßt einen hohlen Zylinder 126, dessen ei nes Ende mit Schraubengewinde in das andere Ende des Düsenabschnitts 124 geschraubt ist, und eine Zerstäubungsdüse 132, die starr in das andere Ende des hohlen Zylinders 126 gepaßt und daran mit einem Stift befestigt ist. Eine Tragstange 136 ist durch ein Paar mit Abstand angeordneter Zapfen 138 gelagert, welche an der inneren Umfangswand des hohlen Zylinders 126 befestigt sind, so daß die Tragstange 136 innerhalb des hohlen Zylinders 126 und der Zerstäubungsdüse 132 auf der Längsachse derselben liegt. Außerdem ragt die Tragstange 136 über die Zerstäubungsdüse 132 hinaus und enthält einen Primärhohlraumresonator 134, der starr am herausragenden Ende durch einen Stift befestigt ist. Der Primärhohlraumresonator 134 hat die Form eines hohlen Zylinders, der an einem Ende oder dem Ende angrenzend an die Zerstäubungsdüse 132 offen und am anderen Ende mit einer Halbkugel verschlossen ist. Das offene Ende des Primärhohlraumresonators 134 wird durch eine scharfe Kante begrenzt.

Der Aufprall- und Resonanz-Schallgenerator 170 umfaßt ferner einen Impulswellengenerator 140, der ringförmig ausgebildet und durch einen Stift daran befestigt ist. Die Oberfläche 140a des Impulswellengenerators 140 angrenzend an den Primärhohlraumresonator 134 oder die abströmseitige Fläche des Impulswellengenerators ist in Richtung der Zerstäubungsdüse 132 konkav und hat eine zentrale öffnung innerhalb der der keglige Endabschnitt der Zerstäubungsdüse 132 angeordnet ist, um einen Sekundärhohlraumresonator 1406 mit der in neren Wandfläche der zentralen Öffnung zu bilden. Die konkave Fläche 140a hat eine zum Erzeugen einer Impulswelle geeignete Krümmung. Der Primärhohlraumresonator 134 ist teilweise in einem Raum angeordnet, der durch die konkave Fläche 140a des Impulswellenge nerators 140 begrenzt wird.

Im Betrieb fließt das dem Hochdruckrohrabschnitt 122 von außen zugeführte, unter hohem Druck stehende gasförmige Strömungsmittel G durch den Düsenabschnitt 124 und den hohlen Zylinder 126 bis es durch die Zerstäubungsdüse 132 versprüht wird. Das von der Zerstäubungsdüse 132 versprühte Gas versetzt den Primärhohlraumresonator 134 mit seiner Resonanzfrequenz in Schwingungen, um eine Impulswelle durch den Impuls-

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wellengenerator 140 zu erzeugen. Die konkave Fläche 140a des Impulswellengenerators ist so ausgebildet, um der so erzeugten Impulswelle eine vorbestimmte Bündelung zu geben. Zum Beispiel kann die Fläche 140a die Form eines Paraboloides mit einem Brennpunkt auf der Verlängerung der Längsachse derselben haben, wobei der Primärhohlraumresonator 134 im Brennpunkt angeordnet ist. In diesem Fall wird ein Feld von Schallwellen erzeugt, welche eine hohe Energie haben und auf der Längsachse des Impulswellengenerators 140 gebüttelt sind.

Auf der anderen Seite wird die Flüssigkeit aus jedem Flüssigkeitstank 142 und 144 aufgrund des Druckunterschiedes zwischen dem hohen Druck innerhalb des Hochdruckrohrabschnitts 122, welcher auf jeden Flüssigkeitsbehälter 142 und 144 aufgebracht wird und einem verringerten Druck, der in der Düse 1246 erzeugt wird, angesaugt und durch die entsprechenden Leitungen Steuerventile und Auslaßöffnungen in die Düse 1246 eingebracht. Innerhalb der Düse 1246 werden bei /j de Arten von -lüssigkeit 172 und 174 fein verteilt und miteinander und mit dem unter hohem Druck stehenden gasförmigen Strömungsmittel G gemischt, das durch die Düse 1246 t;· tt. Das sich ergebende Gemisch fließt durch den hohlen Zylinder 126, während die Vermischung vollständiger bewirkt wird, bis es durch die Zerstäubungsdüse 132 in das Feld der Schallwelle gesprüht wird. Innerhalb des Feldes der Schallwelle wird das ausgesprühte Gemisch feiner zu einer Emulsion verteilt, wobei die Schallenergie mit großer Höhe darin vorhanden ist. Unter diesen Umständen können entweder das eine oder beide Durchflußregelventile 146 und 148 betätigt werden, um das Mischungsverhältnis der fein verteilten Flüssigkeiten zueinander zu ändern, wenn immer es gewünscht ist

Die in der F i g. 6 gezeigte Anordnung wird zur Steigerung des Verbrennungswirkungsgrades verwendet. Hierbei ist die Steigerung des Verbrennungswirkungsgrades außerordentlich vorteilhaft, weil die perfekte Verbrennung gefördert wird. Brennstoff gespart und die Probleme der Umweltverschmutzung verringert oder eliminiert werden. Dies trägt zu der Tatsache bei, daß ein flüssiger Brennstoff z. B. ein öl und Wasser fein verteilt und miteinander die Wirkung der Düse und der Schailenergie gemischt werden, wie oben in Verbindung mit F i g. 6 beschrieben wurde, wodurch die freie Oberfläche der Brennstoffpartikel aufgrund der thermischen Expansion der fein verteilten Wasserpartikel, die unter ihnen verteilt sind, gesteigert wird, um das Innere des Flammenvolumens zu stören, wobei die Schailenergie eine große Höhe aufweist, um die chemische Verbrennung in Gegenwart der fein verteilten Wasserpartike! usw. zu fördern.

Die Erfindung wurde in Verbindung mit verschiedenen, bevorzugten Ausführungsbeispielen dargestellt und beschrieben. Aber es versteht sich, daß zahlreiche Änderungen und Abwandlungen ohne Abweichung vom Gedanken und Anwendungsbereich der Erfindung durchgeführt werden können. Zum Beispiel kann die Anordnung der F i g. 6 anstelle des Rohres 16 mit kreis- bo förmigem Querschnitt und des Prallverteilers 34, wie sie in F i g. 1 dargestellt sind, verwendet werden.

Auf der anderen Seite können solche Anordnungen verwendet werden, um mehr als zwei Arten vort Flüssigkeiten fein zu verteilen und miteinander zu mischen. Im bs letzteren Fall kann die Anzahl der Zuführleitungen 28 und 30 (Fig. 1) und daher der Auslaßöffnungen 128a und 130a (F i g. 6) entsprechend gesteigert werden und

getrennte Flüssigkeitstanks wie die Flüssigkeitstanks 142 oder 144 mit den zusätzlichen Zuführleitungen über entsprechende Durchflußregelventile verbunden werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Verbrennung eines Brennstoffs mittels eines Druckfluids und eines Additivs mit einer kreisförmigen Mischkammer, die mit einem Düsenabschnitt in Verbindung steht, mit einem Druckabschnitt für das Druckfluid, mit Zuführleitungen für den Brennstoff, das Additiv und das Druckfluid, mit einer Zerstäubungsdüse an dem dem Düsenabschnitt gegenüberliegenden Ende der Mischkammer und mit einer Einstellvorrichtung für das Brennstoffgemisch, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkammer (26) in einem Rohr ausgebildet ist und mit einer einzigen Düse (24') im Düsenabschnitt (24) in Verbindung steht, an den der Druckabschnitt (23) angrenzt, der mit der unter Hochdruck stehenden Zuführleitung (10) des Druckfluids oder Strömungsmittels (GX) verbunden ist, daß in die Düse (24') sowohl die Zuführleitung (28) für den Brennstoff, als auch die Zuführleitung (30) für das Additiv münden, daß die Einstellvorrichtung (40) zur Einstellung des Sprühwinkels um die Außenwandung der Mischkammer (26) vorgesehen ist, und daß stromabwärts von der Zerstäuberdüse (32) ein Prallverteiler (34) angeordnet ist.

2. Vorrichtung zur Verbrennung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Prallverteiler (34) kegelstumpfförmig ausgebildet und mittels einer zum Mischrohrabschnitt (26) koaxial verlaufenden Tragstange (36) am Zapfen (38) gelagert ist.

3. Vorrichtung zur Verbrennung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daS die Tragstange (36) zur Zuführung eines Strömungsmittels in die Brennkammer (18) an der stromab gelegenen Seite des Prallverteilers (34) hohl ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellvorrichtung (40) als Impulswellengenerator (140) und der Prall verteiler (34) als Hohlraumresonator (134) ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulswellengenerator (140) die Form eines hohlen Zylinders mit einer ringförmigen konkaven Endfläche (14OaJ aufweist, die an der stromab gelegenen Seite gegenüber dem Hohlraumresonator (134) angeordnet ist.

6. Vorrichtung zur Verbrennung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zuführleitung (10) für das Druckfluid und in den Zuführleitungen (28,30) für den Brennstoff und das Additiv Steuereinrichtungen (R], Ri, Rj, R*) zur Einstellung der Durchflußmenge des Druckfluids, des Brennstoffs, des Additivs und der Luft in Abhängigkeit von Steuersignalen eines Reglers (64), der mittels Ausgangssignalen einer Überwachungseinrichtung (60,62) gesteuert wird, vorgesehen sind.