NL9100490A

NL9100490A - APPARATUS FOR MIXING A GAS FLOW WITH A MIXTURE, BURNER INCLUDING SUCH A DEVICE AND METHOD FOR OPERATING THE BURNER.

Info

Publication number: NL9100490A
Application number: NL9100490A
Authority: NL
Original assignee: Witteveen Gustaaf J
Priority date: 1991-03-20
Filing date: 1991-03-20
Publication date: 1992-10-16
Also published as: EP0575499B1; ATE133771T1; DE69208079D1; CA2106467A1; WO1992016794A1; ES2084355T3; AU1552392A; DK0575499T3; EP0575499A1; DE69208079T2

Abstract

Device for mixing gas, liquids or pulverised solid substances with a gas flow (1), whirling (vortex) around an axis in the flow direction. The whirling gas flow is guided through a converging passage (4) and, during or after being charged with the substance, abruptly widens in cylindrical space (11), as a result of which vortex break down occurs and an exceptionally thorough mixing and/or atomizing of the substance is obtained. Application in a burner improves the combustion result, keeps the NOX-values low and prevents the flame from being blown off.

Description

Inrichting voor het mengen van een gasstroom met een meng-stof, brander waar een dergelijke inrichting in is toegepast en werkwijze voor het bedrijven van de brander.Apparatus for mixing a gas stream with a mixed substance, burner in which such an apparatus has been used and method for operating the burner.

De uitvinding heeft betrekking op het mengen van een gasstroom met een gasvormige, vloeibare of poedervormige stof, zoals een brandstof, waarbij een geleidingslichaam (dral-lichaam) voor de gasstroom is ingericht een in hoofdzaak cilindrische stroom in een in hoofdzaak cilindrisch buis-stuk af te geven met een axiale component in de asrichting van het buisstuk en een rotatiecomponent, die uit een werveling om de as van.het buisstuk bestaat.The invention relates to the mixing of a gas stream with a gaseous, liquid or powdered substance, such as a fuel, in which a guide body (dral body) is arranged for the gas flow, a substantially cylindrical flow in a substantially cylindrical pipe section with an axial component in the axial direction of the tubular and a rotational component consisting of a swirl about the axis of the tubular.

Dergelijke drallichamen zijn in velerlei vormen bekend.Drone bodies of this type are known in many forms.

De uitvinding berust op het inzicht, dat een gasstroom met een sterke rotatie om de as van de stroom in vergelijking met de axiale component bij verruiming van de middellijn van de stroom aanleiding geeft tot een plotselinge en zeer sterke wervelvorming in de stroom, in het volgende aangeduid als "vortex break down". Deze vortex break down uit zich in een uiteenspatten of explosie van de straal onder vorming van zeer sterke plaatselijke wervelingen, die tot een uitermate intensieve menging van de stoffen die zich in de stroming bevinden, leidt.The invention is based on the insight that a gas flow with a strong rotation about the axis of the flow compared to the axial component when expanding the diameter of the flow gives rise to a sudden and very strong vortex formation in the flow, in the following referred to as "vortex break down". This vortex break down manifests as a burst or explosion of the jet to form very strong local vortices, which leads to an extremely intensive mixing of the substances contained in the flow.

Teneinde een werveling op te bouwen, die geschikt is voor een vortex break down wordt er volgens de uitvinding in voorzien, dat het buisstuk in de richting van de axiale component een vernauwing heeft. Daarbij wordt er op gewezen, dat de vernauwing zowel uit een materiële versmalling van het buisstuk kan bestaan als uit een gas, dat wordt toegevoerd met een radiale component en dat de straal in radiale richting samendrukt als wel uit een radiale component van de straal, die deze een vernauwing doet ondergaan.In order to build up a vortex suitable for a vortex break down, it is provided according to the invention that the tubing has a constriction in the direction of the axial component. It is pointed out here that the narrowing may consist of either a material narrowing of the pipe section or a gas which is supplied with a radial component and that the jet compresses in the radial direction as well as a radial component of the jet which it causes a constriction.

Bij vernauwing van een om zijn as roterende straal wordt middels de corolis-krachten de aan de straal toegevoerde arbeid omgezet in rotatie-energie. Daardoor wordt de verhouding tussen de rotatiecomponent, vooral bij de buitenzijde, van de straal, en de translatiecomponent groter. Dit geeft een drukverlaging in het hart van de straal, die kan leiden tot een onderdruk, waardoor in principe een tegen de axiale richting van de stroom in gerichte stroming kan ontstaan.When a beam rotating on its axis is narrowed, the work supplied to the beam is converted into rotational energy by means of the corolis forces. This increases the ratio between the rotation component, especially at the outside, of the beam, and the translation component. This results in a pressure drop in the center of the jet, which can lead to an underpressure, which in principle can lead to a flow directed against the axial direction of the flow.

Bij voorkeur wordt bij de uitvinding er in voorzien, dat de vernauwing de middellijn van het buisstuk terugbrengt tot 0,8 - 0,4 van de middellijn vóór de vernauwing. Binnen dit bereik, dat uitsluitend een voorkeur.sbereik is, kan met een drukverschil voor de aandrijving van de straal van 3 tot 5 cm water ( 300 tot 500 N./m2 ) in de praktijk vortex break down bereikt worden.Preferably, the invention provides for the constriction to reduce the diameter of the tubing to 0.8-0.4 of the diameter before the constriction. Within this range, which is only a preferred range, vortex break down can in practice be achieved with a pressure difference for driving the jet of 3 to 5 cm of water (300 to 500 N./m2).

Ingeval van een materiële stroomvernauwing wordt er bij' voorkeur in voorzien, dat de vernauwing een in de stromings-richting toenemende hoek met de as van het buisstuk insluit.In the case of a material flow constriction, it is preferably provided that the constriction includes an angle in the flow direction increasing with the axis of the pipe section.

Bij voorkeur wordt er daarbij in voorzien, dat de vernauwing bij haar einde een hoek met de as insluit van meer dan 50°. Hierbij wordt er op gewezen, dat ook bij kleinere hoeken van het einde van de vernauwing met de as goede resultaten verkregen kunnen worden, maar dat bij hoeken van 50 tot ongeveer 60° een voldoend snelle compressie van de straal gecombineerd kan worden met een korte looptijd en daardoor geringe stuwing en vorming van micro-turbulentie in de roterende stroming zelf.It is preferably provided here that the constriction includes at its end an angle with the shaft of more than 50 °. It is pointed out here that good results can also be obtained at smaller angles of the end of the narrowing with the shaft, but that at angles of 50 to about 60 ° a sufficiently fast compression of the beam can be combined with a short running time. and thereby low propulsion and micro-turbulence formation in the rotary flow itself.

Volgens een nader aspect van de uitvinding kan er in worden voorzien, dat het geleidingslichaam slechts met de buitenschil van het buisstuk is verbonden. Dit betekent, dat het binnengebied van de straal, dus het gebied binnen de buitenschil, ook ter beschikking komt voor de axiale stroming van de straal. Daardoor is. het mogelijk onder het opvoeren van de rotatiecomponent van de straal de totale doorsnede groter te laten worden doordat het dwarssnede-oppervlak van de buiten-schil kleiner is dan het totale doorsnede-oppervlak in de vernauwing. Dit betekent een verlaging van de axiale stromingssnelheid en daardoor een vergroting van de verhouding tussen de rotatiecomponent en de axiale component van de stroming.According to a further aspect of the invention, provision can be made for the guide body to be connected only to the outer shell of the pipe section. This means that the inner area of the jet, i.e. the area within the outer shell, is also made available for the axial flow of the jet. Therefore it is. while increasing the rotational component of the beam, it is possible to increase the overall cross-section in that the cross-sectional area of the outer shell is smaller than the total cross-sectional area in the constriction. This means a decrease in the axial flow rate and thereby an increase in the ratio between the rotational component and the axial component of the flow.

Volgens nog een nadere uitwerking van de uitvinding kan er in worden voorzien, dat aan de achterzijde van het buisstuk een achtervlak aanwezig is met een opening voor het toevoeren van de mengstof. Belangrijk is daarbij, dat in het centrum: van de straal een onderdruk ontstaat met een terugstroming bij de as. Deze slaat de mengstof op het achtervlak. Hierbij zal de sterke rotatie ertoe bijdragen, dat wanneer de mengstof een vloeistof zoals olie is, deze langs het oppervlak van dit achtervlak beweegt. Hierdoor wordt bereikt, dat de vloeistof kan worden meegenomen naar de meer naar buiten gelegen gebieden van de werveling, waar de snelheid van de wervelstroom hoog is, zodat de vloeistof fijn verneveld kan worden.According to yet a further elaboration of the invention, provision can be made for a rear surface with an opening for supplying the mixture to be present at the rear of the pipe section. It is important that in the center of the jet an underpressure is created with a return flow at the axis. This stores the mixture on the back face. Hereby, the strong rotation will help that when the mixture is a liquid such as oil, it moves along the surface of this back face. This ensures that the liquid can be carried along to the more outwardly located areas of the vortex, where the velocity of the eddy current is high, so that the liquid can be finely atomized.

Een nadere verfijning hiervan bestaat daarin, dat het achtervlak conisch verwijd is in de stromingsrichting. Hierdoor wordt bereikt, dat de zwaartekrachtcomponent, die op de mengstof werkt, gedeeltelijk gecompenseerd wordt door de hélling van het achtervlak, waardoor betere symmetrische afvoer van de mengstof verkregen wordt.A further refinement of this consists in that the rear surface is widened conically in the direction of flow. This achieves that the gravitational component acting on the blending agent is partially compensated for by the tilt of the back face, thereby providing better symmetrical discharge of the blending agent.

Zoals reeds is vermeld, behoeft de vernauwing niet een materiële doorsnedeverkleining van een materiële buis te zijn. Dienovereenkomstig wordt er volgens een uitvoeringsvorm van de uitvinding in voorzien, dat de vernauwing gevormd wordt door een gasstroom, die met een radiaal naar binnen gerichte component aan de omtrek van het buisstuk wordt toegevoerd. Uiteraard zal, teneinde grote verschillen in stromingssnelheid bij het treffen van deze gasstroom .en de wervelende gasstroom te vermijden, er voor gezorgd worden, dat de de vernauwing veroorzakende gasstroom eveneens een wervel-beweging en eventuéel een axiale beweging heeft.As already mentioned, the narrowing need not be a material cross-section of a material tube. Accordingly, according to an embodiment of the invention, the constriction is provided by a gas stream which is supplied to the circumference of the pipe section with a radially inwardly directed component. Of course, in order to avoid large differences in flow velocity when this gas flow and the swirling gas flow are encountered, it will be ensured that the constriction causing gas flow also has a swirling movement and optionally an axial movement.

Het is ook mogelijk het geleidingslichaam zodanig uit te voeren, dat de stroom die het geleidingslichaam verlaat zelf voor de vernauwing zorgt. Dienovereenkomstig wordt er in dit geval in voorzien, dat het geleidingslichaam is ingericht rondom het buisstuk een gasstroom met naast de tangentiële component een naar binnen gerichte radiale component door het cilindervlak van het buisstuk toe te voeren. Zoals reeds eerder is vermeld, zal de vortex break down optreden bij verwijding van de stromingsdoorsnede. Daarbij verdient het aanbeveling, dat deze verwijding abrupt is en bij voorkeur de stromingsdoorsnede tenminste vijfmaal vergroot ten opzichte van die van de vernauwing voor kleine branders (tot ca. 50 kW) en voor grote ongeveer 2,5 a 3,5.It is also possible to design the guide body such that the current exiting the guide body itself causes the narrowing. Accordingly, in this case, it is provided that the guide body is arranged around the pipe section, a gas flow with an inwardly directed radial component in addition to the tangential component, through the cylinder surface of the pipe section. As mentioned earlier, the vortex break down will occur when the flow cross-section is widened. It is recommended that this widening be abrupt and preferably increase the flow cross section at least five times that of the narrowing for small burners (up to about 50 kW) and for large ones about 2.5 to 3.5.

Het bovenstaande is gunstig gebleken voor het bedrijven van een brander, die van een inrichting als in het bovénstaande omschreven is voorzien. Een dergelijke brander heeft door de vortex break down een bijzonder sterke menging van brandstof met .verbrandingslucht in een zeer kort bereik. Bovendien is gebleken, dat in het gebied direct achter de verwijding een wervel optreedt, die niet alleen een rotatiecomponent rondom de as van de stroming heeft, maar tevens een rotatie daar loodrecht op, hetgeen dus betekent, dat gas wordt teruggevoerd naar de achterwand van de verwijding en vandaar weer terug naar de vlamvoet. Dit betekent, dat de vlamvoet tevens reeds een geheel of gedeeltelijk verbrand en afgekoeld gasmengsel ontvangt, waardoor de verbrandingstemperatuur lager blijft en bijgevolg de vorming van stikstofoxyden wordt tegengegaan.The above has proved favorable for operating a burner provided with a device as described above. Due to the vortex break down, such a burner has a particularly strong mixing of fuel with combustion air in a very short range. In addition, it has been found that in the region immediately behind the flare a vortex occurs which not only has a rotational component about the axis of the flow, but also a rotation perpendicular thereto, which means that gas is returned to the rear wall of the dilation and from there back to the flame base. This means that the flame base also already receives a fully or partially burnt and cooled gas mixture, so that the combustion temperature remains lower and consequently the formation of nitrogen oxides is prevented.

Wanneer een brander zodanig wordt bedreven, dat vortex break down optreedt is het mogelijk er voor te zorgen, dat de middellijn van de branderconus een zodanig verloop heeft, dat voorbij een door de uiteenspatting van de straal veroorzaakt onderdrukgebied een stabiel gaslichaam optreedt, dat terugstroming van gas vanaf het eindgebied van de branderconus naar het onderdrukgebied voorkomt. Mocht de wervel direct na de verwijding reeds een belangrijke rol spelen bij het voorkomen van afblazen van de vlam, dit aangegeven verloop van de branderconus, waardoor voldoend wegstromend gas naar binnen wordt gebogen, zorgt nog verder voor het verhinderen van afblazen van de vlam. Daarbij wordt er op gewezen, dat door toepassing van de uitvinding een groot gedeelte van de stromingsenergie de vorm van turbulenties heeft en daardoor op zichzelf reeds afblazen wordt tegengegaan. In de praktijk kan een stabiele brander van betrekkelijk geringe afmetingen worden verkregen waarin afblazen van de vlam is uitgesloten.When a burner is operated such that vortex break down occurs, it is possible to ensure that the centerline of the burner cone has such a course that a stable gas body occurs beyond a negative pressure area caused by the bursting of the jet, that backflow of prevents gas from the end area of the burner cone to the negative pressure area. Should the vortex already play an important role in preventing the flame from blowing off immediately after the widening, this indicated course of the burner cone, whereby sufficient outflowing gas is bent inwards, still further prevents the flame from blowing off. It is pointed out here that, by applying the invention, a large part of the flow energy has the form of turbulences and that blow-off in itself is thereby prevented. In practice, a stable burner of relatively small dimensions can be obtained in which venting of the flame is excluded.

Bovendien kan de vorming van stikstofoxyden worden tegengegaan door er in te voorzien, dat de achterwand van de branderconus gekoeld is.In addition, the formation of nitrogen oxides can be prevented by ensuring that the back wall of the burner cone is cooled.

Verder kan van de gevormde wervel bij de verwijding bij de brander nog gebruik gemaakt worden door een inlaatspleet voor lucht, afgas of door verbranding te vernietigen afvalgas in de branderconus nabij het achtervlak daarvan aan te brengen. Deze spleet trekt één van deze gassen naar het centrum, alwaar deze koele lucht voor een verlaging van de temperatuur van de vlamvoet zorgt.Furthermore, the swirl formed can be utilized at the burner widening by providing an inlet slit for air, off-gas or combustion-destructible waste gas in the burner cone near the rear face thereof. This slit draws one of these gases to the center, where this cool air lowers the temperature of the flame base.

Teneinde een brander te verschaffen waarin de uitvinding is toegepast, die goed regelbaar is, zal het duidelijk zijn, dat de luchtsnelheid, ook bij een lagere stand en dus geringere luchttoevoer aan minimumeisen moet voldoen. Dienovereenkomstig wordt er volgens een nadere uitwerking van de uitvinding in voorzien, dat een regelbare luchtaftakking aanwezig is van lucht, die door het geleidingslichaam is gegaan.In order to provide a burner in which the invention has been applied, which is readily controllable, it will be clear that the air velocity, even at a lower setting and thus a lower air supply, must meet minimum requirements. Accordingly, according to a further elaboration of the invention, it is provided that an adjustable air branch of air which has passed through the guide body is provided.

Zoals nog nader besproken zal worden, geeft een analytisch onderzoek van de stroming voor en voorbij de vernauwing aan, dat geen oplossingen bestaan voor een continue stroming bij voldoend hoge wervelintensiteit en verwijding van de stromingsdoorsnede. Dit onderzoek heeft ertoe geleid, dat wanneer de vergelijkingAs will be discussed in more detail, an analytical examination of the flow before and after the constriction indicates that no solutions exist for a continuous flow with sufficiently high vortex intensity and widening of the flow section. This investigation led to that when the comparison

waarin Uq = axiale snelheid in de vernauwing; = axiale snelheid in de branderconus; k = 2 Q / U met £2 = de hoeksnelheid en owhere Uq = axial velocity in the constriction; = axial speed in the burner cone; k = 2 Q / U with £ 2 = the angular velocity and o

Jq en Besselfuncties van de nulde en de eerste orde zijn, geen reële oplossing heeft vortex break down te verwachten is.Jq and Bessel functions of zeros and first order are no real solution, vortex break down is to be expected.

De formules zijn evenwel afgeleid op grond van dissipatie en turbulentievrije stroming, hetgeen uiteraard niet volledig met de werkelijkheid overeenkomt, zodat deze formules slechts bij wijze van aanduiding aangeven, of vortex break down zal optreden.However, the formulas have been derived on the basis of dissipation and turbulence-free flow, which of course does not fully correspond to reality, so that these formulas only indicate by way of indication whether vortex break down will occur.

De uitvinding wordt in het volgende nader toegelicht aan de hand van de tekening, waarin: fig. 1 schematisch een brander voorzien van de uitvinding en de daarin optredende stromingen toont; fig. '2 schematisch het optreden van de ringwervel aangeeft; fig. 3 het stromingsbeeld ter voorkoming van terugstroming toelicht; fig. 4 schematisch een doorsnede door een wervelinrichting volgens de uitvinding toont; fig. 5 een schematische doorsnede door een andere uitvoeringsvorm toont;en fig. 6 een grafiek toont ter toelichting van de analytische methode ter bepaling van vortex break down.The invention is further elucidated hereinbelow with reference to the drawing, in which: Fig. 1 schematically shows a burner provided with the invention and the flows occurring therein; Fig. 2 schematically shows the occurrence of the ring vertebra; FIG. 3 illustrates the backflow prevention image; Fig. 4 schematically shows a section through a swirling device according to the invention; Figure 5 shows a schematic cross section through another embodiment, and Figure 6 shows a graph illustrating the analytical method of determining vortex break down.

<<

In fig. 1 is met 1 een luchttoevoer aangeduid voor een brander, waarbij de lucht een drukverhoging heeft ondergaan tot 5 cm waterkolom oftewel 500 N/m2. Deze lucht wordt via axiaal en tangentieel gerichte spleten 2 toegevoerd aan een wervelkamer 3. Deze wervelkamer heeft bij zijn uittredezijde een vernauwing 4, waardoor de werveling van de lucht nog versterkt wordt alvorens deze uittreedt. De sterke werveling . leidt tot een onderdruk in het axiale gebied en daardoor een terugstroming, als schematisch aangegeven met de stroomlijnen 5.In Fig. 1, 1 indicates an air supply for a burner, in which the air has undergone a pressure increase to 5 cm water column or 500 N / m2. This air is supplied to a whirl chamber 3 via axially and tangentially oriented slits 2. This whirl chamber has a narrowing 4 at its outlet side, so that the swirl of the air is amplified before it exits. The strong swirl. leads to an underpressure in the axial region and thereby a backflow, as schematically indicated by the flow lines 5.

Door een centrale olietoevoerleiding 6 wordt olie toegevoerd aan het conische achtervlak 7 van de wervelruimte 3. Door de terugstroming en werveling van de lucht in de wervelkamer 3 wordt olie langs de conus 7 naar buiten gedreven om via de wanddelen tussen de doorlaten 2 het naar de opening 4 toelopende oppervlak te bereiken, waar de wervelende luchtstroom 8 voor. het langs dit oppervlak bewegen zorgt van de olie in een dunne laag met betrekkelijk grote snelheid. In de vernauwing 4 heeft dan het loslaten van de oliefilm plaats, die direct al verstuift. Door de vortex break down, die direct na de vernauwing 4 in de branderconus 9 optreedt, heeft dan een uitermate fijne verneveling plaats. Deze branderconus heeft een achtervlak 10 en een als cilinder getekende conuswand 11.Oil is supplied to the conical rear surface 7 of the swirl chamber 3 through a central oil supply line 6. Oil is forced outwards along the cone 7 through the backflow and swirling of the air in the swirl chamber 3, so that it can flow to the opening 4 to reach tapered surface for which the swirling airflow 8 is in front. moving along this surface creates the oil in a thin layer at a relatively high speed. The constriction 4 then releases the oil film, which immediately disperses. The vortex break down, which occurs immediately after the constriction 4 in the burner cone 9, then produces an extremely fine atomization. This burner cone has a rear surface 10 and a cone wall 11 drawn as a cylinder.

De uit de wervelruimte 3 tredende stroming spat onder zeer sterke turbulentievorming uit elkaar,waarbij axiaal een onderdruk ontstaat en een terugstromingswervel 12, die langs de achterwand 20 stroomt en mede door de onderdruk die door de plaatselijke stromingssnelheid ontstaat zich stabiel aan deze achterwand hecht.The flow emerging from the whirl chamber 3 bursts apart under very strong turbulence formation, whereby an underpressure arises axially and a backflow vortex 12, which flows along the rear wall 20 and stably adheres to this rear wall partly due to the underpressure created by the local flow velocity.

Wanneer de vlam is aangestoken heeft een zeer geconcentreerde verbranding plaats in het met een stippellijn aangegeven gebied 13, waarbij evenwel de terugstroom 14 uit de wervel 12 voor vlamkoeling zorgt. In het centrale gedeelte voor de uitmonding van de straal uit de wervelkamer 3 treedt een onderdruk op en daardoor kan een werveling optreden als is aangegeven met 15.When the flame is ignited, a highly concentrated combustion takes place in the area 13 indicated by a dotted line, but the backflow 14 from the vertebra 12 provides flame cooling. In the central part for the outlet of the jet from the whirl chamber 3, a negative pressure occurs and a swirl can therefore occur as indicated by 15.

Ook deze werveling is stabiel en laat zich niet afblazen.This swirl is also stable and cannot be blown off.

Omdat de hoofdstroom zoals bij 16 is aangegeven, zich weer naar de as van de branderconus toe beweegt, is het uitgesloten, dat gas vanuit het uitgangsgebied van de brander of zelfs maar het middengebied terugstroomt naar het gebied waar zich de vlam bevindt.Since the main flow, as indicated at 16, moves back to the axis of the burner cone, it is impossible for gas to flow back from the burner output area or even the middle region to the area where the flame is located.

De spleet 17 tussen de branderconus 11 en het achtervlak 10 kan voor de toevoer van secundaire lucht zorgen, indien dat gewenst is.Bovendien kan het achtervlak 10 gekoeld zijn, bijvoorbeeld met water ingeval de brander gebruikt wordt voor het verwarmen van water in bijvoorbeeld een centrale verwarmingsketel. In plaats van secundaire lucht kan ook afgas of een te verbranden gasvormig produkt worden toegevoerd, waarbij de zeer intensieve menging door de vortex break down voor een zeer volledige verbranding zorgt.The gap 17 between the burner cone 11 and the rear surface 10 can provide the supply of secondary air, if desired. In addition, the rear surface 10 can be cooled, for example with water, if the burner is used for heating water in, for example, a power station boiler. Instead of secondary air, waste gas or a gaseous product to be burned can also be supplied, whereby the very intensive mixing by the vortex break down ensures a very complete combustion.

Omdat voor het verkrijgen van vortex break down bij regeling van de brander de rotatiesnelheid weinig of niet mag dalen, kan een regeling verkregen worden door verbrandingslucht op de volle snelheid te brengen en dan een gedeelte van deze lucht terug te voeren, zoals schematisch is aangegeven met de spleten 18, die verbinding geven met een ruimte 19, die via een regelkraan 20 een luchtafvoer heeft.Since to achieve vortex break down when the burner is controlled, the rotational speed should not decrease, if at all, a regulation can be obtained by bringing combustion air to full speed and then returning part of this air, as indicated schematically with the slits 18, which connect to a space 19, which has an air outlet via a control valve 20.

De brander volgens deze figuur heeft niet alleen een hoge stabiliteit tegen afblazen en een bijzonder sterke menging van verbrandingslucht met brandstof en daardoor een kort vlamtraject, maar zorgt er tevens voor, dat een mengsel, dat zuurstof en stikstof bevat slechts zeer korte tijd op hoge temperatuur is. Dit is een aanvullende reden, waarom deze brander weinig stifstofoxyden geeft.The burner according to this figure not only has a high stability against blow-off and a particularly strong mixing of combustion air with fuel and therefore a short flame range, but also ensures that a mixture containing oxygen and nitrogen is only at a high temperature for a very short time. is. This is an additional reason why this burner produces few nitrogen oxides.

De getekende wervelruimte 3 ontvangt zijn roterende gas via de spleten 2. De axiale snelheid van de uittredende lucht is nu omgekeerd evenredig met het doorsnedeoppervlak van de ringvormige spletenzone 2 en de cirkelvormige uitlaat in de vernauwing. Het is zeer wel mogelijk, dat deze laatste groter is dan de doorsnede van de ringspleet, in welk geval de axiale snelheid kleiner is bij het uittreden uit de wervel-kamer dan bij het intreden daarvan, hetgeen de verhouding tussen de rotatiesnelheid en de axiale snelheid nog verder vergroot.The drawn vortex space 3 receives its rotating gas through the slits 2. The axial velocity of the exiting air is now inversely proportional to the cross-sectional area of the annular slit zone 2 and the circular outlet in the constriction. It is quite possible that the latter is larger than the diameter of the annular gap, in which case the axial velocity is smaller when it leaves the whirl chamber than when it enters, which is the ratio between the rotational speed and the axial velocity enlarged even further.

Fig. 2 toont schematisch het geval, dat een drallichaam 21, dat een werveling geeft met overal dezelfde hoeksnelheid om de as (solid body vortex), welke werveling via de vernauwing 22 naar een ruimere stromingsbuis 23 wordt gevoerd, waarbij weer vortex break down optreedt en de ringvormige werveling 24 . Ook deze inrichting geeft een bijzonder intensieve dooreenmenging van de gasstroom, bijvoorbeeld wanneer deze een menggas, een mengvloeistof of poederdeeltjes bevat. Daarbij wordt erop gewezen, dat de uitvinding in hoge mate geschikt is voor het verbranden van poedervormige brandstrof zoals steenkooldeeltjes, maar ook aluminium dat tot aluminiumoxyde kan verbranden, hetgeen mogelijkerwijs bij winning van zonne-energie van belang kan zijn wanneer door middel van zonne-energie aluminiumoxyde gereduceerd kan .worden en.het aluminium later weer als energiebron verbrand.Fig. 2 schematically shows the case that a dropping body 21, which produces a vortex with the same angular velocity around the axis everywhere (solid body vortex), which vortex is fed via the constriction 22 to a larger flow tube 23, in which vortex break-down occurs again and the annular swirl 24. This device also gives a particularly intensive mixing of the gas flow, for example when it contains a mixing gas, a mixing liquid or powder particles. It is pointed out here that the invention is highly suitable for burning powdered fuel such as coal particles, but also aluminum which can burn to aluminum oxide, which may be of importance in solar energy recovery when using solar energy. aluminum oxide can be reduced and the aluminum later burned again as an energy source.

In fig. 3 is nader toegelicht, hoe een wervellichaam voor de uittredeopening van de wervelkamer ontstaat, dat terug-stroming van lucht geheel of nagenoeg geheel verhindert.In Fig. 3 it is further elucidated how a whirling body for the outlet opening of the whirl chamber is created, which completely or almost completely prevents backflow of air.

In de schets van fig. 3 ontstaat bij het punt 25 door de vortex break down een onderdruk, waardoor de met de pijl 26 aangegeven stroming dreigt te ontstaan. De conuswand 27 duwt echter de uitstromende gassen, waarvan het volume door de verbranding aanmerkelijk is toegenomen, terug naar de as van de buis zoals aangegeven met de pijlen 29. Dit zorgt ervoor, dat de stroming 26 gering blijft of zelfs onderbroken wordt, terwijl het stromingslichaam 30 door de onderdruk bij 25 en de onderdruk die ontstaat door de snelle beweging van de gassen in de onmiddellijke nabijheid daarvan, gestabiliseerd blijft en niet wordt afgeblazen.In the sketch of Fig. 3 an underpressure is created at point 25 by the vortex break down, as a result of which the flow indicated by arrow 26 threatens to occur. However, the cone wall 27 pushes the outflowing gases, the volume of which has increased markedly through combustion, back to the axis of the tube as indicated by the arrows 29. This ensures that the flow 26 remains small or even interrupted, while flow body 30 remains stabilized by the underpressure at 25 and the underpressure created by the rapid movement of the gases in its immediate vicinity and is not vented.

Fig. 4 toont een schematische doorsnede, waarbij een gunstige vorm van de vernauwing is weergegeven. Gebleken is, dat een te steile vernauwing tot een zekere stuwing aanleiding geeft en dat een te vlakke een te grote 'axiale lengte in beslag neemt en daardoor aanleiding geeft tot teveel wrijving. In het voorbeeld van fig. 4 is de hoek die de vernauwing met de as maakt bij het einde van de vernauwing iets kleiner dan 60°.Fig. 4 is a schematic sectional view showing a favorable shape of the constriction. It has been found that too narrow a constriction gives rise to a certain thrust and that a too flat takes up too great an axial length and therefore gives rise to too much friction. In the example of Fig. 4, the angle of the constriction to the axis at the end of the constriction is slightly less than 60 °.

In fig. 5 is nog een verdere uitvoeringsvoorbeeld van de uitvinding schematisch aangegeven. Hierin is weer de lucht-toevoerspleet 2 zichtbaar, waardoor axiaal wervelende lucht de ruimte 31 betreedt, zoals met de pijl 32 is aangegeven. Deze pijl buigt naar binnen toe, omdat vanuit een krans of ringspleet 33 radiaal naar binnen stromend en tangentieel wervelend gas wordt toegevoerd, dat bij voorkeur ook nog een axiale snelheid heeft, hetgeen evenwel in fig. 5 niet is getekend. Deze lucht dwingt de wervelende lucht die uit de ringspleet 2 komt naar binnen toe, waardoor deze een vernauwing ondergaat en daardoor een vergroting van de werveling.Fig. 5 schematically shows a further embodiment of the invention. Here, the air supply slit 2 is again visible, as a result of which axially swirling air enters the space 31, as indicated by the arrow 32. This arrow bends inwards because radially inwardly flowing and tangentially swirling gas is supplied from a ring or annular gap 33, which preferably also has an axial velocity, which is not shown in Fig. 5, however. This air forces the swirling air coming out of the annular gap 2 inwards, causing it to narrow and thereby increase the swirl.

Bij een ringspleet met een breedte van 1/8 tot 1/4 van de buitenmiddellijn D en een vernauwing met een middellijn van een |D (zie fig. 1, 2 en 4) werd bij een axiale snelheid in de spleet die gelijk is aan de rotatiesnelheid aldaar een zeer stabiel brandende brander verkregen met een buitenmiddellijn van de spleet van 17,5 mm, een binnenmiddellijn van de vernauwing van 12 mm en een middellijn van de branderconus van 90 mm. Een dergelijke brander kan een druk van de toegevoerde verbrandingslucht van 1000 N/m2 hebben zonder dat gevaar van afblazen optreedt.With an annular gap with a width of 1/8 to 1/4 of the outer diameter D and a narrowing with a diameter of a | D (see fig. 1, 2 and 4), at an axial speed in the gap equal to the speed of rotation there obtained a very stable burning burner with an outer diameter of the gap of 17.5 mm, an inner diameter of the constriction of 12 mm and a diameter of the burner cone of 90 mm. Such a burner can have a pressure of the supplied combustion air of 1000 N / m2 without risk of blow-off.

De uitvinding verschaft niet alleen een compacte en zeer stabiele brander, maar kan ook dienen om een sproeier te vervaardigen met groot regelbereik. Een dergelijke brander-sproeier heeft ten opzichte van conventionele drukverstuivers twee voordelen: 1) bij lage oliedoorstroming is de verstuiving beter dan bij hoge oliedoorstroming. Omdat evenwel bij hoge doorstroming de vlam langer is en bijgevolg meer ruimte bestaat waarin menging kan optreden, wordt een gelijkmatige verbrandings-kwaliteit bij grotere en kleinere oliedoorstroming verkregen.The invention not only provides a compact and very stable burner, but can also serve to manufacture a nozzle with a wide control range. Such a burner nozzle has two advantages over conventional pressure atomizers: 1) At a low oil flow, the atomization is better than at a high oil flow. However, because the flame is longer at a high flow rate and consequently there is more space in which mixing can occur, an even combustion quality is obtained with larger and smaller oil flows.

2) een goede luchtkoeling, waardoor vervuiling of verstopping bij hoge temperaturen voorkomen wordt.2) good air cooling, preventing pollution or blockage at high temperatures.

Daardoor is de uitvinding geschikt als sproeier voor willekeurige typen van branders voor het mengen van brandstof met verbrandingslucht voor willekeurige toepassingen met groot regelbereik.Therefore, the invention is suitable as a nozzle for any type of burners for mixing fuel with combustion air for any application with a wide control range.

Ter adstructie van het verschijnsel van vortex break down wordt het volgende opgemerkt.The following is noted to illustrate the phenomenon of vortex break down.

ii

In een rotatie-symmetrische tweedimensionale, continue stroming kan uit de continuïteitsvergelijking V. IL — 0 wordenIn a rotationally symmetrical two-dimensional, continuous flow, the continuity equation can become V. IL - 0

het bestaan van een stroomfunctie 0'afgeleid: enthe existence of a current function 0 'derived: and

Indien geen externe krachten aanwezig zijn, en de invloed van de viscositeit wordt verwaarloosd, wordt Navier-Stokes:If no external forces are present, and the influence of the viscosity is neglected, Navier-Stokes is:

Dit levert, met dl =V. U. voor de vorticiteit:This yields, with dl = V. U. for the vorticity:

(1).(1).

De -component van (1) levert nu u.^ -Γ = constant = f (0) als we het gebied om de as aannemen als een gebied met "solid body" rotatie, dan dusThe -component of (1) now returns u. ^ -Γ = constant = f (0) if we assume the area around the axis as an area with "solid body" rotation, then so

De componenten van ίΰ worden nu:The components of ίΰ now become:

enand

(2)(2)

Oplossen van uit (1) en (2) levertSolving from (1) and (2) yields

) dus wordt de stroomfunctie 0 gegeven door) so the current function 0 is given by

met f = Ώ. r2 .with f = Ώ. r2.

) We willen nu onderzoeken wat er gebeurt als een stroming in een cilinder overgaat naaf een andere cilinder met een grotere diameter.We now want to investigate what happens when a flow in one cylinder changes into another larger diameter cylinder.

Stroomopwaarts, in de kleinste cilinder, nemen we in de buurt j van de as een snelheid Un aan in de z-richting, dusUpstream, in the smallest cylinder, near j of the axis we assume a speed Un in the z direction, so

dan ookthen

enand

De Bernoullivlakken in deze stroming zijn cilinders, dus de druk wordt, op een constante kern na, gegeven doorThe Bernoulli planes in this flow are cylinders, so the pressure, except for a constant core, is given by

Plan wnrrlf n /λ 4- 4 lui 2 nn pp.n nnnst.antp na wpprgegeven doorPlan wnrrlf n / λ 4- 4 lazy 2 nn pp.n nnnst.antp after wppr

Bovenstaande uitdrukking levert voorThe above expression provides for

op:on:

De stroomfunctie 0(r,z) (r).r + \ UQr2 van een roterende stroming in een cilinder wordt dus bepaald doorThe flow function 0 (r, z) (r) .r + \ UQr2 of a rotating flow in a cylinder is thus determined by

een Besselvergelijking van de orde 1.a Bessel equation of the order 1.

Voor de oplossing, regulier op de as, vinden we dus y= A. Jx(kr) 0 = fu r2 + A.r.J,(kr) o 1So for the solution, regular on the axis, we find y = A. Jx (kr) 0 = fu r2 + A.r.J, (kr) o 1

lLj>=Cl r + k.A.J-^(kr).lLj> = Cl r + k.A.J - ^ (kr).

Stroomopwaarts, in de kleinste cilinder, nemen we een axiale snelheid U aan in een gebied met vorticiteit met een o diameter 2 Γ .Upstream, in the smallest cylinder, we assume an axial velocity U in an area of vorticity with an o diameter 2 Γ.

oO

Stroomafwaarts, in de grootste cilinder, noemen we de axiale snelheid binnen het gebied met vorticiteit met diameter 2p-^.Downstream, in the largest cylinder, we call the axial velocity within the vorticity range with diameter 2p- ^.

Voor de stroomfuncties stroomop- en stroomafwaarts geldt dan: |ü r 2 = \ U r 2 + A.r,J,(kr,) 2oo2ol 111 dus danFor the current functions upstream and downstream, the following applies: | ü r 2 = \ U r 2 + A.r, J, (kr,) 2oo2ol 111 so then

enand

Indien we de axiale snelheid op de rand van de vortex stroomopwaarts noemen vinden we een relatie tussen U,, U , kr en kr,: 1 o o 1If we call the axial velocity on the edge of the vortex upstream, we find a relationship between U ,, U, kr and kr ,: 1 o o 1

Als krQ groot genoeg is en/of klein genoeg zal de o bovenstaande uitdrukking geen oplossing hebben. Er zal dan "vortex break down" optreden.If krQ is large enough and / or small enough, the above expression will have no solution. There will then be "vortex break down".

In fig. 6 is de waarde vanIn Fig. 6 the value of

uitgezet als functie van krQ. Daaruit blijkt, dat aanvankelijk twee oplossingen optreden bij een bepaalde waarde van krQ, dan in een maximum maar één en tenslotte geen enkele. In dit laatste gebied zal vortex break down optreden, waarbij er evenwel rekening mee moet worden gehouden, dat de stroming steeds reeds kleinere wervels heeft bevat, die niet in de berekening zijn opgenomen, zodat de aangegeven betrekking slechts als benadering kan worden opgevat en niet'als beperking van de uitvinding kan worden geconstrueerd.plotted as a function of krQ. This shows that initially two solutions occur at a certain value of krQ, then in a maximum only one and finally none. In the latter area, vortex break down will occur, however it must be taken into account that the flow has already contained smaller vortices, which are not included in the calculation, so that the indicated relationship can only be taken as an approximation and not ' can be constructed as a limitation of the invention.

In een brander is vortex break down gemakkelijk waar te nemen, omdat de verbranding dan in een vrij kleine torusvormige zone plaats vindt. Deze z'one is rustig en beweegt nagenoeg niet. Wanneer olie de brandstof is, zal deze zone een blauwe kleur hebben, wanneer de olie reeds volkomen vergast was.In a burner, vortex break down is easy to observe, because the combustion then takes place in a fairly small toroidal zone. This zone is quiet and hardly moves at all. When oil is the fuel, this zone will have a blue color, if the oil has already been completely gassed.

Deze zone wordt dieper blauw naar mate de temperatuur hoger is. Bij minder volledige vergassing kunnen er geel stralende kooldeeltjes in deze zone zijn, maar de ervaring leert dat bij voldoende zuurstoftoevoer zich geen onverbrande roet- deeltjes of koolwaterstoffen in het afgas bevinden.This zone becomes deeper blue the higher the temperature. With less complete gasification, there may be yellow radiant carbon particles in this zone, but experience has shown that with sufficient oxygen supply there are no unburnt soot particles or hydrocarbons in the exhaust gas.

Een belangrijke toepassing van de uitvinding vormt een sproeier of vernevelaar, waarbij de verkregen zeer fijne mist, het zeer goed gemengde gasmengsel of de zeer homogene suspensie van vaste deeltjes niet direct of zelfs in het geheel niet wordt verbrand.An important application of the invention is a sprayer or nebulizer, in which the very fine mist obtained, the very well mixed gas mixture or the very homogeneous suspension of solid particles is not burned directly or even at all.

Het zal duidelijk zijn, dat de uitvinding niet beperkt is tot de getekende en toegelichte uitvoeringsvormen. Zo is het mogelijk dat de mengstof in rotatie wordt gebracht alvorens met de luchtstraal in aanraking te komen. Dit is in het bijzonder bij menging met laag-calorisch gas belangrijk.It will be clear that the invention is not limited to the illustrated and illustrated embodiments. For example, it is possible for the mix to be rotated before coming into contact with the air jet. This is particularly important when mixed with low-calorific gas.

Het geleidingslichaam kan van willekeurige vorm zijn, mits 'het de gasstroom een rotatie meedeelt. Daarbij kan het ook bewegende of roterende delen, zoals een schoepenrad, bevatten.The guide body can be of any shape, provided it imparts a rotation to the gas stream. In addition, it can also contain moving or rotating parts, such as a blade wheel.

Claims

An apparatus for mixing a gas stream with a gaseous, liquid or powdered mixture, such as a fuel, wherein a guide body for the gas flow (dropping body) is arranged to deliver a substantially cylindrical stream in a substantially cylindrical pipe section with an axial component in the axial direction of the pipe section and a rotational component in relation to the axial direction, characterized in that the pipe section has a narrowing in the direction of the axial component.

2. Device according to claim 1, characterized in that the constriction reduces the diameter of the pipe section to 0.8-0.4 of the diameter before the constriction.

Device according to claim 1 or 2, characterized in that the constriction includes an angle increasing in the direction of flow with the axis of the pipe section.

Device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the narrowing at its end includes an angle with the axis of more than 30 °.

Device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the guide body is only connected to the outer shell of the pipe section.

6. Device as claimed in claim 5, characterized in that a rear surface with an opening for supplying the mixing substance is present at the rear of the pipe section.

Device according to claim 6, characterized in that the rear surface is conically widened in the flow direction.

8. Device as claimed in one or more of the claims 1,2,5,6 and 7, characterized in that the constriction is formed by a gas flow which is supplied to the circumference of the pipe section with a radially inwardly directed component. .

9. Device for mixing a gas stream with a gaseous, liquid or powdered mixture, such as a fuel, wherein a guide body for the gas stream (dropping body) is arranged to deliver a substantially cylindrical stream in a substantially cylindrical pipe section with an axial component in the axis direction of the pipe section and a rotation component with respect to the axis direction, characterized in that the guide body is arranged around the pipe section a gas flow with an inwardly directed radial component in addition to the tangential component, through the cylinder surface of the pipe section. .

Device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the flow cross-section is expanded abruptly beyond the constriction.

11. Device according to claim 10, characterized in that the widened part has a diameter of at least two and a half and preferably five times that of the constriction.

Method for operating a burner with a burner cone, which burner is provided with a device according to claim 10 or 11, for the supply of combustion air, characterized in that the ratio between the axial and tangential component of the flow and the ratio between the centerline of the constriction and those chosen after the dilation such that the beam bursts (vortex break down) and an annular vertebra occurs at the angle between the back wall of the dilation and the start of the burner cone.

A method according to claim 12, characterized in that the diameter of the burner cone is such that a stable gas body occurs beyond a negative pressure region caused by the bursting of the jet, that gas flows back from the end region of the burner cone. to the negative pressure area.

Burner provided with a device according to one or more of claims 1-11 and suitable for operating the method according to claim 12 or 13, characterized in that the rear wall of the burner cone is cooled.

Burner provided with a device according to one or more of claims 1-11 and suitable for operating the method according to claim 12 or 13, characterized in that an air inlet gap is present in the burner cone near the rear face thereof.

Burner provided with a device according to one or more of claims 1-11 and suitable for operating the method according to claim 12 or 13, characterized in that an adjustable air branch is provided of air, which is wholly or partly the.'guidedlicKaam., has gone.

Burner according to one or more of claims 14 to 16, characterized in that the comparison

where Uq = axial velocity in the constriction; . = axial speed in the burner cone; k = 2 Q / U with Ώ = the angular velocity and o J and J. Bessel functions of the zeros and the first order are, o 1 J 'has no real solution.

Sprinkler, characterized in that in a device according to claims 1-11, means are present for bringing a powder or liquid substance to be sprayed into the region at the edge of the constriction.