AT508128B1 - Verfahren zum einspritzen von wasser in einen im wesentlichen abgeschlossenen raum - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einspritzen von Wasser in einen im Wesentlichen abgeschlossenen Raum, insbesondere eine Brennkammer (1) einer Verbrennungskraftmaschine, wobei das Wasser durch eine Zuleitung (2) mit einem ersten Druck (p1) und einer ersten Temperatur (T1) zu einer Düse (3) geführt und über die Düse (3) in den Raum eingespritzt wird, in welchem ein zweiter Druck (p2) und eine zweite Temperatur (T2) gegeben sind, wobei die zweite Temperatur (T2) unterhalb einer Siedetemperatur (TS2) des Wassers beim zweiten Druck (p2) liegt. Um beim Einspritzen Vibrationen des Raumes bzw. der Brennkammer (1) auf ein möglichst geringes Maß zu reduzieren, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der erste Druck (p1) größer als der zweite Druck (p2) und die erste Temperatur (T1) gleich oder höher als die Siedetemperatur (TS2) des Wassers beim zweiten Druck (p2) eingestellt wird.

Description

österreichisches Patentamt AT508 128 B1 2010-11-15

Beschreibung

VERFAHREN ZUM EINSPRITZEN VON WASSER IN EINEN IM WESENTLCHEN ABGESCHLOSSENEN RAUM

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einspritzen von Wasser in einen im Wesentlichen abgeschlossenen Raum, insbesondere eine Brennkammer einer Verbrennungskraftmaschine, wobei das Wasser durch eine Zuleitung mit einem ersten Druck und einer ersten Temperatur zu einer Düse geführt und über die Düse in den Raum eingespritzt wird, in welchem ein zweiter Druck und eine zweite Temperatur gegeben sind, wobei die zweite Temperatur unterhalb einer Siedetemperatur des Wassers beim zweiten Druck liegt.

[0002] Bei Verbrennungskraftmaschinen mit Gasturbinen werden in Brennkammern Kraftstoffe verbrannt, um letztlich Energie zu gewinnen. Bei der Verbrennung eines Kraftstoffes tritt häufig das Problem einer Bildung von unerwünschten Stickoxiden auf. Soll eine nachteilige Abfuhr von Stickoxid- bzw. NOx-Emissionen in die Umwelt vermieden werden, so sind Maßnahmen zur Reinigung des Abgases vorzusehen, was allerdings aufwendig ist und zudem einen Betriebsaufwand erhöht.

[0003] Man ist daher bestrebt, eine Verbrennung des Kraftstoffes so zu führen, dass NOx-Emissionen möglichst unterbunden werden. Ein diesbezüglicher Ansatz besteht darin, in die Brennkammer einer Verbrennungskraftmaschine zusätzlich Wasser einzuspritzen, was zumindest zu einer deutlichen Reduktion der NOx-Emissionen führen sollte. Eine solche Maßnahme wird nicht nur bei neu zu bauenden Verbrennungskraftmaschinen gegebenenfalls angewendet, sondern insbesondere bei größeren Anlagen auch nachträglich vorgesehen, um gegebene NOx-Emissionen zu verringern.

[0004] Es wurde allerdings festgestellt, dass bei Einspritzen von Wasser in eine Brennkammer einer Verbrennungskraftmaschine dieselbe einem hohen Verschleiß wie auch einer hohen Korrosionsanfälligkeit unterliegt, was zu einem erhöhten Reparatur- bzw. Serviceaufwand führt, weshalb eine Einsatzzeit und daher eine Produktivität verringert ist. Umfangreiche Untersuchungen haben ergeben, dass der erhöhte Verschleiß und die erhöhte Korrosionsanfälligkeit mit Vibrationen der Brennkammer im Zusammenhang stehen, die durch die Wassereinspritzung verursacht werden. Die hervorgerufenen Vibrationen der Brennkammer, die in der Fachliteratur auch als Pulsationen oder akustische Schwingungen bezeichnet werden, führen zu zusätzlichen Belastungen derselben im Betrieb, was insbesondere bei großen und daher schweren Anlagen wegen einer Bewegung von großen Massen zu einer signifikanten Mehrbelastung führen kann, die nicht erwünscht ist und die erwähnten Nachteile nach sich zieht.

[0005] Hier setzt die Erfindung an. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, bei welchem bei der Wassereinspritzung Vibrationen des Raumes, in den eingespritzt wird, vermieden oder zumindest verringert sind.

[0006] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei einem Verfahren der eingangs genannten Art der erste Druck größer als der zweite Druck und die erste Temperatur gleich oder höher als die Siedetemperatur des Wassers beim zweiten Druck eingestellt wird.

[0007] Ein mit einem erfindungsgemäßen Verfahren erzielter Vorteil ist darin zu sehen, dass aufgrund einer Einspritzung von Wasser mit erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur Vibrationen des abgeschlossenen Raumes, in den das Wasser eingespritzt wird, vermieden oder im Vergleich mit einer Einspritzung von Wasser unterhalb einer Siedetemperatur beim zweiten Druck verringert sind. Dabei wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass die als nachteilig empfundenen Vibrationen durch eine Wassereinspritzung bei ungünstigen Bedingungen hervorgerufen werden können und erst die erfindungsgemäß vorgesehene Druck- und Temperaturführung zum Ausschluss bzw. zur Verringerung derartiger Vibrationen führt. Darüber hinaus wird bei einem erfindungsgemäßen Verfahren auch eine effektive Vernebelung des eingespritzten Wassers im Raum erhalten, da in den Raum eingespritztes Wasser sofort zu sieden beginnt, was in effektiver Weise zu einer Vernebelung bzw. Zerstäubung des eingespritzten Wassers führt. 1/6 österreichisches Patentamt AT508 128 B1 2010-11-15 [0008] Damit zugeführtes Wasser während eines Zuführens in der Zuleitung nicht zu sieden beginnt, ist bevorzugt vorgesehen, dass die erste Temperatur kleiner als eine Siedetemperatur beim ersten Druck eingestellt wird. Gleichzeitig ist es jedoch zweckmäßig, dass die erste Temperatur maximal 10° C unter der Siedetemperatur beim ersten Druck liegt. Damit ist eine effektive Vernebelung bzw. eine dergleichen Zerstäubung beim Eintritt des Wassers in den Raum sichergestellt.

[0009] Eine Temperaturdifferenz zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur beträgt vorzugsweise mehr als 10° C, insbesondere mehr als 15° C. Eine derartige Temperaturdifferenz setzt auch ausreichende Drücke bzw. eine entsprechende Druckdifferenz voraus, damit diese Bedingungen eingehalten werden können. Eine Temperaturdifferenz von mehr als 10° C, insbesondere mehr als 15° C, zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur erweist sich im Hinblick auf eine Regelbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens von Vorteil. Ist eine Temperaturdifferenz groß genug, so ist es im Einsatz vergleichsweise einfach, diese Bedingungen in der Zuleitung und im Raum aufrechtzuerhalten. In diesem Zusammenhang erweist es sich als zweckmäßig, dass eine Differenz zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck zumindest 10 bar, insbesondere zumindest 15 bar, beträgt.

[0010] Es hat sich gezeigt, dass es von Vorteil ist, wenn die Zuleitung durch ein zylindrisches Rohr gebildet wird. Insbesondere wenn die erste Temperatur knapp unterhalb der Siedetemperatur beim ersten Druck liegt, kommt es während des Zuleitens von Wasser bereits zur Bildung von kleinen Blasen in der Zuleitung. Ist die Zuleitung komplex ausgebildet, so können sich an geeigneten Positionen die kleinen Blasen zu sehr großen Blasen vereinigen, was nicht gewünscht ist. Durch ein zylindrisches Rohr ist die Gefahr einer Ausbildung von sehr großen Blasen in der Zuleitung zumindest verringert.

[0011] Es hat sich des Weiteren als zweckmäßig erwiesen, dass die Düse mit einer kreisförmigen Öffnung mit einem maximalen Durchmesser von 1 mm oder weniger eingesetzt wird, und zwar aus Gründen einer effektiven Vernebelung bzw. Zerstäubung eingespritzten Wassers.

[0012] Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen. In den Zeichnungen, auf welche dabei Bezug genommen wird, zeigen: [0013] Fig. 1 eine Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens; [0014] Fig. 2 ein Diagramm betreffend eine Siedetemperatur von Wasser in Abhängigkeit von einem Druck; [0015] Fig. 3 Druck- und Temperaturverhältnisse beim Einspritzen von Wasser in einer Vor richtung gemäß Fig. 1.

[0016] In Fig. 1 ist eine Vorrichtung, die Teil einer Verbrennungskraftmaschine sein kann, schematisch näher dargestellt. Die Vorrichtung umfasst eine im Wesentlichen abgeschlossene Brennkammer 1. Im Wesentlichen abgeschlossen bedeutet, dass die Brennkammer 1 grundsätzlich zwar abgeschlossen ist, aber mehrere Öffnungen zur Zuleitung von beispielsweise Kraftstoffen aufweisen kann, wobei jedoch in der Brennkammer 1 gleichzeitig ein hoher Druck von beispielsweise 10 bar oder mehr aufbaubar ist.

[0017] Neben der Brennkammer 1 weist die Vorrichtung ein Wasserreservoir 5 sowie eine daran anschließende Zuleitung 2 auf. Die Zuleitung 2 ist an einem Ende mit dem Wasserreservoir 5, in dem sich Wasser befindet, und an dem gegenüberliegenden Ende mit der Brennkammer 1 verbunden. Im Bereich des Wasserreservoirs 5 ist ein nicht dargestelltes Fördermittel vorgesehen, mit welchem Wasser unter gleichzeitiger Druckbeaufschlagung durch die Zuleitung 2 zu dem in die Brennkammer 1 einragenden Ende der Zuleitung 2 transportierbar ist. Die Zuleitung 2 weist im in die Brennkammer 1 einragenden Bereich eine endseitige Düse 3 auf. Des Weiteren ist zumindest eine Heizeinrichtung 6 vorgesehen, mit welcher Wasser, das durch die Zuleitung 2 transportiert wird, erwärmbar ist. Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, können verschiedene Heizeinrichtungen 6 vorgesehen sein. Bevorzugt ist es jedoch, dass die Zuleitung 2 als zylindrisches Rohr ausgebildet ist und die Heizeinrichtung 6 um die Zuleitung 2 herum 2/6

Claims (7)

1. österreichisches Patentamt AT508 128 B1 2010-11-15 beispielsweise in Form einer Heizspule angeordnet ist, wenngleich auch andere Einrichtungen zur Erwärmung des Wassers in der Zuleitung 2 vorgesehen sein können, beispielsweise ein Wärmetauscher und/oder ein Gasbrenner. Die Zuleitung 2 ist ebenso wie die Düse 3 bevorzugt aus einem Stahl gebildet. [0018] Ein erfindungsgemäßes Verfahren, das bei einer Vorrichtung der vorstehend dargestellten Art zur Anwendung kommt, arbeitet nach dem in Fig. 2 ersichtlichen Prinzip. Aus dem Wasserreservoir 5 stammendes und durch die Zuleitung 2 gefördertes Wasser, das während oder vor der Förderung durch die Zuleitung 2 auf einen ersten Druck p1 und z. B. mittels der Heizeinrichtung 6 auf eine erste Temperatur T1 gebracht wird, wird in die Brennkammer 1 eingespritzt. Der erste Druck p1 liegt über einem zweiten Druck p2, der in der Brennkammer 1 gegeben ist. Des Weiteren liegt die erste Temperatur T1 über einer Siedetemperatur TS2 beim zweiten Druck p2. Die erste Temperatur T1 wird bevorzugt knapp unterhalb einer Siedetemperatur TS1 beim ersten Druck p1 gehalten bzw. das Wasser wird bevorzugt in der Zuleitung 2 auf diese Temperatur erwärmt. Zur Einstellung der Druck- und Temperaturverhältnisse in der Zuleitung 2 weist die in Fig. 1 zweckmäßigerweise nicht dargestellte Druck- bzw. Temperatursensoren auf, mit welchen Drücke und Temperaturen gemessen werden, wobei so erhaltene Sensordaten zur Regelung des Fördermittels und der Heizeinrichtung 6 herangezogen werden. [0019] Die Erwärmung des Wassers z. B. in der Zuleitung 2 gemeinsam mit der vorgesehenen Druckbeaufschlagung auf den ersten Druck p1 führt dazu, wie in Fig. 3 schematisch dargestellt, dass sich im in Pfeilrichtung transportierten Wasser ab dem Übergang von der Zuleitung 2 zur Düse 3 kleine Blasen 7 bilden, da in der Düse 3 entsprechend dem Bernoulli-Gesetz im Vergleich mit einem rohrförmigen Abschnitt der Zuleitung 2 ein geringerer Druck vorliegt und sich das Wasser knapp unterhalb der Siedetemperatur TS1 beim ersten Druck p1 befindet. Diese kleinen Blasen 7 wachsen entlang der Düse 3 zur Brennkammer 1 hin betrachtet zu größeren Blasen 8 an, und zwar infolge eines weiter verringerten Druckes in der Düse 3. Wenn das Wasser durch eine Öffnung 4 der Düse 3 in die Brennkammer 1 austritt, vergrößern sich die bereits großen Blasen 8 zu noch größeren Blasen 9, da sich das Wasser nun oberhalb einer Siedetemperatur in Bezug auf die Druck- und Temperaturverhältnisse in der Brennkammer 1 befindet. Sobald eine der noch größeren Blasen 9 auf eine Grenzfläche 10 zwischen dem in die Brennkammer 1 eingetretenen Wasserstrahl und einer Atmosphäre in der Brennkammer 1 trifft, platzt diese auf, was effektiv zur Vernebelung bzw. Zerstäubung des eingetretenen Wasserstrahls beiträgt. [0020] Versuche in weiten Druck- und Temperaturbereichen haben ergeben, dass das erfindungsgemäße Verfahren sowohl bei niedrigen Drücken und niedrigen Temperaturen, also knapp oberhalb Normalbedingungen, wie auch bei sehr hohen Drücken von mehr als 15 bar und Temperaturen von mehr als 170° C anwendbar ist, wobei in allen Fällen eine effektive Vernebelung von eingespritztem Wasser feststellbar war. Des Weiteren wurde in Versuchen festgestellt, was noch wichtiger ist, dass Vibrationen der Brennkammer 1 wesentlich reduziert werden konnten, wobei abnehmende Vibrationen mit zunehmender Temperatur und insbesondere beste Ergebnisse dann erzielt wurden, wenn eine erste Temperatur T1 knapp unterhalb einer Siedetemperatur TS1 beim ersten Druck p1 lag. Patentansprüche 1. Verfahren zum Einspritzen von Wasser in einen im Wesentlichen abgeschlossenen Raum, insbesondere eine Brennkammer (1) einer Verbrennungskraftmaschine, wobei das Wasser durch eine Zuleitung (2) mit einem ersten Druck (p1) und einer ersten Temperatur (T1) zu einer Düse (3) geführt und über die Düse (3) in den Raum eingespritzt wird, in welchem ein zweiter Druck (p2) und eine zweite Temperatur (T2) gegeben sind, wobei die zweite Temperatur (T2) unterhalb einer Siedetemperatur (TS2) des Wassers beim zweiten Druck (p2) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Druck (p1) größer als der zweite Druck (p2) und die erste Temperatur (T1) gleich oder höher als die Siedetemperatur (TS2) des Wassers beim zweiten Druck (p2) eingestellt wird. 3/6 österreichisches Patentamt AT508 128 B1 2010-11-15
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Temperatur (T1) kleiner als eine Siedetemperatur (TS1) beim ersten Druck (p1) eingestellt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Temperatur (T1) maximal 10° C unter der Siedetemperatur (TS1) beim ersten Druck (p1) liegt.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperaturdifferenz zwischen der ersten Temperatur (T1) und der zweiten Temperatur (T2) mehr als 10° C, insbesondere mehr als 15° C, beträgt.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Differenz zwischen dem ersten Druck (p1) und dem zweiten Druck (p2) zumindest 10 bar, insbesondere zumindest 15 bar, beträgt.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitung durch ein zylindrisches Rohr gebildet wird.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (3) mit einer kreisförmigen Öffnung (4) mit einem maximalen Durchmesser von 1 mm oder weniger eingesetzt wird. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 4/6