Vorrichtung zur Durchführung von Misch. und chemischen Reaktionsvorgängen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durch führung von Misch- und chemischen Reaktionsvorgän gen. Mit ihr soll der wirtschaftliche Betrieb bei der Durchführung von Misch- und chemischen Reaktions vorgängen, insbesondere bei der Verbrennung von Gasen oder von Gasen getragenen Feststoffteilchen bzw. von Flüssigkeiten, wie z. B. Heizöl, verbessert werden.
Die Steigerung der Wirtschaftlichkeit derartiger Misch- und chemischer Reaktionsvorgänge wird erfin- dungzgemäss mittels einer Vorrichtung erzielt, die ge kennzeichnet ist durch eine drehsymmetrische, sich in Strömungsrichtung erweiternde Kammer mit tangential gerichteter, unter Drall erfolgender Zufuhr des einen Mediums derart, dass dieses zunächst schraubenförmig entlang der Kammerwand zum Austritt strömt, dort teil weise nach innen umkehrt und zentral bis ganz zum Eintrittsquerschnitt der Kammer zurückkehrt, dabei eine Zone intensiver Turbulenz erzeugend, die Rückströ mung röhrenförmig umgibt.
Der Gegenstand der Erfindung ist anhand von Aus führungsbeispielen in den Fig. 1 bis 7 der Zeichnung dargestellt, welche nachstehend im einzelnen erläutert werden. Es zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch eine Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung; Fig. 2 einen Schnitt durch einen mit einem Feue- rungsraum zusammenwirkenden Ölbrenner;
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Strömungs vorgänge innerhalb der Brennerkammer; Fig.4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfin- dung-gemässen Vorrichtung; Fig. 5 einen Brenner mit einer Zuführungsvorrich tung von staubförm'gem, festem Brennstoff; Fig. 6 eine schematisch dargestellte Anlage mit vier Kammern; Fig. 7 eine Kombination zweier Misch- bzw. Brenn- kammern.
Wie in Fig. 1 dargestellt, tritt die Verbrennungsluft 1 über einen Ansaugschalldämpfer 2 in einen Luftsam- melraum ein, der durch den Luftkasten 3 gebildet wird. Dabei umströmt und kühlt sie den Elektromotor 4 des Aggregats, welcher mittels radialer Arme 5 in seinen Schwerpunkt in einer Membran 6 elastisch aufgehängt ist. Auf der hohlen Welle des Elektromotors 4 sitzt ein Gebläse mit radialen Schaufeln 7, welches die Luft 1 dem Brennervorderteil 8 entsprechend den eingezeich neter Pfeilen zuführt.
Die Luftzufuhr 1 wird durch zwei Ringe gesteuert, deren einer 9 fest auf dem Motor 4 sitzt, während der andere 10 über Zugstangen 11 von einem mit einer geeigneten elektrischen Steuerungs- oder Regelvorrichtung verbundenen Elektromagneten 12 bewegt wird.
Die aus dem Gebläse austretende Luft tritt in die Leitkanäle ein, welche durch das Brennvorderteil 8, ein etwas kegliges Abdeckblech 13 und Leitschaufeln 14 gebildet werden. Diese Leitkanäle führen die Luft mit einem genau bemessenen Drall von vorzugsweise 10-15 der mehr oder weniger kegligen Brennkammer 15 zu, welche aus warmfestem Blech besteht.
Die kege- lige Bauart, bei der der grösste Durchmesser etwa 1,5-1,8 mal so gross ist wie .der kleinste, liefert in der Regel die besten Ergebnisse: Ausbrand und Flammsta- bilität sinken mit kleiner werdener Konizität.
Infolge der Fliehkraftwirkung strömt die kalte Luft zunächst mit einem Drallwinkel von etwas über 20 (ge gen die Achse gerechnet) an der Wand der Brennkam- mer anliegend dem erweiterten Austrittsquerschnitt der Brennkammer 15 zu. Hier macht sich aber der kräftige Unterdruck bemerkbar, der sich im Zentrum des engsten Querschnitts der Brennkammer 15 infolge des Eintritts dralls der Luft einstellt und der etwa das 10-15fache des Staudruckes .der wandnahen Strömung beträgt.
Wenn dieser Unterdruck richtig bemessen ist - dies ist der wesentlichste Punkt der Konstruktion dieser Brenn- kammer -, so bewirkt er, dass ein wählbarer Anteil der wandnahen Durchsatzströmung nicht aus der Brenn kammermündung 16 abströmt, sondern radial zur Kam merachse umbiegt und bis ganz zum Eintrittsquerschnitt der kegligen Brennkammer 15 zurückkehrt. Hier stülpt sich ,diese Rückströmung radial auseinander und strebt mit der anfangs erwähnten Durchsatzströmung wieder in Wandnähe dem Brennkammeraustritt zu.
Auf diese Weise erhält man ein System gegenläufiger Strömungen, deren äussere die innere röhrenförmig um gibt. Zwischen beiden bildet sich eine ebenfalls röhren förmige Zone intensiver Turbulenz 17, von der sich so wohl theoretisch als auch experimentell zeigen lässt, dass sie zu Mischleistungen von bisher unbekannter. In tensität fähig ist.
Das Öl 18 wird von einer Pumpe 19 über ein Magnetventil 20 und eine Einspritzdüse 21 dieser Tur- bulenzzone 17 zugeführt und durch Zündelektroden 22, von denen nur eine dargestellt ist, gezündet.
Der aus der Einspritzdüse 21 kommende Ölstrahl, dessen Einspritzwinkel vorzugsweise zwischen 10 und 30 liegt, wird von der in der Brennkammer 17 herr schenden zentralen Rückströmung erfasst und der Tur- bulenzzone 17 zugeführt, wo er sich intensiv mit der Luft mischt und abbrennt.
Da in der Turbulenzzone als Mittelwert von Durchsatz- und Rückströmung stets die Axialgeschwindigkeit Null herrscht, weil die Geschwin digkeit der Rückströmung und der Durchsatzströmung von gleicher Grössenordnung sind, kann die Flamme nicht aus der Brennkammer hinausgeblasen werden und ist stets sicher stabilisiert.
Die entstehende Flamme hat näherugnsweise die Gestalt der Turbulenzzone 17 und ist durch die wand nahe Frischluftströmung von der Wand der Brennkam- mer 15 isoliert. Die von der Flamme an die Wand abge- strahlte Wärme wird von der Frischluftströmung zum grössten Teil wieder der Verbrennung zugeführt.
Da die Turbulenzzone 17 nicht ganz bis an die Wand der Brennkammer 15 heranreicht, wird durch zwei an den grössten Durchmesser der Brennkammer 15 ansetzende konvergente Kegel 23 und 24 aus warmfe- stem Blech ein Ringwirbel 25 erzeugt, der eine wenn auch mässige, so doch hinreichende Zusatzmischung in Wandnähe bewirkt. Durch Düsenfehler eventuell auftre tende Öltröpfchen, die sonst aus der Brennkammer 15 vorne herausschlagen würden, werden von dem Kegel 23 abgefangen und verdampfen dort. Der Ringwirbel 25 übernimmt die Vermischung dieses Öles mit der Ver brennungsluft.
Mit Hilfe dieses Systems ist der Brenner in der Lage, mit einem Luftüberschuss von nur 4 % eine vollständige und russfreie Verbrennung des Heizöls zu erreichen.
Die Brennkammer 15 wird mittels Laschen gegen das hohl- kugelkalottenförmige Mundstück 27 des Vorderteils 8 geschraubt und kann auf diese Weise axial justiert wer den.
Die Ölpumpe 19 ist mit Hilfe eines Tragkreuzes 28 in radialen Schrauben 29 am Gehäuse 30 aufgehängt und kann durch Verdrehen der Schrauben 29 so in ihrer Aufhängeebene bewegt werden, dass sie koaxial zum Motor 4 sitzt. Eine flexible Welle 31, die über einen Hammerkopf und eine Nut an dem dem Brennraum ab gewandten Ende der hohlen Welle des Motors 4 von dieser mitgenommen wird und sich gegenüber ihrer Achse in gewissem Ausmass schrägstellen kann, treibt die Pumpe 19 an.
An der Pumpe sitzt ferner eine optische Flammkon- trolle 32, z. B. eine Fotozelle, welche durch eine öff- nung 26 in dem Abdeckblech 13 auf die Flamme in der Brennkammer 15 blickt und bei Flammausfall in be kannter Weise die in dem Hohlraum 33 befindlichen elektrischen Steuergeräte betätigt. Das Brennervorderteil 8 ist mit einem Flansch 34 an der Wand des Kessels 35 befestigt.
Das Gehäuse 30 hängt in einem Doppelgelenk an dem Vorderteil 8 und kann in einer Ebene senkrecht zur Brennerachse so be wegt werden, dass die Einspritzdüse 21 genau zentral hinter dem Einspritzloch des Abdeckblechs 8 fixiert werden kann. Ein Gummiring 36 dichtet den Spalt zwi schen Vorderteil 8 und Gehäuse 30 ab. Durch diese Massnahme wird erreicht, dass ungeachtet aller Ferti gungstoleranzen Motor 4, Pumpe 19, Düse 21, Vorder teil 8 und Brennkammer 15 stets koaxial sitzen.
Um das Doppelgelenk schwenkend kann,das die mechanisch be wegten Teile enthaltende Gehäuse 30 geöffnet werden, wodurch Einspritzdüse 21, Pumpe 19, Elektroden 22 und Fotozelle 32 zu Reinigungs- und Wartungszwecken leicht zugänglich werden.
Auf dem Gehäuse 30 sind weiterhin Kontrollampen 37 und Bedienungsknöpfe 38 angebracht.
Eine weitere Senkung des für eine vollständige und rossfreie Verbrennung nötigen Luftüberschusses von 4 % auf etwa 2,5 % sowie eine grössere Unempfindlich- keit gegen Fehler der Einspritzdüse 21 lässt sich errei chen, wenn der Feuerungsraum, in den der Brenner hin einfeuert, den Besonderheiten des Brenners angepasst wird.
Eine besonders geeignete Bauform des Feuerungs- raumes besteht aus einer Gegenstromfeuerbüchse, wel che durch einen zylindrischen Mantel 39 mit geschlosse ner Stirnseite 40 gebildet wird. Fig. 2 zeigt den Brenner in Aufsicht. Es ist mit Strömungspfeilen angedeutet, wie die aus der Brennkammer 25 austretenden Flammgase bis zur Stirnseite 40 des Feuerungsraumes durchschla gen.
Dies ist praktisch nur erreichbar bei sorgfältigster Abstimmung der Kegel 23 und 24 auf die Strömungs verhältnisse in der Brennkammer 15 und die Abmes sungen des Feuerungsraumes. Die gewünschte gleich mässige Ausfüllung des Feuerungsraumes mit der strak- Lenden Flamme ist nur möglich, wenn der durch den Kegel 24 gegebene Axialimpuls der Flammgase in einem richtigen Verhältnis zu ihrem Drall steht.
Ist der Drall im Verhältnis zu gross, so stülpen sich die Flammgase sofort hinter dem Kegel 24 radial auseinander und strö men zurück zu den Öffnungen 42. Ist der Drall zu klein, so erreichen die Flammgase zwar die Stirnseite 40, stül pen sich aber unsymmetrisch auseinander und durchzie hen den Feuerungsraum einseitig und in Strähnen und bilden dabei im Feuerungsraum tote Ecken und unaus- gespülte kalte Zonen. In beiden Fällen verschlechtern sich Heizflächenbelastung und Ausbrand.
Die Auslegung der Kegel 23 und 24 hängt von den Strömungs- und Bauverhältnissen ab und ist empirisch durch Ermittlung der Strömungsform im Feuerungsraum zu bestimmen. Durch Experimente kann die Optimal form der Kegel 23 und 24 auf Grund der vorstehenden Angaben rasch gefunden werden.
Die konischen Querschnittsverengungen 23 und 24 und deren Wandflächen haben folgende Aufgabe: Beim Betreiben des Brenners mit flüssigem Brennstoff wie Öl, was die wichtigste Anwendungsart des Brenners dar stellt, wird dieser Brennstoff von der Stirnseite der Ein trittsspirale her mittels einer Druckzerstäubungsdüse eingespritzt. Solche Düsen weisen immer, auch wenn sie noch so sauber gearbeitet sind, kleine Spritzfehler auf. Sie können z. B. Strähnen aufweisen, also einzelne harte Strahlen, oder sie spritzen geringfügig schief, so dass die Zerstäubung nicht absolut homogen ist.
Es können da her einzelne Tröpfchen durch die Turbulenzzone hin- durchschlagen,<I>ohne</I> zur Reaktion gekommen zu sein.. Diese Tröpfchen würden den Brenner unreagiert ver lassen. Dies verhindern jedoch die heissen Wandflächen an den beiden konischen Verengungen des Austrittsquer schnitts. Die konisch verengten Teile 23 und 24 werden direkt von den heissen Flammgasen bestrichen, da der kühlende Luftfilm hier bereits abgearbeitet ist. Die Teile kommen dabei in dunkle Rotglut.
Alle Öltröpfchen, die aufgrund der herrschenden Zentrifugalkräfte gegen die Wandung geschleudert werden, verdampfen sofort und reagieren mit dem Restsauerstoff der heissen Flamm- gase. Der Ring 23 bewirkt ausserdem an seiner Aus trittskante einen Abreisswirbel, der für eine gewisse Nachmischung sorgt, die sich versuchsgemäss als recht wirksam erwiesen hat.
Bei richVger Formgebung wenden sich die Flamm- gase, wie mit Fig. 2 veranschaulicht ist, an der Stirnseite 40 des Feuerungsraumes 39, 40 nach aussen und strö men in der Nähe der Mantelwand 39 wieder zurück und schaffen dabei wiederum eine röhrenförmige Turbulenz- zone 41,
welche durch ihre zusätzliche Mischleistung die oben erwähnte Senkung des erforderlichen Luftüber- schusses auf etwa 2 % erlaubt.
Der Feuerungsraum benötigt keine Ausmauerung und kann direkt vom Kesselwasser bespült werden. Die Flammgase geben hier etwa die Hälfte ihrer Wärme im wesentlichen durch Strahlung ab, wobei im Mittel Heiz flächenbelastungen von 120 000 bis 140 000 kcal/mlh erreicht werden.
Dies ist ein Mehrfaches der heute übli cherweise erreichten Werte. Die Flammgase verlassen den Feuerungsraum mit etwa 800-900 C durch Öff nungen 42 in Brennernähe und treten in den sogenann ten Berührungsteil des Kessels ein,
in dem sie den restli- chen Anteil von etwa 50 % ihrer Wärme durch Berüh- rung an den Kessel abgeben. Der Berührungsteil kann in bekannter Weise willkürlich angeordnet werden, etwa oberhalb des Feuerungsraumes oder auch koaxial zu diesem.
Um im Berührungsteil hohe Heizflächenbelastungen zu erreichen, d. h. um mit kleinen Heizflächen auskom men zu können, muss für einen intensiven Wärmeüber gang zwischen den Flammgasen und der Kesselwand gesorgt werden.
Aus diesem Grund muss im Berührungsbereich mit hohen Gasgeschwind#gkeiten gearbeitet werden, was be deutet, das das Luftgebläse des Brenners einen hinrei chenden Luftdruck zur Verfügung zu stellen hat.
Es hat sich als optimal erwiesen, mit Geschwindig keiten von 20 -40 m/s je nach Durchsatz im Berüh rungsteil zu arbeiten, wodurch man Heizflächenbela- stungen von 40 000 bis 60 000 keal/mlh bezogen auf die gesamte Kasselheizfläche erreicht. Dies ist rund das 3- 4fache der heute üblichen Werte, die sich zwischen 10 000 und 20 000 kcal/m2h bewegen. Entsprechend wird der Kessel kleiner und billiger, wobei die Antriebs leistung des Brenners unbeachtlich niedrig ist.
Die genannten Geschwindigkeiten bringen einen Druckverlust im Berührungsteil von etwa 50 bis 60 mm WS mit sich, wozu noch die Druckverluste für die Er zeugung der Luftturbulenz in der Brennkammer, die für Regelzwecke stets nötige Druckreserve sowie sonstige Reibungsverluste kommen. Je nach Betriebszustand muss das Gebläse für die Verbrennungsluft daher Drücke der Grössenordnung 100 mm WS und darüber erzeugen.
Würde man diesen Druck mit den heute bei Zentralheizungsbrennern allgemein üblichen Drehzahlen von 1500 U/min erreichen, so ergäben sich unerträglich grosse Laufraddurchmesser. Aus diesem Grund arbeitet der beschriebene Brenner mit der Netzfrequenz, übli cherweise also mit 3000 U/min. Diese Drehzahlsteige rung, weiche von der heute üblichen Bauweise wesent lich abweichende Konstruktion z. B. nach Fig. 1 bedingt, ist mit eine der Voraussetzungen für die Wirtschaftlich keitssteigerung des Gesamtaggregats.
Wie oben erwähnt, wird durch eine Vergrösserung des Strömungswiderstandes des Berührungsteils des Kessels gleichzeitig eine hohe Heizflächenbelastung er reicht.
Zugleich ist aber ein Mittel gegeben, die Verbren nungsluft zu dosieren. Bei den bisherigen Brennern, die durchwegs mit Gebläsedrücken von etwa 10 bis 20 mm WS arbeiten, spielt der Kaminzug eine merkliche Rolle. Er schwankt erfahrungsgemäss je nach Witterung und Windeinfall um 3,5 mm WS,
wodurch der Luft durchsatz durch den Brenner entsprechend um 20-25 % schwankt. Nun erreichen gute Brenner übli- cher Bauart heute durchaus CO,-Gehalte im Abgas von etwa 12 %,
wobei sie dann dicht an der Russgrenze sind. Mit Rücksicht auf das Russen bei durch Zugschwan kungen verringertem Luftdurchsatz darf der Brenner im Durchschnitt nur auf 9-10 % C02 eingestellt werden. Er muss also aus Sicherheitsgründen unwirtschaftlicher arbeiten,
als er eigentlich könnte.
Dies ist bei dem beschriebenen Brenner mit hohem Gegendruck nicht der Fall, da die Zugschwankungen des Kamins erheblich kleiner sind als der Gebläsedruck oder, was dasselbe ist, als die Summe der Widerstände von Berührungsteil, Brennkammer und Luftregulierung, wobei der Widerstand des Berührungsteils den bei wei tem grössten Anteil des Gebläsedruckes verzehrt.
Man darf daher den beschriebenen Brenner sehr wohl bei Abgasen mit CO= gehalten von 14,5 bis 15 % arbeiten lassen, wobei man noch einen Sicherheitsab- stand von 0,3-0,
5 % bis zur Russgrenze hat und sicher ist, dass der Brenner, geschützt durch den hohen Wider stand des Berührungsteils, unabhängig von Zugschwan kungen einen C02 Gehalt und eine wirtschaftliche Arbeitsweise gewährleistet.
Die Erfahrungen an in Alpentälern montierten Brennern zeigte, dass die dort auftretenden starken Winde Brenner üblicher Bauart ausbliesen bzw. zum Teil zum starken Russen brachten, während die beschriebenen Brenner ruhig und sauber weiterarbeiteten.
Es zeigt sich also, -dass bei dem beschriebenen Ölbrenner der sinnvoll und zielbewusst nutzbargemaehte hohe Widerstand des Berührungsteils des Kessels so wohl die Ursache der hohen Heizflächenbelastungen des Kessels als auch des hohen C02 Gehaltes ist, weswegen sich die Eigenschaften des Brenners erst an einem geeig neten Kessel voll entfalten können.
Selbstverständlich ist dis genannte Drehzahl von 3000 U/min kein scharf limitierter Optimalwert, sondern erlaubt eine gewisse Toleranz; z. B. wird man in Län dern mit 60 Hz Netzfrequenz mit 3600 U/min arbeiten.
Ferner gelten die gemachten Angaben nicht nur für das bei Zentralheizungsbrennern übliche leichte Heizöl, sondern auch für Mittelöl und andere hinreichend dünn flüssige Kohlenwasserstoffe, also auch für alle Arten schweren Heizöles, wenn dieses entsprechend vorge wärmt wird.
Schliesslich kann man, statt Öl mittels Pumpe und Düse einzuspritzen, auch ein brennbares Gas zuführen, wobei die Brenngaszufuhr an beliebiger Stelle der Brennkammer in der Nähe der Mittelachse erfolgen kann. Ein geeigneter Ort ist das Zentrum des Eintritts querschnitts der Brennkammer, wobei das Brenngas in bekannter Weise leicht elektrisch gezündet werden kann.
Eine besonders einfache und gleichzeitig überaus wirkungsvolle Ausbildungsform des vorbeschriebenen Brenners ist nachstehend beschrieben.
Es hat sich gezeigt, dass auch dann eine starke Ge genstromturbulenz verwirklicht werden kann, wenn auf eine Austrittsleitvornchtung am Brennerende ganz ver zichtet wird, insbesondere wenn der Brenner am gröss ten Durchmesser des kegelstumpfförmigen Brennrau- mes endet oder wenn statt der Austrittsleitvorrichtung lediglich ein schwach kegelig verlaufender Ansatz 24 am Brennerende Verwendung findet,
wie Fig. 3 zeigt.
Die aus ihrem Endquerschnitt abströmenden Gase führen eine leichte Drehbewegung aus, wobei sich in der Verlängerung der Brennerachse in einer Entfernung von etwa der Hälfte bis zum ganzen Wert des grössten Bren- nerdurchmessers gemessen vom Brennerende ein soge nannter Staupunkt einstellt.
An diesem Punkt treffen alle Stromlinien zusammen, die als Staustromlinien be zeichnet werden. In der Ebene betrachtet treffen im Staupunkt zwei Staustromlinien zusammen. Alle diejeni gen Stromlinien, die, räumlich betrachtet, im Innenbe reich dieser Staustromlinien verlaufen, werden von der Rückströmung erfasst und in die Kammer hineingeso gen. Alle Stromlinien, die ausserhalb der erwähnten Staustromlinien verlaufen, strömen nach aussen in axia ler Richtung ab, wobei sie eine leicht schraubenartige Strömungsbewegung ausführen.
Der Staupunkt und die Staulinien, die zu ihm hin führen, bilden hierbei zumindest hinsichtlich ihrer Wir kungsweise gewissermassen einen idealisierten körperli chen Widerstand. Wie nämlich Versuche gezeigt haben, stellt sich die für die Turbulenzerzeugung erforderliche Rückströmung in dem Brenner ein, selbst wenn dieser am Austrittsende, also an der Stelle des grössten Appa ratedurchmessers, völlig offen ist. Hierbei übernimmt der Staupunkt vor der Kammeröffnung und die Stromli nien, die zu ihm hinführen, die Funktion eines körperli chen Widerstandes an dieser Stelle.
Dass diese Ausführungsform in sehr häufigen Fällen grosse Vorteile gegenüber der anderen Ausführung hat, ist leicht einzusehen. Erstens ist sie herstellungsweise billiger. Zweitens kann bei dieser Ausführungsform hochwertiges Material eingespart werden; denn gerade die Austrittsleitvorrichtung wird den hohen Flamm- und Reaktionstemperaturen ausgesetzt und muss daher aus höchstwertigem Material hergestellt werden. Der koni sche Teil der Brennkammer hingegen wird je duch den Kaltluftschleier gekühlt.
Das hierfür verwendete Mate rial kann also z. B. normales Eisenblech sein. Drittens ist die Verwendungsmöglichkeit dieses Brenners grösser. Man kann den Brenner viel leichter an ein zu befeuern des Aggregat mittels eines Flansches und einigen Schrauben anschliessen. Die weiter oben beschriebene Brennkammer war im Gegensatz hierzu teilweise so aus gebildet, dass sie nicht direkt feuerte und daher nicht so leicht anzuschliessen war wie der in Fig. 3 dargestellte Brenner.
Dieser findet bevorzugt Anwendung bei der Beheizung von Drehrohren, Trocknern, Öfen, kurz In dustriebeheizungen aller Art, sowie als Brenner für grosse Dampfkesselanlagen und Zentralheizungskessel jeder Grösse. Als Brennstoff kommen dabei gasförmige, flüssige und auch feinkörnige feste Stoffein Betracht.
Als Zuführungsorgan für gasförmige Brennstoffe kann weiterhin, wie das in Fig. 4 dargestellte Ausfüh- rungsbeispiel zeigt, eine zweite koaxiale Eintrittsspirale 68 vorgesehen werden, die dem gasförmigen Brennstoff eine zur Drehrichtung der durch die erste Eintrittsspirale 69 eintretenden Luft gleichsinnig drehende Bewegung aufprägt, sofern der Volumenstrom des zu verbrennen den Brennstoffes verhältnismässig gross, also etwa gleich dem Volumenstrom der Luft ist.
Auch können mit dem Brenner alle Arten fester Brennstoffe umgesetzt werden, sofern diese fein aufge- mahlen und mittels einer geeigneten Zuführungsvorrich tung längs der Achse des Brenners zugeführt werden. Als solche Zuführungsvorrichtung kann, wie Fig. 5 an hand eines weiteren Ausführungsbeispiels zeigt, ein ein faches Rohr 70 dienen, das bis in die Gegend des gröss ten Durchmessers 71 in den Brenner 72 eingeführt wird.
Auf dem freien Rohrende 73 sitzt eine aus hitze beständigem Werkstoff gefertigte Kappe 74, die die Be wegungsrichtung des durch das Zuführungsrohr einge blasenen Staubes, insbesondere Kohlenstaubes, um 180 umlenkt und den staubförmigen Brennstoff der längs der Kammerachse verlaufenden Rückströmung 75 feinver teilt beimischt. Der staubförmige Brennstoff wird in das Zuleitungsrohr 70 in bekannter Weise durch einen Schneckenförderer 76 und ein Luftgebläse 77 einge- führt.
Es muss besonders darauf hingewiesen werden, dass der beschriebenen Brenner in der Lage ist, auch Brenn stoffkombinationen, wie Gas und Öl, Gas und Kohlen staub, in ein und demselben Aggregat gleichzeitig zu verfeuern. Dazu braucht man nur die beschriebene Zu führungseinrichtungen, wie z. B.
die zweite Eintrittsspi rale 68 für den gasförmigen Brennstoff gemäss Fig. 4 mit der Ölzuführung 18 und der ölzerstäubungsdüse 21 gemäss Fig. 1, oder die zweite Eintrittsspirale 68 für den gasförmigen Brennstoff mit dem Kohlenstaubzufüh- rungsrohr 70 entsprechend zu kombinieren.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele lassen sich wegen der hervorragenden mit ihnen erziel baren Durchmischung von in Form strömungsfähiger Medien vorliegender oder in solchen mitgeführten Sub stanzen mit besonderem Vorteil auch zur Mischung und zum Zur-Reaktion-Bringen verschiedener gasförmiger, flüssiger oder staubförmiger Stoffe verwenden.
In der Beschreibung ist bisher ein Brenner erläutert worden, der in axialer Richtung gesehen einen offenen Austrittsquerschnitt aufweist. Es hat sich gezeigt, dass man diesen Brenner in speziellen Fällen zweckmässig mit einer Austrittsleitvorrichtung versieht, die z. B. in Form einer Austrittsspirale ausgeführt sein kann.
Eine solche Brennkammer mit Austrittsleitvorrichtung 58, wie sie in Fig. 7 dargestellt ist, führt zu einer besonders guten, d. h. ausgeglichenen Temperatur- und Konzentra tionsverteilung über den Auslassquerschnitt.
Die beschriebene Ausführungsform des Apparates mit Austrittsleitvorrichtung, meistens Austrittsspirale, gestattet es, den Appart speziell so aufzustellen, dass seine Achse vertikal verläuft. Bei dieser Aufstellungs weise ist der Apparat besonders sowohl zur Durchfüh rung von Verbrennungsreaktionen als auch chemischer Prozesse geeignet, bei denen feinkörnige, feste Stoffe als Reaktionspartner beteiligt sind.
Die zu behandelnden staubförmigen Stoffe werden von oben senkrecht in den Apparat hineingegeben, wobei allgemein bekannte Zu- führungseinrichtungen benutzt werden. Der gasförmige Reaktionspartner, also die Luft oder das zur Behand lung der staubförmigen Feststoffe dienende gasförmige Medium, werden durch die Eintrittsleitvorrichtung von unten zugegeben. Dabei bildet sich wiederum die be schriebene röhrenförmige intensive Turbulenzzone aus, die zu einer schnellen Reaktion der festen Reaktions partner innerhalb kürzester Zeit führt.
Diese Ausfüh rung des Apparats kann für die verschiedensten physi kalischen und chemischen Prozesse benützen werden. So können unter anderem feinkörnige feste Stoffe aller Art getrocknet, kalziniert oder sehr schnell erhitzt werden. Es können weiterhin staubförmig vorliegende Eisensul fide entschwefelt und staubförmig vorliegende Eisenerze reduziert werden.
Sinngemäss können natürlich auch verbrennungs technische Umsetzungen staubförmiger fester Stoffe, wie Steinkohle und Braunkohle, in dem senkrecht stehenden Apparat durchgeführt werden.
Ebenso können ferner verbrennungstechnische Um setzungen von staubförmigen festen Stoffen, insbeson dere von Kohlen aller Art, nicht bis zur vollständigen Verbrennung getrieben werden, sondern mit Luft- bzw. wenn mit 02 als Vergasungsmittel gearbeitet wird, mit 0,-Unterschuss durchgeführt werden, so dass durch den damit verbundenen Vergasungsprozess ein brennbares Gas erzeugt wird, das als Brenngas oder als Grundstoff für die chemische Synthese Verwendung finden kann.
Da beispielsweise ein chemisches Produkt während seiner Herstellung die verschiedenartigsten Behandlun gen erfährt, ist gemäss einer Ausführungsform vorgese hen, eine beliebige Anzahl der vorstehend beschriebe nen Kammern hintereinander oder parallel zu schalten, um ihre intensive Wirkung auf das chemische Produkt in jedem Verarbeitungsstadium auszunutzen.
Als Beispiel zeigt Fig. 6 schematisch eine Anlage, in der vier der genannten Kammern zusammenarbeiten. In Kammer 43 möge Luft L mit Brennstoff B in stöchio- metrischem Verhältnis verbrannt werden und ein heisses Inertgas I erzeugen. Zwei Stoffe A und B werden in Kammer 44 gemischt; das Gemisch A+B wird durch Beifügung des Inertgases I in Kammer 45 sehr schnell erhitzt, wobei die Stoffe A+B reagieren zu C+D. Diese werden in Kammer 46, z.
B. durch Einspritzen von kal tem H.0, abgeschreckt, wodurch ihr chemisches Gleichgewicht einfriert. Die Produkte C und D werden in weiteren Apparaturen getrennt und weiterverarbeitet.
Die Vorteile, ,die, durch .die Zusammenschaltung der genannten Kammern zu grösseren Anlagen erreicht wurden, bestehen unter anderem darin, dass beispiels weise in Kammer 43 heizwertarme Gase verfeuert wer den können, die in anderen Brennern nicht brennen würden. In den Kammern 43 und 45 kommt das heisse Gas nicht mit den Kammerwänden in Berührung, weil ein dünner Schleier kalter Strömung innen an den Wän den entlangläuft und diese schützt. Die Kammer 43 kann ihren Brennstoff auch gegen erhebliche Druckun terschiede ansaugen; er braucht nicht gepumpt zu wer den und darf daher heiss sein oder Verunreinigungen enthalten. In Kammer 46 kann eine Abschreckzeit er reicht werden, die kürzer ist als bei anderen Mischvor richtungen.
Dabei sind alle Kammern von ausserordent- lich einfachem Aufbau und besitzen eine sehr grosse Lebensdauer.
Aus diesen Gründen ist es möglich, mit einer Kom bination der beschriebenen Kammern Effekte zu erzie len, die mit anderen Vorrichtungen überhaupt nicht oder nur wesentlich ungünstiger erreicht werden können.
Eine weitere, nicht dargestellte Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung dient speziell der unter- stöchiometrischen Verbrennung von Kohlenwasserstof- fen. Hierbei muss man den Brenner bzw. die Brenn kammer mit sehr hohen Brennraumbelastungen betrei ben, :d. h. also mit sehr hohen Durchsätzen an Luft und Brennstoff, was einen hohen Druckverlust des Appara tes zur Folge hat. Bei dem unterstöchiometrischen Be trieb nimmt die Flamme eine intensive Blaufärbung an.
Die Flamme strahlt daher nicht, ist vollkommen russfreä und die Abgase weisen hohe Gehalte an brennbaren Gasen, wie H2, CO,<B>CH,</B> C2H4, Alkohole usw. auf. Eine Abwandlung dieser Vorrichtung ist auch geeignet, aus Äthan Äthylen und aus Methan Acethylen zu erzeu gen.
Dabei müssen ebenfalls sehr grosse Durchsatzge- schwindigkeiten, d. h. so kleine Verweilzeiten eingehal ten werden, dass diese kürzer sind als die Zerfallsge schwindigkeiten der entsprechenden Kohlenwasser stoffe. Durch plötzliches Abschrecken der Reaktions produkte mittels Einspritzen von Flüssigkeiten, insbe sondere von Wasser, werden die entstandenen chemi schen Produkte stabilisiert und können durch die be kannten Trennungsverfahren rein dargestellt werden. Die erzeugten Gase dienen als Ausgangsstoffe für die chemische Industrie, insbesondere die Kunststoffindu strie.
Es ist bekanntlich leicht, die Verbrennung von Luft mit Brennstoff bei grösserem Luftüberschuss durchzu führen. Soll .der Luftüberschuss dagegen möglichst klein sein oder soll sogar eine Verbrennung im stöchiometri- schen Brennstoff-Luft-Verhältnis durchgeführt werden, so entsteht die Schwierigkeit, Luft und Brennstoff genau gleichmässig und vollständig zu vermischen, zu verbren nen und die dabei entstehenden hohen Temperaturen von über 2000 zu beherrschen.
Die Lösung dieser Probleme ist bis heute pocht nicht befriedigend gelungen. Man bemüht sich, die Verbren nungstemperaturen durch keramische Auskleidungen zu beherrschen und nimmt dabei deren geringe Lebens dauer, insbesondere bei Temperaturwechsel-Beanspru- chungen, in Kauf: das Luft-Brennstoff-Verhältnis wird dem stöchiometrischen Wert vorsichtig so weit angenä hert, wie es der dabei ansteigende Verlust an Unver- branntem im Abgas zulässt.
Es können die beiden Probleme der vollständigen Vermischung und Verbrennung von Luft und Brennstoff sowie die Beherrschung der Wandtemperaturen in sehr einfacher Weise gelöst werden durch eine Kombination zweier der vorstehend beschriebenen Kammern, wie sie in Fig. 17 dargestellt ist.
Dabei bedeutet: I = Primärkammer 56 = Eintrittsleitspirale der Primärkammer <B>80,79</B> = Brennstoffzufuhren 1I = Sekundärkammer 57 = Eintrittsleitspirale der Sekundärkammer 58 = Austrittsspirale der Sekundärkammer 59 = Kühlmittel Die Verbrennungsluft tritt, durch den Pfeil 78 .ge kennzeichnet, von der Eintrittsleitspirale 56 mit einem Drall versehen, mit einer schraubenartigen Bewegung in die Primärkammer I ein und durchströmt sie,
aus Flieh- kraftgründen an der Aussenwand anliegend, bis zur konisch verengten Austrittsöffnung der Primärkammer I. Kurz vor der Austrittsöffnung macht sich der Sog des im Zentrum der Eintrittsleitspirale wirkenden starken Unterdruckes bemerkbar.
Er hindert einen grossen Teil der der Austrittsöffnung zustrebenden Strömung, aus der Austrittsöffnung abzuströmen und saugt sie vielmehr in Kammermitte bis zur Eintrittsleitspirale zurück, wo sie sich radial nach aussen umstülpt, umkehrt und in Wandnähe wieder zur Austrittsöffnung läuft. Zwischen der Durchsatzströmung in Wandnähe und der Rückströ mung in Kammermitte. bildet sich eine Zone intensiver Turbulenz, in der eine erste Teilverbrennung stattfindet.
Der dazu nötige Brennstoff wird je nach den Be triebsumständen und der Brennstoffbeschaffenheit durch mindestens eine der Brennstoffzufuhren bzw. Gaszulei tungen 80, 79 der Primärkammer zugeführt und ver brennt darin mit einer Flamme, die weit aus der Primär kammer hinaus in die Sekundärkammer schlägt. Die Flamme ist dabei umgeben von einem Kaltluftschleier von geringer Stärke und grosser Stabilität, dessen Dicke und Verlauf durch Abstimmung der Strömungsverhält nisse in der Primärkammer den Erfordernissen leicht angepasst werden kann.
Vorzugsweise wird die Dicke des Kaltluftschleiers so gewählt, dass sie am Eintritt der Primärkammer relativ gross ist und an der Austrittsöff nung einen beliebig kleinen Wert erreicht. Die Sekun därkammer 1I wird von einem bei 81 zugeführten kalten Inertgas, beispielsweise rückgeführten Abgasen oder Wasserdampf, in derselben Weise durchströmt wie die Primärkammer I von der bei 78 zugeführten Luft.
Die aus der Primärkammer austretende, von einem Kaltluft schleier umgebene Flamme durchströmt die Sekundär kammer in deren Mitte bis zur Eintrittsleitspirale 57, wo sie sich radial nach aussen umstülpt, umkehrt und mit dem Inertgasstrom der Austrittsspirale 58 zustrebt.
Dabei mischt sich die noch unter Luftmangel lei dende Flamme mit der restlichen Luft und brennt völlig aus. Die entstehenden über 2000 C heissen Verbren nungsprodukte mischen sich weitgehend mit dem Inert- gas, kühlen dabei ab und verlassen, noch teilweise von einer Inertgasschicht umgeben, die Kammer durch die Austrittsspirale 58.
Auf diese Weise ist es möglich, neben vollständigem Ausbrand bei stöchiometrischem Luft-Brennstoff-Ver- hältnis eine Brennkammer mit relativ kalten Wänden und damit grosser Lebensdauer zu erhalten. Da keine warmfesten Wandmaterialien benötigt werden, ist die Kammer entsprechend leicht und billig.
Sie kann durch Abstimmung der Strömungsverhältnisse in weitem Rah men allen Betriebsbedingungen angepasst werden und ist daher nicht nur zur Inertgaserzeugung, sondern auch für die verschiedensten chemischen Reaktionen und Mischvorgänge geeignet, insbesondere dann, wenn die Gefahr eines thermischen oder chemischen Wandan griffs verhindert werden soll.
Weiterhin bietet die Tatsache, dass die Reaktions produkte durch den in die Sekundärkammer II eintrer- tenden Inertgasstrom sehr rasch abgekühlt werden, eine Anwendungsmöglichkeit dieser Kombination von Kam mern zum Abbrechen chemischer Reaktionen und Ein frieren von Gleichgewichten. Dabei kann das erwähnte Inertgas gegebenenfalls auch durch ein anderes, reak tionsfähiges Gas ersetzt werden.