Die Erfindung betrifft eine Brennkammer eines mit einer Brennvorrichtung beheizbaren Industrieheizkessels, mit einer statischen Strömungsmischeinrichtung, umfassend zumindest ein Statikmischerelement sowie zumindest eine Standplatte, mit der das zumindest eine Statikmischerelement verbindbar ist, wobei das Statikmischerelement einen Grundkörper mit einer Materialstärke umfasst, der aus einem hitzebeständigen Material gebildet ist und der einen Durchgangskanal aufweist, wobei

- der Durchgangskanal in seiner Längsachsenrichtung von einer Vorderseite des Grundkörpers, der sogenannten Anströmseite, durch den Grundkörper hindurch bis zu einer der Anströmseite gegenüberliegenden Rückseite des Grundkörpers, der sogenannten Abströmseite, verläuft, wobei der Durchgangskanal mit seiner Eintrittsöffnung im Wesentlichen zentrisch an der Anströmseite des Statikmischerelements positioniert ist und wobei

- an der Anströmseite mehrere voneinander beabstandete Strömungsleitelemente angeordnet sind, die jeweils in Form von flächigen Leitschaufeln, die von der Anströmseite abstehen, ausgebildet sind, und welche jeweils ausgehend von einem Randabschnitt der Eintrittsöffnung des Durchgangskanals in distaler Richtung bis zum äußeren Rand der Anströmseite erlaufen, wobei

- zwischen zwei Strömungsleitelementen jeweils eine im Vergleich zu den Strömungsleitelementen vertieft liegende Drallfläche angeordnet ist, welche zum äußeren Rand der Anströmseite hin schräg abfallend geneigt ist, wobei die Strömungsleitelemente im Vergleich zu einer angrenzenden Drallfläche um eine Leitschaufelhöhe erhöht sind, wobei die zumindest eine Standplatte eine oder mehrere Ausnehmungen zur formschlüssigen Aufnahme jeweils eines Sockelabschnitts eines Statikmischerelements aufweist.

Aus dem Stand der Technik sind je nach Anwendungsfall Heizkessel bzw. Dampfkessel mit einer als Flammrohr bezeichneten Brennkammer bekannt, die auch als Flammrohr- Rauchrohr-kessel oder Großwasserraumkessel bezeichnet werden. Ein solcher Heizkesseltyp wird überall dort als Industriekessel verwendet, wo es um die Versorgung mit Heizwasser und/ oder Prozessdampf für industrielle Anwendungen geht. Je nach Ausführung und Baugröße können mit solchen Heizkesseln bzw. Dampfkesseln bis etwa 40 MW (Megawatt) an thermischer Leistung bereitgestellt werden.

Je nach Ausführung spricht man üblicherweise von einem Heizkessel für die Versorgung mit Heizwasser bei Temperaturen bis etwa 80°C sowie von einem Dampfkessel für die Bereitstellung von Prozessdampf, beispielsweise bei Temperaturen von 180°C und Dampfdrücken beispielsweise von 10 bar. Der Einfachheit halber umfasst im Folgenden der Begriff „Industrieheizkessel" sowohl die vorstehend genannten Heizkessel, als auch entsprechende Dampfkessel für die Versorgung mit Prozessdampf.

Derartige Industrieheizkessel umfassen üblicherweise eine horizontal angeordnete, rohrförmige bzw. Zylinder-förmige Brennkammer, an deren erster Stirnseite bzw.

Deckfläche eine Brennervorrichtung in das Flammrohr ragt. Die Feuerung erfolgt meist mittels Erdgas oder mit Heizöl. An der der Brennervorrichtung gegenüberliegenden Stirnseite bzw. Deckfläche des Flammrohres befindet sich eine sogenannte Wendekammer, in der das Brenngas bzw. Rauchgas aus dem Flammrohr in Fängsrichtung des Industrieheizkessel umgelenkt wird und in einen sogenannten zweiten Rauchgaszug gelangt, der üblicherweise als Rohrbündelwärmetauscher ausgeführt ist. Das Rauchgas kann dabei je nach Bauweise des Industrieheizkessels auch mehrfach in Fängsrichtung des Industrieheizkessels umgelenkt werden. So umfasst beispielsweise ein sogenannter 3-Zug- Flammrohr-Heizkessel einen zweiten und einen in Strömungsrichtung des Rauchgases nachgelagerten weiteren, dritten Rauchgaszug, der ebenfalls meist als Rohrbündelwärmetauscher ausgeführt ist.

Aus dem Stand der Technik ist weiters bekannt, Wärmespeicherelemente aus hitzebeständigem Material, beispielsweise aus Keramik oder aus Edelstahl, in der Brennkammer eines Industrieheizkessels zu positionieren. Es sind dazu bereits im Wesentlichen Scheibenförmige Wärmespeicherelemente mit unterschiedlichen geometrischen Konturformen beispielsweise in Sechseckform oder in Kreisringform mit innenliegenden Durchgangsbohrungen bekanntgeworden. Die äußere Oberfläche dieser Wärmespeicherelemente ist im Wesentlichen glatt und unstrukturiert. Die Scheibendicke bzw. Materialstärke solcher scheibenförmiger Wärmespeicherelemente ist meist konstant. Derartige Wärmespeicherelemente sollen das Auskühlen der Brennkammer durch Wärmeabgabe verzögern, haben jedoch den Nachteil, dass solche Wärmespeicherelemente lediglich als Verdrängungskörper innerhalb der Brennkammer wirken und die Strömung des Rauchgases innerhalb der Brennkammer behindern oder zu hohem Druckverlust in der Brennkammer führen können, sowie zu einer Verringerung des für die Verbrennung relevanten Feuerraumvolumens führen können. Dies ist insofern problematisch, da wegen eines zu hohen Druckverlusts aufgrund von Einbauten in der Brennkammer der Abzug des Rauchgases im nachfolgenden Kamin beeinträchtigt sein kann und in weiterer Folge der Heizkesselbetrieb durch derartige Einbauten gestört wird. Außerdem kann bei einer hohen Anzahl von Wärmespeicherelementen, die in einer Brennkammer positioniert werden, aufgrund des verringerten freien Feuerraumvolumens der vollständige Verbrenmmgs vor gang negativ beeinflusst werden. Der heiße Brenngasstrom aus der Brennervorrichtung wird beim Auftreffen auf ein solches in Strömungsrichtung querstehendes Wärmespeicherelement im Inneren der Brennkammer zwar turbulent verwirbelt, allerdings erfolgt die Umströmung und Verwirbelung des Gasstroms dabei ungerichtet und zufällig.

Überdies ist von Nachteil, dass beim Einsatz von Wärmespeicherelementen aus einem feuerfesten Schamott-Material, wie beispielsweise einer Ofenisolierung eines Heizkessels, ein solches Wärmespeicherelement die Abgaswärme des Rauchgasstromes nur sehr langsam aufnimmt. Eine Abschätzung der instationären Wärmeleitung in einem Wärmespeicher element lässt sich anhand der Kombination von Biot-Zahl (Bi), Fourier-Zahl (Fo) sowie der dimensionslosen Mittentemperatur(0) im Wärmespeicherelement ermitteln. Die Biot-Zahl gibt das Verhältnis vom Wärmeleitwiderstand innerhalb eines festen Körpers zum konvektiven Wärmeübergangswiderstand im umgebenden Fluid wieder. Bei großen Biot- Zahlen (Bi »1) wird der konveküve Wärmeübergang so groß, dass die Oberflächentemperatur des Körpers der Temperatur des umgebenden Fluid entspricht und durch die geringe Wärmeleitung im festen Körper einen deutlichen Gradienten zur Temperatur im Körperinneren aufweist.

Somit kann bei Wärmespeicherelementen mit den typischerweise verwendeten feuerfesten Materialien und hohen Schichtdicken eine erhöhte Kerntemperatur erst nach mehreren Stunden erreicht werden (z.B. nach 8 Stunden bei Kerntemperaturen von über 700 °C). Das wirkt sich auch nachteilig auf eine angenommene Wärmespeicherung aus.

Da die bisher bekannt gewordenen Wärmespeicherelemente eine vergleichsweise kleine Wärmekapazität in Bezug zur vorliegenden Heizwassermenge eines Industrieheizkessels aufweisen (ca. 5% der Heizwassermenge, die aber nur bei maximaler gleichmäßiger Erwärmung der Wärmespeicherelemente theoretisch erreichbar wäre), ist deren Wärmespeicherwirkung vergleichsweise gering. Unter Einbeziehung der instationären Wärmeleitung in ein Wärmespeicherelement (unter Berücksichtigung der Biot-Zahl) werden meist nur mehr Wärmekapazitäten von 2 bis 3% im Vergleich zur Speicherwirkung der Heizwassermenge eines typischen Industrieheizkessels erreicht.

Weiters ist von Nachteil, dass im Falle der Anordnung von mehreren solcher Wärmespeicherelemente in Anströmrichtung des Rauchgases hintereinander innerhalb der Brennkammer die abstromseitig nachangeordneten Wärmespeicherelemente im Strömungsschatten des frontal angeströmten ersten Wärmespeicherelements positioniert sind, weshalb die nachgeordneten Wärmespeicherelemente insbesondere aus Feuerfest- Material noch langsamer erwärmt werden als das frontal angeströmte, in Anströmrichtung vorderste bzw. erste Wärmespeicherelement. Gemäß den Vorgaben der Hersteller von Industrieheizkesseln sowie der gängigen Literatur zur Auslegung von Industrieheizkesseln sind die Brennkammer bzw. das Flammrohr auf jeden Fall ohne innenliegende Einbauten in Form von derartigen Wärmespeicherelementen zu betreiben.

Die US 5106550 A und die DE 202005015992 Ul offenbaren ein Statikmischelement aus dem Stand der Technik.

Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, die aus dem Stand der Technik bekannt gewordenen Nachteile solcher Wärmespeicherelemente zu überwinden und dazu ein Statikmischerelement bereitzustellen, das zum Einsatz in einer Brennkammer eines gattungsgemäßen Industrieheizkessels geeignet ist und mit dem im laufenden Betrieb eines Industrieheizkessels, der mit einem erfindungsgemäßen Statikmischerelement innerhalb seiner Brennkammer ausgerüstet ist, möglichst die folgenden Vorteile im Vergleich zu einer Brennkammer ohne Einbauten erzielt werden können:

Intensivierte und relativ vergleichmäßigte Wärmestrom-Verteilung in der Brennkammer an der für den Wärmetransport in das Heizmedium wichtigen Oberfläche der Brennkammerwand;

Intensivierte und relativ vergleichmäßigte Verwirbelung von Brenngas in der Brennkammer; bei Einhaltung der durch die Kesselnorm EN 12953 vorgeschriebenen maximalen Wärmestromdichte an der Brennkammerwand von 0,24 W / mm ² ;

Erhöhung des Anteils der Wärmestrahlung für den Wärmetransport in der Brennkammer;

Verringerung von Turbulenzen in der der Brennkammer nachfolgenden Wendekammer;

Dadurch de facto gleichbleibender Druckverlust in Brennkammer und Wendekammer bis zum Eintritt in den zweiten Rauchgaszug;

Verringerung von thermischen Schäden, die oft an der Wendekammerrückwand sowie am sonst thermisch belasteten Eintritt in den zweiten Rauchgaszug auftreten können;

Verringerung von Kesselvibrationen, die oft durch Turbulenzen in der Wendekammer hervorgerufen werden;

Verringerung von Schäden durch die im Betrieb anliegenden Zugkräfte an den Schweißnähten der Brennkammer, die aufgrund der hydrodynamischen Auftriebskräfte der Brennkammer auftreten;

Brennstoffeinsparung durch einen erhöhten Wärmetransport in das Heizmedium bereits in der Brennkammer. Diese Aufgaben werden bei einer Brennkammer eines mit einer Brennvorrichtung beheizbaren Industrieheizkessels, mit einer statischen Strömungsmischeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teiles von Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß verläuft bei einem Statikmischerelement zum Einsatz in einer Brennkammer eines mit einer Brennervorrichtung beheizbaren Industrieheizkessels, wobei das Statikmischerelement einen Grundkörper mit einer Materialstärke umfasst, der aus einem hitzebeständigen Material gebildet ist und der einen Durchgangskanal aufweist, der Durchgangskanal in seiner Längsachsenrichtung von einer Vorderseite des Grundkörpers, der sogenannten Anströmseite, durch den Grundkörper hindurch bis zu einer der Anströmseite gegenüberliegenden Rückseite des Grundkörpers, der sogenannten Abströmseite, wobei der Durchgangskanal mit seiner Eintrittsöffnung im Wesentlichen zentrisch an der Anströmseite des Statikmischerelements positioniert ist und wobei an der Anströmseite mehrere voneinander beabstandete Strömungsleitelemente angeordnet sind, die jeweils in Form von flächigen Leitschaufeln, die von der Anströmseite abstehen, ausgebildet sind, und welche jeweils ausgehend von einem Randabschnitt der Eintrittsöffnung des Durchgangskanals in distaler Richtung bis zum äußeren Rand der Anströmseite verlaufen, wobei zwischen zwei Strömungsleitelementen jeweils eine im Vergleich zu den Strömungsleitelementen vertieft liegende Drallfläche angeordnet ist, welche zum äußeren Rand der Anströmseite hin schräg abfallend geneigt ist, wobei die Strömungsleitelemente im Vergleich zu einer angrenzenden Drallfläche um eine Leitschaufelhöhe erhöht sind.

Ein erfindungsgemäßes Statikmischerelement bietet aufgrund seiner strukturierten Anströmseite mit mehreren Strömungselementen und dazwischenliegenden Drallflächen den zusätzlichen Vorteil, dass die Anströmseite eine hohe spezifische Oberfläche für die Umströmung mit einem gasförmigen Medium bzw. einem Brenngas aufweist. Unter dem Begriff einer „spezifischen Oberfläche" wird die Summe aller Grenzflächen zwischen dem strukturierten Grundkörper insbesondere an seiner Anströmseite und einer gasförmigen Phase, also dem ein Statikmischerelement umströmenden Brenngas, im Verhältnis zum Volumen des Statikmischerelements verstanden (m ² Oberfläche/ m ³ Volumen). Im Weiteren wird der Begriff einer „strukturierten" Anströmseite synonym mit einer hohen spezifischen Oberfläche verwendet.

Unter dem Begriff eines „Strömungsleitelements" werden im Folgenden allgemein Erhebungen in Form von flächigen Leitschaufeln verstanden, die von der Anströmseite abstehen und die einem anströmenden gasförmigen Medium bzw. hier dem Brenngas innerhalb einer Brennkammer eines Industrieheizkessels eine gerichtete Drallbewegung aufprägen. Zweckmäßigerweise wird das Statikmischerelement im Betriebsfall dabei so innerhalb einer Gasströmung positioniert, dass die Anströmrichtung des Brenngases im Wesentlichen der Längsachsenrichtung des Durchgangskanals entspricht. Die strukturierte Anströmseite des Statikmischerelements ist dabei im Wesentlichen quer zur Anströmrichtung des Brenngases ausgerichtet.

Derartige Strömungsleitelemente können beispielsweise als gerade oder gebogene Rippen oder Stege, oder als gerade oder gekrümmte Schaufelabschnitte, gestaltet sein. Erfindungsgemäß verlaufen die Strömungsleitelemente jeweils in distaler Richtung bzw. in radialer Richtung vom Durchgangskanal ausgehend zum äußeren Rand der Anströmseite hin.

Die zwischen den Strömungsleitelementen angeordneten Drallflächen sind in Anströmrichtung des Brenngases im Vergleich zu den Erhebungen der Strömungsleitelemente etwas zurückversetzt und um einen Neigungswinkel a relativ zu einer Frontalebene der Anströmseite schräg abfallend zum Rand der Anströmseite geneigt. Damit wird erzielt, dass ein in Längsachsenrichtung des Durchgangskanals anströmendes heißes Brenngas beim Auftreffen auf eine der schräg abfallend geneigten Drallflächen vom Statikmischerelement in distaler bzw. radialer Richtung nach außen hin umgelenkt wird und dabei möglichst gleichmäßig flächig verteilt auf die Brennkammerwand des Industrieheizkessels trifft. Vorteilhaft kann es sein, wenn die Drallflächen um einen Neigungswinkel a von 20° bis 70°, bevorzugt von 30° bis 60°, besonders bevorzugt von 45°, zum äußeren Rand der Anströmseite hin schräg abfallend geneigt sind.

Durch die beschriebene hohe spezifische Oberfläche sowie die rasche oberflächliche Erwärmung eines Statikmischerelements - siehe dazu die vorigen Erläuterungen betreffend die Biot-Zahl - wird im Betrieb vorteilhaft ein zusätzlich erhöhter Strahlungstransport vom Statikmischerelement zur Brennkammerwand erreicht.

Besonders zweckmäßig kann sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Statikmischerelement der Durchgangskanal eine Durchgangskanallänge aufweist, die im Wesentlichen der Materialstärke des Grundkörpers entspricht, sowie die mehreren Strömungsleitelemente jeweils zumindest abschnittsweise die Materialstärke des Grundkörpers aufweisen, wobei die vertieft liegenden Drallflächen in Abschnitten des Grundkörpers mit reduzierter Materialstärke angeordnet sind.

Vorteilhaft steht der Durchgangskanal mit einer Durchgangskanallänge, die im Wesentlichen der Materialstärke des Grundkörpers entspricht, implizit im Wesentlichen senkrecht auf die Anströmseite des Grundkörpers. Bei einer Anströmung des Statikmischerelements mit heißem Brenngas in Längsachsenrichtung des Durchgangskanals steht die Anströmseite des Grundkörpers somit im Wesentlichen quer zum anströmenden Brenngas und wird gleichmäßig von diesem umströmt. Somit kann dem anströmenden Brenngas besonders effektiv durch die Strömungsleitelemente eine Drallströmung aufgeprägt werden. Auch die schräg in abströmseitiger Richtung abfallenden Drallflächen, die gleichsam in Vertiefungen des Grundkörpers bzw. in Vertiefungen an der Anströmseite liegen, werden in dieser Ausführung gleichmäßig vom Brenngas angeströmt und sorgen für eine gleichmäßig gerichtete Umlenkung des Brenngases entlang des Randes der Anströmseite in seitlicher Richtung. Vorteilhaft wird dadurch möglichst die gesamte Innenfläche der Brennkammer gleichmäßig mit von den Drallflächen umgelenktem, heißen Brenngas beaufschlagt.

In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung können bei einem Statikmischerelement die mehreren Strömungsleitelemente an der Anströmseite des Statikmischerelements jeweils in Form von gekrümmten Leitschaufeln mit einem Krümmungsradius ausgebildet sein. In dieser Ausführungsform mit gekrümmten Leitschaufeln kann die gewünschte Drallbewegung, die der Brenngasströmung beim Umströmen zumindest eines Statikmischerelements, welches im Inneren einer Brennkammer eines Industrieheizkessels positioniert ist, aufgeprägt wird, genau eingestellt bzw. berechnet werden. Je kleiner der Krümmungsradius der gekrümmten Leitschaufeln gewählt wird, umso stärker kann der Brenngasströmung innerhalb der Brennkammer abstromseitig des Statikmischerelements eine kontrollierte Turbulenz infolge einer Drallbewegung aufgeprägt werden. Zu beachten ist dabei jedoch der Druckverlust, der infolge der Umströmung des Statikmischerelements mit einer rotierenden Drallbewegung ansteigen kann.

Besonders effektiv kann ein Statikmischerelement gemäß der Erfindung sein, wenn die Strömungsleitelemente in Bezug zu den jeweils angrenzenden Drallflächen jeweils eine variable Leitelementhöhe aufweisen, wobei die Leitelementhöhe entlang einer Leitelementlänge vom Durchgangskanal zum äußeren Rand der Anströmseite zunimmt. Dabei kann mit zunehmender Leitelementhöhe eine verstärkte Drallströmung auf den umgelenkten Anteil des Brenngases aufgebracht werden.

In einer Weiterbildung kann bei einem erfindungsgemäßen Statikmischer element die Leitelementhöhe an der an den Durchgangskanal angrenzenden Innenseite der Leitelemente von 20% bis 50% der Materialstärke des Statikmischerelements betragen und/ oder die Leitelementhöhe an der an den Rand der Anströmseite angrenzenden Außenseite der Leitschaufeln von 50% bis 100% der Materialstärke des Statikmischerelements betragen. Durch geeignete Wahl der Höhe der Leitelemente und/ oder des Neigungswinkels der Drallflächen kann der Grad der Umlenkung des anströmenden Mediums zur Brennkammerwand reguliert bzw. optimiert werden.

In einer besonders kompakten Ausgestaltung der Erfindung kann ein Statikmischerelement an seiner Unterseite einen Sockelabschnitt mit Auflageflächen sowie an seiner Oberseite einen Rand der Anströmseite mit einer runden, vorzugsweise halbkreisförmigen, Randkontur aufweisen. Durch die Verwendung eines Sockelabschnitts wird die Standfestigkeit eines Statikmischerelements erhöht. Dies ist insbesondere von Vorteil aufgrund des im Betriebs entstehenden Staudrucks, der durch das Brenngas bei Umströmung eines Statikmischerelements erzeugt wird. Eine runde, vorzugsweise halbkreisförmige Randkontur im Bereich der Oberseite eines Statikmischerelements bietet den Vorteil, im Betrieb bei Aufstellung quer zur Anströmrichtung des Brenngases innerhalb eines im Wesentlichen zylinderförmigen Flammrohres bzw. einer entsprechenden Brennkammer einen möglichst gleichmäßigen Spaltabstand zwischen der Brennkammerwand und dem Rand der Anströmseite des Statikmischerelements zu bieten.

Wie zuvor bereits beschrieben wird zweckmäßiger Weise ein Statikmischerelement in Betriebsposition innerhalb der Brennkammer eines Heizkessels quer zur Anströmrichtung des heißen Brenngases aufgestellt.

In einer ersten erfindungsgemäßen Variante kann ein Statikmischerelement einteilig ausgeführt sein und vorzugsweise eine Dehnungsfuge mit einer Fugenbreite umfassen, welche sich vom Durchgangskanal bis zum Rand der Anströmseite durch die gesamte Materialstärke des Statikmischerelements erstreckt. Erforderlichenfalls kann durch eine Dehnungsfuge vermieden werden, dass sich im Betrieb in einem Statikmischerelement Thermospannungen aufbauen, die gegebenenfalls zu Rissen im Grundkörper führen können.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Variante kann ein Statikmischerelement zweiteilig oder mehrteilig ausgebildet sein, wobei die einzelnen Teile des Statikmischerelements mit Steckverbindungen formschlüssig miteinander verbindbar sind.

Derarüge Steckverbindungen können beispielsweise zapfenförmige Verbindungselemente umfassen, die an einem der Teile des Statikmischerelements angeordnet sind und die in entsprechend korrespondierende Ausnehmungen an einem anderen Teil des zwei- oder mehrteiligen Statikmischerelements vorgesehen sind. Vorteilhaft ist die Gestaltung als zwei- oder mehrteiliges Statikmischerelement insbesondere bei größeren Statikmischerelementen, die beispielsweise einen Durchmesser bzw. eine Breite der Anströmseite von 500 mm oder 600 mm aufweisen. Durch den mehrteiligen Aufbau wird die Montage eines solchen Statikmischerelements in seiner Betriebslage innerhalb einer Brennkammer eines Industrieheizkessels wesentlich erleichtert, da die Statikmischerelemente mit zunehmender Größe sehr schwer werden können.

Um im Betrieb die Umlenkung bzw. die Verwirbelung des Brenngases in Richtung der Brennkammerwand zu unterstützen, kann bei einem erfindungsgemäßen Statikmischerelement der Durchgangskanal anströmseitig eine Eintrittsöffnung mit einer freien Querschnittsfläche sowie mit einem Innendurchmesser sowie abströmseitig einen Diffusorabschnitt mit einem Diffusorwinkel ß in Bezug zur Abströmseite aufweisen, wobei der Diffusorabschnitt bis zur Austrittsöffnung des Durchgangskanals an der Abströmseite reicht und ein Innendurchmesser an der Austrittsöffnung größer ist als der Innendurchmesser an der Eintrittsöffnung.

Der sich in Strömungsrichtung des Brenngases zur Austrittsöffnung hin erweiternde, divergente Diffusorabschnitt kann dabei einen Diffusorwinkel ß beispielsweise von 90° bis 160°, bevorzugt von 120°, aufweisen und kann dem Diffusor einer Lavaldüse nachgebildet sein.

Besonders zweckmäßig kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Statikmischerelement der Durchgangskanal zur verliersicheren Befestigung von korrespondierenden Kupplungselementen eines Einstellrings innerhalb des Durchgangskanals anströmseitig eine oder mehrere Verbindungseinrichtungen aufweist. Vorzugsweise können zwei Längsschlitze, die an einander gegenüberliegenden Wandabschnitten sowie in Längsachsenrichtung des Durchgangskanals angeordnet sind und die als Führungen einer Steckverbindung dienen, als Teile der Verbindungseinrichtung vorgesehen sein. Besonders bevorzugt können auch zwei in Längsachsenrichtung verlaufende sowie an einander gegenüberliegenden Wandabschnitten des Durchgangskanals angeordnete Längsschlitze samt den Längsschlitzen jeweils nachgeordneten Querschlitzen, wobei die Querschlitze jeweils am Ende der Längsschlitze quer dazu positioniert sind, vorgesehen sein. Diese Längsschlitze und nachgeordneten Querschlitze können als Führungen einer verriegelbaren Steckverbindung, etwa in Form eines Bajonettverschlusses dienen, und als Teile der Verbindungseinrichtung zur Befestigung eines Einstellrings innerhalb des Durchgangskanals vorgesehen sein.

Die eingangs genannte Aufgabe wird auch von einer statischen Strömungsmischeinrichtung gelöst, die zum Einsatz in einer Brennkammer eines Heizkessels geeignet ist, und die zumindest ein Statikmischerelement sowie zumindest eine Standplatte, mit der das zumindest eine Statikmischerelement verbindbar ist, umfasst. Erfindungsgemäß weist dazu die zumindest eine Standplatte eine oder mehrere Ausnehmungen zur formschlüssigen Aufnahme jeweils eines Sockelabschnitts eines Statikmischerelements auf.

Je nach Ausführungsform kann eine statische Strömungsmischeinrichtung gemäß der Erfindung noch eine Sockelplatte umfassen, die zuunterst, also unterhalb der Standplatte positioniert werden kann und die zweckmäßiger Weise Sockelfüße zum Ausgleich allfälliger Unebenheiten aufweist und eine exakt horizontale Aufstellung der Statikmischerelemente in Betriebslage innerhalb einer zylindrischen Brennkammer erlaubt. Weiters kann eine statische Strömungsmischeinrichtung gegebenenfalls auch eine oder mehrere Unterlageplatten umfassen, die erforderlichenfalls zwischen die Standplatte und eine Sockelplatte gelegt werden können. Somit kann eine statische Strömungsmischeinrichtung mehrere Bauteile umfassen, die miteinander in Form eines Stapels verbunden werden können und die zur Höhenjustierung des zumindest einen Statikmischerelements in seiner Betriebsposition innerhalb einer Brennkammer eines Heizkessels dienen können. Zweckmäßig können ein oder mehrere Bauteile, die das Set einer statischen Strömungsmischeinrichtung umfasst, auch so gestaltet sein, dass sie formschlüssig miteinander verbindbar sind und bei einer turbulenten Umströmung mit heißem Brenngas innerhalb der Brennkammer in ihrer relativen Lage im Verbund der Bauteile ortsfest verbunden sind.

Besonders vorteilhaft kann sein, wenn bei einer statischen Strömungsmischeinrichtung, die weiterhin zumindest einen Einstellring mit einer Längsachsenrichtung, einem Außendurchmesser und einem freien Innendurchmesser umfasst, der zumindest eine Einstellring anströmseitig innerhalb des Durchgangskanals eines Statikmischerelements, vorzugsweise koaxial, befestigbar ist.

Der freie Innendurchmesser eines Einstellrings definiert seine innere freie Querschnittsfläche. Je nach Wahl des Durchmesserverhältnisses zwischen dem Außendurchmesser und dem freien Innendurchmesser wird auch die Wandstärke des Einstellrings beeinflusst. Durch Einsetzen eines Einstellrings in den Durchgangskanal kann die freie Querschnittsfläche des Durchgangskanals verändert bzw. verringert werden. Vorteilhaft lässt sich so besonders einfach und kostengünstig das Strömungsprofil bzw. der Strömungsquerschnitt im Durchgangskanal eines Statikmischerelements justieren. Der Grundkörper des Statikmischerelements kann dazu beispielsweise in einer bestimmten Geometrie und Größe passend zur Brennkammerdimension eines definierten Industrieheizkessels in größerer Stückzahl angefertigt werden. Durch Einsetzen von individuell geformten Einstellringen insbesondere mit unterschiedlichen freien Innendurchmessern kann eine statische Strömungsmischeinrichtung gemäß der Erfindung dann einfach an die jeweiligen Strömungsbedingungen angepasst werden.

Zweckmäßiger Weise kann bei einer statischen Strömungsmischeinrichtung der zumindest eine Einstellring außenseitige Kupplungselemente aufweisen, wobei der zumindest eine Einstellring anströmseitig innerhalb des Durchgangskanals eines Statikmischerelements, vorzugsweise an Verbindungseinrichtungen innerhalb des Durchgangskanals, verlier sicher befestigbar ist.

In dieser Ausführung kann ein Einstellring besonders einfach und sicher innerhalb des Durchgangskanals befestigt werden. Vorteilhaft kann in einer Ausführung mit geteilten Statikmischerelementen, die also aus zwei oder mehreren Einzelteilen zusammengefügt werden können, der eingesteckte Einstellring die Einzelteile des Statikmischerelements auch statisch unterstützen und die Stabilität des Aufbaus einer solchen statischen Strömimgsmischeinrichtung insgesamt verbessern. Bei der Montage eines aus mehreren Teilen zusammengesetzten Statikmischerelements wird zusätzlich durch einen modularen Einstellrings eine höhere Stabilität des Aufbaus erreicht.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung können bei einer statischen Strömungsmischeinrichtung zwei oder mehrere Statikmischerelemente hintereinander auf einer oder auf mehreren Standplatten befestigt sein, wobei vorzugsweise die Durchgangskanäle der zwei oder mehreren Statikmischerelemente koaxial hintereinander angeordnet sind, und wobei zumindest die einem anströmseitig ersten Statikmischerelement abströmseitig nachgeordneten Statikmischerelemente, vorzugsweise sämtliche Statikmischerelemente, jeweils mit einem in ihrem jeweiligen Durchgangskanal befestigten Einstellring ausgerüstet sind.

In einer Weiterbildung einer solchen erfindungsgemäßen Strömungsmischeinrichtung, welche zwei oder mehrere Einstellringe mit unterschiedlichem Innendurchmesser umfasst, können die zwei oder mehreren Einstellringe so angeordnet sein, dass die Innendurchmesser der Einstellringe in den abströmseitig hintereinander angeordneten Statikmischerelementen abnehmen.

Die Innendurchmesser der Einstellringe werden in Anströmrichtung des Brenngases gesehen abströmseitig also kleiner. Durch die Verwendung unterschiedlicher Innendurchmesser wird erreicht, dass das längs der Horizontalachse der Brennkammer strömende Brenngas auf mehrere Statikmischerelemente verteilt wird.

Weiters kann im Rahmen der Erfindung eine Brennkammer eines mit einer Brennvorrichtung beheizbaren Industrieheizkessels angegeben werden mit einer statischen Strömungsmischeinrichtung gemäß der Erfindung, wobei die Strömungsmischeinrichtung solcherart in der Brennkammer positioniert ist, dass das zumindest eine Statikmischerelement mit seiner Anströmseite im Wesentlichen quer zu einer Anströmrichtung eines gasförmigen Strömungsmediums aufgestellt ist, wobei die Längsachsenrichtung des zumindest einen Durchgangskanals und/ oder die Längsachsenrichtung des zumindest einen Einstellrings parallel zur Längsachsenrichtung der Brennkammer, vorzugsweise koaxial mit der Längsachsenrichtung der Brennkammer, angeordnet ist bzw. sind.

Wie zuvor beschrieben wird durch geeignete Positionierung einer solchen statischen Strömungsmischeinrichtung in der Brennkammer eines Industrieheizkessels im Betrieb die Anströmung des gasförmigen Strömungsmediums bzw. des heißen Brenngasstroms gedanklich in mehrere Strömungspfade aufgeteilt: Ein Strömungspfad des Brenngasstromes führt durch den einen oder die mehreren hintereinander angeordneten Durchgangskanäle eines oder mehrerer hintereinander positionierter Statikmischerelemente hindurch, wobei gegebenenfalls mehrere Einsteckringe, deren freie Innenquerschnittsflächen sich vorzugsweise in Abströmrichtung hin verjüngen können.

Ein oder mehrere weitere Strömungspfade des heißen Brenngasstromes lassen sich außenseitig beim Umströmen des einen oder der mehreren Statikmischerelemente definieren, wobei das Brenngas dabei durch das Auftreffen auf die schräg geneigten Drallflächen zur Wandung der Brennkammer umgelenkt wird. Die Leitelemente bzw. Leitschaufeln sorgen dafür, dass der Brenngasströmung eine kontrollierte turbulente Drallströmung aufgeprägt wird.

Weiters wird im Rahmen der Erfindung ein Industrieheizkessel mit einer Brennkammer angegeben, in der eine statische Strömungsmischeinrichtung gemäß der Erfindung positioniert ist. Die vorhin genannten Vorteile gelten gleichermaßen auch für eine Brennkammer bzw. für einen Industrieheizkessel mit einer Brennkammer, die mit erfindungsgemäßen Statikmischerelementen bzw. mit einer erfindungsgemäßen staüschen Strömungsmischeinrichtung ausgerüstet ist bzw. sind.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. In den schematischen Zeichnungen zeigen:

- Fig. 1 in einer isometrischen Ansicht schräg von vorne eine erste Ausführungsvariante eines Statikmischerelements gemäß der Erfindung;

- Fig. 1A in einer vergrößerten Darstellung ein Detail aus Fig. 1;

- Fig. 2 in einer Frontalansicht von vorne das in Fig. 1 dargestellte Statikmischerelement;

- Fig. 3 eine Schnittansicht von oben gemäß der in Fig. 2 dargestellten Schnittlinie A-A des in

Fig. 1 dargestellten Statikmischerelements;

- Fig. 4 eine Schnittansicht von der Seite gemäß der in Fig. 2 dargestellten Schnittlinie B-B des in Fig. 1 dargestellten Statikmischerelements;

- Fig. 5A bis 5C jeweils in isometrischen Ansichten schräg von vorne unterschiedlichen

Varianten von Einstellringen zur Befestigung an einem Statikmischer element;

- Fig. 6 in einer isometrischen Ansicht schräg von der Seite eine Sockelplatte als Teil einer statischen Strömungsmischeinrichtung gemäß der Erfindung;

- Fig. 7 in einer isometrischen Ansicht schräg von der Seite eine Standplatte als Teil einer statischen Strömungsmischeinrichtung gemäß der Erfindung;

- Fig. 8 in einer isometrischen Ansicht schräg von oben eine erste Ausführung einer statischen Strömungsmischeinrichtung gemäß der Erfindung mit zwei Statikmischer elementen gemäß Fig. 1; - Fig. 9 in einer Explosionsdarstellimg schräg von der Seite die Einzelteile des in Fig. 8 gezeigten Aufbaus;

- Fig. 10 in einer isometrischen Ansicht schräg von der Seite eine zweite Ausführung einer statischen Strömungsmischeinrichtung gemäß der Erfindung mit sechs hintereinander positionierten Statikmischerelementen gemäß Fig. 1;

- Fig. 11 in einer isometrischen Ansicht schräg von vorne eine zweite Ausführungsvariante eines Statikmischerelements gemäß der Erfindung;

- Fig. 12 in einer Explosionsdarstellung schräg von der Seite die Einzelteile des in Fig. 11 gezeigten Aufbaus;

- Fig. 13 in einer Explosionsdarstellung schräg von der Seite die Einzelteile einer dritten

Ausführung einer statischen Strömungsmischeinrichtung gemäß der Erfindung mit zwei Statikmischerelementen gemäß Fig. 11;

- Fig. 14 in einer isometrischen Ansicht schräg von vorne eine dritte Ausführungsvariante eines Statikmischerelements gemäß der Erfindung;

- Fig. 15 in einer Explosionsdarstellung schräg von der Seite die Einzelteile des in Fig. 14 gezeigten Aufbaus;

- Fig. 16 in einer isometrischen Ansicht schräg von oben eine vierte Ausführung einer statischen Strömungsmischeinrichtung gemäß der Erfindung mit zwei Statikmischerelementen gemäß Fig. 15;

- Fig. 17 in einer Explosionsdarstellung schräg von der Seite die Einzelteile des in Fig. 16 gezeigten Aufbaus;

- Fig. 18 in einer teilweisen Schnittansicht schräg von der Seite eine Brennkammer eines

Industrieheizkessels mit einer statischen Strömungsmischeinrichtung mit sechs hintereinander angeordneten Statikmischerelementen gemäß der Erfindung, wobei die Strömungsmischeinrichtung im Innenraum der Brennkammer aufgestellt ist.

Die weiteren Figuren sind jeweils schematische Darstellungen von CFD-Berechnungen, die jeweils in Diagrammform anhand der Verläufe der Strömungsgeschwindigkeit (Flow velocity) in [m/ s], der Wärmestromdichte (Convection_Wall_Heatflux) in [W/ m2] sowie der Temperatur (Temper ature_Celsius) in [°C] Unterschiede zwischen den Strömungsbedingungen in einer Brennkammer ohne Einbauten im Vergleich zu derselben Brennkammer mit Einbauten in Form von erfindungsgemäßen statischen Strömungsmischeinrichtungen veranschaulichen. Bezüglich der Wärmestromdichte wird ein erhöhter Wärmetransport durch negaüve Werte dar gestellt, die in den nachfolgenden Abbildungen als „weiße Flächen" veranschaulicht sind. Je kleiner der lokale Wert der Wärmestromdichte ist, desto größer ist der nach außen gerichtete Wärmestrom. Es zeigen:

- Fig. 19 in einer Seitenansicht den Verlauf der Strömungsgeschwindigkeit in einer

Brennkammer eines 2 MW-Industrieheizkessels ohne Einbauten;

- Fig. 20 in einer isometrischen Schnittansicht schräg von oben den Verlauf der

Wärmestromdichte an der Brennkammerwand des 2 MW-Industrieheizkessels ohne Einbauten;

- Fig. 21 in einer Seitenansicht den Verlauf der Temperatur in der Brennkammer des 2 MW-

Industrieheizkessels ohne Einbauten;

- Fig. 22 in einer Seitenansicht den Verlauf der Strömungsgeschwindigkeit in der

Brennkammer des 2 MW-Industrieheizkessels mit einer fünften Ausführung einer erfindungsgemäßen staüschen Strömungsmischeinrichtung, die sechs hintereinander angeordnete Statikmischerelemente mit einer Breite jeweils von 300 mm umfasst;

- Fig. 23 in einer isometrischen Schnittansicht schräg von oben den Verlauf der

Wärmestromdichte an der Brennkammerwand des 2 MW-Industrieheizkessels mit der fünften Ausführung der Strömungsmischeinrichtung (Breite von 300 mm);

- Fig. 24 in einer Seitenansicht den Verlauf der Temperatur in der Brennkammer des 2 MW-

Industrieheizkessels mit der fünften Ausführung der Strömungsmischeinrichtung (Breite von 300 mm);

- Fig. 25 in einer Seitenansicht den Verlauf der Strömungsgeschwindigkeit in einer

Brennkammer eines 10 MW-Industrieheizkessels ohne Einbauten;

- Fig. 26 in einer isometrischen Schnittansicht schräg von oben den Verlauf der

Wärmestromdichte an der Brennkammerwand des 10 MW-Industrieheizkessels ohne Einbauten;

- Fig. 27 in einer Seitenansicht den Verlauf der Temperatur in der Brennkammer des 10 MW-

Industrieheizkessels ohne Einbauten;

- Fig. 28 in einer Seitenansicht den Verlauf der Strömungsgeschwindigkeit in der

Brennkammer des 10 MW-Industrieheizkessels mit einer sechsten Ausführung einer erfindungsgemäßen staüschen Strömungsmischeinrichtung, die sechs hintereinander angeordnete Statikmischerelemente mit einer Breite jeweils von 600 mm umfasst;

- Fig. 29 in einer isometrischen Schnittansicht schräg von oben den Verlauf der

Wärmestromdichte an der Brennkammerwand des 10 MW-Industrieheizkessels mit der sechsten Ausführung der Strömungsmischeinrichtung (Breite von 600 mm); - Fig. 30 in einer Seitenansicht den Verlauf der Temperatur in der Brennkammer des 10 MW-

Industrieheizkessels mit der sechsten Ausführung der Strömungsmischeinrichtung (Breite von 600 mm);

- Fig. 31 in einer Diagrammdarstellung anhand von Geschwindigkeitsvektoren die

Strömungsgeschwindigkeit (Flow velocity) in [m/s] bei der Anströmung einer in Anströmrichtung eines gasförmigen Mediums gelegenen vorderen Anströmseite der statischen Strömungsmischeinrichtung gemäß der fünften Ausführung der Erfindung (Breite von 300 mm); und

- Fig. 32 in einer Diagrammdarstellung anhand von Geschwindigkeitsvektoren die

Strömungsgeschwindigkeit (Flow velocity) in [m/s] bei der Anströmung einer in Anströmrichtung eines gasförmigen Mediums gelegenen vorderen Anströmseite der statischen Strömungsmischeinrichtung gemäß der sechsten Ausführung der Erfindung (Breite von 600 mm).

Generell wird im Weiteren die Zuordnung der Begriffe hinsichtlich eines Ortes oder einer Orientierung, wie beispielsweise „horizontal", „vertikal", „in horizontaler Richtung", „in vertikaler Richtung", „oben", „unten", „seitlich", „vorne", „darunter", „darüber" etc. lediglich zur Vereinfachung gewählt und diese Begriffe beziehen sich möglicherweise auf die Darstellung in den Zeichnungen, nicht jedoch notwendigerweise auf eine aktuelle Gebrauchslage oder Einbaulage des Statikmischerelements oder der statischen Strömungsmischeinrichtung innerhalb einer Brennkammer eines Industrieheizkessels.

Im Folgenden werden mm die Figuren im Detail beschrieben. Der Einfachheit halber werden bei unterschiedlichen Ausführungsvarianten funktionsgleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Figuren Fig. 1 bis Fig. 4 zeigen in unterschiedlichen Ansichten jeweils eine erste Ausführungsvariante eines Statikmischerelements 10 gemäß der Erfindung.

Das Statikmischerelement 10 ist hier einteilig aus einem hitzebeständigen Keramikmaterial gefertigt und weist einen Grundkörper mit einer Vorderseite 11, die im Weiteren als Anströmseite 11 bezeichnet wird, sowie mit einer Rückseite 12, die im Weiteren als Abströmseite 12 bezeichnet wird, auf. Die rückseitige Abströmseite 12 liegt der vorderseitigen Anströmseite 11 gegenüber.

Die Anströmseite 11 weist hier einen oberen bzw. seitlichen Rand 13 mit einer im Wesentlichen halbkreisförmigen Kontur auf. Das Statikmischerelement 10 hat an seiner Unterseite einen Sockelabschnitt 14 mit einer Breite 15 sowie mit Auflageflächen 16. Die Auflageflächen 16 des Sockelabschnitts 14 sind hier jeweils schräg geneigt und dienen als Standflächen des Statikmischerelements 10 im Zusammenwirken mit einer Standplatte, wie diese beispielsweise in Fig. 7 dargestellt ist. Der Grundkörper des Statikmischerelements 10 hat eine Breite 17, eine maximale Materialstärke 18 bzw. Ausgangstiefe sowie eine Höhe 19. Weiters weist der Grundkörper des Statikmischerelements 10 einen Durchgangskanal 20 auf, der mit seiner Eintrittsöffnung 21 im Wesentlichen zentrisch an der Anströmseite 11 des Statikmischerelements 10 positioniert ist.

An der Abströmseite 12 hat der Durchgangskanal 20 seine Austrittsöffnung 22. Eine freie Querschnittsfläche 23 des Durchgangskanals 20 ist hier im Wesentlichen kreisförmig mit einem Innendurchmesser D _E des Durchgangskanals 20 im Bereich seiner Eintrittsöffnung 21 gestaltet. Die Eintrittsöffnung 21 wird hier von einem umlaufenden Randabschnitt 24 bzw. Randsteg an der Anströmseite 11 umrandet, wobei dieser Randabschnitt 24 bzw. Randsteg einen Außendurchmesser DR aufweist.

Von seiner Eintrittsöffnung 21 aus gesehen ist der Durchgangskanal 20 etwa ab der halben bis zur Austrittsöffnung 22 als Diffusorabschnitt 25 ausgeführt, wobei ein Innendurchmesser DA des Diffusorabschnitts 25 an der Austrittsöffnung 22 größer ist als der Innendurchmesser D _E des Durchgangskanals 20 im Bereich seiner Eintrittsöffnung 21. Ein Diffusorwinkel ß ist hier beispielsweise mit 120° gewählt.

Mit einer strichpunktierten Linie 26 ist die Längsachsenrichtung 26 des Durchgangskanals 20 symbolisiert. Der Durchgangskanal 20 verläuft also in Längsachsenrichtung 26 sowie mit einer Kanallänge 27 von der Vorderseite bzw. Anströmseite 11 des Grundkörpers durch den Grundkörper hindurch bis zur Rückseite bzw. Abströmseite 12 des Grundkörpers.

In einem dreidimensionalen Koordinatensystem entspricht die Längsachsenrichtung 26 des Durchgangskanals 20 der X- Achsenrichtung. Die Y- Achsenrichtung gibt die seitliche Breitenrichtung 17 des Statikmischerelements 10 an, die Z- Achsenrichtung gibt die Höhenrichtung 19 des Statikmischerelements 10 an.

Das Statikmischerelement 10 ist an der Anströmseite 11 strukturiert und weist mehrere Drallflächen 28 auf, die jeweils zum äußeren Rand 13 der Anströmseite 11 hin unter einem Neigungswinkel a schräg abfallend geneigt sind. Weiters sind an der Anströmseite 11 mehrere voneinander beabstandete Strömungsleitelemente 30 angeordnet, die jeweils in Form von flächigen Leitschaufeln 31, die von der Anströmseite 11 abstehen, ausgebildet sind. Die Strömungsleitelemente 30 verlaufen hier jeweils ausgehend vom Randabschnitt 24 der Eintrittsöffnung 21 des Durchgangskanals 20 etwa in distaler bzw. in radialer Richtung bis zum äußeren Rand 13 der Anströmseite 11. Die Leitschaufeln 31 weisen eine Leitschaufelbreite 32 bzw. Breite 32 des Strömungsleitelements 30 sowie eine Leitschaufellänge 33 bzw. Länge 33 des Strömungsleitelements 30 auf. Die Leitschaufeln 31 sind hier in Form von gekrümmten Leitschaufeln 31 mit einem Krümmungsradius 34 ausgebildet. Noch weiter detailliert kann der Krümmungsradius 34 einer Leitschaufel 31 angegeben werden als ein erster, etwas größerer Krümmungsradius R, der an einer ersten Flanke 35 der Leitschaufel 31, die konkav gekrümmt ist, gemessen wird. Entlang dieser ersten Flanke 35 überragt die Leitschaufel 31 die an die erste Flanke 35 angrenzende, tiefer liegende Drallfläche 28 um eine innere Leitschaufelhöhe 36 bzw. Leitelementhöhe 36, die an der Innenseite der Leitschaufel 31 angrenzend an den Randabschnitt 24 um die Eintrittsöffnung 21 des Durchgangskanals 20 gemessen wird. Eine äußere Leitschaufelhöhe 37 bzw. Leitelementhöhe 37 wird an der ersten Flanke 35 am Rand 13 der Anströmseite 11 gemessen.

Eine zweite Flanke 38 der Leitschaufel 31 bzw. des Strömungsleitelements 30, die konvex gekrümmt ist und der ersten Flanke 35 gegenüberliegt, weist einen im Vergleich zum Krümmungsradius R etwas kleineren Krümmungsradius r auf. Das Verhältnis zwischen dem größeren Krümmungsradius R an der ersten Flanke 35 und dem kleineren Krümmungsradius r an der zweiten Flanke 38 der Leitschaufel 31 bzw. des Strömungsleitelements 30 hängt im Wesentlichen von der Wahl der Leitschaufelbreite 32 sowie von der Größe der Krümmungsradien R, r ab. Der Einfachheit halber wird im Weiteren von einem Krümmungsradius 34 gesprochen, der gleichsam ein Mittelwert der beiden Krümmungsradien R und r ist.

Entlang der zweiten Flanke 38 überragt die Leitschaufel 31 die an die zweite Flanke 38 angrenzende, tiefer liegende Drallfläche 28 um eine innere Leitschaufelhöhe 39 bzw. Leitelementhöhe 39, die an der Innenseite der Leitschaufel 31 angrenzend an den Randabschnitt 24 um die Eintrittsöffnung 21 des Durchgangskanals 20 gemessen wird. Eine äußere Leitschaufelhöhe 40 bzw. Leitelementhöhe 40 wird an der zweiten Flanke 38 am Rand 13 der Anströmseite 11 gemessen.

Die Strömungsleitelemente 30 sind also im Vergleich zu den jeweils angrenzenden Drallflächen 28 um eine Leitschaufelhöhe 36, 37, 39, 40 erhöht. Im Bereich der vertieft liegenden Drallflächen 28 ist die Materialstärke 18 des Grundkörpers des Statikmischerelements 10 verringert und weist im Bereich der Drallflächen 28 nur eine reduzierte Materialstärke 18.1 bzw. 18.2 auf. Durch die Ausnehmungen des Grundkörpers im Bereich der schräg geneigten Drallflächen 28 verringert sich das Gesamtgewicht des erfindungsgemäßen Statikmischerelements 10 im Vergleich zu einem Grundkörper mit konstanter Materialstärke 18 und mit einer glatten, unstrukturierten Vorderseite. Das verringerte Gesamtgewicht und die damit verbundene Materialeinsparung eines erfindungs gemäßen Statikmischerelements 10 bietet zahlreiche Vorteile: So kann ein erfindungsgemäßes Statikmischerelement 10 aufgrund des eingesparten Materials im Vergleich zu einem imstrukturierten Grundkörper kostengünstig hergestellt werden und ist leichter in seiner Handhabung. Um Temper aturspanmmgen im Grundkörper während des Einsatzes in einer Brennkammer eines Industrieheizkessels möglichst unbeschadet auszuhalten, weist das hier gezeigte Statikmischerelement 10 eine Dehnungsfuge 45 mit einer Fugenbreite 46 auf, die sich an der Oberseite des Statikmischerelements 10 entlang seiner gesamten Materialstärke 18 vom Durchgangskanal 20 bis zum Rand 13 erstreckt.

Zum einfacheren Verständnis der Funktionsweise dieses Statikmischerelements 10 im Betrieb innerhalb einer Brennkammer eines Industrieheizkessels, wie dies beispielsweise in Fig. 18 schematisch dargestellt ist, ist in Fig. 1 und teilweise auch in den folgenden Abbildungen zusätzlich auch eine Anströmrichtung 1, symbolisiert als Pfeil 1, skizziert, der die Anströmrichtung eines gasförmigen Mediums, des Rauchgases, innerhalb der hier nicht dargestellten Brennkammer eines Industrieheizkessels, veranschaulichen soll. Die Anströmrichtung 1 entspricht im Wesentlichen der X- Achsenrichtung bzw. der Fängsachsenrichtung 26 des Durchgangskanals 20. Oder anders ausgedrückt wird ein solches erfindungsgemäßes Statikmischerelement 10 im Betrieb innerhalb einer Brennkammer eines Industrieheizkessels derart angeordnet, dass die Fängsachsenrichtung 26 des Durchgangskanals 20 im Wesentlichen in Anströmrichtung 1 des Rauchgases orientiert ist. Die Anströmseite 11 des Grundkörpers steht somit im Wesentlichen quer zur Anströmrichtung 1 des Rauchgases.

Ein erster Strömungspfad 2 des gasförmigen Mediums, durch eine strichpunktierte Finie 2 sowie durch Pfeile 2 symbolisiert, führt dabei in Fängsachsenrichtung 26 durch den Durchgangskanal 20 des Statikmischerelements 10 hindurch. Ein weiterer zweiter Strömungspfad 3 des gasförmigen Mediums, durch eine strichlierte Finie 3 sowie durch Pfeile 3 symbolisiert, zeigt schematisch den Strömungsverlauf des Rauchgases bei seiner außenseiügen Umströmung des Statikmischerelements 10 entlang der Strömungsleitelemente 30. Der Strömungspfad 3 wird beim Auftreffen des gasförmigen Mediums auf die schaufelförmigen Strömungsleitelemente 30 in eine Drallbewegung versetzt und beim Auftreffen an der Drallfläche 28 in seitlicher bzw. axialer Richtung vom Statikmischerelement 10 in Richtung einer hier nicht gezeigten Innenwand der Brennkammer abgelenkt.

In Fig. 1 sowie teilweise auch in den folgenden Abbildungen ist weiters noch eine Anströmebene e mit einer strichpunktierten Konturlinie angedeutet. Die Anströmebene e bildet gedanklich eine Frontalebene an der strukturierten Anströmseite 11, in der diejenigen Konturabschnitte liegen, die in Anströmrichtung 1 des strömenden Mediums in X- Achsenrichtung gesehen zuerst angeströmt werden. Oder anders gesagt umfasst die Anströmebene e jene Konturabschnitte an der Anströmseite 11, die am weitesten als Erhebungen entgegen der Anströmrichtung 1 gesehen von der Anströmseite 11 abstehen. Es sind dies hier die gekrümmten Vorderflächen der Feitschaufeln 31 jeweils mit einer Leitschaufelbreite 32 sowie einer Leitschaufellänge 33, sowie der umlaufende Randabschnitt 24 bzw. Randsteg, der an der Anströmseite 11 die Eintrittsöffnung 21 des Durchkanals 20 umrandet. In den nachfolgenden Abbildungen Fig. 31 und Fig. 32 sind jeweils die Geschwindigkeitsprofile in Vektor dar Stellung an der Anströmebene e bzw. Frontalebene der strukturierten Anströmseite 11 von erfindungsgemäßen Statikmischerelementen 10 dargestellt. Die Drallflächen 28 zwischen den Leitschaufeln 31 liegen in Anströmrichtung 1 bzw. in X- Achsenrichtung gesehen der Anströmebene e bzw. der Frontalebene etwas nachgelagert, weshalb diese auch in den Abbildungen Fig. 31 und Fig. 32 nicht dargestellt sind.

Die weiteren Abbildungen Fig. 5A bis 5C betreffen jeweils unterschiedliche Varianten von Einstellringen 60 zur Befestigung an einem Statikmischerelement 10. Jeder Einstellring 60 ist im Wesentlichen Zylinderförmig gestaltet und weist einen Außendurchmesser d _A , einen Innendurchmesser di sowie eine Wandstärke des Zylindermantels auf, die sich jeweils aus der Differenz von Außendurchmesser d _A zu Innendurchmesser di ergibt. Jeder Einstellring 60 weist an einem der Ränder des Zylindermantels einen Rand 61 auf, der einen im Vergleich zum Außendurchmesser d _A vergrößerten Randdurchmesser hat und der nach außen den Zylindermantel des Einstellrings 60 überragt. Mit einer strichpunktierten Linie 62 ist jeweils eine Längsachsenrichtung 62 des Einstellrings 60 symbolisiert. Eine Länge 63 bzw. Tiefe des Einstellrings 60 wird außenseitig vom Rand 61 weg gemessen und gibt die Länge bzw. Höhe des Zylindermantels des Einstellrings 60 an.

Fig. 5A zeigt dazu einen ersten Einstellring 60.1 mit einem Außendurchmesser d _A sowie mit einem ersten Innendurchmesser di.l.

Fig. 5B zeigt dazu einen zweiten Einstellring 60.2 mit einem Außendurchmesser d _A , der gleich groß wie der Außendurchmesser d _A des ersten Einstellrings 60.1 ist, sowie mit einem zweiten Innendurchmesser di.2, der kleiner ist als der erste Innendurchmesser di.l. Folglich weist der zweite Einstellring 60.2 eine im Vergleich zum ersten Einstellring 60.1 verringerte freie Querschnittsfläche auf. Die Wandstärke des Zylindermantels ist beim zweiten Einstellring 60.2 größer als beim ersten Einstellring 60.1.

Fig. 5C zeigt einen dritten Einstellring 60.2 mit einem Außendurchmesser d _A , der gleich groß wie der Außendurchmesser d _A des ersten sowie des zweiten Einstellrings 60.1, 60.2 ist, sowie mit einem dritten Innendurchmesser di.3, der kleiner als der erste Innendurchmesser di.l sowie kleiner als der zweite Innendurchmesser di.2 ist. Folglich weist der dritte Einstellring 60.3 eine im Vergleich zum zweiten Einstellring 60.2 weiter verringerte freie Querschnittsfläche auf. Die Wandstärke des Zylindermantels ist beim dritten Einstellring 60.3 noch größer als beim zweiten Einstellring 60.3.

Mit den in den Abbildungen Fig. 5A bis 5C veranschaulichten Einstellringen 60.1, 60.2, 60.3 mit jeweils unterschiedlichem Innendurchmesser di.l, di.2, di.3 bei sonst gleichen Abmessungen wird ein Set an Einstellringen 60 bereitgestellt, die bei Bedarf in der Eintrittsöffnung 21 des Durchgangskanals 20 eingesteckt und befestigt werden können. Mit Hilfe der einsteckbaren Einstellringe 60.1, 60.2, 60.3 lässt sich somit sehr einfach die freie Querschnittsfläche 23 des Durchgangskanals 20 weiter verringern.

Innerhalb des Durchgangskanals 20 sind anströmseitig, also von der Eintrittsöffnung 21 ausgehend eine oder mehrere Verbindungseinrichtungen 50 vorgesehen, die vorzugsweise zwei Längsschlitze 51 umfassen, die an einander gegenüberliegenden Wandabschnitten sowie in Längsachsenrichtung 26 des Durchgangskanals 20 angeordnet sind und die als Führungen einer Steckverbindung dienen. Die Abbildungen Fig. 1 bis Fig. 4 zeigen eine besonders bevorzugte Variante in Form von Führungen einer verriegelbaren Steckverbindung bzw. eines Bajonettverschlusses mit zwei in Längsachsenrichtung 26 verlaufenden sowie an einander gegenüberliegenden Wandabschnitten des Durchgangskanals 20 angeordneten Längsschlitzen 51 samt Querschlitzen 52, die den Längsschlitzen 51 jeweils nachgeordnet sind. Die Querschlitze 52 sind jeweils am Ende der Längsschlitze 51 quer dazu positioniert.

Zur verliersicheren Befestigung eines Einstellrings 60 innerhalb des Durchgangskanals 20 weist jeder Einstellring 60 außenseitige Kupplungselemente 53 auf, die über die äußere Zylindermantelfläche des Einstellrings 60 seitlich überstehen. Die Kupplungselemente 53 sind in Form von überstehenden Zapfen oder Knöpfen gestaltet und korrespondieren mit den Längsschlitzen 51 bzw. den Querschlitzen 52. Jeder Einstellring 60 ist dazu so beschaffen, dass dieser in die Eintrittsöffnung 21 eines Durchgangskanals 20 eingesteckt werden kann, wobei die Kupplungselemente 53 am Einstellring 60 in die korrespondierenden Längsschlitze 51 an den Wandungen des Durchgangskanals 20 eingreifen. Der Einstellring 60 wird dazu koaxial mit seiner Längsachsenrichtung 62 in Richtung der Längsachse 26 des Durchgangskanals 20 in X- Achsenrichtung eingesteckt, bis der umlaufende Rand 61 des Einstellrings 60 am Randabschnitt 24 des Durchgangskanals 20 ansteht. Im Falle der Ausführung der Verbindungseinrichtung 50 als verriegelbare Steckverbindung kann der eingesteckte Einstellring 60 durch Verdrehen um seine Längsachsenrichtung 62 verliersicher gesichert werden. Die Kupplungselemente 53 greifen dabei in die Querschlitze 52 dieses Bajonettverschlusses ein. Der Einstellring 60 kann erforderlichenfalls durch Verdrehen in entgegengesetzter Drehrichtung sowie durch Herausziehen in Längsachsenrichtung 26 des Durchgangskanals 20 wieder vom Statikmischerelement 10 getrennt werden.

Fig. 6 zeigt eine Sockelplatte 70 als Teil einer staüschen Strömungsmischeinrichtung gemäß der Erfindung. Die Sockelplatte 70 ist hier im Wesentlichen quaderförmig gestaltet und weist auf ihrer Unterseite zwei Sockelfüße 71, die sich in Form von Leisten in Längsrichtung der Sockelplatte 70 erstrecken. Die Sockelfüße 71 bieten den Vorteil, Unebenheiten des Untergrunds am Aufstellungsort einer statischen Strömungsmischeinrichtung insbesondere im Inneren einer Brennkammer eines Industrieheizkessels ausgleichen zu können. An der Oberseite der Sockelplatte 70 sind jeweils in Längsrichtung laterale Führungsprofile 72 angeordnet, die zur Führung weiterer Bauteile dienen können.

Fig. 7 zeigt eine Standplatte 80 als Teil einer statischen Strömungsmischeinrichtung gemäß der Erfindung. Die hier gezeigte Standplatte 80 weist an ihrer Oberseite zwei Ausnehmungen 81 auf, in die jeweils ein Sockelabschnitt 14 eines Statikmischerelements 10 formschlüssig eingesteckt werden kann. Die beiden Ausnehmungen 81 haben hier jeweils schräg gestellte Auflageflächen, die mit den schräg gestellten Auflageflächen 16 des Sockelabschnitts 14 eines Statikmischerelements 10 korrespondieren.

Laterale Führungsnuten 82 an der Unterseite der Standplatte 80 dienen zur Aufnahme der Führungsprofile 72 der Sockelplatte 70, wie diese in Fig. 6 dargestellt ist.

Fig. 8 veranschaulicht eine erste Ausführung einer statischen Strömungsmischeinrichtung 100 gemäß der Erfindung mit zwei Statikmischerelementen 10 gemäß Fig. 1, mit einer Sockelplatte 70 gemäß Fig. 6 sowie mit einer Standplatte 80 gemäß Fig. 7. Zur Jusüerung der Gesamthöhe der statischen Strömungsmischeinrichtung 100 sind hier zusätzlich zwischen der Sockelplatte 70 und der Standplatte 80 noch mehrere Unterlageplatten 75 zwischengelegt.

Fig. 9 zeigt in einer Explosionsdarstellung die Einzelteile des in Fig. 8 gezeigten Aufbaus. Hier sind die drei eingefügten Unterlagenplatten 75.1, 75.2, 75.3 deutlich zu sehen.

Die beiden Statikmischerelemente 10 sind hier in X- Achsenrichtung bzw. in Anströmrichtung 1 des anströmenden Mediums bzw. Rauchgases gesehen hintereinander angeordnet, und zwar so, dass die Längsachsenrichtungen 26 der Durchgangskanäle 20 koaxial positioniert sind. Im vorderen Statikmischerelement 10, das in Fig. 8 im Bildvordergrund gezeigt ist, befindet sich im Durchgangskanal 20 ein erster Einstellring 60.1 mit einem ersten Innendurchmesser di.l. Im zweiten, hinteren Statikmischerelement 10 befindet sich im Durchgangskanal 20 ein zweiter Einstellring 60.2 mit einem zweiten Innendurchmesser di.2, der kleiner ist als der erste Innendurchmesser di.l. Bei der Umströmung der staüschen Strömungsmischeinrichtung 100 verringert sich auf dem Strömungspfad 2 des anströmenden Mediums bzw. Rauchgases durch die Durchgangskanäle 20 hindurch die freie Querschnittsfläche innerhalb der beiden nacheinander angeordneten Einstellringe 60.1 und 60.2.

Die zentrale Öffnung eines Statikmischerelements verhindert einen zu großen Staudruck und zu hohen Druckverlust in der Brennkammer. Durch die sich verjüngenden Innendurchmesser wird erreicht, dass das zentral angeordnete Brenngas des Brennstrahls auf mehrere Statikmischerelemente aufgeteilt und dann umgelenkt werden kann. Es werden somit die Durchströmung des ersten Statikmischerelements 10 und damit einhergehend die Anströmung des zweiten Strömungselements 10, das sich im Windschatten des ersten Statikmischerelements 10 befindet, verbessert.

Fig. 10 zeigt eine zweite Ausführung einer statischen Strömungsmischeinrichtung 100 gemäß der Erfindung mit sechs hintereinander posihonierten Statikmischerelementen 10 gemäß der Ausführung von Fig. 1.

Die sechs Statikmischerelemente 10 sind hier in X- Achsenrichtung bzw. in Anströmrichtung 1 gesehen jeweils paarweise auf drei hintereinander angeordneten Standplatten 80 befestigt, wobei die Durchgangskanäle 20 der sechs Statikmischerelemente 10 jeweils koaxial 26 hintereinander angeordnet sind. Entsprechende Sockelplatten 70 und Unterlageplatten 75.1 bis 75.3 dienen als Stativ für die Statikmischerelemente 10. Das anströmseitig erste bzw. vorderste Statikmischerelement 10 hat einen Durchgangskanal 20 ohne Einstellring. Die abströmseitig in X- Achsenrichtung nachgeordneten weiteren Statikmischerelemente 10, also das zweite bis sechste Statikmischerelement 10, sind jeweils mit einem in ihrem jeweiligen Durchgangskanal 20 befestigten Einstellring 60.1, 60.2, 60.3, 60.4, 60.5 ausgerüstet.

Die mehreren Einstellringe 60.1, 60.2, 60.3, 60.4, 60.5 sind dabei so angeordnet, dass die Innendurchmesser di.l, di.2, di.3, di.4, di.5 der Einstellringe 60.1, 60.2, 60.3, 60.4, 60.5 in X- Achsenrichtung der abströmseitig nachgeordneten Statikmischerelemente 10 abnehmen bzw. kleiner werden. Je nach Brennkammerform können auch mehrere Statikmischerelemente 10 angeordnet werden.

Fig. 11 zeigt eine zweite Ausführungsvariante eines Statikmischerelements 10 gemäß der Erfindung, wobei Fig. 12 in einer Explosionsdarstellung die Einzelteile des in Fig. 11 gezeigten Aufbaus veranschaulicht. Abweichend zu der zuvor beschriebenen einteiligen bzw. einstückigen Ausführung eines Statikmischerelements ist das hier gezeigte Statikmischerelement 10 zweiteilig aufgebaut und umfasst einen unteren ersten Teil 10.1 und einen oberen zweiten Teil 10.2, die mittels einer Steckverbindung 55 formschlüssig verbindbar sind. Dazu sind hier am unteren ersten Teil 10.1 jeweils zwei Verbindungselemente 56 in Form von Verbindungszapfen angeordnet, die mit korrespondierenden Ausnehmungen 57 am oberen zweiten Teil 10.2 des geteilten Statikmischerelements 10 in Eingriff gebracht werden können. Ein Einstellring 60, der wiederum auch bei dieser Ausführungsvariante eines geteilten Statikmischerelements 10 in den Durchgangskanal 20 eingesteckt werden kann, dient vorteilhaft auch als Stütze für die beiden Teile 10.1 und 10.2 und stabilisiert dieser in ihrer Verbindungslage. Zusätzliche Dehnungsfugen sind in dieser Ausführung mit einem geteilten Grundkörper nicht erforderlich. Fig. 13 zeigt in einer Explosionsdarstellung die Einzelteile einer dritten Ausführung einer statischen Strömungsmischeinrichtung 100 gemäß der Erfindung mit zwei Statikmischerelementen 10 gemäß Fig. 11.

Die Abbildungen Fig. 14 und Fig. 15 betreffen eine dritte Ausführungsvariante eines Statikmischerelements 10 gemäß der Erfindung, das aus drei Einzelteilen 10.1, 10.2 und 10.3 zusammengebaut ist. Die Einzelteile 10.1 bis 10.3 sind wiederum mittels Steckverbindungen 55 formschlüssig miteinander verbindbar. Auch in dieser Ausführung sind zusätzliche Dehnungsfugen am Grundkörper nicht erforderlich.

Die Abbildungen Fig. 16 und Fig. 17 zeigen eine vierte Ausführung einer statischen Strömungsmischeinrichtung 100 gemäß der Erfindung mit zwei Statikmischerelementen 10 gemäß Fig. 15.

Fig. 18 zeigt den Blick in eine Brennkammer 200 eines Industrieheizkessels. Die Brennkammer 200 ist im Wesentlichen zylindrisch gestaltet mit einer Längsachsenrichtung 201 sowie mit einem inneren Durchmesser 202. An ihrer ersten Stirnseite, welche in Fig. 18 im Bild links zu sehen ist, ragt eine Brennervorrichtung 210 mit einer Brennerflamme 211 in die Brennkammer 200. Die Brennerflamme 211 ist dazu im Wesentlichen koaxial mit der Längsachse 201 der Brennkammer 200 ausgerichtet. An der der Brennervorrichtung 210 gegenüberliegenden Stirnseite der Brennkammer 200 befindet sich die sogenannte Wendekammer, in der das Rauchgas um etwa 180° umgelenkt wird und in einem zweiten Rauchgaszug, der in Fig. 18 im Bildhintergrund nur schematisch als Bündel von freigeschnittenen Rohren eines Rohrbündelwärmetauschers angedeutet ist, in entgegengesetzter Richtung zur Anströmrichtung 1 weiter zu einem Rauchgaskamin geführt wird. Innerhalb der Brennkammer 200 befindet sich hier eine statische Strömungsmischeinrichtung 100 mit sechs hintereinander angeordneten Statikmischerelementen 10 gemäß der Erfindung. Die Statikmischerelemente 10 sind dabei so positioniert, dass die Längsachsen 26 von deren Durchgangskanälen 20 jeweils koaxial mit der Längsachse 201 der Brennkammer 200 und somit auch im Wesentlichen koaxial mit der Brennerflamme 211 angeordnet sind.

Hinsichtlich zu den Vorteilen und Effekten, die in den Abbildungen Fig. 19 bis Fig. 32 veranschaulicht sind, wird wie folgt festgehalten:

Generell sind die für den Wärmetransport in einer Brennkammer eines gattungs gemäßen Industrieheizkessels relevanten Mechanismen einerseits der konvektive bzw. turbulente Wärmetransport, sowie andererseits die Wärmestrahlung aufgrund der hohen Flammtemperatur des Brenngases bei ca. 1800°C. In leeren Brennkammern ohne Einbauten in Form von Statikmischerelementen ist die Verwirbelung bzw. die turbulente Strömung durch die koaxial verlaufende Brennerflamme relativ gering, wie dies beispielsweise in Fig. 19 bzw. in Fig. 25 zu sehen ist. In einer leeren Brennkammer ohne darin positionierte Statikmischerelemente verringert sich vor allem nahe an der Brennkammerwand die Strömungsgeschwindigkeit des Brenngases, wodurch nachteilig die Wärmeübergangszahl an der Brennkammerwand verringert wird. Dies ist beispielsweise in den Abbildungen Fig. 20. bzw. Fig. 26 veranschaulicht. Es bildet sich daher im Betrieb in einer Brennkammer ohne Einbauten an der Brennkammerwand eine relativ dicke laminare Grenzschicht der Brenngasströmung aus, die für den Wärmetransport zur Brennkammerwand hin hinderlich ist. Zugleich hat hier auch der Wärmestrahlungstransport von der Brennerflamme zur Brennerkammerwand hin die vergleichsweise längste Wegstrecke bzw. Distanz zu überwinden.

Da die Wärme aus dem Brenngas in der leeren Brennkammer nicht effizient abgegeben werden kann, wird das Brenngas in einer Brennkammer ohne Einbauten mit hoher Turbulenz und bei relativ hoher Temperatur durch die Wendekammer hindurch in den der Brennkammer nachfolgenden, zweiten Rauchgaszug umgelenkt. Das führt in der Praxis vor allem bei hoher Kessellast zu einer erhöhten thermischen Exposition, die zu Materialschäden an der Wendekammerrückwand bzw. dem Eintritt zum zweiten Rauchgaszug führen kann. Außerdem geht damit oftmals auch ein erhöhter Brennstoffverbrauch aufgrund diverser Wärmeverluste einher. Aufgrund der hohen Turbulenz der Brenngasströmung können weiters auch schädliche Kesselvibrationen auftreten, die ebenfalls nachteilig im Betrieb eines solchen Industrieheizkessels mit einer Brennkammer ohne erfindungsgemäße Einbauten sein können.

Durch Einbau von erfindungsgemäßen Statikmischerelementen bzw. einer statischen Strömungsmischeinrichtung gemäß der Erfindung wird vorteilhaft die Verwirbelung des Brenngases bereits in der Brennkammer intensiviert, wie dies in den Abbildungen Fig. 22 - im Vergleich zur entsprechenden Fig. 19 ohne Einbauten - bzw. in Fig. 28 - im Vergleich zur entsprechenden Fig. 25 ohne Einbauten - veranschaulicht ist. Durch die erfindungsgemäßen Einbauten wird der konvektive Wärmetransport an der Brennkammerwand signifikant erhöht (siehe die Abbildungen Fig. 23 bzw. Fig. 29). Dabei wird hier durch die erfindungsgemäße Ausführung jeweils einer statischen Strömungsmischeinrichtung mit jeweils sechs hintereinander angeordneten Statikmischerelementen, die jeweils mit Drallflächen und mit Strömungsleitelementen strukturiert sind, sowie durch geeigneten Einsatz von Einstellringen die Wechselwirkung bzw. Umlenkung des anströmenden Brenngases auf mehrere Statikmischerelemente verteilt, wie dies den Abbildungen Fig. 31 bzw. Fig. 32 entnommen werden kann. Dadurch können lokal hohe Wärmestromdichten, wie diese nachteilig im Betrieb in einer Brennkammer ohne Einbauten auftreten können, minimiert werden. Zugleich wird durch die Wechselwirkung des Brenngases mit der spezifisch hohen Oberfläche der erfindungsgemäßen Statikmischerelemente deren Oberflächen-Temperatur erhöht, wodurch durch den Einsatz von erfindungsgemäßen Statikmischerelementen bzw. einer erfindungsgemäßen statischen Strömungsmischeinrichtung auch der Wärmestrahlungstransport an die Brennkammer wand ebenfalls ansteigt. Vorteilhaft wird durch den Einsatz von erfindungsgemäßen Statikmischerelementen bzw. einer erfindungsgemäßen statischen Strömimgsmischeinrichtimg innerhalb einer Brennkammer eines Industrieheizkessels bereits in der Brennkammer die Temperatur und Geschwindigkeit des Brenngases gesenkt, wodurch auch der nachfolgende Rauchgasweg im Bereich der Wendekammer und beim Eintritt in den abströmseitig nachgeordneten, zweiten Rauchgaszug thermisch geringer exponiert wird.

Der Wärmetransport durch Konvektion und Strahlung in der Brennkammer lässt sich in Industrieheizkesseln aufgrund diverser Einschränkungen wie der sehr hohen Brennkammertemperatur meist nicht so differenziert und repräsentativ messtechnisch untersuchen. Es können aber durch integrale Messungen die positiven Auswirkungen des Einsatzes von erfindungsgemäßen Statikmischerelementen bzw. einer erfindungsgemäßen statischen Strömungsmischeinrichtung indirekt festgestellt werden, beispielsweise durch eine Brennstoffeinsparung, eine geringere Temper aturverteilung an der Wendekammer- Rückwand sowie durch verringerte Materialschäden des Schamott-Materials zur Brennkammerauskleidung.

In einer weitgehend quantitaüven Verbrennungsmodellierung und Strömungssimulation der Brennkammer lässt sich jedoch der Wärmetransport in der Brennkammer differenziert analysieren. So steigt durch den Einbau von erfindungsgemäßen Statikmischerelementen bzw. einer erfindungsgemäßen statischen Strömungsmischeinrichtung in einer Brennkammer der Wärmestrom an der Brennkammerwand signifikant an.

Im beispielhaften Ausführungsfall einer Brennkammer eines 2 MW (Megawatt)- Industrieheizkessels, in der eine erfindungsgemäße statische Strömimgsmischeinrichtimg mit sechs Statikmischerelementen jeweils von 300mm Durchmesser posiüoniert ist (siehe die zugehörigen Abbildungen Fig. 22, Fig. 23, Fig. 24 sowie Fig. 31) konnte eine Erhöhung des Wärmestroms in der Brennkammer um 45% im Vergleich zur entsprechenden Brennkammer ohne Einbauten (siehe Fig. 19 bis Fig. 21) ermittelt werden. Während der Wärmetransportanteil durch Wärmestrahlung in der leeren Brennkammer (siehe Fig. 20) nur ca. 10% beträgt, wird durch Einbau von erfindungs gemäßen Statikmischerelementen in derselben Brennkammer der Strahlungsanteil durch Wärmestrahlung auf 36% erhöht (siehe Fig. 23).

Wesentlich ist es, je nach Baugröße bzw. Leistung eines Industrieheizkessels bei größeren Brennkammern mit größerem Brennkammer-Durchmesser auch ein entsprechendes Scale-Up der erfindungsgemäßen Statikmischerelemente bzw. einer erfindungsgemäßen statischen Strömungsmischeinrichtung durchzuführen.

So kann im beispielhaften Fall einer Brennkammer eines 10 MW (Megawatt)- Industrieheizkessels durch eine geeignete Anpassung und Vergrößerung der Statikmischerelemente auf einen Durchmesser von 600 mm (siehe die zugehörigen Abbildungen Fig. 28, Fig. 29, Fig. 30 sowie Fig. 32) sogar eine Erhöhung des Wärmestroms um 58% im Vergleich zur entsprechenden Brennkammer ohne Einbauten (siehe Fig. 25 bis Fig. 27) ermittelt werden. Während der Wärmetransportanteil durch Wärmestrahlung in der leeren Brennkammer (siehe Fig. 26) nur bei ca. 7% beträgt, wird durch Einbau von erfindungsgemäßen Statikmischerelementen in derselben Brennkammer der Strahlungsanteil durch Wärmestrahlung auf 33% erhöht (siehe Fig. 29). Dieser vorteilhafte Effekt lässt sich gut durch die erhöhte Wärmeabstrahlung der erfindungs gemäßen Statikmischerelemente erklären.

Weiters ist in der Strömungssimulation eine verringerte thermische Exposition des der Brennkammer nachfolgenden Rauchgasweges insbesondere im Abschnitt der Wendekammer feststellbar. Die Vorteile des Einsatzes von erfindungsgemäßen Statikmischerelementen bzw. einer erfindungsgemäßen statischen Strömungsmischeinrichtung innerhalb einer Brennkammer eines gattungsgemäßen Industrieheizkessels liegen somit klar auf der Hand.

LISTE DER BEZUGSZEICHEN

Anströmrichtung, Strömungsrichtung des Mediums (Pfeil)

Strömungspfad des Mediums durch den Durchgangskanal (Pfeil)

Strömungspfad des Mediums entlang eines Strömungsleitelements (Pfeil) Statikmischerelement erster (zweiter, dritter) Teil des Statikmischerelements (bzw. 10.2, 10.3)

Vorderseite bzw. Anströmseite des Statikmischerelements

Rückseite bzw. Abströmseite des Statikmischerelements

Rand(abschnitt) der Anströmseite des Statikmischerelements

Sockelabschnitt

Breite des Sockelabschnitts

Auflagefläche des Sockelabschnitts

Breite des Statikmischerelements

Materialstärke bzw. Ausgangstiefe des Statikmischerelements reduzierte Materialstärke im Bereich der Drallfläche (bzw. 18.2)

Höhe des Statikmischerelements Durchgangskanal des Statikmischerelements Eintrittsöffnung des Durchgangskanals Austrittsöffnung des Durchgangskanals Freie Querschnittsfläche des Durchgangskanals Randabschnitt (Randsteg) des Durchgangskanals Diffusorabschnitt

Längsachsenrichtung des Durchgangskanals Länge des Durchgangskanals

Drallfläche (von innen nach außen schräg abfallend)

Strömungsleitelement

Leitschaufel

Leitschaufelbreite, Breite des Strömungsleitelements Leitschaufellänge, Länge des Strömungsleitelements

Krümmungsradius der Leitschaufel (des Strömungsleitelements) (bzw. Radien R, r) erste Flanke der Leitschaufel (des Strömungsleitelements) (konkav gekrümmt) innere Leitschaufelhöhe (Leitelementhöhe) an der ersten Flanke äußere Leitschaufelhöhe (Leitelementhöhe) an der ersten Flanke zweite Flanke der Leitschaufel (des Strömungsleitelements) (konvex gekrümmt) innere Leitschaufelhöhe (Leitelementhöhe) an der zweiten Flanke äußere Leitschaufelhöhe (Leitelementhöhe) an der zweiten Flanke Dehnungsfuge ./. 46 Fugenbreite

50 Verbindungseinrichtung (verriegelbare Steckverbindung)

51 Längsschlitz

52 Querschlitz

53 Kupplungselement (Knopf)

55 Steckverbindung

56 Verbindungselement

57 Ausnehmung

60 Einstellring

60.1 erster (zweiter, dritter) Einstellring (bzw. 60.2, 60.3)

61 Rand des Einstellrings

62 Längsachsenrichtung des Einstellrings

63 Länge bzw. Tiefe des Einstellrings

70 Sockelplatte

71 Sockelfuß

72 (laterales) Führungsprofil

75 Unterlageplatte (bzw. 75.1, 75.2, 75.3)

80 Standplatte

81 Ausnehmung für Sockelabschnitt eines Statikmischerelements

82 Führungsnut zur Aufnahme des Führungsprofils

100 Statische Strömungsmischeinrichtung

200 Brennkammer eines Industrieheizkessels; Flammrohr

201 Längsachsenrichtung der Brennkammer

202 Durchmesser der Brennkammer

210 Brennervorrichtung

211 Brennerflamme d _A Außendurchmesser des Einstellrings di Innendurchmesser des Einstellrings di.l Innendurchmesser des ersten (zweiten, dritten) Einstellrings (bzw. di.2, di.3) DE Innendurchmesser des Durchgangskanal an der Eintrittsseite

DR Außendurchmesser des Randstegs an der Eintrittsseite

DA Innendurchmesser des Diffusorabschnitts an der Austrittsseite

X X- Achsenrichtung; in Längsachsenrichtung des Durchgangskanals

Y Y- Achsenrichtung; seitliche Breitenrichtung des Statikmischerelements

Z Z-Achsenrichtung; Höhenrichtung des Statikmischerelements a Neigungswinkel der Drallfläche ß Diffusorwinkel e Anströmebene, Frontalebene an der Anströmseite bzw. Vorderseite