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Vorrichtung zum Erzeugen eines umlaufenden Heissgasstromes
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines umlaufenden Heissgasstromes, der die
Abgase eines Brenners enthält.
Vorrichtungen mit umlaufendem Heissgasstrom sind an sich bekannt, doch brauchte man bei ihnen bisher einen erhöhten Brennstoffdruck (vgl. die deutsche Auslegeschrift 1004326). Die Hauptaufgabe der Erfindung besteht demgemäss darin, die erwähnte Vorrichtung derart auszubilden, dass sie ohne zusltzli- che Fördermittel das Heissgas durch die Ringleitung treibt. Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung, die Einrichtung zur Erzeugung des Heissgases derart mit der Ringleitung zu kuppeln, dass sie nach Bedarf von dieser gelöst und mit einer andern Ringleitung verbunden werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die dem Heissgas innewohnende kinetische Energie dazu zu benutzen, innerhalb der Ringleitung einen Unterdruck zu erzeugen, wodurch das Austreten von heissen Gasen aus der Ringleitung verhindert wird.
Auch ist es im Bedarfsfall wünschenswert, dem Heissgas feinverteilte, z. B. gasförmige, dampfförmige, tropfenförmige oder pulverförmige Stoffe beizumischen.
Gemäss der Erfindung dient als Brenner ein an sich bekannter Schwingbrenner (vgl. die österr. Patentschrift 170522), der von einem Mantelraum umschlossen ist, welcher einen Teil einer mit einem Abgasauslass versehenen, in sich geschlossenen Leitung bildet, und die Strömungsenergie und die Schwingungenergie der aus dem Schwingrohr in den Mantelraum austretendenSchwingbrennerabgase halten die in der Leitung enthaltenen Abgase unmittelbar in Bewegung. Durch diese Kombination erhält man ein vielseitig verwendbares, wirtschaftliches und einfach gebautes Heizgerät mit besonders hohem Wirkungsgrad.
Vorzugsweise ist das Schwingrohr des Schwingbrenners gleichachsig zum umschliessenden Mantelraum. An die an sich geschlossene Leitung kann eine Einrichtung zum Beimischen feinverteilter Stoffe angeschlossen sein.
Zweckmässig ist der Schwingbrenner aus der in sich geschlossenen Leitung herausnehmbar. Zu diesem Zweck kann man den den Schwingbrenner umschliessenden Mantel mit der in sich geschlossenen Leitung lösbar kuppeln.
Die Austrittsöffnung des Schwingrohres steht der Eintrittsöffnung einer Abgasleitung vorteilhaft gleichachsig gegenüber. Man kann den Schwingbrenner auch mit einem Hilfsauspuffrohr versehen und die Austrittsöffnung dieses Hilfsauspuffrohres der Eintrittsöffnung einer Abgasleitung gleichachsig gegenüberstellen.
Die Strömung- bzw. Schwingungsenergie kann durchDiffusoren oderRückströmdrosseln zur Sicherung eines Unterdrucks in der geschlossenen Leitung ausgenutzt werden.
In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel für den Gegenstand der Erfindung, teilweise geschnitten, Fig. 2 ein anderes Ausführungsbeispiel für den Gegenstand der Erfindung, teilweise geschnitten, Fig. 3 einen Schnitt durch den Gegenstand der Fig. 2 nach Linie III-III, Fig. 4 eine teilweise geschnittene Teilansicht eines dritten Ausführungsbeispieles der Erfindung, Fig. 5 die Ansicht eines Teiles des Gegenstandes der Fig. 4, Fig. 6 einen axialen Schnitt durch einen Teil eines weiteren Ausführungs- beispieles, und Fig. 7 einen radialen Schnitt durch den Gegenstand der Fig. 6 nach Linie VII-VH.
Bei allen Ausführungsbeispielen wird zur Erzeugung des Heissgasstromes und zur Förderung des Heissgases durch die Ringleitung ein sogenanntes Schwingrohr oder Resonanzrohr benutzt. Dieses besteht aus einer Brennkalnmer und einem Auspuffrohr, die zusammen nach Art eines Helmholtz'schen Resonators arbeiten. In die Brennkammer wird ein Brenngemisch eingeführt, das nach der Zündung die im Auspuffrohr enthaltenen Gase heraustreibt. Die kinetische Energie der austreibenden Gase lässt diese Gase aber die Ruhelage hinaus schwingen, so dass in der Brennkammer ein Unterdruck entsteht, welcher eine neue
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Ladung ansaugt und ausserdem die Abgase zurückzieht.
Durch heisse Restgase oder heisse Teile der Kammerwand erfolgt dann eine neue Zündung, und das Spiel wiederholt sich mit der akustischen Eigenfrequenz des Gerätes. Die aus dem Auspuffrohr periodisch ausgestossenen Gase dienenbei dem Erfindungsge- gestand einerseits als Wärmeträger und anderseits als Treibmittel. Man braucht also bei der erfindungsgemässen Verwendung eines Schwingbrenners keine zusätzlichen Mittel, um einen Umlauf des Wärmeträgers (Heissgas) in der Ringleitung zu erzwingen.
Im Sinne der Erfindung wird also der Abgasstrom eines Schwingbrenners in eine Ringleitung mit einem Winkel von weniger als 900 zur Rohrrichtung eingeführt und es wird wenigstens ein Teil des Abgases durch die Ringleitung wieder zur Einmündungsstelle zurückgeführt. Vorzugsweise mündet der Abgasstrom gleichachsig in die Ringleitung hinein. Es ist besonders zweckmässig, einen wesentlichen Teil des Schwingbrenners und vorzugsweise den ganzen Schwingbrenner derart in die Ringleitung einzubauen, dass der Schwingbrenner von einem Mantelraum umschlossen wird, durch welchen die Verbrennungsgase strömen. Auf diese Weise werden die Abgase nach ihrer Rückkehr zum Schwingbrenner erneut erhitzt und gleichzeitig wird der Schwingbrenner durch die Abgase im Wärmeaustausch gekühlt.
Gemäss Fig. 1 weist der Schwingbrenner eine zylindrische Brennkammer 1 und ein Auspuffrohr 2 auf, welches bei 3 offen ausmündet. An das dem Auspuffrohr 2 entgegengesetzte Ende der Brennkammer 1 ist tangential ein Mschrohr4 angeschlossen, welches ein Lufteinlassventil 5, eineBrennstoffzuführungslei- tung 6 und eine durch die beiden Stromanschlüsse 7 und 8 angedeutete Zündeinrichtung in Einstromrich- tung in der angegebenen Reihenfolge aufweist. Der Schwingbrenner 1, 2 ist in eine Ringleitung eingeschlossen, welche die Hauptabschnitte 9, 10, 11,12, 13,14 und 15 aufweist.
Der Abschnitt 9 der Ringleitung liegt gleichachsig zum Auspuffrohr 2, so dass die aus dem Auspuffrohr 2 periodisch mit hoher Geschwindigkeit austretenden Gase das in der Ringleitung enthaltene Heissgas in Bewegung setzen bzw. in Bewegung erhalten. Damit der Abschnitt 9 an der Mündung 3 des Auspuffrohres 2 nicht durch hohe Temperaturen oder Stösse beschädigt werden kann, sieht man vorteilhaft zwischen dem Auspuffrohr 2 und dem Abschnitt 9 ein gleichachsiges Schutzrohr 16 vor, welches gemäss der Zeichnung nach Art einer Lavaldüse gestaltet ist, wobei sich der engste Querschnitt in Strömungsrichtung kurz hinter der Mündung 3 des Auspuffrohres 2 befindet.
Der Abschnitt15 ist durch eine die Brennkammer 1 umschliessende Kappe 17 geschlossen, welche vorzugsweise denselben Durchmesser hat wie der Abschnitt 15 und einen Ring 18 trägt, welcher mittels eines gestrichelt angedeuteten Bajonettverschlusses 19 die Teile 17 und 15 miteinander verbindet. Wenn das Mischrohr 4 an den Teil 17 bei 20 angeschweisst ist, wird auf diese Weise gleichzeitig die Brennkammer in der richtigen Lage innerhalb des Systems 15, 17 gehalten, wogegen sich das Auspuffrohr 2 durch Ansätze 21 am Schutzrohr 16 abstützt. Der heisse Brennkammerbereich kann durch ein weiteres Rohr 23, das am Abschnitt 14 festgeschweisst ist und durch eine weitere Kappe 24, die ebenfalls am Mischhals 4 festgeschweisst ist, abgedeckt sein.
Da die Brennkammer dem Ringsystem dauernd neues Heissgas zuführt, muss eine Möglichkeit vorgesehen sein, das überschüssige Abgas abzuführen. Diesem Zweck kann eine Abgasleitung 25 dienen, die aus später zu erörternden Gründen bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einem schematisch angedeuteten Verschluss 26 versehen ist. Wenn die Abgasleitung, wie in Fig. 1 dargestellt, unmittelbar vor der Einmündung des Abschnittes 14 in den Abschnitt 15 angeordnet ist, entnimmt man das Abgas mit der geringsten Temperatur. Legt man die EntnahmesteUe, wie später noch erörtert wird, unmittelbar vor die Mündung 3 des Auspuffrohres 2, so tritt ein Teil der heissen Auspuffgase unmittelbar in das Abgasrohr ein, so dass die Abgase besonders heiss sind.
Eine solche Anordnung wird man bevorzugen, wenn innerhalb des
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gasleitung ein Wärmeverbraucher für Gase mit sehr hoher Temperatur angeschlossen ist.
Die aus der Mündung 3 des Auspuffrohres 2 austretenden Auspuffgase strömen im Abschnitt 9 zusammen mit den umlaufenden Abgasen nach links. Noch im Bereich des Abschnittes 9 ist ein mit Rippen 27 versehener Heizkörper 28 angedeutet, der in beliebiger Ausführung beispielsweise zum Beheizen von Wohnräumen, zum Beheizen eines Zeltes oder zum Beheizen eines Kraftwagens dienen kann. Der Abschnitt 10 führt die Abgase weiter in den Abschnitt 11, welcher das Gefäss 29 durchsetzt, in welchem sich eine Flüssigkeit befindet, die durch die Abgase aufgeheizt wird. Bei dieser Flüssigkeit kann es sich bei-
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eines Motors auf Arbeitstemperatur zu bringen oder ein Härtesalz zu schmelzen.
Der anschliessende Abschnitt 12 hat in der zeichnerischen Darstellung eine verringerte Höhe und dafür senkrecht zur Zeichenebene eine grössere Breite. Er trägt eine Platte 30, die z. B. als Kochplatte benutzt werden kann.
Aus verschiedenen Gründen kann es zweckmässig sein, die Ringleitung zu gabeln und Zweigleitungen
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vorzusehen. Bei konstanter Brennstoffzufuhr durch das Rohr 6 kann die bei 28 und 29 abgegebene Wärmemenge beispielsweise dadurch herabgesetzt werden, dass eine Zweigleitung geöffnet wird, welche die Abschnitte überbrückt, welche die Teile 28 und 29 beheizen. Im vorliegenden Fall steht der Mündung 3 mit einigem Abstand eine Öffnung 31 gegenüber, die zu einer Leitung 32 führt und besonders heisse Gase aus der Ringleitung entnimmt. Diese Leitung 32 kann durch ein bei 33 angeordnetes Ventil ganz oder teilweise geschlossen werden. In der Zeichnung sind z.
B. ein zylindrischer Heizkörper mit dem Aussenmantel 34 und dem Innenmantel 35 und eine Zweigleitung 36 vorgesehen, die als Raumheizschlange ausgebildet und für sich allein wiederum mit einer Abschliessvorrichtung 37 versehen ist.
Zusätzlich ist in Fig. 1 noch die Möglichkeit angedeutet, die Ringleitung zur Erzeugung von Heiz- flammen zu verwenden. Zu diesem Zweck sind in dem Abschnitt 13 Öffnungen 38 sowie ein Bunsenbren- ner 39 vorgesehen. Die Öffnungen 38 können durch einen um den Abschnitt 13 schwenkbaren Mantel 40, der mit einem Griff 41 versehen ist und zwischen Führungsstücken 42 geführt wird, nach Bedarf verschlossen werden, wogegen die Zuführung des Bunsenbrenners 39 mittels eines Schiebers 43 verschlossen werden kann. Wenn die Öffnungen 38 bzw. die Zuführung des Bunsenbrenners 39 geöffnet sind, kann der Verschluss 26 der Abgasleitung 25 geschlossen werden, da in diesem Fall die Abgase ganz oder teilweise an den genannten Stellen entweichen.
Der erforderliche Brennstoff für die bei 38 bzw. 39 angedeuteten Flammen kann beispielsweise dadurch dem Abgas beigegeben werden, dass durch die Leitung 6 der Brennkammer 1 mehr Brennstoff zugeführt wird als mit der durch das Ventil 5 einströmenden Luft verbrannt werden kann, d. h. man arbeitet mit überfettetem Gemisch. Zusätzlich oder an Stelle dieses Mittels kann man auch eine besondere Brennstoffzuführung 44 mit einem Ventil 45 vorsehen, wobei vorteilhaft die Mündung 46 dieser zusätzlichen Brennstoffzuführung 44 sich unmittelbar vor der Mündung 3 des Auspuffrohres 2 (z. B. wie dargestellt an der engsten Stelle der Lavaldüse) oder im letzten Abschnitt dieses Auspuffrohres befindet. Gase, Flüssigkeiten oder feinpulverige Stoffe werden dann in dem Abgasstrom fein verteilt und gelangen auf diese Weise zu den Brennstellen.
Die Feinverteilung beruht nicht nur auf derhohen Temperatur, sondern auch auf der schwingenden Bewegung des Abgases in der Einbringstelle des zusätzlichen Brennstoffes.
Das durch den Abschnitt 14 zurückkehrende Gemisch wird durch ein Strömungsblech 47 gegen den geschlossenen Boden der Kammer 17 geleitet, so dass die Brennkammer 1 in ihrer ganzen Erstreckung vom Abgas umspült wird. Die Brennkammer wird dadurch gekühlt, wogegen das Abgas aufgeheizt wird. Da man den Schwingbrenner l, 2 beim Schnellverschluss 19 von der Ringleitung 9,10, 11,12, 13,14, 15 lösen kann, besteht die Möglichkeit, ihn auch zum Beheizen anderer Ringleitungen mit andern Wärmeaustauschern usw. zu verwenden. Man braucht also nur einen Schwingbrenner für mehrere nacheinander zu beheizende, mit Schnellverschlüssen ausgerüstete Ringleitungen.
In vielen Fällen ist eine besonders gedrängte Anordnung erwünscht. Die Fig. 2 und 3 geben eine solche Anordnung in Gestalt eines Tauchheizkörpers. In das mit Flüssigkeit gefüllte, oben offene Gefäss 50 ist ein unten geschlossenes Rohr 51 eingehängt, das oben durch eine Kappe 52 geschlossen ist, welche auf der Aussenseite mit einer Isolierstoffschicht 53 versehen ist. In der Achse des Rohres 51 befindet sich ein Schwingbrenner mit der Brennkammer 54, dem Auspuffrohr 55, dem. Mischrohr 59, der Zündeinrich- tung 60, der Brennstoffzuführung 61 und dem Luftventil 62. Zwischen dem Rohr 51 und dem Schwingbrenner 54,55 kann im Bedarfsfall ein weiteres Rohr 63 vorgesehen sein.
Bei der in Anlehnung an Fig. 1 be- schriebenen Arbeitsweise tritt das Abgas aus dem Auspuffrohr 55 mit hoher Geschwindigkeit aus und reisst die innerhalb des Zwischenrohres 63 befindlichen Abgase mit. Am geschlossenen Ende des Rohres 51 wird der so erhaltene Gasstrom in den Ringraum zwischen 51 und 63 abgelenkt und steigt nach oben bis unter die Kappe 52, von wo aus er wieder nach unten in den Ringraum zwischen dem Schwingbrenner 54,55 und dem Zwischenrohr 63 eintritt. Zur Abstützung können Ansätze 64 bzw. 65 vorgesehen sein.
Während bei der Anordnung gemäss Fig. 1 zur Verbindung des Schwingbrenners 1, 2 und der Kappe 17 nebst Zubehör einerseits mit der Ringleitung 9,10, 11,12, 13, 14,15 anderseits ein Bajonettverschluss vorgesehen war, genügt in diesem Falle zur Verbindung der Kappe 52 mit dem Rohr 51 ein Ring 66, der beispielsweise an der Kappe 52 festgeschweisst sein kann. Eine bajonettverschlussartige Verbindung ist nicht erforderlich, da das Eigengewicht den Bauteil, welcher den Schwingbrenner 54,55, das Mischrohr 59 mit Zubehör und die Kappe 52 mit der Isolation 53 aufweist, nach unten drückt.
Bei Anordnungen der beschriebenen Art muss man unter Umständen Vorkehrungen treffen, die einen Austritt von Abgasen aus der Ringleitung beim Auftreten von Undichtigkeiten ausschliessen. Eine solche Anordnung ist beispielsweise bei Fig. 2 vorgesehen. An die Brennkammer 54 schliesst sich in entgegengesetzter Richtung zum Auspuffrohr 55 ein dünnes Hilfsauspuffrohr 67 an, welches dem Gas einen verhältnismässig hohen Strömungswiderstand bietet und daher die Arbeit des in Resonanz schwingenden Schwing-
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brenners 54, 55 nicht merklich beeinflusst. Die Öffnung des Hilfsauspuffrohres 67 steht einem Rohr 68 ge- genüber, welches einen merklich grösseren Durchmesser hat, so dass beide zusammen als Ejektor wirken und Abgase aus dem Innenraum der Ringleitung nach aussen treiben.
Hiedurch wird innerhalb der Ringlei- tung, d. h. also jetzt innerhalb des Rohres 51, ein Unterdruck geschaffen. Ausserdem treten in Leitung 68 jetzt sehr heisse Abgase ein, so dass die durch die Leitung 68 entweichendenAbgase für weitere Heizarbei- ten zur Verfügung stehen.
Durch die beschriebene Einrichtung ist zunächst dafür gesorgt, dass wohl Luft oder Flüssigkeit von aussen in die Ringleitung eintreten können, doch bedarf es unter Umständen noch einer zusätzlichen Ein- richtung, welche dafür sorgt, dass der Schwingbrenner beim Auftreten von Undichtigkeiten automatisch abgeschaltet wird. Zu diesem Zweck ist im vorliegenden Falle eine Leitung 69 an die Kappe 52 ange- schlossen. Diese Leitung führt zu einem Membran-Manometer 70, dessen Membran 71 von einer Schrau- benfeder 77 belastet ist. Überschreitet der Druck innerhalb des Systems einen vorgegebenen Grenzwert, so verbindet die auf der Membran 71 angeordnete Kontaktplatte 72 die Kontakte 73 und 74 und schliesst damit einen Kreisstrom, welcher von der Spannungsquelle 75 gespeist wird, und ein elektrisches Ventil 76 in der Brennstoffzuleitung 61 des Schwingbrenners betätigt.
Zusätzlich können Alarm-und Anzeigevorrichtungen vorgesehen werden.
Zur Entnahme besonders heisser Abgase bzw. zur Erzeugung eines Unterdruckes kann an Stelle eines Hilfsauspuffrohres 67 in Zusammenarbeit mit einer Leitung 68 auch ähnlich wie bei Fig. 1 eine Leitung benutzt werden, die unmittelbar dem Hauptauspuffrohr des Schwingbrenners gegenüber angeordnet ist. wie dies den weiteren Fig. 4 und 5 bzw. 6 und 7 zu entnehmen ist.
Fig. 4 entspricht in zahlreichen Einzelheiten der Fig. l. und es sind daher zur Erleichterung des Verständnisses diejenigen Bezugszeichen aus Fig. 1 übernommen, die gleiche oder gleichartige Teile bezeichnen. Der Mündung 3 des Auspuffrohres 2 steht die Öffnung 80 eines Rohres 81 gleichachsig gegen- über, das die Wandung der Ringleitung am Knie zwischen den Abschnitten 9. und 10 durchsetzt. Das vorstehende Ende dieses Rohres kann in der angedeuteten Weise angeschärft sein. Bei einer solchen Anordnung wird ein Teil der heissen Abgase aus der Mündung 3 unmittelbar in die Öffnung 80 übertreten, jedoch wird die Kupplung zwischen dem Abgasstrom durch die Ringleitung einerseits und den Abgasstrom von 3 nach 80 gross genug sein, um den Abgasstrom in der Ringleitung in Bewegung zu halten.
Um den erforderlichenUnterdruck gegenüber der umgebenden Atmosphäre zu schaffen, setzt man die kinetische Energie des in das Rohr 81 eintretenden Gases zweckmässig mittels eines Diffusors in Druck um. Als Diffusor kann man einen einfachen kegelförmigen Diffusor, einen doppelten Diffusor mit sich umkehrender Strömungsrichtung oder einen Ringdiffusor benutzen. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel schliesst sich an das Rohr 81 eine erweiterte Kammer 82 an, die durch einen Deckel 83 geschlossen ist. In
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mittelbar in die Öffnung 96 des Diffusors 91 ein. Innerhalb des Körpers 91,92, 93 baut sich ein Überdruck auf, der bewirkt, dass über den Diffusor 94 und das Rohr 95 Abgase entweichen. In der Unterdruckphase des Schwingbrenners ist das Abgas dann bestrebt, im Sinne der Pfeile in Fig. 7 zurückzuströmen.
Dabei erhält es jedoch an der Wandung des zylindrischen Teiles 95 eine solche tangentiale Richtung, dass es bis zum Beginn der nächsten Überdruckphase nicht die Öffnung 96 erreichen kann. Auf diese Weise wird die Rückströmung wirksam verhindert und es tritt ein erheblicher Unterdruck im Ringsystem auf. Da in diesem Falle zusätzlich die Strömungsdrossel innerhalb des Ringsystems angeordnet ist, bleiben die Wärmeverluste gering, so dass das bei 95 entweichende Abgas eine ausserordentlich hohe Temperatur hat.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zum Erzeugen eines umlaufenden Heissgasstromes, der die Abgase eines Brenners enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner ein Schwingbrenner (1, 2 ; 54,55) ist, der von einem Mantelraum (9, 16,63) umschlossen ist, welcher einen Teil einer mit einem Abgasauslass (25, 68, 80,95) versehenen, in sich geschlossenen Leitung (9,10, 11,12, 13, 14 ; 63,51, 52) bildet, und dass die Strömungsenergie und die Schwingungsenergie der aus dem Schwingrohr (2,55) in den Mantelraum austretenden Schwingbrennerabgase die in der Leitung enthaltenen Abgase unmittelbar in Bewegung halten.