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Einrichtung zum Registrieren der Kernlängen von Flammen mit Erstluftzumischung und Einstellen von Gaskennzahlen
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur direkten Messung und laufenden Registrierung der als sogenannte Kernlänge bezeichneten Höhe des die Erstverbrennungszone bildenden Kegels einer Gasflamme, der ein Teil der zur Verbrennung benötigten Luft durch Vormischung mit dem Gas zugeteilt wird. Gleichzeitig ist mit dieser Einrichtung eine Einstellung definierter Gaskennzahlen möglich.
Kegelhöhenbestimmungen sind beispielsweise zur bekannten Bestimmung der Zündgeschwindigkeit nach der dynamischen Methode von Gay-Michelson erforderlich. Es sind Methoden bekannt, um die Kernlängen von Flammen optisch zu beobachten und die jeweilige Brennkegelhöhe mittels Kathetometer zu messen. Eine Einrichtung zur laufenden Registrierung der Brennkegelhöhe, beispielsweise zum Zwecke der Kontrolle der Gaserzeugung bezüglich Einstellung einer bestimmten Qualität des Gases hinsichtlich seiner Zündgeschwindigkeit, ist bisher nicht bekannt. Die Forderung, die Brenneigenschaften von Brenngasgemischen durch messtechnisch kontinuierlich erfassbare Kennzahlen zu kennzeichnen und nach ihnen auch korrigierend oder regelnd eingreifen zu können, lässt diesen Mangel deshalb besonders fdhlbar werden.
Es ist weiterhin ein sogenannter Schnellgasprüfer in Verbindung mit einem hydraulischen oder pneumatischen Regler bekannt, bei welchem ein kleiner Kessel, der mit Äther gefüllt, ist, die Flanken des Kegels berührt und der durch Erhitzung bei kürzer werdendem Kegel steigende Dampfdruck einmal das Gas-Luft-Verhältnis über eine Steuerung so ändert, dass der Kegel wieder länger wird und zum andern gegebenenfalls über einen Regler die Zuspeisung eines Zweitgases so steuert, dass die Zündgeschwindig- keit konstantgehalten wird.
Der am Prüfbrenner sich durch die Steuerung einstellende Querschnitt für die Luftzuteilung, welcher annähernd der Luftmenge proportional ist, ist dann die Messgrösse für die als"Prüfbrennerzahl"bezeich- nete Kennzahl, wonach die Gleichmässigkeit der Gasqualität beurteilt werden kann. Diese Methode ist jedoch sehr indirekt und lässt die Grössenordnungen der Auswirkung von Abweichungen nicht richtig er- kennen. Demgegenüber ist das Mass der Brennkegelhöhe direkt zur Beurteilung der Gefahr des Abhebens bei zu grossen Kegelhöhen oder des Rückschlages bei zu kleinen Kegelhöhen, beispielsweise an Kocherbrennern, brauchbar.
Bei Einstellung einer bestimmten Erstluftzahl (Verhältnis der zugeteilten Erstluftmenge zu der für vollständige Verbrennung notwendigen stöchiometrischen Luftmenge), beispielsweise = 0,5, würde die mit einheitlich vereinbarten Werten von Mündungsdurchmesser und Ausströmgeschwindigkeit sich ergebende Brennkegelhöhe direkt eine vorteilhafte Kennzahl für das Gas bilden, die zusammen mit der Wobbezahl als Kenngrösse für die Wärmeleistung eine eindeutige Charakterisierung zum Zwecke der Austauschbarkeit ermöglichen würde.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur direkten Messung und laufenden Registrierung der Höhe des die Erstverbrennungszone bildenden Kegels einer Gasflamme, der ein Teil der zur Verbrennung benötigten Luft durch Vormischung mit dem Gas zugeteilt wird, zu schaffen.
Diese Einrichtung soll gleichzeitig die Einstellung einer vereinbarten Erstluftzahl Al ermöglichen.
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bei Reduzierung beider Medien auf gleiche Dichte durchgeführt werden muss.
Das wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass in der Flammenachse eines teleskopartig veriän- gerbaren Brennerrohres eine, von einem schwachen Luftstrom durchströmte, enge Sondenleitung mit einer die Spitze des Kegels der Erstverbrennungszone berührenden Austrittsdüse angeordnet ist und in einem an dem Brennerrohr fest angebrachten, mit Sperrflüssigkeit gefüllten Behälter eine Ringtauchglokke geführt ist, deren Innenraum über ein Stehrohr mit einer erweiterten Verlängerung der Sondenleitung verbunden ist. Die Zuleitung des schwachen Luftstromes über eine Vordrossel ist so abgestimmt, dass beim Erwärmen der Austrittsdüse die Drucksteigerung zwischen der Vordrossel und der Austrittsdüse ein Anheben der Tauchglocke bedingt.
Ferner ist dem Brennerrohr ein Mischer vorgeschaltet, welcher am Gas- und Lufteintritt Dosierdüsen mit vorgeschalteten Druckmesseinrichtungen enthält und dem sowohl Gas als auch Luft über Vordruckregler und Einstelldrosseln zugeleitet werden, wobei der Durchfluss mittels zweier Drei-Wegehähne zeitweise über Blendenmessstrecken mit zugehörigen Schrägrohrmanometern umschaltbar und das Verhältnis Gas zu Luft in einem gewünschten Verhältnis zum stöchiometrischen Verhältnis einstellbar ist.
Eine erfindungsgemässe Lösung wird in dem folgenden Ausführungsbeispiel und der schematisch dargestellten Fig. 1 näher erläutert :
Das Brennerrohr 13 eines Gasbrenners ist teleskopartig verlängerbar ausgeführt. An der Verlängerung 16 des Brennerrohres 13 ist im unteren Teil eine Tauchglocke 15 angebracht, wodurch eine Ringtauchglocke entsteht. Die Ringtauchglocke 15 taucht in den mit Sperrflüssigkeit gefüllten Behälter 14, der am unteren Teil des Brennerrohres 13 fest angeordnet ist.
In der Brennerrohrachse ist eine dünne Luftleitung als Sondenleitung 18 nach oben geführt, deren als enge Austrittsdüse 20 ausgebildete und aus hitzebeständigem Material ausgeführte Mündung die Erstverbrennungszone 19 in der Spitze berührt. Die Ringtauchglocke 15 hebt und senkt sich mit der Verlängerung 16 des Brennerrohres 13 über die als Austrittsdüse 20 ausgeführte Sondenmündung, Von einem Druckregler 4, beispielsweise einem Abblasedruckregler, wird die Luft oder das Gas mit konstantem Vordruck über die Leitung 21 und die Vordrossel 22 in die erweiterte Verlängerung 23 der Sondenleitung 18 geschickt, die gleichzeitig über ein Stehrohr 24 mit dem Raum unter der Ringtauchglocke 15 verbunden ist.
Die entsprechenden Drosseln und der erwähnte Vordruck sind so abgestimmt, dass der unter der Tauchglocke wirksame Druck die Tauchglocke noch nicht anzuheben vermag, solange die als Austrittsdüse 20 gestaltete Sondenmündung als Ausgangsdrossel nicht erwärmt wird. Bei Erwärmung, die bei Eintauchen der Austrittsdüse 20 in die Spitze der Mantelfläche der Erstverbrennungszone sehr intensiv erfolgt, wird die Drosselwirkung der Austrittsdüse 20 stärker, der Druck steigt und die Tauchglocke wird angehoben. Hiedurch verringert sich aber die Eintauchtiefe der Austrittsdüse 20 wieder, wodurch sich ihre Temperatur und damit ihre Drosselwirkung verringern.
Es bildet sich schliesslich ein Gleichgewichtszustand heraus, bei dem die Eintauchtiefe und die Drosselwirkung der Austrittsdüse 20 durch die Erwärmung gerade den Druck einstellen, der in der Lage ist, die Tauchglocke in der Schwebe zu halten.
Der relativ kleine Sondenluftstrom verfälscht zwar die Brennkegell1öhe geringfügig, aber dieser Fehler kann eingeeicht werden. Es ist nun möglich, die Höhenänderung der Tauchglocke unter Zwischenschaltung eines Schreibhebels 26 über einen Ausleger 25 direkt anzuzeigen und zu registrieren. Die Hubbewegung kann aber auch über den Ausleger 25 mittels Seil oder Kette auf das eine Ende eines Hebels 27 übertragen werden. Das andere Ende des Hebels 27 ist als Pendel 28 mit einer sich immer waagrecht einstellenden Deckfläche 29 ausgebildet. Diese Deckfläche 29 drosseltdenLuftaustritt aus einer Düse 30, die das Ende des an einem Kapselfederbalgen 36 angeordneten Umlenkrohres 35 bildet, wobei dem Kapselfederbalgen die Luft ebenfalls aus der Leitung 21 über eine Vor- drossel 31 zugeleitet wird.
Beim Sinken der Ringtauchglocke 15 nähert sich die Deckfläche 29 der Düse 30 und drosselt stärker, wodurch der Druck im Kapselfederbalgen 36 so lange ansteigt und diesen entsprechend dehn bis seine Dehnung dem Hub der Deckfläche 29 und somit auch dem der Ringtauchglocke 15 entspricht und die Düse sich wieder von der Deckfläche 29 zu entfernen beginnt. Da der Druck im Kap-
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selfederbalgen proportional zu seiner Dehnung eingerichtet werden kann und über eine Abzweigung 32 und Fernleitung 33 auf einen Druckschreiber 34 übertragbar ist, ist somit auch eine Fernregistrierung auf einen oder mehrere Druckschreiber möglich.
Der Druck kann ausserdem zur Betätigung von Regelorganen verwendet werden. Die zur Ermittlung einer Gaskennzahl für die Flammenstabilität (Abheben und Rückschlagen von Bunsenflammen) sehr wichtige Art der Einstellung des Gasluftgemisches ist weiterhin vorteilhaft aus der Figur zu erkennen. Die Einstellung erfolgt an den Einstelldrosseln 5. Die durchströmende Menge an Erstluft 2 und Gas 1 ist an den zu den vorgeeichten Blendenmessstrecken 7 und 8 gehörenden Schrägrohrmanometern 9 ablesbar. Die Blende der Blendenmessstrecke 7 muss nach den DIN-Regeln so profiliert sein, dass ihr Durchfluss auch für niedrige Reynoldsche Zahlen umgekehrt proportional zur Wurzel aus der Dichte ist.
Die Blendenmessstrecken 7 und 8 sind nur während der Einstellung oder Kontrolle eingeschaltet. Während des eigentlichen Dauerbetriebes werden sie durch Umschalten der Dreiwegehähne 6 umgangen, so dass eine direkte Zuleitung der Erstluft und des Gases zu den Dosierdüsen 11 und 12 des Mischers 10 erfolgt, in welchem vor Einleitung in das Brennerrohr 13 eine homogene Vormischung ermöglicht wird. Vor den Dosierdüsen 11 und 12 stellt sich ein ebenfalls mit Schrägrohrmanometer 9 messbarer Druck ein, welcher gesetzmässig mit der entsprechenden Menge zusammenhängt und beim Umschalten der Dreiwegehähne 6 gleichgehalten werden muss. Die Einstellung kann auch für die Gasmenge zunächst mit Luft erfolgen.
Die Gleichmässigkeit des Gasdurchflusses wird dadurch garantiert, dass vor dem Eintritt in die Einstelldrossel 5 der Gasseite ein Vordruckregler 3 vorgeschaltet wird, der gemäss dem Ausführungsbeispiel als geschlossener Membrandruckregler ausgebildet ist.
Die Regel für die Einstellung zur Ermittlung der Gaskennzahl ist folgende: Wenn durch die Gasleitung Gas mit dem Dichteverhältnis 1, also Luft, geschickt wird, ergibt sich das Verhältnis der zugeteilten und durch die Blendenmessstrecke 8 gemessenen Menge zu der durch die Gasleitung strömenden und durch die Blendenmessstrecke 7 gemessenen Menge nach der Formel :
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dabei ist :
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Es bedeuten :
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1 =Wz = Wobbezahl Al = Erstluftzahl n pro 1 d Luft erzeugbare Wärmemenge
Vw = Verbrennungswärme in Kcal/Nm3 dv = Dichteverhältnis
Lmin = stöchiometrischer Luftbedarf
Ausserdem soll die Summe der beiden Mengen V1 und V, konstant bleiben und so bemessen sein, dass die Ausströmgeschwindigkeit w aus der Düse innerhalb eines für die Reproduzierbarkeit richtigen Bereiches liegt. Hiefür kann auf Grund von Erfahrungswerten beispielsweise für 10 mm Mündungsdurchmesser die Ausströmgeschwindigkeit w = 80 - 200 cm/sec gewählt werden, so dass sich ergibt :
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F = Mündungsquerschnitt in cm2 w = Ausströmgeschwindigkeit in cm/sec.
An dem Gerät lassen sich sofort die Auswirkungen von Qualitätsänderungen des Gases auf die Kernlängen von fest eingestellten Bunsenbrennern, wie beispielsweise Kocherbrenner im Haushalt, erkennen da die Änderungen dieser Kernlängen proportional zu den Änderungen der Kernlängen an dem jeweiligen Gerät angenommen werden können.
Ergibt sich eine zu grosse Kernlänge, so ist Abheben der Flamme zu befürchten. * Umgekehrt ist bei zu kleiner Kernlänge Rückschlaggefahr gegeben. Die Messungen mit dieser neuen Einrichtung haben ausser der damit möglichen Registrierbarkeit den weiteren bedeutenden Vorteil, dass sie die praktischen Verhältnisse besser berücksichtigen als die bisherigen, auf Volumenverhältnissen basierenden Zündge- schwindigkeitsmessungen, weil sie die direkte Anpassung der Luftzuteilung an die Wobbezahl ermöglichen und die Dichteänderungen des ausströmenden Gases mit berücksichtigen.
Wird die Einstellung der Einstelldrosseln so vorgenommen, dass durch die Gasleitung 1 Luft geschickt wird, so erhält man beim Betrieb mit Gas die gemessene Brennkegelhöhe als direkt verwertbare Gaskennzahl zur Beurteilung der Gasqualität in ihrer Auswirkung auf das Stabilitätsverhalten von Brennerflammen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur direkten Messung und laufenden Registrierung der Höhe des die Erstverbrennungs- zone bildenden Kegels einer Gasflamme, der ein Teil der zur Verbrennung benötigten Luft durch Vormischung mit dem Gas zugeteilt wird.
dadurch gekennzeichnet, dass in der Flammenachse eines teleskopartig verlängerbaren Brennerrohres (13) eine, von einem schwachen Luftstrom durchströmte, enge Sondenleitung (18) mit einer die Spitze des Kegels der Erstverbrennungszone berührenden Austrittsdüse (20) angeordnet ist und in einem an dem Brennerrohr (13) fest angebrachten, mit Sperrflüssigkeit gefüllten Behälter (14) eine Ringtauchglocke (15) geführt ist, deren Innenraum über ein Stehrohr (24) mit einer erweiterten Verlängerung (23) der Sondenleitung (18) verbunden ist, und die Zuleitung des schwachen Luftstromes über eine Vordrossel (22) so abgestimmt ist, dass beim Erwärmen der Austrittsdüse (2) die Drucksteigerung zwischen der Vordrossel (22) und der Austrittsdüse (20) ein Anheben der Tauchglocke bedingt, und weiters ein dem Brennerrohr vorgeschalteter Mischer (10) vorgesehen ist,
welcher am Gas - und Lufteintritt Dosierdü, ; en (11)'und (12) mit vorgeschalteten Druckmesseinrichtungen enthält und dem sowohl Gas (1) als auch Luft (2) über Vordruckregler (3) und (4) und Einstelldrosseln (5) zugeleitet werden, wobei der Durchfluss mittels zweier Dreiwegehähne (6) zeitweise über Blendenmessstrekken (7) und (8) mit zugehörigen Schrägrohrmanometem (9) umschaltbar und das Verhältnis Gas zu Luft in einem gewünschten Verhältnis zum stöchiometrischen Verhältnis einstellbar ist.