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Die
Erfindung betrifft einen Gasbrenner nach dem Oberbegriff des Patentanspruches
1, wie er beispielsweise in Hochtemperaturöfen zum Einsatz kommen kann.
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Gasbrenner
bekannter Bauart bilden ein Verbrennungsgemisch aus mindestens zwei
gasförmigen
Medien, von denen wenigstens eines Verbrennungsluft und mindestens
ein weiteres ein brennbares Gas ist. Zur Zuführung der gasförmigen Medien zu
einem Bereich, wo sie miteinander vermischt werden, verfügen diese
Gasbrenner über
je eine Zuleitung. Beim Einsatz eines Gasbrenners in Hochtemperaturöfen ist
es erforderlich, zu jedem Zeitpunkt eine sichere Zündung des
Verbrennungsgemisches zu gewährleisten
und das brennende Gemisch gleichmäßig im Brennraum zu verteilen.
Anderenfalls würde
das im Hochtemperaturofen befindliche Brenngut Temperaturschwankungen
ausgesetzt werden, die dessen Qualität beeinträchtigen könnten. Deshalb werden Gasbrenner
in Hochtemperaturöfen in
Gruppen zusammengeschaltet und über
die Innenoberfläche
des Hochtemperaturofens verteilt angeordnet. Zur Erzeugung einer
turbulenten Strömung im
Brennraum des Hochtemperaturofens werden die einzelnen Gasbrenner
oder die Gasbrennergruppen getaktet gezündet und wieder abgeschaltet.
Somit wird eine permanente, turbulente Strömung innerhalb des Brennraumes
erzeugt, sodass das zu brennende Gut mit einer konstanten Innenraumtemperatur
gebrannt werden kann.
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Zur
Gewährleistung
einer sicheren Zündung der
Gasbrenner werden Hochspannungszündungen verwendet.
Diese sind jedoch aufwändig
und damit kostenintensiv. Zudem ist auch eine Überwachung der Zündung und
des Flammverhaltens innerhalb des Brennraumes erforderlich. Hierzu
sind Flammenüberwachungssysteme
bekannt und kommen im Zusammenhang mit bekannten Gasbrennerausführungen
zum Einsatz. Wegen der erforderlichen Taktung und um eine gleichmäßige Durchmischung
und sichere Zündung
des Verbrennungsgemisches zu gewährleisten,
erfolgt die Zuführung
der Verbrennungsluft mit einem Druck von ca. 80 mbar. Dieser relativ hohe
Druck setzt jedoch entsprechende Peripherieeinrichtungen voraus.
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Aus
der
DE 196 27 203
C2 ist ein Gasbrenner mit einer Mischeinrichtung bekannt,
in der ein Verbrennungsgemisch aus mindestens zwei gasförmigen Medien
gebildet wird, von denen wenigstens eines Verbrennungsluft und mindestens
ein weiteres ein brennbares Gas ist, wobei der Gasbrenner für das erste
Medium eine erste Zuleitung mit mehreren Austrittsöffnungen
in ihrer Mantelfläche
und für
das zweite Medium eine zweite Zuleitung mit Strömungskanälen aufweist. Der in dieser
Schrift offenbarte Gasbrenner ist für Schwachgase verwendbar und
erzeugt nur eine kurze Flamme.
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Insgesamt
lässt sich
feststellen, dass marktübliche
Gasbrenner oder Gasbrennersysteme zur Gewährleistung einer optimalen
Durchmischung und sicheren Zündung
sowie deren Überwachung sehr
aufwändig
gestaltet und mit Zusatzeinrichtungen ausgestattet werden müssen, sodass
die Gasbrenner beispielsweise beim Bau eines Hochtemperaturofens
einen erheblichen Kostenfaktor darstellen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Gasbrenner zu schaffen,
der einfach aufgebaut ist und eine optimale Durchmischung sowie
sichere Zündung
des Verbrennungsgemisches gewährleistet.
Dabei soll insbesondere auf geringe Herstellungskosten des Gasbrenners
geachtet werden.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabenstellung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
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Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein
erfindungemäßer Gasbrenner
verfügt
zunächst über eine
Mischeinrichtung, in der ein Verbrennungsgemisch aus mindestens
zwei gasförmigen
Medien gebildet wird. Von diesen gasförmigen Medien ist wenigstens
eines Verbrennungsluft und mindestens ein weiteres ein brennbares
Gas. Der Gasbrenner weist für
das erste Medium eine erste Zuleitung mit mehreren Austrittsöffnungen
in der Mantelfläche
und für
das zweite Medium eine zweite Zuleitung mit Strömungskanälen auf. Dabei ist jeder Austrittsöffnung jeweils
ein Auslass eines Strömungskanals
unmittelbar zugeordnet.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausführung eines
Gasbrenners wird es erstmals möglich,
ein optimiertes Verbrennungsgemisch bereitzustellen. Der Gasbrenner
kommt ohne eine sonst stets erforderliche Hochspannungszündung aus.
Auf die normalerweise erforderlichen Flammenüberwachungen kann ebenfalls
verzichtet werden, sofern ein Einsatz in Hochtemperaturöfen mit
Temperaturen um oder oberhalb von 750°C erfolgt. Erfindungsgemäß erfolgt die
Zündung
des Gasbrenners mit höchster
Zuverlässigkeit.
Durch die optimierte Vermischung des Verbrennungsgemisches wird
ferner eine Flamme erzeugt, die durch eine hohe Austrittsgeschwindigkeit und
eine sehr gute Flammqualität
charakterisiert ist. So können
mit dem erfindungsgemäßen, im
Aufbau sehr einfach ausgeführten
Gasbrenner Flammenqualitäten
eines sehr viel aufwändigeren
Hochgeschwindigkeitsbrenners erreicht werden.
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Beim
Einsatz des Gasbrenners in Hochtemperaturöfen erfolgt die Zündung der
Flamme direkt nach dem Einschalten der Gaszufuhr und unmittelbar in
der heißen
Brennraumatmosphäre.
Die Flamme springt danach zurück
bis an die Mischeinrichtung. Dies erfolgt sicher und schnell und
kann mit einstellbaren Lambdawerten gewährleistet werden. Mit einer derartigen
Ausführung
eines Gasbrenners ist es problemlos möglich, den Gasbrenner zu takten.
Ferner können
mehrere Gasbrenner wie auch bei bekannten Ausführungen in Gruppen zusammengeschaltet
werden und erzeugen infolge ihrer hohen Austrittsgeschwindigkeit
der Flamme starke Turbulenzen im Brennraum, wie es für eine gleichmäßige Erwärmung des
zu brennenden Gutes erforderlich ist.
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Es
hat sich herausgestellt, dass mit dem Gasbrenner nach der vorliegenden
Erfindung eine extrem hohe Rückzündsicherheit
und eine sehr gute Flammenqualität
erreichbar ist. Dies kann bei sehr niedrigen Versorgungsdrücken gewährleistet
werden. Damit ist die Lösung
insgesamt energiesparend und in ihrem Wirkungsgrad vergleichbar
mit wesentlich komplexeren und kostenintensiven Hochgeschwindigkeitsbrennern.
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Entsprechend
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Strömungskanäle in ihrer Richtung
und/oder in ihrem Querschnitt verstellbar ausgeführt. Diese Verstellbarkeit
bewirkt, dass bei einem erfindungsgemäßen Gasbrenner sowohl der Druck
als auch das durch die Strömungskanäle hindurch
geführte
Verbrennungsluftvolumen beziehungsweise die Geschwindigkeit des
Mediums beeinflussbar sind. Durch diese Gestaltung kann ferner eine
Varianz der für
die Verbrennung sehr wesentlichen Lambdawerte erreicht werden. Mit
einem verstellbaren Querschnitt oder einer einstellbaren Richtung
der Strömungskanäle sind
zum Beispiel Lambdawerte zwischen λ = 0,8 und λ = 1,1 wählbar. Durch die Einstellbarkeit
der Lambdawerte zwischen λ =
0,8 und λ =
1,1 kann die Flammqualität
beeinflusst werden. Eine derartige Möglichkeit bringt den wesentlichen
Vorteil mit sich, dass die Brenner über eine sehr große Bandbreite
betrieben werden können.
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Zur
Umsetzung der veränderlichen
Richtung beziehungsweise des einstellbaren Querschnittes der Strömungskanäle ist es
von Vorteil, wenn die Strömungskanäle in einem
Kanalträger
ausgebildet sind. Dieser Kanalträger
kann gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung aus mehreren hintereinander angeordneten
und gegeneinander um ihre Mittelachse verdrehbaren Luftleitsegmenten
bestehen. Diese Luftleitsegmente können relativ zueinander verstellt werden
und verändern
damit die Querschnitte und/oder die Richtung der Strömungskanäle. Je nach den
an den Gasbrenner gestellten Anforderungen können die Luftleitsegmente einen
einzigen Strömungskanal
oder auch über
ihren Umfang verteilt mehrere Strömungskanäle aufweisen.
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Zur
Vereinfachung der Einstellung der Querschnitte sowie der Richtung
der Strömungskanäle innerhalb
des Kanalträgers
ist es sinnvoll, wenn das auslassseitige also in Strömungsrichtung
betrachtet das vorderste Luftleitsegment fixiert wird und feststehend
an dem Kanalträger
angeordnet ist. Somit lassen sich die übrigen, entgegen der Strömungsrichtung
betrachtet nachgeordneten Luftleitsegmente in Relation zu dem feststehenden
Luftleitsegment verstellen, sodass hiermit die Querschnittsgeometrie
der Strömungskanäle und eine
Richtungsänderung
derselben erfolgen kann. Durch das feststehende Luftleitsegment
ist darüber
hinaus stets gewährleistet, dass
die Auslässe
eines jeden Strömungskanals
unmittelbar der zugeordneten Austrittsöffnung gegenüberliegend
angeordnet bleiben, sodass damit dem erfindungsgemäßen Erfordernis
einer optimalen Vermischung des Verbrennungsgemisches Genüge getan
wird.
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Die
Strömungskanäle selbst
können
spiralförmig
angeordnet sein oder unter einem Winkel von ca. 30° bis 60° zur axialen
Längsmittelachse
des Gasbrenners verlaufen. Grundsätzlich ist festzuhalten, dass
bei kleinem Lambdawert der entsprechende von den Strömungskanälen zu realisierende
Anstellwinkel steil sein muss. Dies bedeutet, dass bei λ = 0,8 der
Winkel, unter dem der Strömungskanal
in Relation zur Längsmittelachse
verlaufen sollte, beispielsweise 60° und bei λ = 1,1 etwa 30° betragen müsste. Für die Erfindung
sind die zuvor genannten Beispiele nicht einschränkend. Vielmehr können natürlich auch
andere Lambdawerte und Winkel für
die Strömungskanalverläufe sinnvoll
sein.
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Bei
der Verwendung eines erfindungsgemäßen Gasbrenners in Hochtemperaturbrennöfen ist dieser
extremsten Bedingungen ausgesetzt. So herrschen hier Temperaturen
von 750° Celsius
oder mehr. Dem gemäß kann es
im Laufe der Lebensdauer eines Gasbrenners zu Verschleiß an einzelnen Bauteilen kommen.
Ferner ist es denkbar, dass bei unterschiedlichem Brenngut wechselnde
Lambdawerte erreicht werden müssen.
Somit geht eine weitere Ausgestaltung der Erfindung dahin, die erste
Zuleitung und den endseitig daran befestigten Kanalträger als
eine gemeinsame, auswechselbare Baueinheit auszugestalten. Durch
diese Möglichkeit
können bei
sich einstellendem Verschleiß die
wesentlichen Bauteile des Gasbrenners als eine Einheit ausgetauscht
werden. Durch das Auswechseln der genannten Baueinheit können die
Eigenschaften des Gasbrenners hinsichtlich der Lambdawerte ebenfalls ohne
einen erheblichen Aufwand verändert
werden. Damit wird die Flexibilität des erfindungsgemäßen Gasbrenners
gegenüber
bekannten Ausführungen entscheidend
verbessert.
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Um
den Gasbrenner baulich klein zu halten und möglichst einfach auszuführen, wird
ferner vorgeschlagen, dass die erste Zuleitung koaxial in der zweiten
Zuleitung aufgenommen ist. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass
die erste Zuleitung beispielsweise ein Gas führendes Gasrohr ist und die zweite
Zuleitung ein dieses aufnehmendes, die Verbrennungsluft zuführendes
Hüllrohr
darstellt. Durch eine derartige Gestaltung ist es in einfacher Weise möglich, die
Mischeinrichtung im Bereich des Übergangs
zwischen Hüllrohr
und Gasrohr anzuordnen. In diesem Teilabschnitt des Gasbrenners
kann ferner ein Flammführungsrohr
vorgesehen werden. Dieses Flammführungsrohr
dient dazu, die sich vermischenden Verbrennungsgase abzutransportieren,
um so die Entzündung
der Flamme zu ermöglichen.
Unmittelbar nach dem Einschalten der Zufuhr der Verbrennungsgase
sowie der Verbrennungsluft entzündet sich
die Flamme beim Einsatz in einem Hochtemperaturofen in der heißen Brennraumatmosphäre und springt
danach in das Flammführungsrohr
zurück,
bis sie in den Bereich der Mischeinrichtung gelangt. Dies geschieht
sehr sicher und schnell auch bei unterschiedlichen Lambdawerten.
Damit findet in dem Flammführungsrohr
eine Flammexpansion beziehungsweise Flammexplosion statt und nicht
erst außerhalb
des Gasbrenners. Die Flamme kann somit einen sehr „harten" Strahl mit extrem
hohem Druck entwickeln.
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Um
den extremen Bedingungen standhalten zu können, sollte das Flammführungsrohr
aus einer hitzebeständigen
Keramik hergestellt sein. Im einfachsten Fall kann das Flammführungsrohr
unmittelbar an der zweiten Zuleitung angeflanscht werden.
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Durch
den bereits beschriebenen Vorteil des erfindungsgemäßen Gasbrenners,
eine Selbstzündungswirkung
zu entwickeln, können
teure und aufwändige
elektrische Hochspannungszündungen
und Flammenüberwachungssysteme
eingespart werden. Der selbstzündende
Gasbrenner ist damit hervorragend als sehr einfache Bauvariante
für einen
Hochtemperaturofeneinsatz geeignet. Hier kann er in einer Gruppe
mit anderen Gasbrennern zusammengeschaltet und beispielsweise in
der bereits erläuterten Weise
getaktet werden. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Gasbrenners
besteht darin, dass die erforderliche Drücke für die Zufuhr der Verbrennungsluft
im Vergleich zu bekannten Systemen sehr niedrig sind. So konnte
in ersten Versuchen festgestellt werden, dass der Verbrennungsluftversorgungsdruck
beispielsweise bereites bei 20 bis 30 mbar ausreichend ist und eine
optimale Verbrennung gewährleistet.
Daraus ergibt sich eine erheblich Energieeinsparung gegenüber bekannten
Systemen.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Gasbrenners
soll nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert werden.
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Es
zeigen:
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1:
eine vereinfachte Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Gasbrenners,
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2:
einen vergrößerten Ausschnitt
der Mischeinrichtung bei einem Gasbrenner nach 1,
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3:
die auswechselbare Baueinheit bestehend aus erster Zuleitung und
Mischeinrichtung,
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4:
eine Schnittdarstellung gemäß dem Schnittverlauf
A-A aus 2 mit Blick auf die Luftleitsegmente
und
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5:
eine Explosivdarstellung der Luftleitsegmente eines Gasbrenners,
ohne die sie aufnehmenden beziehungsweise umgebenden Bauteile.
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Die
in der 1 gezeigte vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen Gasbrenners zeigt
im Schnitt eine insgesamt mit 12 bezeichnete Zuführeinrichtung,
in der die Speisung des Gasbrenners mit zur Verbrennung geeigneten
Medien erfolgt. Im Bereich der Zuführeinrichtung 12 befindet
sich ferner eine für
die Erfindung nicht wesentliche Druckmesseinrichtung 10.
Eine ähnliche
Druckmesseinrichtung kann auch für
die Gaszuführung
verwendet werden, ist hier jedoch nicht gezeigt.
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Das
brennbare Gas wird in Pfeilrichtung des mit dem Wort „Gas" gekennzeichneten
Pfeils in eine erste Zuleitung 2 eingespeist. Diese erste
Zuleitung 2 mündet
am Ende in die Mischeinrichtung 1. Die zweite Zuleitung 4 eines
Mediums ist hier die Verbrennungsluftzuführung. In der 1 ist
diese mit einem Pfeil gekennzeichnet, der mit dem Wort „Verbrennungsluft" benannt wurde. Die
Verbrennungsluft wird in die zweite Zuleitung 4, die auch
als Hüllrohr
für die erste
Zuleitung 2 dient, eingespeist. Das Hüllrohr 4 mündet ebenfalls
mit seinem Ende in der Mischeinrichtung 1. Die Details
der Mischeinrichtung 1 werden nachfolgend bei der Beschreibung
der 2 näher erläutert. Endseitig
weist das Hüllrohr 4 einen Flansch
auf, mittels dessen es ein Flammführungsrohr 9 aufnimmt.
Die Verbindung zwischen Flammführungsrohr 9 und
Hüllrohr 4 erfolgt
in dem hier gezeigten Beispiel mittels mehrerer am Umfang des Flammführungsrohres 9 verteilt
angeordneter Verschraubungen 13. Der gezeigte Gasbrenner
hat zur Besonderheit, dass die Längsmittenachse 8 eine
gemeinsame Achse für
die erste Zuleitung 2, die zweite Zuleitung 4 sowie
das Flammführungsrohr 9 bildet. Im
unteren Bildrand ist die Öffnung
des Flammführungsrohres 9 erkennbar.
Hier tritt in Richtung des mit dem Wort „Flamme" gekennzeichneten Pfeils die Brennerflamme
aus.
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Die
in 2 vergrößert und
im Schnitt gezeigte Darstellung des Bereiches der Mischeinrichtung 1 lässt besser
als in 1 die erfindungswesentlichen Merkmale erkennen. Über die
erste Zuleitung 2 wird ein brennbares Gas zugeführt. Die
zweite Zuleitung 4, welche als Hüllrohr für die erste Zuleitung 2 fungiert
und dieses mit gleicher Längsmittenachse 8 zentriert
aufnimmt, dient der Zuführung
der Verbrennungsluft. Die erste Zuleitung 2 für die Bereitstellung
des Verbrennungsgases ist stirnseitig verschlossen. Über den
Umfang seiner Mantelfläche weist
es endseitig im Bereich der Mischeinrichtung 1 mehrere
Austrittsöffnungen 3 auf.
Jeder Austrittsöffnung 3 der
ersten Zuleitung 2 ist jeweils ein Strömungskanal 5 der Mischeinrichtung 1 zugeordnet. Die
Strömungskanäle 5 werden
durch mehrere hintereinander liegend angeordnete Luftleitsegmente 7a bis 7d gebildet.
Das strömungsaustrittsseitige
Luftleitsegment 7a wird feststehend mit dem Hüllrohr 4 und
der Zuleitung 2 verbunden, sodass jede Austrittsöffnung der
Strömungskanäle 5 jeweils
unmittelbar über
einer Austrittsöffnung 3 der
Zuleitung 2 angeordnet ist. Die entgegen der Strömungsrichtung
betrachtet hinteren Luftleitsegmente 7b bis 7d sind
um die Längsmittenachse 8 verdrehbar
in dem Hüllrohr angeordnet.
Somit können
sie um die Längsmittenachse 8 in
Umfangsrichtung verstellt werden, sodass sich gewünschte,
für die
Verbrennung erforderliche Durchtrittsquerschnitte der Strömungskanäle 5 ergeben
und darüber
hinaus auch die Richtung der Strömungskanäle 5 wählbar ist.
Eine nach der Einstellung der Strömungskanäle erfolgende Fixierung der
Luftleitsegmente ist sinnvoll, um die erforderlichen Gemischwerte
beizubehalten.
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In
der 3 ist noch einmal die auswechselbare Baueinheit,
bestehend aus der ersten Zuleitung 2 und der Mischeinrichtung 1,
dargestellt. Im oberen Bildteil ist erkennbar, dass diese Baueinheit über einen
Verschluss 11 verfügt,
der, wie dies anschaulicher aus der 1 ersichtlich
ist, den oberen, luftdichten Abschluss im Bereich der Zuführeinrichtung 12 bildet.
Zur Verbindung dieser heraustrennbaren Baueinheit aus dem übrigen Korpus
des Gasbrenners können
sowohl Steck- als auch Schnapp- oder Schraubverbindungen zum Einsatz
kommen. Durch die Auswechselbarkeit der genannten Baueinheit kann
auch die Mischeinrichtung 1 ausgetauscht werden, was entweder
verschleißbedingt
oder zur Änderung
der Lambdawerte erforderlich werden kann.
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In
der 4 ist eine Schnittdarstellung gemäß dem Schnittverlauf
A-A in 2 gezeigt, wobei hier nur ausschnittsweise die
Luftleitsegmente 7a bis 7d zu sehen sind, ohne
die diese aufnehmenden, sie umgebenden Bauteile des Gasbrenners
beziehungsweise der Mischeinrichtung 1. Der Darstellung
in 4 ist das wesentliche Merkmal dieser Luftleitsegmente 7a bis 7d entnehmbar.
Diese sind nämlich
in Umfangsrichtung um die Längsmittenachse 8 verdreht
zueinander angeordnet, sodass, wie hier im vorliegenden Beispiel
der 4, die Strömungskanäle 5 spiralförmig um
die Längsmittenachse 8 herumverlaufend
angeordnet sind.
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In
der 5 sind in vereinfachter Form und in Explosivdarstellung
mehrere Luftleitsegmente 7a bis 7d hintereinander
angeordnet dargestellt. Wie aus der 5 erkennbar
wird, weist jedes Luftleitsegment verglichen mit dem vorherigen
Luftleitsegment einen Versatz seiner Strömungskanäle auf. Die Strömungskanäle 5 werden
durch die Ausnehmungen 14 gebildet, die über die
Umfangsfläche
der Luftleitsegmente 7a bis 7d verteilt angeordnet
sind. Infolge der Hintereinanderschaltung der Luftleitsegmente und
ihrer Verdrehung relativ zueinander um die Längsmittenachse 8 werden
insgesamt Strömungskanäle 5 gebildet,
die spiralförmig
verlaufen. Die mittig vorhandene Bohrung 15 in den Luftleitsegmenten 7a bis 7d kann
bei der hier beschriebenen Ausführung
eines Gasbrenners unmittelbar auf die erste Zuleitung 2 aufgesetzt
werden. Die Fixierung der einmal eingestellten Strömungskanalquerschnitte
durch die relativ zueinander verstellten Luftleitsegmente 7a bis 7d kann
dauerhaft oder lösbar
mit an sich bekannten Mitteln erfolgen.
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- 1
- Mischeinrichtung
- 2
- erste
Zuleitung (Gas)
- 3
- Austrittsöffnung
- 4
- zweite
Zuleitung (Verbrennungsluft)
- 5
- Strömungskanal
- 6
- Kanalträger
- 7a
- vorderste
Scheibe
- 7b,
7c, 7d
- Luftleitsegmente
- 8
- Längsmittenachse
- 9
- Flammführungsrohr
- 10
- Druckmesseinrichtung
- 11
- Verschluss
- 12
- Zuführeinrichtung
- 13
- Verschraubung
- 14
- Ausnehmung
- 15
- Bohrung