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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mehrflammenbrenner mit brenngasbeaufschlagbaren Brennerdüsen, insbesondere für thermische Materialbearbeitungsverfahren, eine brenngasbeaufschlagbare Brennerdüse eines derartigen Mehrflammenbrenners, sowie ein Verfahren zur thermischen Materialbearbeitung, bei dem ein solcher Mehrflammenbrenner zum Einsatz kommt.
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Stand der Technik
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Wenngleich die vorliegende Erfindung nachfolgend unter Bezugnahme auf bestimmte thermische Materialbearbeitungsverfahren beschrieben wird, sei betont, dass die erfindungsgemäßen Mehrflammenbrenner, ebenso wie die entsprechenden Brennerdüsen, auch in anderen Anwendungsbereichen vorteilhaft zum Einsatz kommen können. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung für das Flammlöten, das Schmelzverbinden, beispielsweise von Flammspritzschichten, die Warmformgebung und das Flammhärten verwendet werden. Hierbei kann es sich auch insbesondere um Verfahren zum Vorwärmen, Nachwärmen, Socken und Warmumformen, beispielsweise im Maschinen-, Stahl- und Behälterbau, handeln. Auch beispielsweise zum Trocknen, insbesondere zum Trocknen vor dem Sandstrahlen, Schweißen oder Signieren kann die Erfindung verwendet werden.
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Beispielsweise handelt es sich beim Flammwärmen gemäß DIN 8522 um ein Verfahren, bei dem ein Werkstück erwärmt wird, um seine Eigenschaften zu ändern, etwa um den Formänderungswiderstand zu beeinflussen.
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Das Flammwärmen wird auch zum Vorwärmen beim Schweißen, Schneiden und bei verwandten Verfahren der Metallbearbeitung angewendet. Beispielsweise werden beim Brennschneiden Bleche von mehr als 30 mm Dicke aus S355-Stahl unmittelbar vor dem Schnitt auf 89 bis 128°C vorgewärmt. Bei Kohlenstoffstählen werden in Schweißverfahren hierzu Temperaturen von bis zu 200°C und bei legierten Stählen Temperaturen zwischen 100 und 400°C verwendet.
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Beim Flammstrahlen, beispielsweise mit Acetylen, wird eine Brennerdüsenanordnung auf eine Werkstückoberfläche gerichtet. Hierdurch lassen sich saubere Blechoberflächen für die Weiterverarbeitung erzielen und Rost, Walzhaut und Zunderschichten einfach und unaufwendig entfernen. Durch Flammstrahlen lassen sich neben Metall auch Beton und Natursteinoberflächen thermisch behandeln, um beispielsweise Anstriche, Beschichtungen, Ölverschmutzungen oder Gummiabrieb zu entfernen und Oberflächen zu gestalten.
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Im Rahmen der vorgestellten Anwendungen kommen häufig Acetylenbrenner zum Einsatz. Acetylen weist im Vergleich zu anderen Brenngasen eine außerordentlich hohe Flammtemperatur von über 3.000°C auf, die unter anderem auf die positive Bildungsenthalpie des Acetylenmoleküls (C2H2) zurückgeführt werden kann. Pro Kilogramm Acetylen werden 8.714 kJ zur thermischen Nutzung frei. Diese Eigenschaften von Acetylen sind bei thermischen Wärmeverfahren deshalb von besonderem Interesse, da hier die Wärme umso schneller aus der Flamme auf das Werkstück übergeht, je höher die Temperatur der Brennflamme ist. Weitere Vorteile des Acetylens beinhalten die hohe Zündgeschwindigkeit. Der thermische Wirkungsgrad ist in dem genannten Verfahren umso besser, je schneller die heißen Verbrennungsprodukte auf das Werkstück auftreffen. Diese Anforderung stellt sich besonders beim Wärmen von metallischen Werkstoffen mit hoher Wärmeableitung, zum Beispiel bei Stahl, Kupfer und Aluminium.
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Im Rahmen der genannten Verfahren kommen häufig Mehrflammenbrenner zum Einsatz, also Brenneranordnungen, die Brennerdüsen (Einzeldüsen) aufweisen, welche von einer gemeinsamen Brenngasquelle versorgt werden. In den 1A bis 1C sind derartige Mehrflammenbrenner dargestellt. 1A zeigt einen üblichen Handbrenner, in 1B ist ein sogenannter Leistenbrenner und in 1C ein Lanzenbrenner dargestellt. Die abgebildeten Brenner weisen als gemeinsame Merkmale eine Brenngaszuführung 1 auf, über die beispielsweise ein Gasgemisch aus Acetylen und Sauerstoff zugeführt wird. An einer Gasführungs- und Halteeinrichtung bzw. einem Brennergrundkörper 2 sind Brennerdüsen 3 angebracht. Durch Zünden der Brennerdüsen 3 bei ausströmendem Brenngas bilden sich Arbeitsflammen 4 aus. Die Brennerdüsen können Regel- und/oder Verstelleinrichtungen 5 aufweisen.
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Vor dem Einsatz eines entsprechenden Brenners sind alle Einzeldüsen, beispielsweise mit Zündflammen oder Zündkerzen, manuell oder automatisch zu zünden. Beim manuellen Zünden des Brenners wird dabei beispielsweise eine Zündflamme an den Brennerdüsen entlanggeführt oder es wird mittels eines Staudrucks dafür gesorgt, dass sich an allen Brennerdüsen eine Flamme ausbildet. Dafür ist der Brenner beispielsweise nahe an ein entsprechend großes Blech zu halten. Der Betreiber einer entsprechenden Einrichtung hat dafür zu sorgen, dass sich an allen Brennerdüsen (den Gemischaustrittsstellen) eine Flamme ausbildet. Während beim manuellen Zünden dabei eine visuelle Kontrolle des Zündvorgangs möglich ist, ist diese Möglichkeit beim automatisierten Betrieb eines entsprechenden Brenners, bei dem in der Regel auch eine automatische Zündung erfolgt, nicht immer gegeben. Beim automatisierten Brennerbetrieb bereitet das sogenannte ”Durchzünden” aller Flammen häufig Schwierigkeiten. Beispielsweise verschlechtert sich die Durchzündneigung, wenn der Brenner nicht auf ein Werkstück ausgerichtet oder die Geometrie des Werkstücks ungeeignet oder der Abstand zwischen den Brennerdüsen zu groß ist.
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Unter ”Durchzündung” sei im Rahmen dieser Anmeldung die Weitergabe einer Zündflamme bzw. Brennerflamme von einer Brennerdüse zur nächsten verstanden. Die weiteren Brennerdüsen entzünden sich anschließend nacheinander an der ersten Brennerdüse, zünden also durch.
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Ist die Durchzündung nicht erfolgreich, können unverbrannte Brenngase entweichen. Werden keine zusätzlichen Sicherheitsvorkehrungen getroffen, reichern sich Brenngase in der Umgebung des Brenners an und es entsteht Explosionsgefahr.
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Vor diesem Hintergrund besteht der Bedarf nach Mehrflammenbrennern mit verbesserten Durchzündeigenschaften.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schlägt einen Mehrflammenbrenner mit brenngasbeaufschlagbaren Brennerdüsen, insbesondere für thermische Materialbearbeitungsverfahren, eine brenngasbeaufschlagbare Brennerdüse für einen derartigen Mehrflammenbrenner, sowie ein Verfahren zur thermischen Materialbearbeitung mit dem Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche vor.
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Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Unter dem Begriff ”Brenngas” seien im Rahmen dieser Anmeldung reine Brenngase, beispielsweise Acetylen, Methan, Ethan, Propan, Butan, Ethen, Methylacetylen oder Wasserstoff, aber auch beliebige geeignete Gasgemische und auch Gemische, die Sauerstoff und Brenngas enthalten, wie beispielsweise Brenngas-Sauerstoff/Druckluft/Saugluft-Gemische, verstanden.
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Erfindungsgemäß weist wenigstens eine der Brennerdüsen eines Mehrflammenbrenners wenigstens eine seitlich einer Hauptdüsenanordnung zur Erzeugung einer Arbeitsflamme angeordnete Nebendüsenöffnung auf. Die Nebendüsenöffnung wird vom gleichen Brenngas wie die Hauptdüsenöffnung durchströmt und steht vorteilhafterweise mit dieser und einer Brenngasversorgung in Fluidverbindung.
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Durch die Bereitstellung und eine geeignete Anordnung wenigstens einer Nebendüsenöffnung kommt es nach dem Zünden zur Ausbildung wenigstens einer Nebenflamme, deren Ausrichtung eine Richtungskomponente (Vektorkomponente) in Richtung der benachbarten Brenndüse aufweist, die also zweckmäßigerweise in Richtung einer Arbeits- oder Nebenflamme einer benachbarten Brennerdüse ausgerichtet ist. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen kann dabei die Weitergabe einer Flamme zwischen einzelnen Brennerdüsen eines Mehrflammenbrenners signifikant verbessert werden. Hierdurch kann ein vollständiges Durchzünden aller Flammen eines Mehrflammenbrenners sicher und zuverlässig erreicht werden, sofern der Brennerkopfabstand und die Brenngasmenge und/oder -zusammensetzung (beispielsweise eines Acetylenbrenners) im funktionalen Bereich liegen. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist nicht mehr erforderlich, dass der Brenner direkt auf ein Werkstück ausgerichtet ist. Die Gefahr des Entweichens unverbrannter Brenngase aufgrund nicht durchgezündeter Brenner sowie die hierdurch bedingte Explosionsgefahr wird vermindert oder eliminiert.
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Im Rahmen dieser Anmeldung sei unter ”Arbeitsflamme” die jeweilige Hauptflamme einer Brennerdüse eines Mehrflammenbrenners verstanden, die auf ein Werkstück gerichtet ist und beispielsweise zur Erwärmung dieses Werkstücks dient. Die Arbeitsflamme wird in der Regel entweder durch eine Einzeldüse erzeugt, oder aber durch eine Hauptdüsenanordnung, bei der eine zentrale Düse von ringförmig um diese angeordneten weiteren Düsen umgeben ist. Ist anstelle einer Hauptdüsenanordnung eine Einzeldüse vorgesehen, sei diese im Rahmen der Anmeldung von dem Begriff ”Hauptdüsenanordnung” umfasst.
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Entsprechend ist eine ”Nebenflamme” die erfindungsgemäß bereitgestellte, durch die Bereitstellung wenigstens einer Nebendüsenöffnung bewirkte, und wenigstens teilweise auf eine benachbarte Düse ausgerichtete Flamme. Typischerweise sind die Nebenflammen aufgrund von geringeren die Nebendüsenöffnungen durchströmenden Gasmengen bzw. -volumenströmen kleiner als die Haupt- bzw. Arbeitsflammen.
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Es versteht sich, dass der Bereich einer ”Flamme” in der Praxis geometrisch nicht klar abgegrenzt sein wird, so dass sich bei einer ”Arbeitsflamme” und bei einer ”Nebenflamme” auch um Flammenbereiche einer entsprechenden Gesamtflamme handeln kann. Typischerweise sind jedoch die Primärflammen, die jeweils an der Haupt- und den Nebendüsenöffnungen, beispielsweise einer Acetylen-Brenndüse erzeugt werden, zumindest teilweise visuell klar voneinander unterscheidbar. Die sich um eine Primärflamme ausbildende sogenannte Streuflamme hüllt in der Regel die Primärflamme in Form einer Gesamtflamme ein.
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Zur Ausbildung von Nebenflammen in Richtung der wenigstens einen benachbarten Brennerdüsen kann wenigstens eine Nebendüsenöffnung und/oder wenigsten ein einer entsprechenden Nebendüsenöffnung zugeordneter Düsenkanal in einem Winkel zu der Hauptdüsenanordnung und/oder einem dieser zugeordneten Düsenkanal angeordnet sein.
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Mit besonderem Vorteil, insbesondere bei einer Anordnung mehrer Brennerdüsen in einem Mehrflammenbrenner in Reihe oder in einem Brennerfeld, ist wenigstens eine der Brennerdüsen mit Nebendüsenöffnungen zur Erzeugung von Nebenflammen in Richtung Wenigstens zweier benachbarter Brennerdüsen versehen. Durch diese Anordnung kann eine mit Brenngas durchströmte Nebendüsenöffnung nach ihrer Zündung eine Flamme direkt an eine benachbarte, noch nicht gezündete, jedoch von Brenngas durchströmte Nebendüsenöffnung weitergeben. Hierdurch wird die benachbarte Brennerdüse insgesamt gezündet und kann ihrerseits auf Grund der Anordnung der Nebendüsenöffnungen die Flamme an wenigstens eine weitere Brennerdüse weitergeben, eine Brenneranordnung also durchzünden.
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Um eine besonders effektive Ausbildung der Nebenflammen mit vorteilhafter Geometrie zu erzielen, weist ein Mehrflammenbrenner der erfindungsgemäßen Art vorteilhafterweise zwei, drei oder mehrere Nebendüsenöffnungen an wenigstens einer Seite der Hauptdüsenanordnung auf. Durch eine entsprechende Anordnung kann insgesamt eine geeignete Konfiguration bzw. Querschnittsgeometrie einer Brennerflamme und entsprechender Nebenflammen bewirkt werden. Eine derartige Querschnittsgeometrie kann gezielt eingestellt werden, beispielsweise auf Grundlage eines Abstandes zwischen Einzelbrennern und/oder der Art oder des Drucks eines verwendeten Brenngases, so dass eine besonders effektive Weitergabe von Brennerflammen ermöglicht wird.
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Wie erläutert, ist ein erfindungsgemäßer Mehrflammenbrenner dazu eingerichtet, dass wenigstens einer der Brenner zum Zünden wenigstens einer benachbarten Brennerdüse über wenigstens eine Nebenflamme dient. Dies kann beispielsweise durch geeignete Ausrichtung der Nebendüsenöffnungen, deren Geometrie, aber auch durch geeigneten Abstand der Brennerdüsen, erreicht werden. Aufgrund der besonderen Ausgestaltung der Brennerdüsen mit Nebenflammen ist es zum Zünden einer Brenneranordnung lediglich noch erforderlich, einen Brenner, beispielsweise automatisiert, an einem Ort zu zünden, wobei ein sicheres Durchzünden des Gesamtbrenners sichergestellt ist.
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Mit besonderem Vorteil kann ein erfindungsgemäßer Mehrflammenbrenner als Handbrenner oder Maschinenbrenner, beispielsweise als Leistenbrenner oder Lanzenbrenner, insbesondere zum Betrieb mit Acetylen als Brenngas, ausgebildet sein. Insbesondere Lanzen- und Leistenbrenner mit linearer Brenneranordnung profitieren aufgrund ihrer tendenziell schlechteren Durchzündneigung in besonderem Maße von den erfindungsgemäßen Maßnahmen.
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Ein Mehrflammenbrenner der erläuterten Art weist zur Zündung wenigstens eine Brennerdüse, eine manuelle Zündeinrichtung, eine Zündflamme, eine Zündkerze oder einen Piezozünder auf, wodurch der Mehrflammenbrenner insbesondere für automatische Anwendungen mit nichtmanueller Zündung geeignet ist.
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Zu den Merkmalen und Vorteilen der erfindungsgemäß ebenfalls vorgesehenen brenngasbeaufschlagbaren Brennerdüse sei auf die Merkmale des zuvor erläuterten Mehrflammenbrenners ausdrücklich verwiesen. Insbesondere ist eine derartige brenngasbeaufschlagbare Brennerdüse austauschbar ausgebildet, so dass sich austauschbare Einzeldüsen in einen Brennergrundkörper zur Ausbildung eines Mehrflammenbrenners kombinieren lassen und hierdurch die Flammenweitergabe optimiert werden kann. Auch zu den Vorteilen und vorteilhaften Einsatzbereichen des erfindungsgemäßen Verfahrens sei auf die zuvor erläuterten Merkmale hingewiesen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt Mehrflammenbrenner gemäß dem Stand der Technik in schematischer Darstellung.
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2 zeigt eine Brennerdüse gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in perspektivischer Schrägansicht.
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3 zeigt eine Brennerdüsenanordnung gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Draufsicht von oben.
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4 zeigt schematisch eine Anordnung im Betrieb befindlicher Brennerdüsen gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Seitenansicht.
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Die 1A bis 1C zeigen, wie zuvor erläutert, Mehrflammenbrenner gemäß dem Stand der Technik.
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In den nachfolgenden Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen. Auf eine wiederholte Erläuterung dieser Elemente wird der Übersichtlichkeit halber verzichtet.
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2 zeigt, insgesamt mit 10 bezeichnet, eine Brennerdüse gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die beispielsweise in einem erfindungsgemäßen Mehrflammenbrenner zum Einsatz kommen kann.
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Die Brennerdüse 10 weist einen Brennerdüsenkopf 20 und einen Brennerdüsenfuß 21 auf. Handelt es sich bei der Brennerdüse 10 um eine austauschbare Düse, kann diese mit dem Brennerdüsenfuß 21 in einem Brennergrundkörper befestigt werden. In dem Brennerdüsenkopf 20 ist eine Hauptdüsenanordnung 30 vorgesehen, die eine Hauptdüsenöffnung und diese kreisförmig umgebende weitere Düsenöffnungen aufweist. Die Hauptdüsenanordnung 30 ist, wie zuvor erläutert, zur Ausbildung einer Arbeitsflamme eingerichtet.
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Zusätzlich weist die Brennerdüse 10 zur Erzeugung von Nebenflammen neben der Hauptdüsenanordnung 30 vorgesehene Nebendüsenöffnungen 40 auf. Die Nebendüsenöffnungen 40 selbst, oder ihre entsprechenden Düsenkanäle, können dabei winkelmäßig zu der Ausrichtung der Hauptdüsenanordnung 30 versetzt sein, so dass sich eine gezielte Ausrichtung der Nebenflammen in Richtung benachbarter Brennerdüsen bzw. deren Flammen erzielen lässt.
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In 3 sind insgesamt 4 Brennerdüsen 11, 12, 13 und 14 gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Draufsicht dargestellt.
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Die Brennerdüsen 11, 13 und 14 entsprechen in der Konfiguration und Anordnung der Nebendüsenöffnungen 40 dabei der Brennerdüse 10 aus 2. Die Brennerdüse 12 weist hingegen weitere, in der Figur senkrecht nach unten weisende Nebendüsenöffnungen 41 auf, die in Richtung einer rechtwinklig zur Reihe der Brennerdüsen 11, 12 und 13 angeordneten Brennerdüse 14 ausgerichtet sind. Durch die Anordnung, wie sie in 3 veranschaulicht ist, lässt sich mit besonderem Vorteil ein Durchzünden bzw. eine Flammenweitergabe, wie durch die Pfeile 50 veranschaulicht, zwischen den einzelnen Brennerdüsen 11, 12, 13 und 14, erzielen. Die dargestellten Brennerdüsen 11, 12, 13 und 14 können dabei Teil eines Mehrflammenbrenners bzw. eines Brennerfeldes eines Mehrflammenbrenners sein. Es versteht sich, dass die in 3 dargestellte Konfiguration beliebig erweiterbar ist und bei Bereitstellung weiterer Nebendüsenöffnungen 40, 41 auch ein sicheres Durchzünden 50 in zusätzlichen Richtungen bewirkt werden kann.
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In 4 ist eine entsprechende Brennerdüsenanordnung in Betrieb schematisch dargestellt. Ein Brenngas tritt hierbei über eine Hauptdüsenanordnung und seitlich von dieser angeordnete Nebendüsenöffnungen 40 aus den Brennern 15 aus. Hierdurch ergibt sich die Ausbildung einer Hauptflamme bzw. Arbeitsflamme 60, die auf ein Werkstück ausgerichtet werden kann. Die Primärflamme dieser Arbeitsflamme ist mit 70 angegeben. Zusätzlich zur Hauptflamme 60 bzw. deren Primärflamme 70 sind in der 4 Nebenflammen 80 mit entsprechenden Primärflammen 90 dargestellt. Die Nebenflammen 80 sind wenigstens teilweise in Richtung benachbarter Düsen ausgerichtet, wodurch sich besagte besonders vorteilhafte Durchzündung ergibt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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