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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Venturi-Düse gemäß Anspruch 1, eine Verbrennungseinrichtung mit einer solchen Venturi-Düse nach Anspruch 11 und eine Gebäudeheizung mit einer solchen Verbrennungseinrichtung gemäß Anspruch 12.
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Venturi-Düsen werden im Stand der Technik dazu eingesetzt, zwei Fluide miteinander zu vermischen. Venturi-Düsen haben hierzu einen einem Hauptströmungskanal, der eine Eintrittsseite und eine Austrittsseite aufweist. Zwischen der Eintrittsseite und der Austrittsseite ist typischerweise eine Verjüngung bzw. Kanalverengung ausgebildet. Im Bereich zwischen der Eintrittsseite bis zur Verengung staut sich das erste Fluid. Im Bereich der Kanalverengung, das heißt auch noch kurz dahinter, entsteht durch das düsenartig beschleunigte erste Fluid ein Unterdruck. Indem in diesem Bereich ein Abnahmerohr in den Hauptströmungskanal mündet, gelingt es, über das Abnahmerohr ein zweites Fluid anzusaugen und dem ersten Fluid kontinuierlich beizumengen.
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Die zwei zusammenzuführenden Fluide können jeweils flüssig oder gasförmig sein. Bei Gasluftgemisch-Venturi-Düsen wird meist Luft als erstes Fluid eingesetzt und ein brennbares Gas als zweites Fluid.
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Venturi-Düsen kommen beispielsweise in Verbrennungseinrichtungen zum Einsatz. Diese wiederum werden unter anderem auch in Gebäudeheizungen eingesetzt.
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Nachteilhaft am Stand der Technik ist, dass aufgrund hoher Strömungsgeschwindigkeiten und des Düseneffekts an der Kanalverengung Strömungsgeräusche entstehen, zum Beispiel Pfeifgeräusche. Diese sind störend und teilweise auch gesundheitsschädlich.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine einfache und nach Möglichkeit auch nachrüstbare Lösung bereitzustellen, mit der Strömungsgeräusche an Venturi-Düsen mit wenig Aufwand und kostengünstig reduziert werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Hauptmerkmale der Erfindung sind im Kennzeichen des Anspruchs 1 und den Ansprüchen 11 und 12 angegeben. Optionale Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 10 und der nachstehenden Beschreibung.
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Die Erfindung betrifft eine Venturi-Düse mit einem Hauptströmungskanal, der eine Eintrittsseite und eine Austrittsseite aufweist, wobei durch die Eintrittsseite und den hieran anschließenden Abschnitt des Hauptströmungskanals eine Eintrittsquerschnittsfläche und eine Eintrittsmittelachse definiert sind, wobei auf der Eintrittsseite ein Luftleitelement angeordnet ist, das sich in der Richtung der Eintrittsmittelachse erstreckt, wobei das Luftleitelement innerhalb eines imaginären Projektionsvolumens angeordnet ist, das aus einer Projektion der Eintrittsquerschnittsfläche in Richtung der Eintrittsmittelachse resultiert.
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Durch das Luftleitelement auf der Eintrittsseite wird das zuströmende erste Fluid beruhigt, wodurch Strömungsgeräusche durch Reduktion von Verwirbelungen reduziert werden. Vorzugsweise ist das Luftleitelement als separierbares bzw. separates Bauteil ausgebildet. Hierdurch kann es bei Bedarf vorgesehen und zum Beispiel auch nachgerüstet werden.
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Vorzugsweise ist zwischen der Eintrittsseite und der Austrittsseite eine Kanalverengung in dem Hauptströmungskanal ausgebildet. Hierdurch lässt sich im Bereich der Kanalverengung ein Unterdruck erzeugen. Als Eintrittsseite kann dann der Bereich des Hauptkanals bis zu der Kanalverengung und als Austrittsseite der Bereich hinter der Kanalverengung bezeichnet werden. Vorzugsweise ist die Innenwandung des Hauptkanals glattwandig ausgebildet. Die Kanalverengung kann durch eine konusartige Verjüngung ausgebildet sein, zum Beispiel auch durch zwei gegeneinander gerichtete Konen, die an der Stelle ihres geringsten Durchmessers ineinander übergehen.
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Der Hauptströmungskanal sollte von einem Düsenkörper ausgebildet sein. Ein solcher kann eine Anschlussgeometrie auf der Eingangsseite und optional auch auf der Ausgangsseite für zusätzliche Leitungen aufweisen. Zu bevorzugen sind hierbei Anschlussflansche. Es ist bevorzugt ein Leitungsübergang ohne Querschnittsveränderung anzustreben.
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Gemäß einer näheren Ausgestaltung mündet ein Abnahmerohr zwischen der Eintrittsseite und der Austrittsseite in den Hauptströmungskanal, vorzugsweise im Bereich der Kanalverengung. Über dieses Abnahmerohr kann ein zweites Fluid angesaugt werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine ringförmige Innennut im Hauptströmungskanal ausgebildet, in welche das Abnahmerohr mündet. Damit wird das zweite Fluid über den Umfang des Hauptdurchflusskanals verteilt, insbesondere bevor es vom ersten Fluid mitgerissen wird.
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In einer optionalen Ausführung ist das Luftleitelement zwischen der Eintrittsmittelachse und der imaginären Mantelfläche des imaginären Projektionsvolumens angeordnet. In dieser Position kann es die Strömung beruhigen und es wird eine laminare Strömungsverteilung erzielt. Die imaginäre Mantelfläche und das imaginäre Projektionsvolumen sind jeweils kein physischer Bestandteil der Venturi-Düse, sondern dienen ausschließlich als imaginäre Hilfsmittel zur Definition von Positionen anderer Bauteile der Venturi-Düse.
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Vorzugsweise schirmt das Luftleitelement einen inneren Strömungsbereich von einem äußeren Strömungsbereich ab, wobei der innere Strömungsbereich näher an der Eintrittsmittelachse angeordnet ist als der äußere Strömungsbereich. Damit wird primär verhindert, dass Fluid vom Kern der Leitung nach außen wandert und umgekehrt. Dies trägt zu einer laminaren Strömungsverteilung und einer Reduktion der Strömungsgeräusche in der Venturi-Düse bei.
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In einer Variante ist das Luftleitelement als hohler Zylinder oder als hohler Konus ausgebildet. Damit wird eine über den gesamten Leitungsumfang wirkende Strömungsberuhigung erzielt und Querströmungen verhindert. Wenn ein hohler Konus eingesetzt wird, sollte dessen Konizität gering ausfallen. Durch einen Konus lässt sich beispielsweise die ansonsten am Leitungsmantel abfallende Strömungsgeschwindigkeit gegenüber der Kerngeschwindigkeit erhöhen, wozu er in Strömungsrichtung aufweitend ausgerichtet sein muss. Hinter dem Luftleitelement liegt dann eine harmonischere Strömungsgeschwindigkeit über dem Querschnitt vor.
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Bei einer näheren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Außendurchmesser des Luftleitelements kleiner ist als der Durchmesser der Eintrittsquerschnittsfläche.
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Hierdurch wird erreicht, dass die strömungsberuhigte Fluid auch so innerhalb des Hauptströmungskanals fortsetzt.
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Gemäß einer speziellen Dimensionierung ist der Außendurchmesser und/oder der Innendurchmesser des Luftleitelements im Wesentlichen so groß wie der kleinste Durchmesser des Hauptströmungskanals, vorzugsweise ist der Außendurchmesser und/oder der Innendurchmesser im Bereich ± 20 % vom kleinsten Durchmesser des Hauptströmungskanals, weiter bevorzugt im Bereich ± 10 % vom kleinsten Durchmesser des Hauptströmungskanals. Damit wird die Kernströmung und Außenströmung sehr gut zueinander sortiert bzw. beruhigt und es entstehen wenig Strömungsgeräusche im Hauptströmungskanal.
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Eine hohe Geräuschvermeidung wird auch mit einer Ausgestaltung erreicht, nach der das Luftleitelement zentriert, vorzugsweise koaxial, zur Eintrittsmittelachse angeordnet ist. Weiterhin wirkt es sich günstig aus, wenn das Luftleitelement zentriert, vorzugsweise koaxial, zur Kanalverengung angeordnet ist.
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Bevorzugt weist das Luftleitelement keine beweglichen Teile auf. Damit ist es robust und wartungsarm.
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Gemäß einer besonderen Ausführung ist das Luftleitelement mittels eines Haltelements relativ zum Hauptströmungskanal fixiert. Hierdurch kann es an der korrekten Position gehalten. Ein solches Haltelement sollte sich parallel zur Eintrittsmittelachse erstrecken. Damit ist es stabil ausgeführt und hat einen geringen Strömungswiderstand. Das Halteelement wird hierdurch selbst zu einem Luftleitelement. Dessen Funktion ist bevorzugt die Vermeidung von Drallströmungen.
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Bei einer speziellen Ausbildung ist an der Eintrittsseite eine Zuleitung mit einer Innenmantelfläche angeschlossen ist, wobei das Luftleitelement beabstandet von der Innenmantelfläche angeordnet ist. Hierdurch gelingt eine Strömungsberuhigung besonders gut. Das optionale Halteelement kann sich beispielsweise zwischen der Innenmantelfläche und dem Luftleitelement erstrecken.
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Ferner ist optional vorgesehen, dass zwischen der Eintrittsseite und der Austrittsseite eine Kanalverengung in dem Hauptströmungskanal ausgebildet ist, wobei das Luftleitelement beabstandet von der Kanalverengung angeordnet ist. Damit findet die Strömungsberuhigung bereits vor der Kanalverengung statt und die Beschleunigung und Verjüngung des Fluidstrahls in der Kanalverengung erfolgt harmonisch mit wenig Geräuschentwicklung. Bevorzugt liegt das Luftleitelement innerhalb eines zylindrischen Leitungsabschnitts.
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Weiterhin ist eine Ausführungsvariante vorgesehen, bei der das Luftleitelement beabstandet von der Eintrittsseite und außerhalb des Hauptströmungskanals angeordnet ist. An dieser Position ist das Luftleitelement kostengünstig und auch nachrüstbar montierbar. Beispielsweise ist es eigentlich nicht erforderlich in die Konstruktion des Hauptströmungskanals und damit dessen Produktionswerkzeuge einzugreifen.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine Verbrennungseinrichtung mit einer Venturi-Düse wie sie vor und nachstehend beschrieben ist, wobei an der Eintrittsseite eine Zuleitung für ein erstes Fluid angeschlossen ist, und wobei ein Abnahmerohr für ein zweites Fluid zwischen der Eintrittsseite und der Austrittsseite in den Hauptströmungskanal mündet. Mit einer solchen Venturi-Düse lassen sich das erste und zweite Fluid kontinuierlich mischen, insbesondere bevor es entzündet wird.
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In einer speziellen Variante ist das erste Fluid ein Sauerstoff enthaltenes Fluid ist. Das erste Fluid ist vorzugsweise gasförmig. Es kann sich bei dem ersten Fluid beispielsweise um Luft handeln. Das zweite Fluid ist vorzugsweise ein Brennstoff enthaltendes Fluid. Es bietet sich als zweites Fluid insbesondere ein gasförmiges Fluid an. Auf diese Weise ist ein gut durchmischtes und sauber verbrennendes Gemisch bereitstellbar, das insbesondere auch erst kurz vor der Entzündung aber noch außerhalb eines Brennraums kontinuierlich herstellbar ist.
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Die Zuleitung ist eingangsseitig bevorzugt mit einem Fluidspeicher oder einer Fluidquelle aufweisend das erste Fluid verbunden. Hierdurch kann das erste Fluid zum Hauptkanal geführt werden. Das Abnahmerohr ist eingangsseitig vorzugsweise mit einem Speicher oder Leitung enthaltend das zweite Fluid verbunden. Damit kann das zweite Fluid über das Abnahmerohr zum Hauptkanal geführt werden.
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Es bietet sich eine Ausführung an, wonach die Austrittsseite des Hauptströmungskanals mit einem Brennraum strömungsverbunden ist. Ein Brennraum verhindert unkontrollierte Änderungen im zu verbrennenden Gemisch und kann die Wärme gezielt an Wärmeempfänger weiterleiten.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Gebäudeheizanlage mit einer Verbrennungseinrichtung, wie sie vor- und nachstehend beschrieben ist, und einem Speicher oder einer Leitung mit einem Wärmeträgermedium, vorzugsweise Wasser, das mit der Verbrennungseinrichtung erwärmbar ist. Die erfindungsgemäße Gebäudeheizanlage kann aufgrund der leisen Venturi-Düse auch in geräuschsensiblen Bereichen eingesetzt werden. Dies insbesondere nicht nur in geschlossenen Technikräumen, sondern beispielsweise auch in Warmwasserthermen im Wohnbereich.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. Es zeigt:
- 1 einen Längsschnitt durch eine Venturi-Düse mit einem Luftleitelement.
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1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Venturi-Düse 1 mit einem Luftleitelement 20. Die Venturi-Düse 1 weist einen Düsenkörper 15 mit einem Hauptströmungskanal 2 auf, der sich von einer Eintrittsseite 3 zu einer Austrittsseite 4 erstreckt. Auf der Eintrittsseite weist der Düsenkörper 3 eine erste Anschlussgeometrie 16 und auf der Ausgangsseite 4 eine zweite Anschlussgeometrie 17 für zusätzliche Leitungen auf. Die Anschlussgeometrien 16, 17 sind jeweils als Anschlussflansch ausgebildet.
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Zwischen der Eintrittsseite 3 und der Austrittsseite 4 bildet der Düsenkörper 15 eine Kanalverengung 13 in dem Hauptströmungskanal 2 aus. Ein Abnahmerohr 14 mündet zwischen der Eintrittsseite 3 und der Austrittsseite 4 in den Hauptströmungskanal 2, dies insbesondere im Bereich der Kanalverengung 13. Die Kanalverengung 13 weist eine Verjüngungsrampe einen nahezu zylindrischen Mittelabschnitt und eine Entspannungsrampe auf. Die Verjüngungsrampe ist steiler als die Entspannungsrampe.
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In der Kanalverengung 13 ist eine ringförmige Innennut 18 im Hauptströmungskanal 2 ausgebildet, in welche das Abnahmerohr 14 mündet. Sie liegt insbesondere im Mittelabschnitt der Kanalverengung 13. Die Innennut 18 ist schlitzförmig, das heißt tiefer als breit. Damit wird das zweite Fluid über den Umfang des Hauptdurchflusskanals 2 verteilt, insbesondere bevor es vom durch den Hauptdurchflusskanal 2 strömenden ersten Fluid mitgerissen wird.
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Durch die Eintrittsseite 3 und den hieran anschließenden Abschnitt des Hauptströmungskanals 2 sind eine Eintrittsquerschnittsfläche 5 und eine Eintrittsmittelachse 6 definiert. Auf dieser Eintrittsseite 3 ist ein Luftleitelement 20 angeordnet, das sich in der Richtung der Eintrittsmittelachse 6 erstreckt. Dabei ist das Luftleitelement 20 innerhalb eines imaginären Projektionsvolumens 7 angeordnet, das aus einer Projektion der Eintrittsquerschnittsfläche 5 in Richtung der Eintrittsmittelachse 6 resultiert. Man erkennt, dass das Luftleitelement 20 zwischen der Eintrittsmittelachse 6 und der imaginären Mantelfläche 8 des imaginären Projektionsvolumens 7 angeordnet ist. Insbesondere ist der Außendurchmesser des Luftleitelements 20 kleiner ist als der Durchmesser der Eintrittsquerschnittsfläche 5. Das Luftleitelement 20 schirmt einen inneren Strömungsbereich 9 von einem äußeren Strömungsbereich 10 ab, wobei der innere Strömungsbereich 9 näher an der Eintrittsmittelachse 6 angeordnet ist als der äußere Strömungsbereich 10.
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Das Luftleitelement 20 ist vorliegend als hohler Zylinder ausgebildet und weist keine beweglichen Teile auf. Denkbar ist jedoch ein hohler Konus, vorzugsweise mit geringer Konizität. Der Durchmesser eines solchen Konus sollte in der Strömungsrichtung des ersten Fluides geringer werden. Zu den hohlen Konen zählen sowohl Varianten, bei denen die Innenmantelfläche und die Außenmantelfläche konusförmig ausgebildet sind, als auch Varianten, bei denen eine der beiden Flächen zylindrisch und die andere konisch ausgebildet ist.
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Das zylindrische Luftleitelement 20 ist sehr dünnwandig ausgebildet, sodass dessen Außendurchmesser und Innendurchmesser im Wesentlichen so groß ausgelegt ist wie der kleinste Durchmesser des Hauptströmungskanals 2. Man erkennt, dass der Außendurchmesser und der Innendurchmesser nicht mehr als ± 20 % vom kleinsten Durchmesser des Hauptströmungskanals abweichen. Zu bevorzugen ist eine maximale Abweichung von ± 10 % vom kleinsten Durchmesser des Hauptströmungskanals 2.
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Des Weiteren kann man erkennen, dass das Luftleitelement 20 zentriert und koaxial zur Eintrittsmittelachse 6 angeordnet ist. Das Luftleitelement 20 ist hierzu mittels eines Haltelements 21 relativ zum Hauptströmungskanal 2 fixiert. Das Haltelement 21 erstreckt sich parallel zur Eintrittsmittelachse 6.
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An der Eintrittsseite 3 eine Zuleitung 11 mit einer Innenmantelfläche 12 angeschlossen. Zwischen der Zuleitung 11 und dem Hauptströmungskanal ist ein innerer Leitungsübergang ohne Querschnittsveränderung ausgebildet. Das Luftleitelement 20 ist beabstandet von der Innenmantelfläche 12 der Zuleitung 11 angeordnet. Das Luftleitelement 20 liegt außerdem in einem zylindrischen Leitungsabschnitt und hält Abstand von der Kanalverengung 13. Im Besonderen ist das Luftleitelement 20 beabstandet von der Eintrittsseite 3 und außerhalb des Hauptströmungskanals 2 angeordnet.
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Die Erfindung ist nicht auf eine der vorbeschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern in vielfältiger Weise abwandelbar.
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Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
