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Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen eine Vorrichtung zum Vorwärmen metallischer Werkstücke außerhalb eines Reaktors. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, mit der die Endstücke von zu verschweißenden Bahnschienen auf eine für den nachfolgenden Schweißprozess geeignete Vorwärmtemperatur erwärmt werden können.
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Es gibt zahlreiche Situationen, in denen vergleichsweise große und schwere metallische Werkstücke auf eine Vorwärmtemperatur erwärmt werden müssen, um sie einem nachfolgenden thermischen Prozess zu unterziehen. Dies kann insbesondere dann zu Schwierigkeiten führen, wenn das Vorwärmen außerhalb von Reaktoren oder sogar außerhalb von Werkhallen erforderlich ist, sodass die Umgebungsbedingungen nicht beeinflussbar, sondern abhängig vom jeweiligen Einsatzort und der dort herrschenden Wetterlage sind. Ein solcher Einsatzfall liegt beispielsweise beim Schweißen von Bahnschienen vor, wie es bei der Neuverlegung oder auch der Reparatur der Bahnschienen erforderlich wird. Die Enden der aneinandergereihten Bahnschienen müssen in situ miteinander verschweißt werden, um einen stoßfreien Schienenverlauf zu erhalten. Üblicherweise wird dabei das sogenannte Thermitschweißen bzw. aluminothermische Schweißen angewendet, bei welchem Aluminium als Reduktionsmittel benutzt wird, um Eisen(III)-oxid zu Eisen zu reduzieren. Dazu werden die zu verbindenden Schienenenden mit einem verbleibenden Spalt aufeinander ausgerichtet und eine Mischung aus Eisenoxidpulver und Aluminiumpulver wird in einem Tiegel über der Schweißstelle angeordnet. Nach der Zündung des Gemisches verflüssigt sich das Eisen und fließt in den Spalt zwischen den beiden Schienen.
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Für die Herstellung einer optimalen Schweißnaht ist es in diesen Situationen zweckmäßig, dass die jeweiligen Enden der Bahnschienen vor dem eigentlichen Schweißvorgang vorgewärmt werden. Dazu wird bevorzugt eine Brennerflamme auf die Enden der Schienen gerichtet. Aufgrund der hohen Masse der Schienen und deren großer Wärmekapazität ist für ein solches Vorwärmen ein hoher Wärmemengeneintrag in kurzer Zeit erforderlich, was zu einem großen Verbrauch an Brenngas führt. Die Prozessbedingungen beim Vorwärmen sind bislang schwer zu kontrollieren, was immer wieder zu schlechten Schweißergebnissen und späteren Brüchen in der Schweißstelle führt.
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Bereits die
DE 843 342 B beschreibt ein Verfahren zur Vermeidung von Schrumpfspannungsrissen beim Schweißen von Schienen, wobei die Enden der Schienen vorgewärmt werden.
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Die
DE 10 2005 018 176 B4 beschreibt eine Temperiervorrichtung für ein Schweißen von Bahnschienen. Die Temperiervorrichtung besitzt eine Temperierdecke, die entlang eines Schienenstrangabschnitts das Profil des Schienenstrangabschnitts eng anliegend unter Freilassung der Unterseite des Schienenfußes ummantelt und mindestens zwei Lagen aufweist. Eine innere Lage führt ein temperiertes Medium in Längsrichtung des Schienenstrangabschnittes hin und zurück von bzw. zu einem Einspeisungsbereich und eine äußere Lage umfasst ein thermisch isolierendes Material. Die Anwendung einer solchen Temperierdecke führt allerdings zu sehr langen Prozesszeiten.
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Die
DE 10 2018 100 729 A1 zeigt ein Verfahren zum Rekonstruieren des Schienenprofils von verschlissenen Schienen oder zum Verbindungsschweißen von Schienen. Dabei werden mehrere übereinander liegende Lagen metallischen Materials auf einen verschlissenen Bereich der Schiene aufgetragen. Die Schiene wird an dem zu rekonstruierenden Schienenabschnitt bzw. dem Endabschnitt auf eine Vorwärmtemperatur vorgewärmt, vorzugsweise mit einem Gasbrenner oder einem elektrischen Heizgerät. Die Vorwärmtemperatur beträgt vorzugsweise weniger als 100°C, insbesondere etwa 50°C.
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Grundsätzlich ist das schnelle und effiziente Erwärmen metallischer Werkstücke auch in anderen Bereichen von Interesse. Funktionierende Lösungen finden sich vor allem für Anwendungen, die im Labor oder jedenfalls unter kontrollierten industriellen Bedingungen stattfinden, sodass stationäre Anlagen genutzt werden können, die mit entsprechender Sorgfalt gehandhabt und gesteuert werden.
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Die
DE 10 2016 004 977 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung eines Rohstoffes in einem schwingenden Heißgasstrom eines Schwingfeuerreaktors. Der Schwingfeuerreaktor umfasst einen Brenner, dem über wenigstens eine Leitung ein Massenstrom zur Bildung wenigstens einer Flamme zugeführt wird, die den schwingenden Heißgasstrom erzeugt. Die Flamme ist in einer Brennkammer angeordnet. Ein Reaktionsraum schließt sich stromabwärts an die Brennkammer an. Stromaufwärts in der zur Flamme führenden Leitung ist eine extern antreibbare Pulsationseinrichtung für wenigstens einen Teil des zum Brenner geführten Massenstromes angeordnet.
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Grundsätzlich arbeiten vorbekannte pulsierende Flammen, wie sie sich in geschlossenen Reaktoren erzeugen lassen, nach dem Prinzip der selbsterregten Schwingung. Bekannt ist, dass bei einer kontinuierlichen Strömung eines brennfähigen Gasgemisches unter bestimmten Bedingungen eine selbsterregte Schwingung entsteht, die zu einer pulsierenden Flamme führt. In solchen Reaktoren gibt es keine externe Erregungsquelle für die Schwingung. Diese selbsterregten Reaktoren sind daher bezüglich der Frequenz und der Amplitude der Pulsation abhängig von der Baugröße der Reaktoranordnung. Ohne bauliche Veränderungen sind daher weder Frequenz noch Amplitude einstellbar.
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Auch die
DE 10 2016 005 155 A1 zeigt eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung eines Rohstoffes in einem schwingenden Heißgasstrom eines Schwingfeuerreaktors. Der dort genutzte Brenner ist als ein Drallbrenner gestaltet und am Brenneraustritt ist ein Diffusor nachgeschaltet, um eine drallstabilisierte Flamme zu erzeugen. Der Diffusor weist bevorzugt eine konisch ausgebildete Form mit in Axialrichtung zunehmender Querschnittsfläche auf.
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Die
DE 10 2015 005 224 B4 beschreibt u.a. eine Schwingfeuerung für eine Materialbehandlung, die einen Brenner aufweist, dem zu einem Brenneraustritt über eine Leitung Brennstoff und/oder Luft zugeführt wird. Am Brenneraustritt bildet sich eine selbsterregt pulsierende Flamme, Dafür besitzt die Brennkammer eine resonanzfähige Gassäule, bei der durch die pulsierende Flamme eine Pulsation bewirkt wird. Zur Änderung der Pulsationsamplitude der resonanzfähigen Gassäule ist die Leitung für den Brennstoff stromaufwärts mit wenigstens einem Schwingungsvolumen strömungstechnisch verbunden.
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In der
US 5 015 171 A sind ein Impulsbrenner und ein Verarbeitungssystem, welches den Impulsbrenner nutzt, beschrieben. Das Verarbeitungssystem umfasst eine akustisch resonante Bearbeitungskammer und einen frequenzabstimmbaren gepulsten Brenner mit Flammenhalter. Das System weist eine verbesserte Feuchtigkeitsabfuhr auf und führt zu einer Partikelerwärmung.
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Aus der
US 5 540 583 A sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum sicheren Verbrennen eines Brennstoffs bekannt. Die Vorrichtung umfasst eine Brennstoffleitung und eine Oxidationsmittelleitung, welche an eine Mischeinrichtung gekoppelt sind. An der Mischeinrichtung ist eine Einspritzvorrichtung angeordnet, welche das erzeugte Stoffgemisch in einen Verbrennungsbereich einspritzt. Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine Einrichtung zum Erzeugen eines periodischen Strömungsfeldes innerhalb des Verbrennungsbereiches.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, eine verbesserte Vorrichtung zum Vorwärmen metallischer Werkstücke bereit zu stellen, wobei diese Erwärmung außerhalb eines geschlossenen Reaktors, insbesondere auch im Freien unter nicht kontrollierten Umweltbedingungen möglich sein soll. Insbesondere soll es die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglichen, die Endstücke von miteinander zu verschweißenden Bahnschienen auf eine für den nachfolgenden Schweißprozess geeignete Vorwärmtemperatur zu erwärmen.
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Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Vorwärmen metallischer Werkstücke, insbesondere der Endstücke miteinander zu verschweißender Bahnschienen, besitzt zunächst ein Brennerrohr, in welchem sich vorzugsweise koaxial eine Brenngasleitung erstreckt. Brennerrohr und Brenngasleitung haben jeweils einen Eingang und einen Ausgang, wobei eine Strömungsrichtung vom Eingang zum Ausgang verläuft. Für die nachfolgenden Erläuterungen wird davon ausgegangen, dass Formulierungen wie „in Strömungsrichtung (weiter) vorn“ oder „in Strömungsrichtung nachfolgend“ eine Position definieren, die sich stromabwärts bzw. näher am Ausgang befindet als eine Position „in Strömungsrichtung (weiter) hinten“ oder „in Strömungsrichtung vorausgehend“, die somit stromaufwärts bzw. näher am Eingang von Brennerrohr und/oder Brenngasleitung liegt.
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Am Eingang des Brennerrohrs ist Verbrennungsluft zuführbar. Bevorzugt wird diese von einem Gebläse, einer Druckflasche oder dergleichen mit Überdruck an den Eingang geliefert. Der Verbrennungsluft kann bei Bedarf zusätzlicher Sauerstoff beigemischt werden. Am Eingang der Brenngasleitung ist Brenngas zuführbar, insbesondere aus einer Druckflasche. Als Brenngas kommt bevorzugt Butan, Propan oder ein ähnliches Brenngas mit hohem Brennwert in Betracht. Die zuzuführende Brenngasmenge wird in herkömmlicher Weise über Ventile oder dergleichen und abhängig von der spezifischen Größe der Vorrichtung und der von dieser an die Werkstücke bereitzustellenden Wärmemenge gesteuert. Der Fachmann kann insoweit auf herkömmliche Brenner mit offener Flamme zurückgreifen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt eine Pulserzeugungseinheit (auch Pulsationseinrichtung oder Pulsator genannt) auf der Eingangsseite des Brennerohrs, die ein Aufteilmittel zur Aufteilung der Verbrennungsluft in mindestens zwei Teilströme und ein in Strömungsrichtung nachfolgendes Zusammenführmittel zum Zusammenführen der mindestens zwei Teilströme der Verbrennungsluft umfasst. Vor dem Zusammenführen der Teilströme durch das Zusammenführmittel der Pulserzeugungseinheit ist der Volumenstrom von mindestens einem der beiden Teilströme pulsierend veränderbar, um Druckimpulse in der zusammengeführten Verbrennungsluft zu erzeugen. Dabei wird der mindestens eine Teilstrom vorzugsweise gleichmäßig pulsierend dem anderen Teilstrom zugemischt, sodass nach dem Zusammenführmittel ein Gesamtvolumenstrom vorliegt, in welchem Druckwellen und periodische Schwingungen der axialen Strömungsgeschwindigkeit auftreten, die dann stromabwärts im Brennerrohr mit der Verbrennungsluft in Richtung zum Ausgang voranschreiten. Der im Brennerrohr strömenden Verbrennungsluft ist auf diese Weise eine Schwingung aufgeprägt, die sich nachfolgend in ihrer Amplitude verstärken lässt.
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Für diese Verstärkung besitzt die Vorrichtung einen vorzugsweise längenveränderlichen Resonator, der in Strömungsrichtung hinter der Pulserzeugungseinheit verläuft. Der Resonator ist in seiner Länge an die Frequenz der in der Verbrennungsluft erzeugten Schwingung angepasst, um deren Amplitude zu verstärken (Resonanzprinzip). Sofern bei speziellen Ausführungsformen diese Frequenz bekannt und unveränderlich ist, kann auch der Resonator in seiner Länge fest ausgeführt sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Resonator jedoch längenveränderlich und umfasst dazu vorzugsweise mindestens zwei teleskopartig zueinander verschiebbare Abschnitte. Die resultierende Länge sowohl des Brennerrohrs als auch der Brenngasleitung ist miteinander veränderbar, indem die Länge des Resonators verändert wird. Der Resonator hat bevorzugt eine resultierende Länge im Bereich zwischen 0,5 bis 1,5 m. Vorzugsweise kann die Länge des Resonators manuell vom Bediener eingestellt und ggf. fixiert werden. In abgewandelten Ausführungsformen kann die Resonatorlänge aber auch motorisch oder pneumatisch veränderlich sein, um die Längeneinstellung zu erleichtern. Zweck des Resonators ist es, die Druckimpulse, welche in der Pulserzeugungseinheit in die Verbrennungsluft eingetragen werden, in ihrer Amplitude zu verstärken. Dafür ist die Länge des Resonators an die Frequenz, mit der die Druckimpulse in der Verbrennungsluft auftreten, angepasst, nämlich derart, dass Resonanz im Resonator auftritt. Der Resonator hat bevorzugt einen Innendurchmesser im Bereich von 50 bis 100 mm. Mit einem solchen Resonator gelingt eine Amplitudenverstärkung etwa um den Faktor 5 bis 15.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt außerdem ein Mischmittel, welches am Ausgang der Brenngasleitung positioniert ist, um die pulsierende Verbrennungsluft und das Brenngas zu einem brennbaren Gemisch zusammenzuführen. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Mischmittel um eine Mehrlochdüse zum radialen Eindüsen des Brenngases in die pulsierende Verbrennungsluft. Bis zu diesem Mischmittel sind Brenngas und Verbrennungsluft getrennt geführt, sodass erst am Ausgang des Brennerrohrs ein zündfähiges Gemisch entsteht (Vormischverbrennung). Schließlich besitzt die Vorrichtung einen Brennerkopf, welcher in Strömungsrichtung hinter dem Mischmittel angeordnet ist und an welchem das brennbare Gemisch entzündbar ist. Der Brennerkopf stellt damit den Ausgang bzw. das Ende des Brennerrohrs dar, an welchem die Flamme erzeugt wird. Bevorzugt kann dort eine Zündeinrichtung, beispielsweise eine piezoelektrische Zündeinrichtung angeordnet sein, um am Beginn der Nutzung der Vorrichtung die Flame zu zünden.
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Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass mit einem sehr einfachen Aufbau eine pulsierende Freiflamme (außerhalb eines Reaktors) erzeugt werden kann, deren Frequenz und Amplitude einstellbar sind. Im Vergleich zu ungepulsten Freiflammen kann dadurch eine deutlich größere Wärmemenge pro Zeiteinheit an das zu erwärmende Werkstück geführt werden. Somit lassen sich in sehr kurzer Zeit beispielsweise die zu verschweißenden Enden von Bahnschienen auf eine Temperatur erwärmen, die auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen die nachfolgende Herstellung einer langzeitstabilen, qualitativ hochwertigen Schweißverbindung gestattet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet keine selbsterregte Schwingung der Flamme, sondern arbeitet mit einer zwangserregten Schwingung, hervorgerufen durch die Pulserzeugungseinheit beim Zusammenführen von zwei Teilströmen der Verbrennungsluft und verstärkt durch den nachfolgenden Resonator, der sich durch einfache Längenänderung an die eingestellte Frequenz anpassen lässt. Das Ziel ist dabei die Bereitstellung einer zeitlich erregten, pulsierenden Wärmeströmung durch eine Freiflamme am Ausgang des Brennerrohrs bzw. am Brennerkopf, um den Wärmeeintrag an den zu erwärmenden Werkstücken zu verbessern.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Aufteilmittel der Pulserzeugungseinheit durch eine Hülse und ein Innenrohr gebildet. Die beiden Teilströme der Verbrennungsluft werden in einen Hauptstrom mit größerem Volumenstrom und einen Nebenstrom mit kleinerem Volumenstrom aufgeteilt. Zwischen dem Innenrohr und der Hülse verbleibt ein Ringspalt für den Nebenstrom. Im Innenrohr steht ein Strömungsquerschnitt für den Hauptstrom bereit. Das Innenrohr weist in einem Zusammenführabschnitt mehrere am Umfang verteilte Öffnungen auf, die ein Einströmen des Nebenstroms in radialer Richtung in den Hauptstrom gestatten. Der Ringspalt ist in Strömungsrichtung nachfolgend auf den Zusammenführabschnitt verschlossen, sodass beim Nachführen von Verbrennungsluft am Eingang des Brennerrohrs am Zusammenführabschnitt ein Staudruck entsteht, der den Nebenstrom in den Hauptstrom zurück führt.
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In Strömungsrichtung nachfolgend auf das Aufteilmittel ist ein Volumensteuermittel vorgesehen, mit welchem der Strömungsquerschnitt im Pfad des Hauptstroms veränderbar ist. In Strömungsrichtung nachfolgend auf das Volumensteuermittel ist als Bestandteil der Pulserzeugungseinheit (Pulsator) ein Pulsiermittel angeordnet, welches die Öffnungen im Zusammenführabschnitt alternierend öffnet und schließt, sodass der Nebenstrom periodisch pulsierend in den Hauptstrom eingeführt wird. Damit überträgt sich die pulsierende Druckveränderung auf den Hauptstrom, sodass die Verbrennungsluft in Strömungsrichtung nach dem Zusammenführmittel die pulsierende Druck- und Strömungsgeschwindigkeitsschwankung zeigt, obwohl die Zufuhr der Verbrennungsluft am Eingang des Brennerrohrs weitgehend gleichförmig erfolgt. Damit ist der im Brennerrohr strömenden Verbrennungsluft eine Schwingung aufgeprägt, die sich nachfolgend in ihrer Amplitude verstärken lässt, mithilfe des Resonators.
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Gemäß abgewandelter Ausführungsformen kann das Aufteilmittel auch durch getrennte Kanäle, gesteuerte Strömungsabschnitte oder dergleichen gebildet sein, die es ermöglichen, die Verbrennungsluft in Teilströme aufzuteilen.
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In abgewandelten Ausführungsformen kann das Pulsiermittel beispielsweise durch Ventile, bewegliche Klappen, im Querschnitt schnell veränderliche Durchströmöffnungen oder andere Elemente gebildet sein. Wesentlich ist dabei, dass eine pulsartige, zyklisch wiederkehrende Zumischung eines Teilstroms der Verbrennungsluft erfolgt, um die zyklische Druck- und Strömungsgeschwindigkeitsschwankung in der Verbrennungsluft bei einer gewünschten Frequenz im Bereich von 10 bis 300 Hz zu erzeugen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besitzt der Brennerkopf einen feststehenden Drallerzeuger, der drallförmig verlaufende Strömungskanäle aufweist, durch welche das brennbare Gemisch strömt. Dies erzeugt beim Verbrennen eine Drallflamme, die trotz pulsierender Verbrennungsluft nicht zum Flammenabriss neigt.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
- 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Vorwärmen metallischer Werkstücke, insbesondere der Endstücke miteinander zu verschweißender Bahnschienen, in einer seitlichen Gesamtansicht sowie in einer Axialschnittansicht;
- 2 eine Detaildarstellung einer Pulserzeugungseinheit der Vorrichtung gemäß 1 in einer seitlichen Gesamtansicht sowie in einer Axialschnittansicht;
- 3 eine geschnittene Detailansicht des Ausgangsbereichs der Vorrichtung gemäß 1, mit einem Mischmittel und einem Brennerkopf.
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1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Diese eignet sich vor allem - aber nicht ausschließlich - zum Vorwärmen der sich gegenüberliegenden Enden zweier Bahnschienen, um deren Verschweißen vorzubereiten. In der oberen Abbildung ist die Vorrichtung in einer seitlichen Draufsicht gezeigt, während die untere Abbildung einen Schnitt entlang der Längsachse der Vorrichtung zeigt. Die Vorrichtung besitzt ein lang gestrecktes Brennerrohr 01, welches mehrere Bestandteile umfasst, die nachfolgend noch beschrieben werden. Das Brennerrohr 01 kann aus Metall bestehen und einen Innendurchmesser beispielsweise im Bereich von 75 bis 150 mm aufweisen. Im Inneren des Brennerrohrs 01 erstreckt sich im Wesentlichen über die gesamte Länge eine Brenngasleitung 02, die koaxial zum Brennerrohr 01 verläuft. Im Betrieb wird an einem Eingang 03 des Brennerrohrs 01 Verbrennungsluft eingespeist, beispielsweise durch ein Gebläse (nicht gezeigt). An einem Eingang 04 der Brenngasleitung wird gleichzeitig Brenngas zugeführt, beispielsweise aus einer Druckflasche. Verbrennungsluft und Brenngas werden zunächst getrennt geführt, um die Bildung eines brennbaren Gemischs zu vermeiden.
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In der Nähe der Eingänge folgt stromabwärts eine Pulserzeugungseinheit 06. Die Brenngasleitung 02 läuft durch die Pulserzeugungseinheit 06 koaxial hindurch und dient gleichzeitig als Achse für weitere Bauelemente, die in Bezug auf 2 noch beschrieben werden. Die Verbrennungsluft durchströmt die Pulserzeugungseinheit 06 und wird dort einer Beeinflussung unterzogen, was ebenfalls weiter unter beschrieben wird. Stromabwärts nachfolgend auf die Pulserzeugungseinheit 06 strömt die beeinflusste Verbrennungsluft wieder im freien Querschnitt des Brennerrohrs 01 und zwar in einem ersten Teleskopabschnitt 07 eines Resonators 08, dem dann weiter stromabwärts ein zweiter Teleskopabschnitt 09 folgt. Die beiden Teleskopabschnitte 07, 09 sind axial zueinander verschiebbar, sodass sich damit die wirksame Länge des Resonators 08 verändern lässt. Im hier dargestellten einfachen Fall wird diese Längenänderung des Resonators 08 vom Benutzer manuell vorgenommen. Es versteht sich, dass dazu auch die Brenngasleitung 02 abschnittsweise teleskopartig aufgebaut ist, um der Längenänderung des Brennerrohrs 01 zu folgen. Die beiden Enden der Brenngasleitung 02 sind stattdessen gegenüber dem Brennerrohr 01 fixiert, insbesondere durch mehrere Halterungen 11.
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In der Nähe eines Ausgangs 12 der Brenngasleitung 02 befindet sich ein Mischmittel 13 im Brennerrohr 01, welches dazu dient, die pulsierende Verbrennungsluft und das Brenngas zu einem brennbaren Gemisch zusammenzuführen. In Strömungsrichtung nachfolgend auf das Mischmittel 13 ist an einem Ausgang 14 des Brennerrohrs 01 ein Brennerkopf 16 positioniert, an dem das brennbare Gemisch entzündet werden kann, beispielsweise mit einer an sich bekannten Zündvorrichtung (nicht gezeigt). Die Einzelheiten werden in Bezug auf 3 weiter unten beschrieben.
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2 zeigt in zwei Abbildungen eine Detaildarstellung der Pulserzeugungseinheit 06. Die obere Abbildung zeigt die Pulserzeugungseinheit 06 in einer seitlichen Ansicht von außen, die untere Abbildung zeigt einen Axialschnittansicht. Die Pulserzeugungseinheit 06 besitzt in dieser Ausführungsform zunächst eine außen liegende Hülse 17, in welcher koaxial ein Innenrohr 18 verläuft. Das Innenrohr 18 beginnt axial in Strömungsrichtung nachfolgend zur Hülse 17, sodass auf diese Weise ein Aufteilmittel gebildet ist. Die am Eingang 03 des Brennerrohrs 01 einströmende Verbrennungsluft (Luft) wird daher in der Pulserzeugungseinheit 06 zunächst aufgeteilt in einen Hauptstrom, der durch das Innenrohr strömt, und einen Nebenstrom, der in einem Ringspalt 19 zwischen der Hülse 17 und dem Innenrohr 18 strömt.
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Im Innenrohr 18 befindet sich ein Volumensteuermittel 21, in Strömungsrichtung nachfolgend auf das Aufteilmittel, mit welchem der Strömungsquerschnitt im Innenrohr, also im Pfad des Hauptstroms veränderbar ist. Dadurch lässt sich die Menge an durchströmender Verbrennungsluft steuern. Im der dargestellten Ausführungsform ist das Volumensteuermittel 21 durch eine Drosselklappe gebildet, die um eine senkrecht zur Längsachse des Brennerrohrs stehende Klappenachse schwenkbar ist. Besonders bevorzugt ist in der Drosselklappe eine Ruhestromöffnung vorgesehen, durch welche ein geringer Volumenstrom der Verbrennungsluft auch bei geschlossener Drosselklappe aufrechterhalten bleibt. Die Drosselklappe ist von außen durch den Bediener über einen Drosselknopf 22 einstellbar.
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In Strömungsrichtung nachfolgend auf das Volumensteuermittel 21 folgt ein Pulsiermittel 23, welches in der dargestellten Ausführungsform ein Käfigrad 24 und eine oder mehrere Antriebsschaufeln 26 umfasst. Die Antriebsschaufel 26 ist bevorzugt auf der Brenngasleitung 02 gelagert und wird durch den Hauptstrom der Verbrennungsluft zur Rotation veranlasst. Die Antriebsschaufel 26 ist an das Käfigrad 24 gekoppelt und versetzt auch dieses in Rotation, sobald Verbrennungsluft zugeführt wird. Das Käfigrad 24 kann ebenfalls auf der Brenngasleitung 02 gelagert sein und/oder eine Lagerung an der Innenwand des Innenrohrs 18 erfahren. Am Umfang des Käfigrads 24 sind geschlossene und geöffnete Abschnitte alternierend angeordnet. Gegenüberliegend dazu befinden sich in der Wandung des Innenrohrs 18 in einem Zusammenführabschnitt am Umfang verteilte Öffnungen 27, die bei einer Rotation des Käfigrads alternierend geöffnet und geschlossen werden. Das Käfigrad und die verteilten Öffnungen bilden gemeinsam ein Zusammenführmittel, welches die Teilströme der Verbrennungsluft zusammenführt. Das Käfigrad 24 und die Öffnungen 27 sind so aufeinander abgestimmt, dass je nach Rotationswinkel des Käfigrads keine, wenig oder viel Verbrennungsluft des Nebenstroms aus dem Ringspalt 19 in den Hauptstrom im Innenrohr 18 zurück geführt wird.
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Der Ringspalt 19 zwischen der Hülse 17 und dem Innenrohr 18 ist in Strömungsrichtung hinter dem Zusammenführabschnitt verschlossen, sodass im Ringspalt eine Staudruck entsteht, welcher den Nebenstrom durch die Öffnungen 27 radial zurück in den Hauptstrom führt, wie dies in 2 durch die Strömungspfeiles symbolisiert ist. Durch die pulsartige Zufuhr des Nebenstroms entsteht auch im Hauptstrom eine Schwingung, mit zunächst kleiner Amplitude. Die Frequenz dieser Schwingung wird durch die Rotation des Käfigrads bestimmt und lässt sich über die Drosselklappe / das Volumensteuermittel steuern. Gleichzeitig steuert das Volumensteuermittel über den Volumenstrom und dessen Aufteilung auch die Primär-Amplitude der erzeugten Schwingung.
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Durch die Längenveränderung des Resonators 08 kann für diesen eine Resonanzfrequenz eingestellt werden, die mit der Schwingung der Verbrennungsluft korrespondiert. Damit kommt es zu einer resonanzbedingten Verstärkung der der Verbrennungsluft eingeprägten Schwingung, sodass die Primär-Amplitude um einen Verstärkungsfaktor im Bereich von 5-15 verstärkt wird und eine verstärkte Sekundär-Amplitude resultiert. Dies Verstärkung genügt, um am Ausgang 14 des Brennerrohrs 01 eine pulsierende Flamme entstehen zu lassen.
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3 zeigt eine geschnittene Detailansicht des Ausgangsbereichs der Vorrichtung. Wie bereits erwähnt, tritt am Ausgang 12 der Brenngasleitung 02 das Brenngas aus und vermischt sich dort mit der pulsierenden Verbrennungsluft, sodass ein brennbares Gemisch bereitsteht. Genutzt wird dafür das Mischmittel 13, welches im einfachen Fall ein Spaltöffnung oder ein Lochkranz am Ende der Brenngasleitung 02 sein kann. In der Nähe des Mischmittels 13 kann eine Zündvorrichtung angeordnet sein (nicht gezeigt).
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Die pulsierende Flamme steht am Ausgang 14 des Brennerrohrs 01 im Bereich des Brennerkopfs 17 zur Verfügung. Damit es aufgrund der Pulsation nicht zu einem Flammenabriss kommt, ist es zweckmäßig, im Brennerkopf 16 einen Drallkörper 28 vorzusehen, der mehrere drallförmig verlaufende Strömungskanäle aufweist. Das brennbare Gemisch durchströmt die Strömungskanäle und bildet eine Drallflamme, die kaum noch zum Flammenabriss neigt.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Brennerrohr
- 02
- Brenngasleitung
- 03
- Eingang des Brennerrohrs
- 04
- Eingang der Brenngasleitung
- 05
- -
- 06
- Pulserzeugungseinheit
- 07
- erster Teleskopabschnitt
- 08
- Resonator
- 09
- zweiter Teleskopabschnitt
- 10
- -
- 11
- Halterung für die Brenngasleitung
- 12
- Ausgang der Brenngasleitung
- 13
- Mischmittel
- 14
- Ausgang des Brennerrohrs
- 15
- -
- 16
- Brennerkopf
- 17
- Hülse
- 18
- Innenrohr in der Pulserzeugungseinheit
- 19
- Ringspalt
- 20
- -
- 21
- Volumensteuermittel
- 22
- Drosselknopf
- 23
- Pulsiermittel
- 24
- Käfigrad
- 25
- -
- 26
- Antriebsschaufel
- 27
- verteilte Öffnungen am Innenrohr
- 28
- Drallkörper
