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Mit gasförmigem Brennstoff, insbesondere Leuchtgas, betriebenes Gerät,
vorzugsweise Raumheizgerät oder Wasser-Heizer, bei dem ein Brenner mit pulsierender
Verbrennung (Schwingbrenner) als Energiequelle dient Die Erfindung betrifft ein
mit gasförmigem Brennstoff, insbesondere Leuchtgas, betriebenes Gerät, vorzugsweise
Heizgerät oder Wasser-Heizer, bei dem ein Brenner mit pulsierender Verbrennung (Schwingbrenner)
als Energiequelle dient, welchem der Brennstoff und die Verbrennungsluft getrennt
über Rückstromsperren zugeführt werden. Die Brennkammer eines solchen Schwingbrenners
bildet mit dem ventillos angeschlossenen Schwingrohr in an sich bekannter Weise
einen akustischen, durch periodische Verpuffungen eines Brenngemisches in seiner
Eigenfrequenz erregten Resonator (Helmholtzscher Resonator).
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Es ist üblich, derartige Geräte einerseits mit flüssigen Brennstoffen
bzw. Aerosolen (z. B. Kohlepulver in Luft) und andererseits mit Luft, die aus derAußenatmosphäre
angesaugt wird, zu betreiben. Dabei werden beide Gemischbestandteile dem Schwingbrenner
unter praktisch konstantem Druck zugeführt, da die üblichen Brennstoffzuleitungen,
wie z. B. Vergaser, einen solchen konstanten Brennstoffdruck erzeugen und die Verbrennungsluft,
abgesehen von den Verhältnissen in Höhenluftfahrzeugen, keinen nennenswerten Druckschwankungen
unterliegt. Bei solchen Normalbedingungen bestehen auch keine Schwierigkeiten in
bezug auf die Durchmischung von Brennstoff und Verbrennungsluft.
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Es besteht nun aber das Bedürfnis, derartige Schwingbrenner auch mit
gasförmigen Stoffen zu betreiben. Als gasförmige Brennstoffe stehen z. B. Leuchtgas
oder Propan zur Verfügung. Das meistens aus städtischen Leitungen entnommene Leuchtgas
unterliegt beispielsweise bei den Zündstößen zum Entzünden der Straßenbeleuchtungen
erheblichen Druckschwankungen, während Flaschengas (Leuchtgas oder Propan) der Flasche
anfangs mit hohem und später mit sehr viel niedrigerem Druck entnommen wird, falls
man nicht relativ teuere Druckminderventile anwenden will. Andererseits wird auch
bei Gasgeräten die Luft praktisch mit konstantem Druck zuströmen, da die witterungsbedingten
Änderungen des atmosphärischen Druckes bzw. des auf der Gebäude- oder Fahrzeugwand
liegenden Strömungsdruckes gering sind. Es treten daher bei der Entwicklung von
Schwingbrennergasgeräten erhebliche Schwierigkeiten sowohl bei der Zündung als auch
beim Dauerbetrieb auf.
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Die wesentliche Aufgabe der Erfindung ist es, den Schwingbrenner eines
derartigen gasbeheizten Schwingbrennergerätes, und zwar vorzugsweise eines Schwingbrennerheizgerätes,
von den Druckschwankungen unabhängig zu machen und dabei gleichzeitig eine gute
Durchmischung der Brenngemischbestandteile zu sichern, welche eine Voraussetzung
einer guten Durchzündung des Gas-Luft-Gemisches ist.
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Da die im Rahmen der vorliegenden Erfindung zur Lösung dieses Problems
benutzten Mittel teilweise dazu führen, auch außerhalb des eigentlichen Schwingbrenners
periodische Schwingungen auftreten zu lassen, ist außerdem das zusätzliche Problem
der Geräuschdämpfung im Rahmen der vorliegenden Erfindung zu lösen.
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Gemäß dem Lösungsprinzip der Erfindung sind die Rückstromsperren zusammen
mit den ihnen - in Strömungsrichtung gesehen - vorgeschalteten Leitungsteilen so
gestaltet, daß sie die pulsierende Einströmung der beiden Medien derart beeinflussen,
daß die Schwingungen der beiden Medien bei ihrem Eintritt in den Verbrennungsraum
hinsichtlich ihrer Frequenz, Phase und Amplitude übereinstimmen.
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Die Einströmung des Gases und der Luft stellt sich als eine gerichtete
pulsierende Strömung dar, wobei zwischen den einzelnen Zeitabschnitten der Einströmung
Pausen liegen. Gemäß der Erfindung sollen nun also die Frequenz, Phase und Amplitude
während dieser Einströmzeitabschnitte gleich sein, so daß in jedem Augenblick der
Einströmung die Gase mit gleicher Strömungsgeschwindigkeit in den Mischraum
eintreten,
welcher der Brennkammer des Schwingbrenners beispielsweise nach Art eines an sich
bekannten Mischrohres vorgelagert ist oder gleichzeitig in an sich bekannter Weise
die Brennkammer bildet.
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Die Rückstromsperren können als Ventile, d. h. mechanisch arbeitende
Teile, oder als Drosseln, d. h. strömungsmäßig wirksame Teile, ausgebildet sein.
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Vorzugsweise bewirkt man die in Frequenz, Phase und Amplitude gleiche
Einströmung der Medien, indem man den Rückstromsperren je eine Vorkammer vorschaltet,
die zusammen mit den angeschlossenen Leitungen ein Schwingungssystem bildet, wobei
beide Vorkammerschwingungssysteme die gleiche Schwingungscharakteristik aufweisen.
Die Rückstromsperren sind brennkammerseitig jeweils gleichen Druckimpulsen ausgesetzt;
durch die Verwendung der Vorkammerschwingungssysteme kann nun erreicht werden, daß
sie auch einströmseitig unter gleichen oder proportionalen Druckbedingungen stehen,
wodurch insbesondere der Einfluß äußerer Druckschwankungen weiter herabgesetzt wird.
In vielen Fällen ist es vorteilhaft, wenn die Schwingungen der Vorkammerschwingungssysteme
die gleiche Periode oder ein ganzzahliges Vielfaches der Periode des Schwingbrenners
haben. Wenn hierbei die Phasen derart gegeneinander verschoben sind, daß ein Druckminimum
in der Schwingbrennerbrennkammer mit einem Druckmaximum in den Vorkammern zeitlich
zusammenfällt, so gewinnt man einen erhöhten Aufladungsdruck für das Schwingbrennersystem.
Bei gleicher Periodenzahl des Schwingbrenners und der Vorkammern bedeutet dies,
daß die Schwingungen gegeneinander um 180° versetzt sein sollten.
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Üblicherweise wird das Brenngas mit einem höheren Druck angeliefert
als die Verbrennungsluft. Aus dem Verhältnis der für 1 m3 Gas benötigten Luftmenge
ergibt sich, daß das unter Druck angelieferte Gas zudem ein erheblich geringeres
Volumen aufweist als das Volumen der Verbrennungsluft. Die Querschnitte der Gaszuführung
zur Vorkammer und von der Vorkammer zur Brennkammer werden daher vorteilhaft kleiner
dimensioniert, so daß also nach der obengenannten Forderung der Schwingungsgleichheit
auch das Volumen der Vorkammer für das unter Druck zugeführte Gas zweckmäßig kleinere
Abmessungen hat. Uni auch noch den Einfluß des höheren Gasdruckes gegenüber dem
Druck der angesaugten Luft auszugleichen, empfiehlt es sich, vor der Vorkammer eine
Drossel in die Gasleitung einzuführen, die so bemessen wird, daß sie das Gas während
des Betriebes in der Vorkammer praktisch unter dem gleichen Druck hält wie die Luft
in ihrer Vorkammer. Wenn man die Abmessungen dieser Drossel gleichzeitig flammendurchschlagsicher
gestaltet, so erreicht man einen wirksamen Explosionsschutz gegen ein eventuelles
Zurückschlagen einer Verbrennung in ein Gas, das zufällig mit Luftsauerstoff vermischt
sein kann.
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Um die Schwingungen des Systems zur Vermeidung von Geräuschstörungen
auf den Schwingbrenner bzw. die Vorkammern zu beschränken, ist es zweckmäßig, wenigstens
dort, wo das Auftreten von Schwingungen, insbesondere. von Schwingungsgeräuschen,
stören würde, Dämpfungskammern in Strömungsrichtung vor den Vorkammern vorzusehen.
Dabei kann man die Dämpfung verbessern und den Raumbedarf herabsetzen, wenn wenigstens
eine Dämpfungskammer wenigstens eine Vorkammer umschließt. Besonders bewährte es
sich, eine Dämpfungskammer, vorzugsweise die Luftdämpfungskammer, beide Vorkammern
und die andere Dämpfungskammer umschließen zu lassen. Die Schalleitung durch die
verschiedenen Leitungssysteme wird vorteilhaft dadurch herabgesetzt, daß die Zu-
und Abführungsleitungen für Gas, für Luft und gegebenenfalls für das zu beheizende
Medium über schallunterbrechende Anschlußstücke an das Gerät angeschlossen werden.
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In Strömungsrichtung vor der Gasvorkammer wird zweckmäßig ein Sperrventil
angeordnet, um die Gaszufuhr absperren zu können. Dieses Sperrventil wird vorteilhaft
so ausgebildet, daß es einerseits willkürlich geöffnet und geschlossen werden kann,
um den Betrieb nach Bedarf zu beginnen und zu beenden, wogegen es andererseits seine
Offenstellung nur unter dem Einfluß der im Gerät betriebsmäßig herrschenden Schwingungsvorgänge
beibehält, um eine Gaszufuhr beim Aussetzen der Zündungen im Schwingbrenner zu verhindern.
Es wird auf diese Weise dafür gesorgt, daß nur so lange Gas zugeführt wird; als
das Gerät ordnungsgemäß in Betrieb ist. Dabei kann die automatische Steuerung des
Ventils entweder von den periodisch auftretenden Überdrücken oder von den periodisch
auftretenden Unterdrücken abhängig sein: Außerdem kann man den Steuerraum des Ventils
entweder an die Abgasleitung oder an die Brennkammer oder schließlich an eine der
beiden Vorkammern anschließen und entsprechende Rückstromsperren vorsehen.
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Um die Einströmmengen der beiden Medien entsprechend der chemischen
Umsetzung während des Verbrennungsvorganges festzulegen, wird man die wirksamen
Querschnitte der Rückstromsperren in Einströmungsrichtung entsprechend wählen, und
zwar beispielsweise für Leuchtgas und Luft etwa wie 1: 7 bis 1: 10.
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Zur richtigen Abstimmung der Phasen und Amplituden wird man außerdem
bei der Verwendung von mechanischen Ventilen als Rückstromsperren die Trägheitsmomente
der beweglichen Ventilteile etwa wie 0,8: 1 wählen, falls Leuchtgas und Luft
benutzt werden.
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Die Rückstromsperren (Ventile oder Drosseln) werden vorteilhaft einstellbar
ausgebildet, so daß man sie den jeweils vorliegenden Verhältnissen, insbesondere
dem jeweils benutzten Gas, anpassen kann.
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Die Durchmischung der Gemischbestandteile wird verbessert, wenn die
von den Rückstromsperren kommenden Leitungen einander gegenüber in die Schwingbrennerbrennkammer
oder in das vorgeschaltete Mischrohr ausmünden.
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Wenn man an das Ende des Schwingrohres einen Schalldämpfer anschließt,
so wird dieser Schalldämpfer vorteilhaft als Stauraum ausgebildet, so daß der Schwingbrenner
mit erhöhtem Druckniveau arbeitet, wodurch die Abhängigkeit von äußeren Druckschwankungen
weiterhin verbessert wird.
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Die verschiedenen, vorstehend erläuterten Erfindungsgedanken können
in unterschiedlicher Weise miteinander kombiniert werden, um die Druckunabhängigkeit,
die Durchzündung des Gemisches und/oder die Schalldämpfung zu verbessern. Für die
Schalldämpfung ist es von -besonderer Bedeutung, Vorkammer und Dämpfungskammer in
Strömungsrichtung hintereinander zu schalten, da auf diese Weise eine siebkettenähnliche
Dämpfungswirkung erhalten wird.
In der Zeichnung ist ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel für den Gegenstand der Erfindung schematisch im Schnitt dargestellt.
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Der Schwingbrenner weist eine Brennkammer 1, ein Schwingrohr 2 und
einen Mischhals 3 auf; die Zündvorrichtung ist zur Vereinfachung der Darstellung
nicht eingezeichnet. In den Mischhals 3 münden einander gegenüber ein Gaseinlaß
4 und ein Lufteinlaß 5. Dem Gaseinlaß 4 ist als Rückstromsperre ein Spiralgehäuse
6 vorgeschaltet, das sich innerhalb einer Vorkammer 7 befindet, die durch eine Leitung
8 mit einer eingebauten Drossel 9 an eine Dämpfungskammer 1.0 angeschlossen ist.
Das System 4, 6, 7, 8 bildet das Vorkammerschwingsystem des Gasteiles. Der Dämpfungskammer
10 wird das Gas über eine Leitung 11 zugeführt, in welcher sich ein Ventil
12 befindet. Dieses Ventil 12 wird durch eine Stange 13 betätigt, welche einen Handgriff
14 aufweist. Die Ventilstange 13 ist an die Membran 16 einer Membrankammer 17 angeschlossen,
die mittels einer Leitung 18 über eine Rückstromsperre 19 an den Mischhals 3 angeschlossen
ist. Dabei ist die Anordnung so getroffen, daß bei einem Überdruck in der Kammer
17 das Ventil 12 geöffnet ist. Der Anschluß an die Leitung 11 erfolgt durch einen
Gummischlauch 20.
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Auf der anderen Seite mündet der Lufteinlaß 5 in das als Rückstromsperre
dienende Spiralgehäuse 21, welches innerhalb der Vorkammer 22 angeordnet ist, in
welche eine Leitung 23 einmündet. In diesem Falle bilden die Teile 5, 21, 22, 23
das Vorkammerschwingungssystem der Luftseite. Die Leitung 23 endigt in der Luftdämpfungskammer
24, welche im vorliegenden Fall die Teile 3, 4, 5, 6, 7, 8, 10, 12, 17, 18, 19,
21, 22, 23 sowie einige andere zugeordnete Elemente umschließt. In die Luftdämpfungskammer
24 strömt die Luft von außen durch die Leitung 25 ein, welche die Gebäudewand 26
durchsetzt und durch einen elastischen Schlauch oder eine Teleskopverbindung 27
mechanisch unterbrochen ist.
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Das aus dem Schwingrohr 2 austretende Abgas gelangt in die Abgasdämpfungskammer
28, aus welcher es durch den Wärmeaustauscher 29 in den Sammelraum 30 übertritt.
Von dort geht das Abgas durch die Leitung 31 nach außen, welche zum Zwecke der Luftvorheizung
die Leitung 25 teilweise umschließt und ebenso wie diese durch ein elastisches Stück
32 oder eine Teleskopverbindung unterbrochen ist. Der Strömungswiderstand des Wärmeaustauschers
29 ist vorteilhaft so bemessen, daß in der Abgasdämpfungskammer 28 ein etwa 100
mm WS höherer Druck herrscht als in der äußeren Atmosphäre, um auch auf diese Weise
die Abhängigkeit von Druckschwankungen zu verringern. Die Teile 1, 2, 28, 29,
30 sind von einer mit Zu- und Abführungen versehenen Heizkammer 15 umschlossen.
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Das dargestellte Gasheizgerät arbeitet in folgender Weise: Nachdem
die nicht dargestellte Zündvorrichtung in Betrieb gesetzt und das Ventil 12 mittels
des Handgriffs 14 geöffnet ist, füllt sich die Brennkammer auf den getrennten Wegen
20, 11, 12, 10, 8, 9, 7, 6, 4 bzw. 25, 27, 24, 23, 22, 21, 5 mit einem explosiven
Gemisch, das durch die Zündvorrichtung zur Verpuffung gebracht wird. Hierauf kann
man die Zündvorrichtung abschalten und den Handgriff 14 loslassen. Die in der Brennkammer
1 entstehende Verpuffung treibt das im Schwingrohr 2 befindliche Medium in den Abgasdämpfungsraum
28 und schwingt infolge ihrer Trägheit über die Ruhelage hinaus, während andererseits
der Druckstoß infolge der Verwendung des (kleineren) Gasspiralgehäuses 6 bzw. des
(größeren) Luftspiralgehäuses 21 nicht nach außen entweichen kann. Während der Gaspfropfen
im Rohr 2 über die Ruhelage hinausschwingt, entsteht in der Brennkammer 1 nunmehr
ein Unterdruck, der eine neue Füllung ansaugt, die beim Zurückschwingen des heißen
Abgaspfropfens durch diesen gezündet wird. Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch
und baut in den auf dieselbe Frequenz abgestimmten Vorkammern 7 und 22 gleichperiodische
Schwingungen auf, die gegenüber den Schwingungen im Schwingbrenner 1, 2, 3 um 180°
versetzt sind, so daß der Schwingbrenner zusätzlich aufgeladen wird. Ein Austritt
der Schwingungen nach außen auf dem Gaswege wird einerseits durch die Dämpfungskammern
10 und 24 und andererseits durch die Dämpfungskammer 28 verhindert, während eine
mechanische Schallübertragung durch die elastischen Anschlüsse 20, 27, 32 eingeschränkt
oder unmöglich gemacht ist. Falls der Wärmeaustauscher 29 beispielsweise von einem
Wassermantel umgeben sein sollte, um mittels des Gasheizgerätes Wasser zu beheizen,
wird man auch die Wasserzu- und -ableitungen durch elastische Verbindungen unterbrechen.
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Die Druckstöße in der Brennkammer 1 bauen auf dem Wege 18,19
in der Membrankammer 17 einen Druck auf, der das Ventil 12 offen hält.
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Das ganze Gerät kann zu einer baulichen Einheit zusammengefaßt sein,
die beispielsweise nach Art eines üblichen Gasbadeofens an der Wand aufgehängt wird.