DE1913014A1 - Brenneraggregat - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

DH.ING. H. NEGENDANK · dipl-ing. H. HAUCK · dipi..-phys. W. SCHMITZ

HAMBURG-MÜNCHEN 1913014

ZUSTELI/PNQSANSCHRIPT; HAMBTJRG 36 · NEÜEHWALL 41

TBL. 867438 UND 864110

TELKQR. NBOBDAPATEXT BAMBUBO

απ* Ai 4-· τ- -> MÜNCHEN 10 · MOZARTSTH. 23

AGrA Aktiebolag

° TEL.0880586

1ö120 Lidingö 1/S

Hamburg, den 12. März 1969

Brenneraggregat

Die Erfindung "betrifft ein Aggregat zur Erzeugung einer hochenergetischen Flamme aus Sauerstoffgas oder luft und

. dampf

einem Brenngas, z. B. Pr oparvWasser stoff gas, Benzo]/ Leuchtgas oder Methan, vorzugsweise jedoch Acetylen.

Zunächst erscheint es zweckmäßig, die Prinzipien, nach denen die bisher im autogenen Brennerbau bekannten Brenner arbeiten, näher zu erläutern. Es kommen entweder Gleichdruckbrenner oder Injektorbrenner zur Anwendung.

Da die Erfindung mit einem Brenngas im Niederdruckbereich arbeitet, scheiden Gleichdruckbrenner bei der Benutzung von Acetylengas aus dem Kreis der Überlegungen aus, denn bei Drücken, die 1,5 atü. übersteigen, muß dieses Gas bereits als hochdruckseitig angesehen werden. Geräte, die mit Hochdruckacetylengaa arbeiten, werden in der autogenen

Teohnilc mit Heoht abgelehnt, denn komprimiert neigt das chemisch dreifach ungesättigte Alkin, das-eine Bildungswärme

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von 61 Kcal/jvlol aufweist, weit eher zum explosiven Zerfall, sofern eine geeignete Zündquelle vorhanden ist als im iTiederdruckbereich.

Injektorbrenner, die entsprechend einer Strahlpumpe arbeiten, machen bei Autogengeräten mit großem Gasdurchsatz, wie z. Be Plammstrahlbrennern, naturgemäß groß- ^ räumige Mischgasbehälter erforderlich, wobei das Mischgas, wenn es aus Acetylen und Sauerstoff besteht, stets einen detonativen Charakter besitzt_o Bei einer Zündung dieses Mischgases äußerst sich die Detonation im Abknallen 'bzw. Rückzünden innerhalb des Gerätes. Die in Fachkreisen oft geäußerte Ansicht, Abknallen wäre relativ harmlos, während die Rückzündung, da sie oftmals mit ächlauchbrand verbunden ist, gefährlich sei, ist falsch, denn Abknallen und Rückzündung beruhen auf ein und demselben Vorgang, nämlich der Detonation des Mischgases. Fur der Vektor des Reaktionsverlaufes trägt in beiden Fällen entgegengesetzte Vorzeichen, wobei die Richtung des Geschehens rein zufällig ist.

Im Nachfolgenden wird die Erfindung besonders im Zusammenhang mit einem Brenner, der zur Erzeugung einer hochenergetischen flamme aus Saueratoffgas und Acetylengas bestimmt ist, als dessen wesentliches Teil beschrieben.

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Die Erfindung kann allgemein aber auch mit Vorteil für alle Brenngase benutzt" wer den, z. B. Propan, V/asser stoff gas,

-dampf

Benaol/ Leuchtgas und Methan. Außerdem wird im lachfolgenden das erfindungsgemäß ausgebildete Aggregat im Zusammenhang mit der Lösung der besonderen Aufgabe des JPlammstrahlens beschrieben. Die Erfindung ist aber nicht auf diese besondere Anwendung beschränkt, obwohl sie im Zusammenhang mit diesem besonderen Anwendungsbeispiel entwickelt worden ist.

Beton-"Die spezielle Aufgabe eines /tLammstrahlbrenners ist es, durch thermische iüinwirkung Betonoberflächen von Verschmutzungen aller. Art, wie z. B₀ Öl, Grummireifenabrieb, Tausalz usw. zu befreien und ferner die aufliegende karbonatisierte Schlämme zu entfernen. Solch ein Reinigungsprozeß ist stets dann notwendig, wenn der Büton mit Hilfe moderner Kunststoffe konserviert werden soll. 'JSs handelt sich hier um ein Verfahren, das täglich an · Boden gewinnt.

Das thermische Reinigungsverfahren steht und fällt mit dem

Vorhandensein eines dafür geeigneten Brenners. Als geeignet ist ein Brenner dann anzusprechen," wenn er folgende Voraussetzungen erfüllt, die absolut gefordert v/erden müssen:

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a) Der Brenner muß eine getrennte Acetylen- und Sauerstoffspeisung haben. Die Verwendung von Mischgas - abgesehen von Mischgas in äußerst klein dimensionierten Bäumen unmittelbar vor Austritt aus der Düse - ist nicht gestattet. Der Acetylendruck darf nicht mehr als 1 atü betragen, während der Sauerstoffdruck beliebig eingesetzt werden kann.

b) Nicht gestattet ist die Injektorbauweise, da hier stets Mischgas gegeben ist.

c) Vollständige Betriebssicherheit auch bei jeder Art von fehlerhafter Bedienung.

d) Wirtschaftlichkeit des Betriebes, d.h. Behandlung einer größeren lläche pro Zeiteinheit, als dies bisher möglich war, was gleichbedeutend mit einem erhöhten Vorschub ist.

Diese Forderungen können mit den bisher üblichen Brennern nur teilweise erfüllt werden. Vor allem fehlt die völlige Betriebssicherheit, die unter allen Umständen gewährleistet sein muß, da die zur Zeit eingesetzten Brenner durchweg Varianten der bekannten Injektor-Schweißbrenner sind.

Der Brennerkopf, der bei einem Flammstrahlgerät ein beachtliches Volumen aufweist, wird aus dem Injektorrohr mit hochdetonativem Acetylen-Sauerstoff-Mischgas gespeist.

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Trotz des Einbaues von sog. Sicherungen, wie z.B. lange Düse, um den Brennerkopf möglichst weit von dem 3?lammenspiel fernzuhalten, Schutzbleche gegen Verrussung usw., ist die Handhabung des Brenners alles andere als "narrensicher". Plötzliches Versiegen des Gasstromes ist naturgemäß mit einem Druckabfall verbunden. Ein plötzliches Verstopfen der Düsen reduziert die Ausströmgeschwindigkeit auf "Ο"« Beide Situationen führen zur Detonation des Gases im Brennerkopf, weil die Zündgeschwindigkeit in diesen Pällen größer als die Gasausströmgeschwindigkeit ist. Die Detonation selbst äußerst sich entweder im Abknallen oder als Rückzündung.

Um eine Vorstellung über die Größe eines bisherigen Brenneraggregates zu gewinnen, seinen folgende Daten genannt. Ein Brenneraggregat ist 250 mm lang, hat einen Querschnitt von etwa 50 χ 50 mm und trägt 21 einfache Ausströmdüsen, die je eine Bohrung von etwa 1 mm Durchmesser aufweisen. Die Länge einer einzelnen Düse beträgt 50 mm. Der Standardbrenner von 750 mm Länge setzt sich aus drei Grundelementen zusammen. Der Gasdurchsatz bei diesem Brenner beträgt ca. 8000 1 Acetylen und 8500 1 Sauerstoff pro Stunde. Auch die Wirtschaftlichkeit ist infolge des zu geringen Energieangebotes an die Betonoberfläche bei einem derartig konstruierten Brenner nicht ausreichend. Auf Normal-

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"beton beträgt der Vorschub etwa 1 m pro Minute.

Zwingend ergab sich daher die Aufgabe, einen Brenner zu konstruieren, der die genannten Mangel nicht zeigt.

Von der gasdynamischen Punktion her sind alle Brenner bisheriger Art weder abknall- noch riickzündsicher. Gleichdruckbrenner schieden von vornherein für die Lösung der Erfindungsaufgabe aus, weil Acetylen nur im Uieder-

druckbereich detonationsfrei zu handhaben ist.

Mit der Erfindung wurde zur Lösung der vorstehend beschriebenen Probleme ein völlig neuer Weg beschritten, der sich dadurch auszeichnet, daß ein Sauerstoff- oder Luftstrahl über eine Düse mit hoher Geschwindigkeit einem Einwirkungsraum zuführbar ist, dem das Brenngas mit geringer Geschwindigkeit über mindestens eine Brenngaszufuhrbohrung zuströmt,und dass sich an den Einwirkungsraum eine Mehrzahl von Misohkanälen anschließt, die von einer Stelle des Einwirkungsraumes ausgehen, die außerhalb der Achse des Sauerstoff- oder luftstrahles liegt und die in einer ins freie mündenden öffnung enden.

Wie eraiohtlich, wurdt ein völlig anderes System der

trmitttlt. Von der Strömungslehre her im Rahmen

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der Gasdynamik ist "bekannt, daß vektorielle parallel verlaufende und hoch beschleunigte (Mach-Zahl 1 und mehr) Gasstrahlen, die durch ein ruhendes oder nur leicht "bewegtes G-asmedium geleitet werden, an ihrer Grenzfläche über die Grenzmoleküle ihren Impuls (Bewegungsgröße "m v") an die ruhenden Moleküle des durchströmten Mediums abgeben. Daraus resultiert ein laminares Uebeneinanderströmen beider Gasarten. Wie aus dem Ausdruck "m τ" ersichtlich ist, ist der Impuls das Produkt aus der Größe der Masse des hoch beschleunigten Gasmoleküls und seiner Geschwindigkeit. Die ruhende Gasart nimmt dabei über ein Zeitelement die Geschwindigkeit der hoch beschleunigten Gasart an. Dabei bildet das mit großer Geschwindigkeit strömende Gas (Gasstrahl) den Kern und das durch Impulsannahme ebenfalls nun beschleunigte Umgebungsgas den Mantel des nunmehrigen laminar geformten Zweiphasenstrahles. In dieser Form sind beide Gase als thermische Energieträger unbrauchbar. Gemäß der Erfindung werden die sich laminar bewegenden Gase durch ein mit einem Drall versehenes Schlitzsystem gedruckt. Die dabei auftretende Verdrallung mischt beide Gase zu einem potentiell thermisch hochenergetischen Gemisch, das ohne jegliche Zerlege- oder Detonationsmöglichkeit ruhig abbrennt.

Es dürfte demnach klar erkennbar sein, daß das mit der Erfindung entwickelte Verfahren im autogenen Brennerbau völlig

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neuartig ist.

Um eine gleichmäßige Brenngaszufuhr zu gewährleisten,

sieht die Erfindung vor* daß um die zentrisch liegende Sauerstoff- oder Luftstrahldüse eine Mehrzahl, z. B. acht, von untereinander gleichen Brenngaszufuhrbohrungen mit gleichen gegenseitigen Abständen angeordnet sind.

Gemäß der Erfindung sind die Mischkanäle zentrisch um die Achse der Sauerstoff- oder Luftstrahldüse angeordnet und liegen in der axialen "Verlängerung der Gas zufuhr Öffnungen. Eine ausgezeichnete Wirkungsweise ist gemäß der Erfindung dann gewährleistet, wenn die axiale länge des Einwirkungsraumes in Richtung des Sauerstoff- oder luftstrahles den Durchmesser der Strahldüse nicht unterschreitet.

Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zwischen der mindestens einen Brenngaszufuhrbohrung bzw. der Mehrzahl von Brenngaszufuhrbohrungen und der Öffnung der Strahldüse ein mindestens dem Durchmesser der Brenngaszufuhrbohrungen entsprechender Abstand vorgesehen ist und wenn ferner die Länge der Mischkanäle mindestens gleich dem 10-fachen und vorzugsweise gleich dem 25- bis 75-fachen der Länge des Einwirkungsraumes ist.

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Um eine intensive Vermischung der laminar strömenden Gaskomponenten zu erreichen, sieht die Erfindung vor, daß die LIischkanäle mit einem Drall versehen sind, wobei der Drall der Mischkanäle unter 1 ° und vorzugsweise in der Größenordnung von etwa 10 Bogenminuten liegt.

Eine "bevorzugte Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes sieht vor, daß die Mischkanäle auf dem Außenumfang eines Düsenschlitzstückes angeordnet und nach außen durch eine Düsenkappe abgeschlossen sind, die sich dicht an den Außenumfang des Düsenschlitzstückes anlegt.

In weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Mischkanäle aus z, B. zwölf Schlitzen "bestehen, die am Schlitzgrund eine Breite von 0,25 mm aufweisen und sich radial nach außen mit einem Schlitzwinkel von 1 ° keilförmig verbreitern. Hierbei beträgt der Gesamtquerschnitt der Mischkanäle auf der Seite des Einwirkungsraumes etwa 2/3 des Querschnittes der Brenngaszufuhrbohrungen und nimmt zur Gasaußtrittsseite hin ab zweckmäßig derart, daß der Quer schnitt der Mischkanäle auf der Gasaustrittsseite gleich etwa der Hälfte des Querschnittes dieser Kanäle auf der Seite des Einwirkungsraumes ist.

Eine zweckmäßige Ausbildung sieht vor, daß das DüsenschlitzstUok zwecks Slidung des Grundes der Misohkanäle einen

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Kegelstumpf bildet, dessen kleinere Fläche an der Gasaustrittsseite liegt. Hierbei ist vorgesehen, daß die Fläche der Mischkanäle auf dem Düsenschlitzstück einen Kreis tangiert, dessen Durchmesser etwa halb so groß ist wie der Außendurchmesser des Düsenschlitzstückes.

^ Die geometrische Auslegung der Mischkanäle im Düsenschlitzstück, die über ihren Drall die Rotation und damit die Mischung der Gase bedingen, ist so, daß die einzelnen Flammen nur einen kalten Kern aufweisen, der als Raumelement (die Summe der Raumelemente ist dargestellt durch . ein Dreifachintegral (Y ^ x, y, ζ (dx, dy, dz) ) nach •"Hull" strebt. Damit entfällt die Kühlung der Flamme durch den Kern, wie sie stets bei einer Einzelflamme gegeben ist. Das Energieangebot der so unterteilten Flamme ist nun wesentlich höher, ein Faktum, welches sich entsprechend auf die Temperatur aufwirkt.

Um ein Durchschlagen von Flammen bei einem evtl. Brand innerhalb der Diffusionskammer in die Gaszuleitungstanks (Verhütung von Rußversohmutzung, denn mehr kann nicht passieren) sieht die Erfindung einen Düsenstock mit einem Anschluß für das Brenngas und einen Anschluß für das Sauerstoffgas bzw. die luft vor, wobei jeder Anschluß mit einem Rückschlagventil versehen ist.

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Gemäß der Erfindung ist weiterhin ein Brenngasverteilungsraum vorgesehen, von dem die Gaszufuhrbohrungen ausgehen und der mit dem Brenngasanschluß über mindestens eine Bohrung in Verbindung steht, die in dem Düsenstock vorgesehen ist.

weitere Sicherheitsmaßnahme gemäß der Erfindung besteht darin, daß der Anschluß für das Sauerstoffgas bzw. die jjuft über einen zentrischen Kanal mit der Strahldüse in Verbindung steht und daß an der Wandung des Kanals ein bei einer vorbestimmten Temperatur sich lösender oder schmelzender Körper beispielsweise durch Yieichlöten befestigt ist, der bei "Überschreitung der Temperatur vom Gasstrom mitgerissen wird und die Strahldüse verschließt, wobei dieser Körper aus einer Messinglegierung bestehen und die Form einer Kugel aufweisen kann, deren Durchmesser etwas größer als der Offnungsdurchmesser der

Strahldüse ist.

Yiienn bei dieser Sicherung innerhalb des Düsenaggregates höhere Temperaturen auftreten, dann löst sich an der inneren Wandung der Druckdüse, in welcher der Sauerstoff bzw. die Luft auf Schallgeschwindigkeit 'beschleunigt wird, diese weich angelötete Kugel (Schmelztemperatur des Lotes etwa 300 ⁰C) und versperrt dem Sauerstoff den Zutritt in

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das Aggregat. Bs brennt dann nur noch, die kalte "russende" Acetylenflamme.

Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung soll nunmehr anhand der "beigefügten Zeichnungen im einzelnen beschrieben werden. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt teilweise in Ansicht durch, ein erfindungsgemäß ausgebildetes Aggregat,

S¹Xg. 2 eine Darstellung der Düsenkappe für das Aggregat der Fig. 1, und zwar zeigen:

Fig. 2a einen Längsschnitt durch die Düsenkappe und

Figo 2b eine Ansicht auf die Kappe in Achsrichtung gesehen,

Fig. 3 eine Darstellung des Düsenstockes für das Aggregat der Fig. 1, und zwar

Fig. 3a einen Längsschnitt durch den Düsenstock, Fig. 3b einen Längsschnitt durch den Düseristück, jedoch in einer Ebene, die senkrecht zu der Schnittebene der Fig. 3a liegt,

Fig. 3c und 3d

Ansichten auf den Düsenstock in Achsrichtung

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von der einen und anderen Seite her,

Figo 4 einen vergrößerten Schnitt durch die Druckdüse für das Aggregat der Mg. 1,

Mg. 5 eine Darstellung des Düsenschlitzstückes, und zwar

Mg. 5a einen Längsschnitt durch das Düsenschlitz stück nach Linie A-B der Mg. 5"b,

Mg. 5t> eine Ansicht in Achsrichtung auf das Düsenschlitz stück, und zwar von der Mischdüsenmündung aus gesehen,

Mg. 5c eine Ansicht auf das Düsenschlitzstück in Achsrichtung gesehen, und zwar von dem Einwirkungsraum aus gesehen, in den sowohl der Sauerstoffstrahl als auch die Brenngasstrahlen eintreten,

Mg. 5d eine Ansicht auf das Düsenschlitzstück von der Seite gesehen.

a) Die Gase Sauerstoff und Acetylen werden aus zwei dicht nebeneinanderliegenden und in sich abgeschlossenen

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Tanks auf getrenntem Wege einem erfindungsgemäß ausgebildeten Aggregat 'oder einer Mehrzahl davon zugeführt. Der Druck des Sauerstoffes beträgt optimal 4,5 atü und derjenige des Acetylene - ebenfalls optimal - 0,6 atü. Der Acetylentank ist ein Behälter, an dem sich eine entsprechende Anzahl von Anschluß-Stutzen für die Gaszufuhr befindet. Der Sauerstofftank ist örtlich sehr eng an den Acetylentank angelehnt und über Wärmeleitrippen mit ihm verbunden. Der expandierende Sauerstoff kühlt dabei über die Rippenverbindung hinweg regenerativ das Acdylen.

■b) Das in Fig. 1 gezeigte Aggregat weist einen Düsenstock 1 auf, der mit zwei Gewinde anschluss en 19, 20 (siehe auch Fig. 3) für die Gasanschlüsse versehen ist. Über den Anschluß 19 tritt das Sauerstoffgas unter Druck ein, während der Anschluß 20 für den Eintritt des Brenngases im Ausführungsbeispiel des Acetylene (Niederdruck) bestimmt ist.

Jedes der beiden Gewinde dient zur Aufnahme eines Ventilkörpers 4, der einen Anschlußstutzen 4a für den Anschluß der betreffenden Rohrleitung bildet. In dem Ventilkörper 4 befindet sich ein Rückschlagventil 3.

Innerhalb des Düsenstockes 1 sind mittels eines Druckdüsenstückes 6 einerseits ein Einwirkungsraum I7 und andererseits ein Brenngasverteilungsraum 18 geschaffen.

Das DruckdüseiÄück.6. is.t_ftmit„einem Ansatz 24 in eine

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Bohrung 2 des Düsenstockes eingeschliffen, die mit dem Anschluß für das Sauerstoffgas in Verbindung steht· Der Brenngasverteilungsraum 18 ist über in dem Düsenstock 1 vorgesehene Bohrungen 22 mit dem Brenngasanschluß verbunden.

Der im wesentlichen von dem Druckdüsenstück 6 gebildete Einwirkungsraum 17 wird durch die Stirnseite eines Düsenschlitzstückes 8 abgeschlossen, das nach außen durch eine Düsenkappe 7 abgeschlossen ist. Die Düsenkappe 7 dient außerdem zur Befestigung des Druckdüsenstückes 6 und des Dusenschlxtzstuckes 8 an dem Düsenstock 1. In dem Druckdüsenstück 6 ist außerdem ein Sicherungsstück vorgesehen, das weiter unten näher beschrieben werden wird·

Nunmehr werden zuerst anhand der Fig. 2-5 die einzelnen ü)eile des Aggregats erläutert.

Die in der Fig. 2 gezeigte Düsenkappe weist ein Innengewinde 27 auf, mit dessen Hilfe sie auf ein entsprechendes Aussengewinde 28 (siehe Pig. 5) des Düsenstockes 1 aufgeschraubt wird. Es dient hierbei - wie sich insbesondere aus der 2¹Xg. 1 ergibt - zur Befestigung der Druckdüse 6 und des Dusenschlxtzstuckes 8 an dem Düsenstock«

Die Düsep^appe 7 weist außerdem eine zylindrische Bohrung

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29 auf, an die sich eine Kegelbohrung 30 anschließt. In die zylindrische Bohrung 29 und die Kegelbohrung 30 wird das Düsenschlitzstück 8 der Fig. 5 eingesetzt, wobei sich ein Bund 31 des DüsenschiitζStückes 8 gegen die Fläche 32 der Bohrung der Düsenkappe 7 legt.

Der in der Fig. 3 gezeigte Düsenstock steht über die Gewindebohrung 20 mit der Zufuhr des Brenngases in Verbindung, wobei in die Gewindebohrung 20 ein Ventilkörper 4 eingeschraubt ist. Der äußere Ringraum 33 steht auf diese Weise mit dem Brenngas, beispielsweise dem Acetylen, von etwa 0,6 atü in Verbindung. Über Bohrungen 22 ist dieser Raum 33 mit der inneren Stirnfläche 35 des Düsenstockes verbunden. Es sind hier für das beschriebene Ausführungsbeispiel vier Bohrungen 22 von

^e 1 mm Durchmesser vorgesehen, so daß für den Durchßes

triti/Brenngases ein Querschnitt von 3»2 mm zur Verfugung steht.

Von der Stirnseite 35 des Düsenstockes her ist eine Sauerstoffgaszufuhrbohrung 2 in den Düsenstock hineingebohrt, deren Innenende über einen Kanal 23 mit dem Sauerstoff anschluß 19 in Verbindung steht. In das nach außen offene Ende dieser Bohrung 2 ist der zentrische Ansatz 24 der in Fig. 4 dargestellten Druckdüse dicht eingesetzt. Der Ansatz 24 gellt in eine Stirnfläche 25 über, die sich nach dem Einbau genen die Stirnfläche 35 des Düssenstockes 1 legt. Das Druckdüsenstück 6 weist außerdem einen Loch-

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kranz 26 auf, der auf seiner von dem Ansatz 24 abgekehrten Seite von einer ringsherumlaufenden Ringwand

14 umgeben ist. Der Abstand zwischen der Stirnfläche

15 der Ringwand und der Bodenfläche 34 ist erfindungswesentlich und beträgt im Ausführungsbeispiel 1 mm_o Die Bohrung 21 in der Druckdüse, über welche das unter Druck stehende Sauerstoffgas zuströmt, geht in einen Kegel 36 über, an den sich eine Sauerstoffstrahldüse 37 anschließt, die im Ausführungsbeispiel einen Durchmesser von 0,8 mm hat. Der Raum, der einerseits von&er Innenwand 38 der Ringwand 14- und andererseits von der Bodenfläche 34 gebildet wird, in den zentrisch die Sauerstoffstrahldüse 37 einmündet, ist als Einwirkungsraum 17 (sJig. 1) bezeichnet. In diesen Einwirkungsraum münden aber Bohrungen 39 von 1,5 mm Durchmesser, die auf einem Mittendurchmesser von 7 mm gleichmäßig verteilt sind. Diese Bohrungen 39 werden im nachfolgenden auch als Gaszuführbohrungen bezeichnet. Das Verhältnis zwischen dem Querschnitt der Sauerstoffstrahldüse 37 und dem Querschnitt der acht Brenngaszufuhrbohrungen 39 ist kritisch und liegt im Ausführungsbeispiel etwa bei 1 : 28. Es kann aber in einem Bereiche zwischen 1:15 und 1 : schwanken.

Zwischen der Stirnfläche 25 des Druckdüsenstückes 6 und dem Lochkranz 26 erstreckt sich ein Abstandsabschnitt 16, dessen Höhe nach dem Einbau des Druckdüsenstückea den Brenngasverteilungsraum 18 festlegt (siehe Pigo 1). In diesen Brenngasverteilungsraum 18 tritt das Brenngas

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über die Bohrungen 22 ein und strömt von hier durch die ' Gas zufuhrt ohrungen 39 des Lochkranzes 26 in den Ein-Wirkungsraum 17· An der Wandung der Bohrung 21 ist · das zuvor erwähnte Sicherungsstück in Form einer Messingkugel 5 mit Hilfe eines Lotes angelötet, das im Ausführungsbeispiel bei ca. 300⁰C schmilzt. Der Zweck dieser angelöteten Messingkugel wird weiter unten näher erläutert. Hier sei nur kurz darauf hingewiesen, daß bei einer unzulässigen Erhöhung der Temperatur des Druckdüsenstückes das Lot schmilzt und die Kugel dadurch von dem Sauerstoffstrahl mitgerissen wird, so daß sie sich als Ventilkugel vor die Sauerstoffstrahldüse 37 legt, sich einlötet und diese dicht abschließt.

Neben dem Druckdüsenstück 6 ist das in der Fig. 5 näher dargestellte Düsenschlitzstück 8 von besonderer Bedeutung. Es wird - wie schon weiter oben dargelegt — passend in die Bohrung der Düsenkappe 7 eingeschoben. Das Düsenschlitzstück 8 weist einen etwa 2° konischen Kernkörper 13 auf, der an der dem Einwirkungsraum 17 zugekehrten Stirnfläche 9 den größten und an der Stirnfläche 10 den kleinsten Durchmesser aufweist. Es sind insgesamt 12 Schlitze 11 vorgesehen, die um 10 Bogen-Minuten gedrallt sind. Wie sich aus der Fig. Vergibt, tangieren alle Schlitzflächen einen Kreis 12. Die Breite jedes einzelnen Schlitzes beträgt am Schlitzgrund 0,25 mm und erweitert sich keilförmig nach außen unter einem Winkel von 1°. An der Stirnfläche 10 beträgt die Tiefe der einzelnen Schlitze etwa 1 mm.

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Wie sich aus der Zusammenstellungszeichnung der Fig. 1 ergibt, wird das Düsenschiitζstück 8 in die Düsenkappe 7 geschoben. Nachdem das Druckdüsenstück 6 mit seinem Ansatz 24 dicht in die Bohrung 2 des Düsenstockes 1 eingeschoben worden ist, wird die Düsenkappe 7 ^mi"t> ihrem Gewinde 27 auf das· Außengewinde 28 aufgeschraubt. Hierbei legt sich die Stirnfläche 15 der Ringwand 14 dicht gegen den Bund 31 des Düsenschiitzstückes 80

Während des Betriebes strömen das Sauerstoffgas und das Acetylengas durch die Rückschlagventile 3 in. den Düsenstock 1. Erhöht sich aus irgendwelchen Gründen der Druck des Sauerstoffgases oder des Brenngases innerhalb des Düsenstockes, schließen sich die Ventile automatisch. Die Gase können nicht in die Tanks zurücktreten.

Der Sauerstoff strömt aus einem sehr klein dLmensionierten Vorraum, der im wesentlich von der Bohrung 2 im Düsenstock 1 gebildet wird, über die Sauerstoffstrahldüse 37 in den Einwirkungsraum I7. Der Sauerstoff tritt in diesen Raum 17 etwa mit Schallgeschwindigkeit ein.

Ein qualitativ gleicher Vorgang spielt sich am Acetylen-Rückschlagventil 3 ab. Hier herrscht allerdings Niederdruck. Die Strömungsgeschwindigkeit des Azetylens ist daher verhältnismäßig gering. Obwohl in den vier Kanälen 22 im Düsenstock 1, die den Einwirkungsraum I7. mit dem

nur Raum vor dem Acetylen-Rückschlagventil 3 verbinden ,/ein

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geringer Überdruck von ca. 0,1 atü gegeben ist,, wird das Acetylen bei einem Anfangsdruck von 0,6 atü und im Enddruck von ca. 0,4 atü über den Lochkranz der Brenngaszufuhrleitungen 39 an die Peripherie des gebündelten und hochbeschleunigten SauerstoffStrahles von ca. 1 mm Durchmesser gedruckt. Das Acetylen (oder auch ein anderes Brenngas) diffundiert in den Sauerstoffstrahl hinein und erhält durch die dem Sauerstoff strahl innewohnende Bewegungsenergie einen entsprechenden Impuls. Beide Gase prallen noch ziemlich ungemischt auf die geschlossene Stirnfläche 9 des Kernkörpers 13 des Düsenschlitzstückes 8, die koaxial der Austrittsöffnung der Sauerstoffstrahldüse 37 gegenüberliegt.

Die Gase treten jetzt erst in die schwach gedrallten Schlitze 11 des Düsenschlitzstückes 8 ein. In diesen gedrallten Schlitzen erfolgt die Mischung der Gase, so daß sie auch als Mischkanäle bezeichnet werden können. Das Düsenschlitzstück 8 ist von der Düsenkappe 7 umgeben und durch sie nach außen hin abgeschlossen.

Durch den DräHwinkel der Schlitze 11 erhalten die sowohl in laminarer Form ströÄen^en Gase als auch diejenigen, die durch den Aufprall auf die Stirnfläche 9 des Düsenschlitzstückes 8 in Turbulenz geraten sind, infolge der hohen Gasgeschwindigkeit einen kräftigen Rotationsimpuls. Die Rotation setzt bei einer errechneten Weglänge (Weglänge, Drallwinkel und Gasgeschwindigkeit sind funktionell voneinander abhängig)

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einen völlig durchgemischten Gaskörper in Freiheit. Die Gase brennen hochenergetisch und sseigen trotzdem einen ruhigen Habitus.

Das Volumen eines Schlitzes 11 und dasjenige des Einwirkungsraumes 17 sind äußerst gering dimensioniert, so daß sich bei eventuellen Zündungen nur ein leichtes Zischen kundtut·

Sollte wirklich sich im Einwirkungsraum 17 eine Verbrennung anbahnen - unter ungünstiger Konstellation wäre das immerhin einmal möglich - dann wird infolge des entstehenden Überdruckes sowohl das Rückschlagventil 3 zum Acetylentank als auch diejenige, welche zum Sauerstofftank führt, geschlossen. Die Gasströme versiegen, und die Flamme hat keine Nahrung mehr. Sollten sich die Ventile als undicht erweisen, dann tritt das Sicherungsstück 5 in der Sauerstoffzufuhrbohrung 21 des Druckdüsenstückes 6 in Funktion. Bei Laborversuchen trat dieses Phänomen erst dann auf, als die Düsenkappe und das Schlitzstück in einem flüssigen Gesteinsmagma ange-

daschmolzen wurden. Der Düsenstock hatte sich/bei auf ca.

30O⁰G (Temperatur mit l'hermochromstiften gemessen) erhitzt. Wie bereits eingangs erwähnt wurde, befindet sich in der Sauerstoffgaszufuhrbohrung 21 des Druckdüsenstückes 6

das Sicherungsstück 5 bildende

eine/iiessingkugel, welche weich an die Wandung der Sauerstoff gaszufuhrbohrung 21 gelötet ist. Die Kugel hat einen etwas größeren Durchmesser als die Austrittsöffnung der Sauerstoffstrahldüse 37« Erwärmt sich nun das Druckdüsenstück auf mehr als 300⁰O. so schmilzt das Lot, und die Kugel setzt

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sich vor die Austrittsöffnung und wird dabei durch, das noch vorhandene Lot regelrecht eingelötet. Der Sauerstoff schaltet durch die Funktion der Kugel vollständig ab, und es brennt lediglich noch die "kalte" russende Acetylenflamme. Auch beim Versagen der Rückschlag/entile 3 kann es demgemäß niemals gefährlich werden. Das Aggregat ist auf mechanischem Wege 2-fach gesichert. Die "Hauptsicherung" bleibt jedoch die Art der getrennten, konstruktionsbedingten Gaszuführung.

Die Kühlung des Düsenstockes 1 erfoxgt regenerativ durch den aus dem Druckdüsenstück 6 etwa mit Schallgeschwindigkeit entweichenden Sauerstoff. Die Expansion kühlt dabei die Düse so permanent, daß der Düsenstock 1 bei einer thermischen Belastung über den Zeitraum von einer Stunde, wobei der senkrechte Abstand "Mitte Düsenmündung - Betonoberfläche" 30 mm und der einfallende Winkel des Flammenstrahles 50° betrug, nicht wärmer als 70⁰C wurde. Das Ergebnis ist umso bemerkenswerter, als es bei einem Standversuch erzielt wurde. Der Beton wandelte sich, da spezifisch nur eine schwache Wärmeleitfähigkeit vorhanden ist, in eine leichtflüssige, glasige Lavamasse um. Beim Erkalten erstarrt diese Masse zu einem dunklen Glase.

Die Bilanz der Wärmeabfuhr gestaltet sich etwas ungünstiger, wenn mehrere Aggregate zu einem Brenner zusammengeschlossen sind. Im Gegensatz zu dem itfärmekreis einer Einzeldüse mit stetigem Temperaturabfall nach der Radiuslänge (s = f(t) ), bildet sich beim Menr-Düsenbrenner eine Ellipse mit

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ds

isothermen Kurven aus, deren (,.) im Steigungsgrad wesentlich, flacher liegt.

Selbstverständlich mindert sich, damit auch die Wärmeabstrahlung. Trotzdem reicht die regenerative Sauerstoff kühlung und die, wenn auch verminderte Abstrahlkühlung aus, um den Brenner sicher zu handhaben.

Das Aggregat mischt nach dem Diffusions- und Drallprinzip. Damit entfällt der Gleichdruck (Acetylenhochdruck). Ferner existieren keine großen Mischgasräume, wie sie bei Injektorbrennern vorhanden sind.Detonative Situationen (Abknallen und Eückzünden) sind nach dieser prinzipellen Anordnung ausgeschlossen.

Da sich im Brennerkopf kein Acetylen-Sauerstoff-Mischgas befindet, entfallen viele Gefahrenmomente. Auch ein plötzliches Absinken des Druckes ist ungefährlich, weil durch die Rückschlagventile jede Art von Verbrennungen innerhalb des Aggregates gestoppt werden. Selbst eine Verringerung der Ausströmgeschwindigkeit unter derjenigen der Zündgeschwindigkeit ist bei diesem Aggregat unschädlich, weil ein Zurückschlagen der Zündflamme in einen Mischgasraum nicht möglich ist. Die durch den einen oder anderen Schlitz 11 eventuell zurückwandernde Flamme erreicht nur das noch fast ungemischte Gas im Einwirkungsraum 17 unterhalb der Druckdüse 37· Bei einer Verbrennung des äußerst kleinen Gasvolumens würde sich der Druck erhöhen, wobei die Rückschlagventile abgedichtet v/erden.

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Um das Aggregat zu schonen, soll erst der Säuerst off hahn und dann das Acetylenventil geöffnet werden. Diese Reihenfolge ist nötig, damit einmal sofort ein deutlicher Diffusionseffekt erzielt und zweitens jegliche Verrussung vermieden wird» Aus diesem Grund sind beide Yentilräder für den Bedienungsmann so gesichert anzulegen, daß eine Fehlschaltung unmöglich ist.

Bereits eingangs wurde erwähnt, daß die Auslegung des Aggregates exakt nach mathematischen Gesetzen erfolgt ist und auch zu erfolgen hat. Damit sind auch die "Grenzkanten" des Druckes bei der Gaszufuhr während des Betriebes äußerst eingeengt. Das vorliegende als Ausführungsbeispiel beschriebene und dargestellte Aggregat kann bei einem konstanten Sauerstoff druck von 4,5 atü nur dann optimal brennen, wenn der davon funktionell abhängige Acetylendruck sich in einem Bereich von 0,6 bis 0,55 atü befindet. Die&achstehende Tabelle verdeutlicht diese Situation über einen größeren Bereiche

	Tabelle	Acetylen !Flamme reißt ab bei atü
Sauerstoff "ρ" const, in atü	Acetylen optimale Arbeitsflamme in atü	0,35
3,0	0,40	0,38
3,5	0,43	0,40
4,0	0,51	0,49
4,5	0,60	0,51
5,0	0,65	0,60
5,5	0,75	0,63
6,0	0,80	0,70 0,72 0,85
6,5 7,0 7,5 }nöRfi1	0,87 /6117 ι. Λο

Der beste Arbeitsbereich liegt zwischen 4,5 und 5»0 atü Sauerstoff. Hier sind die Bedingungen sowohl für die Flammenleistung als auch für den Gaseverbrauch optimale Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf einen Sauerstoff-Acetylengasbrenner. Bei Verwendung von Luft oder bei Verwendung anderer Brenngase kann unter Umständen die Abknall- und Rückschlagfreiheit des Brenners von nicht so entscheidender Bedeutung sein· lür alle Brenngase wirken sich aber die große Energieleistung, die Möglichkeit einer wesentlichen Erhöhung des Vorschubes und die geringe Anzahl von Einzelteilen besonders vorteilhaft aus.

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Claims (19)

1. tfc

   Patentansprüche

   einAggregat zur Erzeugung/er hochenergetischen !lamme aus Sauerstoffgas oder Luft und einem Brenngas, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sauerstoff- oder luftstrahl über eine Düse (37) mit hoher Geschwindigkeit einem Einwirkungsraum (17) zuführbar ist, dem das Brenngas mit geringer Geschwindigkeit über mindestens eine Brenngaszufuhr "bohrung (39) zuströmt, und daß sich an den Einwirkungsraum (17) eine Mehrzahl von Mischkanälen (11) anschließt, die von einer Stelle des Einwirkungs-

   raumea ausgehen, die außerhalb der Achse des Sauerstoff- oder LuftStrahles liegt, und die in einer ins Freie mündenden öffnung enden.
2. 2. Aggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß um die zentrisch liegende Sauerstoff- oder Luftstrahldüse (37) eine Mehrzahl, z. B. acht, von untereinander gleichen Brenngaszufuhrbohrungen (39) mit gleichen gegenseitigen Abständen angeordnet sind.
3. 3. Aggregat nach Anspruch 1 und/©der 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkanäle (11) zentrisch um die Achse der Sauerstoff- oder Luftstrahldüse (37) angeordnet sind, und in der axialen Verlängerung der

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   G-aszufuhröffnungen (39) liegen.
4. 4. Aggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge des Einwirkungsraumes (17) in Sichtung des Sauerstoff- oder Luftstrahles den Durchmesser der Strahldüse (37) nicht unterschreitet.
5. 5. Aggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ä gekennzeichnet, daß zwischen der mindestens einen Brenngaszufuhrbohrung bzw. der Mehrzahl von Brenngaszufuhrbohrungen (39) und der öffnung der Strahldüse

   (37) ein mindestens dem Durchmesser der Brenngaszufuhrbohrungen entsprechender Abstand vorgesehen ist.
6. 6. Aggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Mischkanäle (11) mindestens gleich dem 10-fachen und vorzugsweise gleiche dem 25- bis 75-fachen der Länge des Einwirkungsraumes (17) ist.
7. 7. Aggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkanäle (11) mit einem Drall versehen sind.
8. 8. Aggregat nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Drall der Mischkanäle unter 1 ° und vorzugs-

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   19130U

   ' weise in der Größenordnung von etwa 10^ (Bogenminuten) liegte
9. 9. Aggregat nach einem- der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkanäle (11) auf dem Außenumfang eines Düsenschlitzstückes (8) angeordnet und nach außen durch eine Büsenkappe (7) abgeschlossen sind, die sich dicht an den Außenumfang des Düsenschlitz-Stückes anlegt.
10. 1Oo Aggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkanäle (11) aus z. B. zwölf Schlitzen bestehen, die am Schlitzgrund eine Breite von 0,25 mm aufweisen und sich radial nach außen mit einem Schlitzwinkel von 1 ° keilförmig verbreitern.
11. 11. Aggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der G-esamtquerschnitt der Mischkanäle (11) auf der Seite des Einwirkungsraumes (17) etwa Zweidrittel des Querschnittes der Brenngaszufuhrbohrungen (39) beträgt und zur Ghasaustrittsseite hin abnimmt.
12. 12. Aggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 11, daduroh gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Mischkanäle (11)

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    auf eier G-asaustrittsseite gleich etwa der Hälfte des Querschnittes dieser Kanäle auf der Seite des Einwirkungsraumes (17) ist.
13. 13. Aggregat nach einem der Ansprüche 1 Ms 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Düsenschlitzstück (8) zwecks Bildung des Grundes der Mischkanäle (11) einen Kegelstumpf bildet, dessen kleinere Fläche an der G-asaustrittsseite liegt.
14. 14. Aggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die fläche der Mischkanäle (11) auf dem Düsenschlitzstück (8) einen Kreis (12) tangiert,

    dessen Durchmesser etwa halb so groß ist wie der Außendurchmesser des Düsenschlitzstückes.
15. 15. Aggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch einen Düsenstock (1) mit einem Anschluß (4, 20) für das Brenngas und einem Anschluß (4, 19) für das Sauerstoffgas bzw. die Luft, wobei jeder Anschluß mit einem Rückschlagventil (3) versehen

    ist.
16. 16. Aggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch einen Brenngasverteilungsraum (18),

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    3D

    von dem die Gas zufuhr "bohr ungen (39) ausgehen und der mit dem Brenngasanschluß (4, 20) über mindestens eine Bohrung (22) in Verbindung steht, die in dein Düsenstock (1) vorgesehen ist.
17. 17. Aggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß (4, 19) für.das Sauerstoffgas bzw. die Luft über einen zentrischen Kanal (21) mit der Strahldüse (37) in Verbindung steht und daß an der Wandung des Kanals ein bei einer vorbestimmten Temperatur sich lösender oder schmelzender Körper (5) beispielsweise durch Weichlöten befestigt ist, der bei Überschreitung der Temperatur vom Gasstrom mitgerissen v/ird und die Strahldüse (37) verschließt.
18. 18ο Aggregat nach Anspruch 17» dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (5) aus einer Messinglegierung besteht.
19. 19. Aggregat nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper die Form einer Kugel aufweist, deren Durchmesser etwas größer als der Üffnungsdurchmesser der Strahldüse (37) ist.

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