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Die
Erfindung betrifft eine Mischeinrichtung für einen Brenner
gemäß dem Oberbegriff des Schutzanspruchs 1.
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Bekannt
sind Mischeinrichtungen für einen Brenner, die ein Brennerrohr,
ein sich an das Brennerrohr anschließendes Flammrohr und
einen in dem Brennerrohr angeordneten Düsenstock aufweisen,
wobei koaxial in dem Brennerrohr eine Luftdüse angeordnet
ist, die sich in das Flammrohr hinein erstreckt und Verbrennungsluft
aus dem Brennerrohr in das Flammrohr führt, wobei eine
Halterung vorgesehen ist, die den Düsenstock koaxial in
dem Brennerrohr und der Luftdüse hält. Oft sind
in einem Übergangsbereich zwischen dem Brennerrohr und
dem Flammrohr Rezirkulationsöffnungen angeordnet sind.
Derartige Brenner mit Rezirkulations-Mischeinrichtungen werden als
Blaubrenner bezeichnet. Blaubrenner erreichen dank ihrer rauchgasgekühlten Flamme
niedrigste Schadstoffwerte und überwinden mühelos
hohe Feuerraumwiderstände.
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Bekannt
sind dabei Brenner mit axial verschiebbarem Mischkopf, d. h. axial
verschiebbarem Düsenstock und Luftdüse. Der Mischkopf
ist im Brennerrohr verschiebbar, um den Durchtrittsquerschnitt der
Rezirkulationsöffnungen, durch welche Verbrennungsgase
aus dem Feuerraum in die Flamme zirkulieren, einstellbar zu verändern.
Eine derartige Mischeinrichtung zeigt beispielsweise die
EP 0 777 084 B1 .
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Weiterhin
bekannt sind Brenner mit einem im Brennerrohr fixiert angeordneten
Mischkopf. Eine axial fixierte Luftdüse weist den Vorteil
auf, dass kaum Leckluft an ihrem Außenrand entlang strömen kann,
welche zu Verrußung des Mischkopfs und der Zündelektroden
führen kann. Allerdings weist der fixiert angeordnete Mischkopf
den Nachteil auf, dass keine Variation der Luftmenge und/oder Luftgeschwindigkeit
erfolgen kann.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Mischeinrichtung für
einen Brenner bereitzustellen, die variabler einsetzbar und benutzerfreundlicher ist.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine Mischeinrichtung
für einen Brenner mit den Merkmalen des Schutzanspruchs
1.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
erfindungsgemäße Mischeinrichtung für einen
Brenner, die ein Brennerrohr, ein sich an das Brennerrohr anschließendes
Flammrohr und einen in dem Brennerrohr angeordneten Düsenstock
aufweist, wobei koaxial in dem Brennerrohr eine Luftdüse
angeordnet ist, die sich in das Flammrohr hinein erstreckt und Verbrennungsluft
aus dem Brennerrohr in das Flammrohr führt und wobei eine
Halterung vorgesehen ist, die den Düsenstock koaxial in
dem Brennerrohr und der Luftdüse hält, weist zusätzlich eine
Luftdüse auf, welche axial fixiert in dem Brennerrohr angeordnet,
wobei der Düsenstock axial verschiebbar in dem Brennerrohr
angeordnet ist. Auf diese Weise wird eine Relativbewegung zwischen dem
Düsenstock und einer darin angeordneten Brennstoffdüse
einerseits sowie der Luftdüse andererseits erzielt, durch
welche der entstehende Luftauströmquerschnitt veränderbar
ist. Dabei muss jedoch auf den Vorteil einer axial fixierten Luftdüse
nicht verzichtet werden. Insbesondere sind somit die ausströmende
Luftgeschwindigkeit, die Luftmenge und der Luftdruck veränderbar.
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In
Verbindung mit einem drehzahlgeregelten Gebläse des Brenners
sind die zur Verbrennung erforderlichen Luftmenge, die Luftgeschwindigkeit
und der Luftdruck nach einer Kennlinie anpassbar.
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Vorzugsweise
weist die Mischeinrichtung eine den Innenraum des Brennerrohrs liegenden
Innenraum des Flammrohres abschließenden Trennscheibe auf,
welche eine zentrische Öffnung aufweist, an welcher koaxial
die Luftdüse angeordnet ist, die sich in das Rohr hinein
erstreckt und Verbrennungsluft aus dem Brennerrohr in das Flammrohr führt.
Besonders bevorzugt weist die Trennscheibe Drallöffnungen
auf, um die durch das Brennerrohr strömende Luft bei Eintritt
in die Luftdüse zu verdrallen. Verdrallte Luft verbessert
die Vermischung der Verbrennungsluft, der rezirkulierenden heißen
Abgase und des eingedüsten Brennstoffsprays.
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Vorzugsweise
ist der Düsenstock mittels einer Spindel axial verschiebbar,
was konstruktiv besonders einfach zu realisieren ist.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Mischeinrichtung
in einem Gehäuse eines Brenners angeordnet und die Spindel aus
dem Gehäuse des Brenners herausgeführt, um ein
axiales Verschieben des Düsenstocks während des
Betriebs des Brenners zu ermöglichen.
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Der
Düsenstock kann dabei entweder manuell oder auch automatisiert,
insbesondere geregelt, axial verschiebbar ausgebildet sein.
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Vorzugsweise
weist die Mischeinrichtung eine Halterung auf, die den Düsenstock
koaxial in dem Brennerrohr und der Luftdüse hält,
wobei die Halterung mittels einer Befestigungsplatte in dem Gehäuse
des Brenners befestigt ist. Vorzugsweise ermöglicht dabei
die Betätigungsplatte eine luftdichte Abdeckung.
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Besonders
bevorzugt ist die Betätigungsplatte drehbar gelagert in
dem Gehäuse angeordnet, um auf diese Weise eine Drehung
der Halterung zu ermöglichen. Vorzugsweise ist die Betätigungsplatte manuell
oder automatisiert, insbesondere geregelt, verdrehbar.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist an der
Spindel eine Verriegelungsvorrichtung angeordnet, um zu verhindern,
dass die Spindel mit daran angeordnetem Düsenstock ohne weiteres
aus dem Brennerrohr herausgezogen werden kann, jedoch auch bei Lösen
der Verriegelungsvorrichtung zu ermöglichen, dass der Düsenstock aus
dem Brennerrohr herausgezogen werden kann, um ein einfaches Wechseln
der Brennstoffdüse zu ermöglichen.
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Ein
erfindungsgemäßer Brenner weist eine erfindungsgemäße
Mischeinrichtung auf. Besonders bevorzugt weist der Brenner ein
Gebläse auf, wobei die Drehzahl des Gebläses stufenlos
veränderbar ist, um die zur Verbrennung erforderliche Luftmenge,
die Luftgeschwindigkeit und der Luftdruck, in Kombination mit der
axial zur Luftdüse verschiebbarem, an dem Düsenstock
angeordneten Brennstoffdüse, variieren zu können.
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Besonders
bevorzugt weist die Mischeinrichtung einen Düsenstock mit
einer Düse auf, über welche der Brennstoff zugeführt
wird, wobei die Menge des Brennstoffs stufenlos veränderbar,
beispielsweise mit Hilfe einer entsprechenden Brennstoffpumpe oder
eines entsprechenden Brennstoffventils, ist. Insbesondere in Kombination
mit dem drehzahlgeregelten Gebläse und der axial verschiebbaren
Düsenstock, ist neben einem ein- oder mehrstufigen Betrieb des
Brenners auch eine modulierende Betriebsweise des Brenners möglich.
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Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren ausführlich
erläutert. Es zeigen:
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1 einen
Schnitt durch einen Teil eines Brenners mit einer Mischeinrichtung
gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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2 eine
teilweise geschnittene perspektivische Ansicht der Mischeinrichtung
gemäß 1 mit Rezirkulationsmitteln
in einer ersten Position,
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3 die
Mischeinrichtung gemäß 2 mit den
Rezirkulationsmitteln in einer zweiten Position,
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4 eine
teilweise geschnittene perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispieles einer
Mischeinrichtung,
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5 die
Mischeinrichtung gemäß 4 in einer
weiteren teilweise geschnittenen perspektivischen Ansicht,
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6 eine
perspektivische Ansicht einer Klauenkupplung einer Halterung der
Mischeinrichtung gemäß 2,
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7 eine
teilweise geschnittene Darstellung der Teile eines Brenners gemäß 1 mit
einem Düsenstock in einer ersten Position,
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8 die
Darstellung gemäß 7 mit dem Düsenstock
in einer zweiten Position,
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9 den
Brenner gemäß 1 in perspektivischer
Darstellung mit teilweise geschnittener Mischeinrichtung,
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10 eine
weitere perspektivische Ansicht mit teilweiser geschnittener Mischeinrichtung
gemäß 9,
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11 eine
perspektivische Ansicht der Komponenten des Brenners gemäß 1,
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12 eine
weiteren perspektivische Darstellung der Komponenten des Brenners
gemäß 1,
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13 eine
Seitenansicht der Komponenten des Brenners gemäß 1,
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14 eine
weitere Seitenansicht der Komponenten des Brenners gemäß 1,
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15 eine
weitere Seitenansicht der Komponenten des Brenners gemäß 1,
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16 die
Seitenansicht gemäß 15 mit Blick
in den Verbindungskanal zwischen einem Gebläse und der
Mischeinrichtung,
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17 eine
teilweise geschnittene Darstellung der Komponenten des Brenners
mit Blick in den Verbindungskanal zwischen dem Gebläse
und der Mischeinrichtung mit einem Rohr zur Variation des Durchtrittsquerschnitts
von Einströmöffnungen in einer ersten Position,
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18 die
teilweise geschnittene Darstellung gemäß 17 mit
dem Rohr zur Variation des Durchtrittsquerschnitts der Einströmöffnungen
in einer zweiten Position,
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19 eine
teilweise geschnittene Darstellung der Komponenten des Brenners
mit Blick in den Verbindungskanal zwischen dem Gebläse
und der Mischeinrichtung mit einer alternativen Ausführungsform
eines Rohrs zur Variation des Durchtrittsquerschnitts von Einströmöffnungen
in einer ersten Position und
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20 die
teilweise geschnittene Darstellung gemäß 20 mit
dem Rohr zur Variation des Durchtrittsquerschnitts der Einströmöffnungen
in einer zweiten Position.
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In
allen Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet,
wobei zur besseren Übersicht nicht sämtliche Figuren
sämtliche Bezugsziffern zeigen.
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Die 1 bis 3 zeigen
verschiedene Ansichten einer Mischeinrichtung 10, welche
ein Brennerrohr 20 aufweist, dem von einem Gebläse 120 Verbrennungsluft
zugeführt wird. An das Brennerrohr 20 schließt
sich axial ein Flammrohr 30 an. Es ist grundsätzlich
möglich, dass das Flammrohr 30 direkt an dem Brennerrohr 20 ansetzt
und somit teilweise überlappend ausgebildet ist, wobei
jede denkbare Verbindung zwischen dem Brennerrohr 20 und
dem Flammrohr 30 möglich ist. In der vorliegenden
Ausführungsform endet das Brennerrohr 20 an einer
Innenseite eines Gehäuses 110 eines Brenners 100,
wobei das Flammrohr 30 außerhalb des Gehäuses 110 des
Brenners 100 mit Hilfe eines Adapterrings 80 angesetzt
ist. Das Flammrohr 30 weist gegenüber dem Brennerrohr 20 einen
erweiterten Durchmesser auf. Es ist jedoch auch möglich,
dass das Flammrohr sich im Durchmesser gegenüber dem Brennerrohr 20 verjüngt
oder dass das Brennerrohr 20 und das Flammrohr 30 im
Wesentlichen identische Durchmesser aufweisen. Die Mischeinrichtung 10 weist
eine Längsachse l auf. Die Längsachse l der Mischeinrichtung
entspricht im wesentlichen der Längsachse des Brennerrohres 20 und
der Längsachse des Flammrohres 30.
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Zwischen
dem Brennerrohr 20 und dem Flammrohr 30 ist ein Übergangsbereich
gebildet, der bei überlappender Anordnung des Brennerrohrs 20 und
des Flammrohrs 30 die einander zugewandten Endbereiche
des Brennerrohrs 20 bzw. des Flammrohrs 30 umfasst
und gegebenenfalls wie vorliegend bei Verwendung eines Adapterrings 80 den
Adapterring 80 mit einschließt.
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Der
Adapterring 80 weist einem dem Brennerrohr 20 zugewandten
Endbereich 81 und einem dem Flammrohr 30 zugewandten
Endbereich 82 auf, wobei der Adapterring 80 mit
seinem Endbereich 81 auf die Außenseite des Gehäuses 110 angesetzt ist
und in seinem Endbereich 82 einen Überlapp mit dem
Flammrohr 30 aufweist und mit dem Flammrohr 30 mittels
eines Bajonettver schlusses verbunden ist. Alternativ kann eine Verbindung
auch durch Verpressen oder Verschweißen erfolgen.
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In
dem Übergangsbereich von Brennerrohr 20 und Flammrohr 30 sind
Rezirkulationsöffnungen 85 angeordnet, die je
nach Verbindung zwischen dem Brennerrohr 20 und dem Flammrohr 30 in
einem dem Flammrohr 30 zugewandten Endbereich des Brennerrohrs 20,
in einem dem Brennerrohr zugewandten Endbereich des Flammrohrs 30 und/oder
in dem Adapterring 80 angeordnet sein können,
wobei sie im vorliegenden Fall in dem Adapterring 80 angeordnet
sind. Durch die Rezirkulationsöffnungen 85 können
aus der Brennkammer Verbrennungsgase in die Flamme der Mischeinrichtung 10 zurückgeführt werden.
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In
das Brennerrohr 20 ist eine Trennscheibe 50 eingesetzt,
deren Außendurchmesser im Wesentlichen dem Innendurchmesser
des Brennerrohrs 20 entspricht und welche eine zentrische Öffnung 51 aufweist,
durch welche koaxial ein Düsenstock 40 mit einer
Brennstoffdüse 42 geführt ist. An der
Trennscheibe 50 ist koaxial eine Luftdüse 60 angeordnet, welche
derart ausgebildet ist, dass sie dem Brennerrohr 20 zugewandt
eine Eintrittsöffnung 61 aufweist und sich ausgehend
von dem Durchmesser der Eintrittsöffnung 61 bis
zu einer Austrittsöffnung 63 verjüngt,
welche dem Flammrohr 30 zugewandt ist. Die Luftdüse 60 weist
an ihrer Eintrittsöffnung 61 einen Flansch 64 auf,
der im vorliegenden Beispiel durch die Trennscheibe 50 gebildet
ist. Die Luftdüse 60 weist eine im Wesentlichen
konische Gestalt auf, welche auch einen gewölbten Außenmantel
oder einen kegelstumpfartigen Außenmantel aufweisen kann.
Es ist auch möglich, dass die Luftdüse 60 zunächst
einen zylindrischen Abschnitt aufweist, an welchen sich ein verjüngender
Abschnitt anschließt.
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Das
Gehäuse 110 des Brenners 100 weist eine Öffnung 112 auf,
durch welche die Luftdüse 60 hindurchgeführt
ist, wobei die Luftdüse 60 das Gehäuse 110 des
Brenners 100 mittels des Flansches 62, d. h. mittels
der Trennscheibe 50 verbrennungsluftseitig abdichtet. Dazu
ist zwischen dem Flansch 62 und der Innenwand des Gehäuses 110 eine
Dichtung 66 angeordnet, wobei der Flansch 62 einen
Außendurchmesser aufweist, der größer
ist als der Durchmesser der Öffnung 112 des Gehäuses 110 und
die Luftdüse 60 an ihrem brennerrohrseitigen Ende
einen Außenumfang aufweist, der im Wesentlichen dem Durchmesser
der Öffnung 112 entspricht. Der Flansch 62 und
die Dichtung 66 werden von innen gegen die Innenwand des
Gehäuses 110 gedrückt, beispielsweise
federbelastet.
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Die
Trennscheibe 50 weist Drallöffnungen 53 auf,
welche die durch das Brennerrohr 20 in die Luftdüse 60 strömende
Luft in Rotation um die Längsachse l der Mischeinrichtung 10 versetzt.
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In
die Luftdüse 60 ist axial ein Düsenstock 40 eingesetzt, über
den der Brennstoff, beispielsweise sowohl gasförmiger als
auch flüssiger Brennstoff, zugeführt wird. Am
vorderen Ende des Düsenstockes 40 tritt der Brennstoff
zerstäubt über die Brennstoffdüse 42 aus.
Die zugeführten gasförmigen oder flüssigen
Brennstoffe können fossile, synthetische oder biogene Brennstoffe
sein.
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Die
Brennstoffdüse 42 kann als Brennstoffdüse
für flüssige Brennstoffe oder als Gasdüse
ausgebildet sein. Es ist auch möglich, dass der Düsenstock 40 mit
einer koaxialen Gasleitung mit einer ringförmiger Gasdüse
im Bereich der Brennstoffdüse 42 für
flüssige Brennstoffe, beispielsweise für Öl,
ausgebildet ist, so dass der Brenner 100 im Zweistoffbetrieb
mit Gas und flüssigem Brennstoff betrieben werden kann.
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Die
Mischeinrichtung 10 weist zwei Zündelektroden 55 einer
Transistorspulenzündung auf, mit welchen der zerstäubte
Brennstoff gezündet wird. Die Zündelektroden 55 sind
an ihren freien Enden derart abgewinkelt, dass ihre freien Enden
in einem kleineren Abstand liegen als ihre nicht abgewinkelten Enden,
wobei die freien Enden im Wesentlichen vor die Austrittsöffnungen 63 der
Luftdüse 60 gebogen sind. Zwischen den beiden
Enden der Zündelektroden 55 wird die Flamme gezündet.
Die Brennstoffdüse 42 ist dabei derart angeordnet,
dass sich die Flamme in dem Flammrohr 30 vor der Austrittsöffnung 63 der
Luftdüse 60 erstreckt. Die extern angebrachten Zündelektroden 55 können
gewechselt werden, ohne den Brenner 100 zu demontieren.
Die Zündelektroden 55 können bei einer
Ionisationsstrom-Flammenüberwachung zusätzlich
als Ionisationselektroden verwendet werden. Wird keine Ionisationsüberwachung
eingesetzt, erfolgt eine optische Flammenüberwachung und/oder
eine direkte Messung der Verbrennungsgüte mit Hilfe eines
CO- oder O2-Sensors.
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Die
Mischeinrichtung 10 weist Rezirkulationsmittel 70 auf,
welche axial fixiert innerhalb der Mischeinrichtung 10 angeordnet
sind und mit welchen es möglich ist, einen Durchtrittsquerschnitt 86 der
Rezirkulationsöffnungen 85 einstellbar zu verändern.
Die Rezirkulationsmittel 70 sind insbesondere als ringförmiges
Element mit einer Umfangswand 71 ausgebildet, welche in
einer alternativen Ausführungsform einen Boden 72 aufweisen
können, um derart ein topfförmiges Element zu
bilden, das beispielsweise in Richtung auf das Flammrohr 30 offen ist.
Der Außendurchmesser der Umfangswand 71 der Rezirkulationsmittel 70 entspricht
dabei im Wesentlichen dem Innendurchmesser des Adapterrings 80,
wobei gegebenenfalls ein Spiel vorgesehen ist, insgesamt der Adapterring 80 jedoch
als Führungsrohr für die Rezirkulationsmittel 70 dient.
Im Boden 72 der Rezirkulationsmittel 70 ist eine
zentrische Öffnung 73 angeordnet, welche stromaufseitig
vor der Austrittsöffnung 73 der Luftdüse 60 und
dem Düsenstock 40 mit der Brennstoffdüse 42 liegt.
Die Zündelektroden 55 sind durch zwei weitere Öffnungen
des Bodens 72 der Rezirkulationsmittel 70 geführt.
Die zentrische Öffnung 73 des Bodens 72 der
Rezirkulationsmittel 70 kann als düsenförmige
Austrittsöffnung 74 ausgebildet sein.
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In
der Umfangswand 71 der Rezirkulationsmittel 70 sind Öffnungen 75 angeordnet.
Sowohl die Rezirkulationsöffnungen 85 als auch
die Öffnungen 75 sind insbesondere als gegen die
Längsachse l der Mischeinrichtung 10 geneigte
Schlitze ausgebildet, wobei vorzugsweise die Rezirkulationsöffnungen 85 und
die Öffnungen 75 in ihrer Form und Neigung im Wesentlichen übereinstimmen.
Die Rezirkulationsmittel 70 sind axial dadurch fixiert,
dass sie an das dem Brennerrohr 20 zugewandte Ende des
Flammrohres 30, welches innenliegend an dem Adapterring 80 überlappend
eingeführt ist, auf Stoß anliegen. Die Rezirkulationsmittel 70 sind
vorzugsweise weiterhin axial dadurch fixiert, dass die zentrische Öffnung 73 des
Bodens 72 an der Luftdüse 60, beispielsweise der
Austrittsöffnung 63 der Luftdüse 60 fixiert
angeordnet ist. An der Austrittsöffnung 63 der
Luftdüse 60 ist dazu insbesondere ein Flansch 64 angeordnet, welcher
an dem Boden 72 der Rezirkulationsmittel 70 fixiert,
beispielsweise verschweißt oder verschraubt ist.
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Der
Boden 72 der Rezirkulationsmittel 70 kann insbesondere
als Hitzeschott zwischen dem Brennerrohr 20 und dem Flammrohr 30 dienen.
Zwischen den Rezirkulationsmitteln 70 und der Außenseite
des Gehäuses 110 des Brenners 100 kann
zusätzlich eine Isolierung angeordnet sein, um die Wärmebelastung
des Brennerraums zu verringern.
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Die
Rezirkulationsmittel 70 sind um ihre Längsachse,
welche insbesondere mit der Längsachse l der Mischeinrichtung 10 übereinstimmt,
drehbar innerhalb der Mischeinrichtung 10 angeordnet und
ausgebildet, bei Drehung um ihre Längsachse den Durchtrittsquerschnitt 86 der
Rezirkulationsöffnungen 85 zu variieren. Dies
erfolgt insbesondere dadurch, dass bei Drehung der Rezirkulationsmittel 70 um
ihre Längsachse die Öffnungen 75 entweder fluchtend
zu den Rezirkulationsöffnungen 85 angeordnet sind
und somit den vollständigen Durchtrittsquerschnitt 86 der
Rezirkulationsöffnungen 85 freigeben oder bei
Weiterdrehung die Umfangswand 71 der Rezirkulationsmittel 70 die
Rezirkulationsöffnungen 85 zumindest teilweise
oder vollständig überdecken und somit den Durchtrittsquerschnitt 86 variieren
bis hin zur vollständigen Schließung der Rezirkulationsöffnungen 85.
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Die
Drehung der Rezirkulationsmittel 70 erfolgt insbesondere
mittels eines innerhalb der Mischeinrichtung 10 geführten
Betätigungselements. Vorliegend ist das Betätigungselement
durch die Luftdüse, welche mit den Rezirkulationsmitteln 70 axial
und drehfest verbunden ist, und eine an der Luftdüse 60 drehfest
angeordnete Halterung 43 für den Düsenstock 40 gebildet.
Die Halterung 43 hält den Düsenstock 40 koaxial
in dem Brennerrohr 20 und der Luftdüse 60.
Die Halterung 43 weist insbesondere ein erstes Element 43a und
ein zweites Element 43b auf, welche mittels einer Klauenkupplung 44 (vgl.
insbesondere 6) drehfest miteinander verbunden sind.
Das zweite Element 43b ist dabei stromaufseitig der Trennscheibe 50,
welche mit der Luftdüse 60 verbunden ist, angeordnet,
während das erste Element 43a stromauf des zweiten
Elements 43b angeordnet ist und stromaufseitig mit einer
Betätigungsplatte 90 verbunden ist, mittels welcher
die Halterung 43 insbesondere im Gehäuse 110 des
Brenners 100 befestigt ist. Die Betätigungsplat te 90 ermöglicht
insbesondere eine luftdichte Abdichtung des Gehäuses 110 des
Brenners 100 und ist vorzugsweise in dem Gehäuse 110 drehbar
gelagert angeordnet.
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Bei
Drehen der Betätigungsplatte 90 wird somit das
erste Element 43a der Halterung 43, über
die Klauenkupplung 44 gleichzeitig das zweite Element 43b der
Halterung 43 und darüber die Trennscheibe 50 sowie
die daran angeordnete Luftdüse 60 einschließlich
der an der Luftdüse 60 angeordneten Rezirkulationsmittel 70 verdreht,
so dass auf dieser Art und Weise mit Hilfe der Betätigungsplatte 90 von
außerhalb des Brenners 100 die Rezirkulationsmittel 70 verdreht
werden können, um den Durchtrittsquerschnitt 86 der
Rezirkulationsöffnungen 85 während des
Betriebs des Brenners 100 variieren zu können.
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Der
Drehweg der Betätigungsplatte 90 ist vorzugsweise
mittels einer in der Betätigungsplatte 90 angeordneten
Nut 92, die als Bogensegment ausgebildet ist, und eines
in der Nut 92 geführten Zapfens 93, der
drehfest beispielsweise an der Außenwand des Gehäuses 110 angeordnet
ist, begrenzt, um eindeutig auch von außen erkennbar die
Positionen einstellen zu können, in welche die Rezirkulationsmittel 70 die
Rezirkulationsöffnungen 80 entweder vollständig öffnen
oder vollständig schließen. Eine Verdrehung der
Betätigungsplatte 90 kann entweder manuell oder
auch automatisiert, insbesondere automatisiert mit Hilfe eines Reglers,
erfolgen.
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Zwischen
dem ersten Element 43a und dem zweiten Element 43b der
Halterung 43 ist eine Feder 45, insbesondere eine
Schraubefeder 45 angeordnet (vgl. insbesondere 6),
die zwischen entsprechend umlaufende Vorsprünge an dem
ersten Element 43a und dem zweiten Element 43b gespannt
ist und somit ein Anpressen des zweiten Elements 43b einschließlich
der daran an geordneten Trennscheibe 50 an die Innenwand
des Gehäuses 110 bewirkt, so dass mit Hilfe der
zwischen der Trennscheibe 50 und der Innenwand des Gehäuses 110 angeordneten Dichtung 66 eine
Abdichtung der Öffnung 112, durch welche die Luftdüse 60 der
Mischeinrichtung 10 geführt ist, erfolgt.
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Die 4 und 5 zeigen
perspektivische, teilweise geschnittene Ansichten der Mischeinrichtung 10 gemäß den 1 bis 3,
wobei die Luftdüse 60 brennerrohrseitig nicht
durch die Trennscheibe 50 abgeschlossen ist. Die Abdichtung
zwischen dem Innenraum des Brennerrohrs 20 und dem Innenraum
des Flammenrohres 30 erfolgt vorzugsweise durch den Boden 72 der
Rezirkulationsmittel 70. Die Trennscheibe 50 kann
insbesondere dann entfallen, wenn bereits verdrallte Luft in das
Brennerrohr 20 eingeleitet wird.
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Die 7 bis 10 zeigen
verschiedene Ansichten des Brenners 100 mit der Mischeinrichtung 10 gemäß den 1 bis 3,
aus welchen ersichtlich wird, dass in einer Ausführungsform
der Düsenstock 40 einschließlich der
Brennstoffdüse 42 in der Mischeinrichtung 10 axial
verschiebbar angeordnet ist. Dabei zeigen insbesondere die 7, 9 und 10 den
Düsenstock 40 in einer ersten Position, in welcher
die Brennstoffdüse 42 in der Austrittsöffnung 63 der
Luftdüse 60 liegt, während 8 die Position
des Düsenstocks 40 zeigt, bei welcher die Brennstoffdüse 42 axial
stromauf versetzt vor der Austrittsöffnung 63 der
Luftdüse 60 liegt.
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Um
den Düsenstock 40 axial verstellen zu können,
ist am stromaufseitigen Ende des Düsenstocks 40 eine
Spindel 47 angeordnet, welche durch eine Stellmutter 48 geführt
ist. Bei Drehen der Stellmutter 48 wird somit die Spindel 47 und
der sich daran anschließende Düsenstock 40 einschließlich
der Brennstoffdüse 42 je nach Drehrichtung entweder
in die Mischeinrichtung 10 hinein oder aus der Mischeinrichtung 10 heraus
gedreht. Dadurch, dass die Spindel 47 am stromaufseitigen
Ende des Brennerrohrs aus den Gehäuse 110 des
Brenners 100 herausgeführt ist, kann insbesondere
eine axiale Bewegung des Düsenstocks 40 auch während
des Betriebs des Brenners 100 erfolgen. Mittels der Stellmutter 48 ist
insbesondere die axiale Position des Düsenstocks 40 stufenlos
einstellbar.
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Es
können Arretiermittel vorgesehen sein, so dass bei der
gewünschten Position der Stellmutter 48 eine Fixierung
der Stellmutter 48 erfolgen kann, um ein versehentliches
Verstellen der Stellmutter 48 zu verhindern.
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Weiterhin
kann eine Verriegelungsvorrichtung 49 vorgesehen sein,
die eine Verriegelung derart ermöglicht, dass die Stellmutter 48 in
axialer Richtung fixiert ist, um ein vollständiges axiales
Herausziehen der Spindel 47 zu verhindern. Bei Lösen
der Verriegelungsvorrichtung 49 kann die Spindel 47 einschließlich
des daran angeordneten Düsenstocks 40 und der
Brennstoffdüse 42 axial aus der Mischeinrichtung 10 herausgezogen
werden, so dass auf diese Art und Weise ein einfacher Austausch
der Brennstoffdüse 42 erfolgen kann. Die Verriegelungsvorrichtung 49 ist
dabei insbesondere als quer zur Längsachse l der Mischeinrichtung 10 verschiebbare
Platte 49a mit einer schlüssellochartigen Öffnung 49b ausgebildet
(vgl. insbesondere 4, 6 und 11),
so dass bei Eingriff des schmaleren Teils der schlüssellochartigen Öffnung 49b eine
axiale Fixierung der Stellmutter 48 und bei Eingriff der
Stellmutter 48 in den verbreiterten Teil der schlüssellochartigen Öffnung 49b ein
Herausziehen der Stellmutter 48 einschließlich
der Gewinde 47 und des Düsenstocks 40 möglich
ist.
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Der
Düsenstock 40 ist insbesondere manuell oder automatisiert
axial verschiebbar, bei automatisierter Verschiebbarkeit insbesondere
regelbasiert verschiebbar.
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Die 11 bis 15 zeigen
verschiedene Komponenten des Brenners 100 mit der Mischeinrichtung 10,
dem Gebläse 120 sowie einer Kraftstoffpumpe 140.
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Das
Gebläse 120 erzeugt einen Luftstrom entlang einer
ersten Richtung x (vgl. insbesondere 11 und 16),
welche mittels eines Verbindungskanals 130 in das Brennerrohr 20 der
Mischeinrichtung 10 eingeleitet wird. Anhand der 16 bis 18 wird
die Ausgestaltung des Verbindungskanals 130 näher
erläutert, welche grundsätzlich unabhängig
von der konkreten Ausgestaltung der Mischeinrichtung 10 ist.
Das Gebläse 120 erzeugt ein Luftstrom in der ersten
Richtung x, in welcher die Luft in den Verbindungskanal 130 einströmt,
wobei der Verbindungskanal 130 die Luft in eine zweite
Richtung y, welche insbesondere senkrecht zur ersten Richtung x
verläuft, umlenkt. Insbesondere entspricht die zweite Richtung
y der Längsachse l der Mischeinrichtung 10, so
dass der Verbindungskanal 130 dafür Sorge trägt,
dass die Luft in Richtung der Längsachse l in die Mischeinrichtung 10 einströmt,
das Gebläse 120 jedoch nicht in Verlängerung
der Längsachse l angeordnet werden muss, wo die thermische
Belastung hoch ist, sondern versetzt zur Längsachse l angeordnet
werden kann, wo die thermische Belastung geringer ist.
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In
der ersten Richtung x weitet sich der Verbindungskanal 130 keilförmig
auf, um dem Luftstrom bereits eine Geschwindigkeitskomponente in
der zweiten Richtung y gegeben.
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Der
Verbindungskanal 130 ist insbesondere derart ausgestaltet,
dass er Mittel aufweist, welche die Luft, welche in der ersten Richtung
x einströmt, in eine Kreisströmung um die zweite
Richtung y lenken. Auf diese Art und Weise wird bereits im Verbindungskanal 130 ein
Drall der Luftströmung erreicht, welche die Arbeitsweise
der Mischeinrichtung 10 dahingehend begünstigt,
dass eine bessere Verwirbelung zwischen der einströmenden
Luft und dem eingesprühten Brennstoff erfolgt, so dass
auf diese Weise eine stabilere Flamme erreicht werden kann.
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Der
Verbindungskanal 130 weist einen Rohrabschnitt 132 auf,
dessen Längsachse parallel zur zweiten Richtung y und somit
parallel zur Längsachse l der Mischeinrichtung 10 verläuft
und welcher insbesondere zumindest abschnittsweise mit dem Brennerrohr 20 übereinstimmt.
Der Rohrabschnitt 132 weist wenigstens eine, vorliegend
zwei diametral gegenüberliegende Einströmöffnungen 134 auf. Durch
eine der beiden Einströmöffnungen 134 kann entlang
der ersten Richtung x strömende Luft tangential in den
Rohrabschnitt 132 einströmen. Durch die diametral
gegenüberliegende Einströmöffnung 134 strömt
ebenfalls Luft tangential in den Rohrabschnitt 132 ein,
jedoch nach Umlenkung um 180° aus der ersten Richtung x.
Auf diese Art und Weise wird mit Hilfe des Verbindungskanals 130 direkt
Luft tangential in das Brennerrohr 20 eingeleitet, wobei
eine Kreisströmung um die Längsachse l der Mischeinrichtung 10 erzeugt
wird und somit bereits durch das Brennerrohr 20 verdrallte
Luft der Luftdüse 60 zugeführt wird, so
dass gegebenenfalls die Trennscheibe 50 mit Drallöffnungen 53 entfallen
kann, alternativ durch die Drallöffnungen 53 der
Trennscheibe 50 die Luft weiter in Richtung um die Längsachse
l der Mischeinrichtung 10 verdrallt wird. Die Richtung
der Drallöffnungen 53 entspricht dabei insbesondere
der Richtung der Kreisströmung um die Längsachse
l der Mischeinrichtung 10, um die Luft strömung
möglichst wenig zu stören. Auch die Neigung der
Rezirkulationsöffnung 85 und der Öffnungen 75 der
Rezirkulationsmittel 70 entsprechen insbesondere der Drallrichtung der
einströmenden Luft, um die Strömung möglichst wenig
zu stören.
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Die
Umleitung der aus dem Gebläse 120 strömenden
Luft in die Einströmöffnung 134 erfolgt insbesondere
mittels eines Luftleitblechs 138, welches den Verbindungskanal 130 in
zwei Luftkanäle teilt, von welchen der eine Luft auf die
erste Einströmöffnung 134 und der andere
Luft um 180° umgelenkt in die zweite Einströmöffnung 134 leitet,
um auf diese Weise Luft durch beide Einströmöffnungen 134 tangential
in den Rohrabschnitt 132 einleiten zu können. Das
Luftleitblech 138 ist in seiner Position innerhalb des
Verbindungskanals 130 beispielsweise mittels einer Schraube 139 verstellbar,
um die Luftmenge, welche durch die beiden Einströmöffnungen 134 einströmt,
variieren zu können.
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Weiterhin
sind Mittel vorgesehen, mittels welcher ein Durchtrittsquerschnitt 135 der
Einströmöffnungen 134 variabel einstellbar
ist. Die Mittel sind als Rohr 136 ausgebildet, welcher
mit seiner Außenwandung an der Innenwandung des Rohrabschnittes 132 und/oder
der Innenwandung des Luftleitblechs 138 anliegt. Das Rohr 136 weist
zwei diametral angeordnete Öffnungen 137 auf,
welche insbesondere als Schlitze in Richtung der Längsachse
l der Mischeinrichtung 10 ausgebildet sind, wobei das Rohr 136 um die
Längsachse l drehbar gelagert angeordnet ist, so dass je
nach Drehung und Position des Rohrs 136 und der Öffnungen 137 relativ
zu den Einströmöffnungen 134 die Einströmöffnungen 134 mehr
oder weniger geöffnet und somit der Durchtrittsquerschnitt 135 der
Einströmöffnungen 134 variiert wird.
Die Drehung des Rohrs 136 erfolgt insbesondere mittels
eines Betätigungshebels 150 (vgl. insbesondere 2),
der vorzugsweise von der Außenseite des Brennergehäuses
betätigt werden kann, so dass eine Variation des Durchtrittsquerschnitts
der Einströmöffnungen 134 während
des Betriebs des Brenners 100 erfolgen kann. Der Betätigungshebel 150 weist
eine Nut 152 auf, in welcher ein Zapfen 153 geführt
ist, wodurch eine Begrenzung des Drehwegs des Betätigungshebels 150 erfolgt,
so dass auch ohne das Brennergehäuse öffnen zu
müssen erkennbar ist, ob die Einströmöffnungen 134 gerade
einen maximalen oder minimalen oder einen zwischen den Extrempositionen
gelegenen Durchtrittsquerschnitt aufweisen.
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Die
Luftströmung in Richtung der Längsachse l der
Mischeinrichtung 10 wird weiterhin dadurch begünstigt,
dass in dem Rohrabschnitt 132, insbesondere in dem Brennerrohr 20,
ein Kegelstumpf angeordnet ist, dessen verjüngter Abschnitt
in Richtung auf die Mischeinrichtung 10 oder das Flammrohr 30 weist,
wobei vorliegend das zweite Element 43b der Halterung 43 des
Düsenstocks 40 als kegelstumpfartiges Element
ausgebildet ist.
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Eine
zu der in den 17 und 18 alternative
Ausführungsform des Verbindungskanals 130 zeigen
die 19 und 20. Es
ist möglich, wie in den 19 und 20 dargestellt,
das in dem Verbindungskanal 130 angeordnete Luftleitblech 138 weg
zu lassen, so dass die aus dem Gebläse 120 strömende
Luft teilweise in die erste Einströmöffnung 134 und
teilweise lediglich auf der Außenseite des Brennerrohrs 20 umgelenkt
in die diametral gegenüberliegende Einströmöffnung 134 strömt.
Statt des Luftleitblechs 138 kann an dem Rohr 136 tangential ein
Leitblech 131 angeordnet sein, dass sich insbesondere durch
die erste Einströmöffnung 134 in den Verbindungskanal 130 erstreckt
und eine Teilung des Luftstroms begünstigt. Dabei wird
das Leitblech 131 bei Drehung des Rohrs 136 ebenfalls gedreht,
so dass auf diese Weise ebenfalls eine Variation des Durchtrittsquerschnitts
der Einströmöffnung 134 erfolgen kann.
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In
allen dargestellten Ausführungsbeispielen ist das Gebläse 120 vorzugsweise
stufenlos in seiner Drehzahl veränderbar. Weiterhin ist
die Menge des Brennstoffs, welche über die Brennstoffdüse 42 der Mischeinrichtung 10 zugeführt
wird, ebenfalls stufenlos veränderbar.
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Der
Brenner 100 mit der Mischeinrichtung 10, dem Gebläse 110 und
dem dazwischen angeordneten Verbindungskanal 130 ermöglicht
eine schadstoffarme, effiziente Verbrennung von flüssigen
oder gasförmigen Brennstoffen. Durch die beschriebene Geometrie
des Verbindungskanals 130 wird der Druckverlust der zuströmenden
Verbrennungsluft minimiert und der Gebläsedruck wird vorrangig
zur Vermischung von Verbrennungsluft und Brennstoff und zur Überwindung
der abgasseitigen Widerstände im Wärmeerzeuger
und im Abgassystem genutzt. Durch die Geometrie des Verbindungskanals 130 wird
weiterhin eine Erhöhung des statischen Drucks der Querschnittserweiterung
der Luftkanäle im Übergang zum Brennerrohr 20 bewirkt,
welche die Flamme auch bei Druckschwankungen im Abgassystem stabilisiert.
Durch die Verdrallung der Luft bereits im Brennerrohr 20 wird
ein hoher Drehimpuls der Verbrennungsluft erzeugt, welcher eine
homogene Verdrallung des Kraftstoff-Luftgemisches vor und hinter der
Luftdüse 60 mit oder ohne Trennscheibe 50 und eine
stabile Unterdruckzone im Rezirkulationsbereich ermöglicht.
Die homogene Verdrallung und die optimal einströmenden
Abgase ermöglichen eine optimale Vermischung der Verbrennungsluft,
der regulierenden heißen Abgase und des eingedüsten
kegelförmigen, aerosolen Kraftstoffsprays, welches vor der
Flammenwurzel optimal verdampft wird. Die Verbrennung erfolgt stabil
und besonders geräuscharm unter blauer Flamme mit geringem
NOx-, CO- und CxHy-Emissionen. Unerwünschtes undefiniertes Rückzünden
im Bereich der Flammenwurzel und an der Rezirkulationszone wird
vermieden. Hierdurch wird insbesondere eine Rußbildung
am Mischkopf und den Zündelektroden 55 verhindert.
Die gute Vermischung von Verbrennungsluft, Abgasen und Brennstoff
ermöglicht eine Reduzierung des Einspritzdrucks, insbesondere
von Heizöl, auf weniger als 4 Bar. Dies ermöglicht
eine Reduzierung der Brennerleistung auf unter 7 kW, wenn handelsübliche Brennstoffdüsen 42 verwendet
werden. Durch die Reduzierung der Druckverluste im Brenner 100 eignet
sich das System auch für den Einsatz in größeren Leistungsbereichen
von mehr als 150 kW, wo bislang die exponential steigende Gebläseleistung
den Einsatz von Blaubrandsystemen mit drallstabilisierter Flamme
limitierte. Die optimal stabilisierte Flamme eignet sich das System
besonders für den Einsatz von Brennwertwärmetauschern
und Heizkesseln mit hohen abgasseitigen Widerständen. Die
Abdichtung der Luftdüse 60 zum Flammrohr 30 und
Brennraum verhindert eine unerwünschte, undefinierte Falschluftströmung.
Hierdurch bedingte Rußbildung und unerwünschter
Druckverlust werden vermieden.
-
Der
vorliegende Brenner 100 weist somit insbesondere eine Gehäusegeometrie
auf, die durch entsprechende Führung der Verbrennungsluft
diese durch tangentiale Einströmung in das Brennerrohr 20 bereits
vor der Luftdüse 60 in Rotation versetzt. Ferner
werden die rezirkulierenden Abgase über schräg angeordnete,
in Drallrichtung orientierte Rezirkulationsoffnungen 85 der
Verbrennungszone zugeführt. Die Brennstoffdüse 42 kann
axial zur feststehenden Luftdüse 60 verschoben
werden, wodurch der entstehende Luftausströmquerschnitt
veränderbar ist. Die ausströmende Luftgeschwindigkeit,
die Luftmenge und der Luftdruck sind somit veränderbar.
In Verbindung mit einem drehzahlgeregelten Gebläse 120 sind
die zur Verbrennung erforder lichen Luftmenge, die Luftgeschwindigkeit
und der Luftdruck nach einer Kennlinie anpassbar. Wird zusätzlich
die Kraftstoffmenge variiert, beispielsweise mittels einer modulierenden
Kraftstoffpumpe 140 oder eines modulierenden Kraftstoffventils,
ist neben einem ein- oder mehrstufigen Betrieb eine modulierende
Brennweise des Brenners 100 möglich.
-
- 10
- Mischeinrichtung
- 20
- Brennrohr
- 30
- Flammrohr
- 40
- Düsenstock
- 42
- Brennstoffdüse
- 43
- Halterung
- 43a
- erstes
Element
- 43b
- zweites
Element
- 44
- Klauenkupplung
- 45
- Feder
- 46
- Kegelstumpf
- 47
- Spindel
- 48
- Stellmutter
- 49
- Verriegelungsvorrichtung
- 49a
- Platte
- 49b
- schlüssellochartige Öffnung
- 50
- Trennscheibe
- 51
- Öffnung
- 53
- Drallöffnung
- 55
- Zündelektrode
- 60
- Luftdüse
- 61
- Eintrittsöffnung
- 62
- Flansch
- 63
- Austrittsöffnung
- 64
- Flansch
- 66
- Dichtung
- 70
- Rezirkulationsmittel
- 71
- Umfangswand
- 72
- Boden
- 73
- zentrische Öffnung
- 74
- Austrittsöffnung
- 75
- Öffnung
- 80
- Adapterring
- 81
- Endbereich
- 82
- Endbereich
- 85
- Rezirkulationsöffnung
- 86
- Durchtrittsquerschnitt
- 90
- Betätigungsplatte
- 92
- Nut
- 93
- Zapfen
- 100
- Brenner
- 110
- Gehäuse
- 112
- Öffnung
- 120
- Gebläse
- 130
- Verbindungskanal
- 131
- Leitblech
- 132
- Rohrabschnitt
- 134
- Einströmöffnung
- 135
- Durchtrittsquerschnitt
- 136
- Rohr
- 137
- Öffnung
- 138
- Luftleitblech
- 139
- Schraube
- 140
- Kraftstoffpumpe
- 150
- Betätigungshebel
- 152
- Nut
- 153
- Zapfen
- x
- erste
Richtung
- y
- zweite
Richtung
- l
- Längsachse
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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