DE2047080A1 - Vielloch Gasbrenner - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

DR.-PHIL. G. NICKEL ■ DR.-ING. J. DORNER

8 MÖNCHEN 15
LANDWEHRSTR. 35 · POSTFACH 104

TEL. (08 IU 55 5719

München, den 15. September 1970 Anwaltsaktenz.r 27 - Pat. 3

Company, 141 spring Street, Lexington, Massachusetts Vereinigte Staaten von Amerika

Vielloch - Gasbrenner

Di^:3 ,.,rfiridany betrifft Vielloch-Gasbrenner zur Verbrennung eines j-en. inches von Kohlenwasserstoff gas und luft.

Yiels bekannte trenner zum betrieb mit einem Gas-Luft-Gemisch sind von solcher Bauart, daß die Flamme nach art einer .nunsenorannerflamme erzeugt wird. Eine derartige flamme wird durch einen im wesentlichen laminaren Strahl eines brennbaren 3-emisches erzeugt, /.elches aus einem Rohr oder einer Öffnung austritt. 3ekurmter;:iH..:-en breitet sich, in jedem brennbaren G-emisch aus Gfas und Luft eine Jj¹Iamme unter Ausbildung einer Verbrennungswellenfront aus, die in dem Gemisch uit einer Geschwindigkeit vorrückt, die gey/öhnlich mit S bezeichnet wird und im falle eines laminaren Strahles eines Gemisches aus Kohlenwasserstoffgas und Luft Ln stöcriioiiie Irischen Verhältnis etwa 40 cm/sec. betragt. Herr-30-ion ::f)lchfi Ge3cn,vindi,-;keits7er.iältnisse in dem Strahl, dai.i na-

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he dem Rand einer Öffnung ein Bereich existiert, in welchen.: die Geachwindigkeitskomponente des Strahles in Richtung von der Öffnung weg zu einem bestimmten Augenblick gleich dera >/ert 3 ist, so stabilisiert sich der Fuß der Plamme an diesem Ort. ",v'ird aber die Geschwindigkeit des aus der Öffnung austretenden Gasstrahles erhöht, so wird ein Zustand erreicht, bei weichem die Gasstromungsgeschwindigkeit an jedem Punkt größer als die Flammem'ortpflanzungsgeschwlndigkeit S wird und die Verbrennungswellenfront wird fortgeblasen, so daß die .Flamme erlischt. Jede einzelne Öffnung hat eine bestimmte Ausblasgeschwindigkeit für ein jeweils zugeführtes Gas-Luft-Gemisch, Der Ausdruck "Ausblasgesc.iwindigkeit" wird in eier Beschreibung und in den Ansprüchen zur Bezeichnung der Geschwindigkeit verwendet, oei welcher für ein bestimmtes Gas-Luft-Gemisch und für eine einzelne Öffnung bestimmter Größe ohne die Verwendung von Hilfs-Plair.irermaiteeinrichtungen sich die ^asis der Flamme von der betreffenden öffnung weg bewegt und die Flamme erlischt.

Die zuvor beschriebene Erscheinung begrenzt die 'Värrneenergiemenge, welche an Brenneröffnungen der Bunsenorenneroauart ac gegeben werden kann. Charakteristischerweise hat man derartige Brenneröffnungen bisher mit maximalen Strahl-geschv/indigkeiten von etwa dem Zweifachen bis Vierfachen des wertes von S₁₁ für das der Öffnung zugeführte brennbare Gemisch betrieben. V/οIxte man bisher größere V/ärmeenergiemengen bereitstellen, als oie sich mit einer einzigen Brenneröffnung erzielen lassen, so verwendete man Brenner mit einer Vielzahl solcher .jr eimer öffnungen. Die Offnungen waren bei diesen bekannten ivonstruktionen aber so angeordnet, daß die Eigenschaften aer einzelnen Offnungen, .vie sie zuvor beschrieben wurden, erhalten blieben. Hieraus ergab sich, daß Brenner hoher V/ärmeleistung verhältnismäßig groß waren. Auch hatten sie die Neigung zur Geräuschentwicklung und erzeugten ο«·) brächtliche mengen von Kohienrnonoxyd in dsn Verorenaungsgasen.

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Die Entwicklung hochleistungsfähiger V/armeüberfcragungseinheiten _r:;3ürän-;ter jauseise, /»^rie sie an anderer tstelle bereits vorge-3clil£;i^:en wurden, erforciert aber eine entsprechend gedrängte r>auweise und gro.se Leistungsfähigkeit der trenner, ."eiche isrennstofx"-..:ufüiirun.5siiieni'6n entsprechend 780 ,<armeeinneiten je otunde ■.aid ;'e vaadratZentimeter Brennerocerflache oder noch darüber zu verarbeiten vermögen, gekannte urennerkonstruKtionen sind zur iereitsteilung solcher Energiedichten rieht geeignet.

Durch uie Sri'indung soll also die Aufgabe gelöst werden, die mit einem vielxoch-iasbrenner erziel oare." .,armeabgabe unter AufrecnterL-iltun-g eines stabilen. Betriebes und eines niedrigen Seririuschpc-rels sowie eines nohen "Wirkungsgrades vvesentlich zu ernchen.

ßel einem vielioch-CJasbrenner mit einer Vielzahl in einer 7;andung angeordneter, eine beträchtliche Fläche der ,Vandun^ einnenn:-ender Öffnungen v/ird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dai ~c-ae der uffnun?en von mehreren benachbarten Öffnungen uir.eecen ist und dai die ...ittellinien benachbarter öffnungen nit einem ..ink-rl divergieren, welcher kleiner als der charakteristische dtrahlöffnungsv.'inkei für Verhältnisse konstanter xemperatur ist«

Die Nachteile bekannter Brenner werden insoesonäere mit einer konstruktion vermieden, bei welcher eine gekrümmte Brennsrwanaung vorgesehen ist, die vorzugsweise die Form eines Zylinders hat und von einer Vielzahl kleiner Öffnungen durchbrochen ist, die über die gesamte Wandungsflache in einer. Destimmten Anordnung verteilt- sind. Im einzelnen ist jede öffnung von mehrere::, unmittelbar benachbarten Offnungen umgeben, wobei die Achsen oder .littelliiiien. oenachbarter Offnungen mit einem V/inkel divergiere;:, welcher, wie oereits erwähnt, kleiner als der charakteristische btrahlwinkel der Öffnungen ist. V/ie ebenfalls vorstellend schon 'angedeutet, haben die Öffnungen solche ^röße und sol-

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chen gegenseitigen abstand und ist ferner die' Porosität der Wandung so gewählt, daß der Brenner außerordentlich große jünergiemengen abzugeben vermag, wobei eine bemerkenswerte Stabilität, ein geringer G-eräusahpegel und ein hoher wirkungsgrad zu beobachter, sind. Dem Brenner-kann ein bestimmtes G-emiscb νου brennbare;;: α as und von Luft zum Austritt durch die Brenne !'öffnungen mit ü-escnwindigkeiten zugeleitet werden, die ein bedeutend höheres Vielfaches der normalen Flammenfortpflanzungs-G-eschv/indigiceit des Gemisches betragen, als dies bei bisher bekannten Brennern möglich war.

Ist in einer bestimmten Richtung der Abstand zwischen den Kändern benachbarter Brenneröffnungen größer.als in einer anderen Richtung, so ist die Richtung des größeren Abstandes in die iich tung der geringsten Krümmung der Wandung des Brenners gelegt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist ein Bnde des zylindrisch ausgeführten Brenners mit einem Konkaven Deckel abgeschlossen, welcher ein Abheben der Flamme an diesem ^rAe des Brenners ve mindert. Im übrigen bilden vorteilhafte üerkmal'e'" eines Brenners nach der Erfindung Gegenstand der anliegenden Ansprüche.

Die Erfindung wird im folgenden durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen naher erläutert. In den Zeichnungen stellen dar:

Figur 1 eine teilweise im Schnitt gezeichnete Seitenansicht eines Brenners nach der Erfindung, ■

Figur 2 eine schematische Abbildung des in Figur 1

gezeigten Brenners mit einem daran angeschlossenen Zuführungssystem zur geregelten Speisung des Brenners mit einem G-as-Luft-Gemisch, Figur 3 eine vergrößerte Abbildung eines kleinen Aus-, ■ schnittes der Seitenwandung des Brenners nach Figur 1 und

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4 einen nochmals vergrößerten bchnitt entsprechend der in .Figur 3 angedeuteten bchnittlinie 4-4 mit Abbildungen zur Erläuterung der Flamm-snbildung nahe jeder Öffnung aes Brenners.

Der in Figur 1 gezeigte .Brenner ist aus einem ne tallblech 1 beispielsweise aus rostfreiem stahl gefertigt, das zu einem zylindrischen Körper gebogen ist. jsin praktisches Ausführungsbeispiel des Zylinderkorpers besitzt einen Durchmesser von etwa 43 mm und eine Höhe von etwa 102 mm, woraus sich eine Brenneroberfläehe von etwa 44 c:r/~ ergibt. z,ln brenner dieser Art kann eine .-arme leistung von über 102 000 kcal/h erzeugen. In dem Blech 1 ist eine Vielzahl von jjurchbrüchen 2 vorgesehen, welche als Brenner öffnung an dienen, über die das zu verbrennende G-as austreten Kann. Die öffnungen sind über das Blech 1 in einer bestimmten Anordnung verteilt. Die grundsätzliche Anordnung, welche in den Zeichnungen gezeigt ist, ist eine quadratische Anordnung, doch können auch andere Verteilungen beispielsweise entsprechend einer üeciisec'kanordnung gewählt werden, »vie weiter unten noch genauer ausgeführt wird, sind die Eigenschaften des Brenners teilweise von dem Abstand zwischen den Rändern benachbarten Brenneroff uungen und von dem v/inkel abhängig, mit' welchem die aus benachbarten nrenneröffnungen austretenden Gasstrahlen divergieren, iienn daher das geometrische Muster der Anordnung der Brenneröffnungen einen unterscniedlichen Abstand zwischen den genannten Offnuiv-;srändern in verschiedene Richtungen mit bezug auf das Anordnungsraueter vorsieht, so ist vorzugsweise die Richtung des größeren Abständes zwischen den üffnungsrandern in die Richtung der geringsten Krümmung der arennerwandung gelegt, im Jb'alle einer quadratischen Anordnung stellt die Diagonale des Quadrates die Richtung aes grüßten Abstandes zwischen den Rändern benachbarter trennerÖffnungen aar und demgemäß ist die Anordnung der -rermeröfi'nungen bei der Ausführungsform nach den figuren 1 und 5 so gewählt, daß eine Diagonale parallel zur Vertikalach.se des

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den Brenner bildenden Zylinderkörpers ausgerichtet ist, da diese Jri.ich.tung die Krümmung riull besitzt.

liine Einlaßleitung 3, über welche ein bestimmtes Gemisch von Luft und von Kohlenwasserstoffgas, beispielsweise Erdgas, Gasolin, methan oder Propan, dem Brenner zugeführt werden kann, ist mit einem Ende an den aus dem Blech 1 gebildeten, zylindrischen Körper angeschlossen. Das andere .ende der zylindrischen Hülse ist mittels einer unperforierten Abschlußkappe 4 verschlossen. Die Kappe 4 kann zu dem nachfolgend angegebenen z,weck leicht konkav ausgebildet sein. ■

Wie aus Figur 2 zu entnehmen ist, nat das jeweils andere Ende der zuleitung 3 mit einem Mschgebläse 5 Verbindung. letzteres nimmt über einen Einiaß 6 Luft und über eine Einlaßleitung 7 ein brennbares G-as auf. Der Einiaßleitung 7 wird wiederum das brennbare G-as von einem Regler 8 zugeführt, der die Gasströmung, v/eiche über eine Zuleitung 9 von einer geeigneten Gasquelle her zugeführt wird, reguliert. Der Regler 8 ist so eingestellt, daß sich eine Gas-ZustrÖmung in einer Menge einstellt, bei v/elcher ein gewünschtes Mischungsverhältnis des-über die Leitung 3 zugeführten Gas-Luft-Gemisches erzielt wird. Im Idealfall soll das Gemisch aus einer stöchioinetrischen Mischung von Gas und Luft bestehen, doch wählt man in den meisten Fällen vorzugsweise ein Gemisch mit einem Luftüberschuß bis zu etwa 30 /ί, um sicherzustellen, daß in den Verbrennungsabgasen des Brenners kein Kohlenmonoxyd auftritt. Die Drehzahl des ivlischgebläses 5 wird mittels eines geeigneten Drehzahlreglers so gesteuert, daß sich eine ganz bestimmte Strömungsgeschwindigkeit des zu verbrennenden Gemischs an den Brenneröffnungen einstellt. Die Bauteile 5, 8 und 10 können an sich bekannter Art sein und sind als solche ohne Schwierigkeiten im Handel erhältlich. Da Einzelheiten dieser Bauteile für die Erfindung nicht von wesentlicher Bedeutung sind, erübrigt sich hier eine ins einzelne gehende Beschreibung.

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Sehr wichtig ist jedoch für die Wirkungsweise des erfindungsgeiüäieri Brenners die Beziehung zwischen der GrOiBe der Brenneröffnungen, ihrem gegenseitigen Abstand, aer Porosität der Brennerv/andungen sowie deren Krümmung. Unter den Ausdruck "Porosität" ist hier der Prozentsatz einer bestimmten Fläche des Brenners zu verstellen, welcher von den Üffnungsflächen der Brenner Öffnungen in dem betreffenden Flächenbereich eingenommen wird. Die soeben angegebenen Paktoren müssen entsprechend den weiter unten erläuterten Gesichtspunkten gewählt werden. Praktische Beispiele von Brennern nach der Erfindung haben Brenneröffnungen mit einem Durchmesser im Bereich von 0,5 mm bis 1 mm, wobei die Öffnungen in quadratischer oder sechseckiger Anordnung vorgesehen sind. Hie "/erte der Porosität schwanken von etwa 15 fo bis etwa 30 >'ί.

Das ILischgebläse 5 kann bei diesen Beispielen so betrieben werden, daß es das Gas-Luft-Gemisch über die Brenneröffnungen 2 mit Geschwindigkeiten bis zu Werten von über 1600 cm/sec. austreten läßt, was das Vierzigfache der normalen Flaminenfortpflanzungsgeschwindigkeit des verwendeten Gemisches ist. Dies wiederum ist etwa das Zehnfache der maximalen Strahlgeschwindigkeiten, wie sie beim Betrieb von Bunsenbrennern zu beobachten sind.

In Figur 4 machen die unterbrochenen Linien 11 die Grenzen der Gasstrahlen deutlich, welche über die Offnungen 2 austreten und welche in dieser Form den Verhältnissen bei konstanter Temperatur entsprechen. Der Öffnungswinkel jedes dieser Gasstrahlen ist 14°, so daß in Figur 4 der Winkel, welcher am Schnittpunkt zusammengehöriger Linien 11 gemessen werden kann, 14 beträgt. Während des Betriebes steigt die Temperatur jedes Strahles nach dem Austritt aus der Brenneröffnung 2 mit fortschreitender Entfernung von dieser rasch an. Hierdurch ergibt sich ein größerer Öffnungswinkel an jedem !Strahl. Zur Erläuterung der wesentlichen ■Gesichtspunkte für die Auslegung eines erfindungsgemäßen Brenners ist es aber zweckmäßig, von einem Wert von etwa 14 für den

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Öffnungswinkel des Strahles auszugehen. Unter dem Ausdruck■ "charakteristischer Strahl-Offnungswinkel" ist nachfolgend der Winkel zu verstehen, mit welchem ein von einer Brenneröffnung austretender G-asstrahl für Verhältnisse konstanter Temperatur divergiert.

Die G-renzen 11 der Gasstrahlen benachbarter Brenneröffnungen

; treffen einander in einer Höhe A-A über der Oberfläche des perforierten Bleches 1. Diese Verschneidung der ü-renzen der Strahlen entspricht dem Punkt A, an welchem bei der Darstellung nach Figur 3 die gestrichelt gezeichneten Kreise A₁ und A,-., die konzentrisch um die beiden Öffnungen gemäß Figur 4 in Figur 3 eink gezeichnet sind, einander berühren. Betrachtet man aoer anstelle der Diagonale der quadratischen Anordnung zv/ei benachbarte Bren-

■·' nero'ffnungen längs einer Quadratseite dieser Anordnung, so sieht man, daß zwei kleinere Kreise B. und Bp, die konzentrisch um diese Öffnungen gezogen sind, sich an einem Punkt α berühren, der auf einer in Figur 4 durch die linie ä-b angedeuteten üöhe liegt. Aus obigem erkennt man, daß die mit dem charakteristischen · Strahl -öffnungswinkel aus jeder Brenneröffnung 2 austretenden Gasstrahlen und die von den der betreffenden Brenneröffrtung benachbarten Öffnungen austretenden Gasstrahlen sich unter Bildung eines geschlossenen Ringrauines 12 von im wesentlichen dreieckigem Querschnitt vereinigen, wobei dieser Kingraum eine Maximalhohe auf dem Niveau A und eine Minimal höhe auf dem Niveau ;i be-P . sitzt. Der Kingraum 12 stellt einen Bereich dar, der außerhalb des von der betreffenden Brenneröffnung austretenden jasstromes liegt und wenn sich während des Betriebes ein solcher re^cialos-

- sener Ringraum ausbildet, so stellt er eine Zone verhältnismäßig niedrigen Druckes dar, m welche ü-aswirbel 13 aus dem Bereich 17 der G-asmischung höheren Druckes oberhalb des Niveaus

; A-A und ±s-B zurückströmen. Für die Wirkungsweise des Brenners nach der Erfindung ist die Bildung eines solchen abgeschlossernen Ringraumes um nahezu jede Brenneröffnung mit Ausnahme der

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-,'/erilzen. Öffnungen, welcae länß^-s des oberen und des unteren Randes des perforierten üleches 1 gelegen sind, von besonderer Bedeutung.

In Falle einer quadratischen Anordnung von Brenneröffnungen mit ü, b'ö'5 ixim. Durchmesser und mit einer Verteilungsdichte von 62 öffnungen je στ;* entsprechend einer Porosität der Brennerwandung von etwa 22 -ία beträgt die maximale Höhe des Kingraumes 12 etwa 6,35 mis; und die minimale Hohe ist 2,9 mm.

ΐ/ird dem Brenner das Oas-iiuft-ü-emisch zugefünrt, so wird es durch irgsnd eine bekannte Zündeinrichtung entzündet, welche in den Zeichnungen nicht wiedergegeben ist. uei der geringsten Zuführungsgeschwindigkeit entstehen nahe jeder Brenneröffnung 2 einzelne ^lanmenzungen 14. Die VerDrennungswellenfront einer jeden solchen flamme 14 ist in Figur 4 durch gestrichelte Linien an---Άe\itet. Die Basis einer jeden solchen ü'laffime stabilisiert Gic-i an einem Punkt 15 in unmittelbarer Liähe der zugehörigen rf'-ii.neröffnuiif. zwar Kann die j-eschwindigkeit des aus jeder -irerrneröffnung 2 austretenden Strahles über der Ausblasgeschwinji-^iieit für die betreffende Öffnung liegen, doch ist die Basis ü-iv i?lamiiie 14 doch zuverlässig stabilisiert. Ks ist anzunehmen, Ia^ aies auf der Tatsache beruht, daß Verbrennungsgase noher .ixperatur, welche an der Verbrennungsfront erzeugt werden, jLänrjö des Strahles entlang wandern, bis sie auf verschiedenen riöhen län>;3 der Oberkante des Ringraumes 12m den Mischbereich 17 einlaufen, //ährend die otrömung des Strahles im wesentlichen laminar ist, entsteht unmittelbar über der Überkante des Ringraurnes 12 im ...dschungsDereich eine gewisse Turbulenz 16. Der uvaoK. .-auf dieser iiöhe ist nun größer als derjenige, welcher in dem Rin^r-'ium 12 vorhanden ist. Dies hat zur Folge, daß ,"/irbol 13 ü'iliexi va.aes von dem .,vischun^sDereich 17 des Gases in den Hing- r-^xrn Yc. zurücka fcroiuen. Diese rückkehrenden ,/irbel sind es ver-

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!nutIicn, welche der .Basis jedes Gasstrahles ständig Zunaenergie zuführen, so daß sich eine stabile Flamme ergibt.

•vird die Geschwindigkeit der Gasstrahlen erhöht,, so nimmt die länge der Flammen H zu. Sobald die oberen Teile der Flammen weiter in den mischungsbereich 17 des Gases hineinreichen, wird schließlich ein Zustand erreicht, bei welchem unverbrannte Gase in diesen iVlischungsbereich einströmen, i^un stabilisiert sich die Fiamraenbildung in einem neuen Bereich. In diesem betriebszustand hat die Flamme die Form eines durchgehenden Flammenmantels mit einem stabilen Basisniveau etwa im gereich der Linie 18, wobei · dieser die zylindrische hülse 1 konzentrisch umgebende Flammen_fc mantel charakteristischerweise einen Abstand von etwa 6,3 mn; bis etwa 12,7 mm von der Oberfläche der zylindrischen ürenr.erhülse hat. An dem Niveau 18 können sich Bereiche einer mäßigen ■turbulenz ausbilden, welche eine Flammenfortpflanzungsgeschwindigkeit in Richtung auf die Oberfläche der zylindrischen .mlse 1 zulassen, die der Strömungsgeschwindigkeit des sich ausbreitenden zylindrischen Gasgemischmantels entspricht. Aufgrund der Kotationssymmetrie des Systems nimmt die Strömungsgeschwindigkeit mit größer v/erdendem Abstand von der Oberfläche des premiers ab. Aufgrund dieser Tatsache kann die Verbrennungsv/elie sine stabile Lage finden, in welcher die Strömungsgeschwindigkeit und die Fldmmenfortpflanzungsgeschwindigkeit des VerbrennungsVorganges betragsmäßig gleich sind.

Zusätzlich zu dem Bereich auf der Höhe eier Linie 18 erscheinen an vielen Stellen des Flammenmantels noch laminare Gasstrahlen 19 höherer Geschwindigkeit. Vermutlich nandelt es sich hier entweder um einzelne Gasstrahlen höherer Geschwindigkeit, welche aus einzelnen Brenneroffnungen 2 austreten oder aber um Gasstrahlen erhöhter Geschwindigkeit, die sich aus der überlagerung und i'.iischung von Strahlen aus zwei oder mehreren Brenneroffnungen ergeben, nie üesciiwindigkeitsgradienten längs der oberfläche des

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von dein Bereich auf der Höhe der jjinie 18 zu den G-asstraiiien 19 sind aber offenbar .ziemlich gering und die Flamme Kann sich leicht von dem .bereich 1ö zu aen Gasstrahlen- 19 hin ausdehnen, so aaS die Kontinuität der Plamme an keiner btelie unterbrechen wird. Ks entsteht also eine durchgehende Yerbrennungswelie und die Uarmeacgäbe in Abhängigkeit- von der Zeit ist bemerkenswert konstant. Hieraus ergibt sich, ctaß die erfindungsgeniäSen Brenner auierordentlich ruhig, geräuscharm und stabil sowie mit gutem "i7iricu:igsgrad selbst bei außerordentlich hohen Wärme abgaben arbeiten.

Es sei aarauf 'Hingewiesen, aaß vorstehend nur eine angenäherte und allgemeine Erläuterung aer Jirscheinungen gegeben wurde, welche beim betrieb eines erfindungsg.emäiSen Brenners auftreten. Praktisch xst das Ausammenwirken vieler, verhältnismäßig verwikkelter Erscheinungen und ΰ-esetzmäisigkeiten zu erwarten. Die beschriebene Annäherung der Erklärung stellt aber ein zweckmäßiges iiiifsmittel dar, um diejenigen G-rößen zu erkennen, welche bei üer Auslegung eines Brenners nach der Erfindung in der richtigen weise 2U bemessen sind. ±js gibt eine Reihe von Anzeichen dafür, daß eine umfassende Erklärung der bemerkenswerten Ergebnisse, die mit dem erfindungsgemäßen Brenner erzielt werden, außerordentlich kompliziert sein dürfte. Beispielsweise.wurde errechnet, daß bei Strömungsgeschwindigkeiten im oberen Betriebsbereicn eines Brenners nach der Erfindung eine zylindrische Fläche von ungefähr dem Siebenfachen der Gesamtfläche der Brennerhülse 1 erforderlich ist, um eine Strömungsgeschwindigkeit von 40 cm/sec. zu erzielen, welche auf die übliche Plammenfortpflanzungs-G-eschwindigkeit von etwa 40 cm/sec. abgestimmt ist. Diese Oberfläche führt zu der Forderung, daß sich die Flamme längs einer Zylinderfläche stabilisieren muß, deren Durchmesser etwa das siebenfache des Brennerdurchmessers beträgt. Tatsächlich aber stabilisiert sich die Flamme auf einem Bruchteil dieses Abstandswertes. Es ist zu vermuten, daß selbst im Falle einer hülsenför-

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migen iaischfiamme rückkenrende Wirbel 13 heißer Gase immer noch j im sinne aer Zufuhr von Wärmeenergie in die Gasstrahlen wirksam j sind, so daß sich eine Vorwärm-wirkung erzielen laßt, welche die ] Erzeugung einer sehr gedrängten und dichten Flamme mit dem erfin- j üungsgemäßen .brenner ermöglicht. Andere Erscheinungen sind si- \

cherlich ebenfalls an dem erzielten Ergebnis beteiligt. i

Da die Bildung eines geschlossenen Ringraumes 12 um die Brenner- ^; öffnungen sowie die Bildung eines Mischbereiches 17 für den er- j

findungsgemäßen Brenner von wesentlicher Bedeutung sind, ist da- ! rauf hinzuweisen, daß bei der Konstruktion des Brenners dafür j

Sorge getragen werden muß, daß sich die Begrenzungen 11 benach- j

barter Strahlen schneiden. Da die Brenneröffnungen, welche längs i der Krümmung der Brennerhülse 1 im Abstand voneinander gelegen ' ! sind, mit ihren Achsen oder Mittellinien unter einem Winkel di- j

vergieren, welcher von der genannten Krümmung und von dem Abstand ] zwischen der Mitte der Brenneröffnungen abhängig ist, erkennt
man, daß eine solche Yerschneidung der Begrenzungen 11 dann nicht · auftreten würde, wenn der Divergenzwinkel gleich groß wie oder i

größer als der charakteristische Strahl-Üffnungswinkel der Bren- ] neröffnungen wäre. Ist der Divergenzwinkel genau so groß wie der
charakteristische Strahl-Öffnungswinkel, so verlaufen zwei benachbarte Begrenzungen 11 parallel zueinander und wird der Eivergenzwirikel noch größer, so divergieren auch die Begrenzungen 11.
Man erkennt also, daß ein zu beachtender Gesichtspunkt darin besteht, daß die Brenneröffnungen längs einer Krümmung der Brenner-Oberfläche so anzuordnen sind, daß der Divergenzwinkel zwischen
ihren Achsen oder Mittellinien kleiner als der charakteristische
Strahl-öffnungswinkel der Brenneröffnungen ist.

Es genügt aber nicht, daß sich die Begrenzungen der Strahlen zur
Bildung von Ringräumen 12 verschneiden, es muß vielmehr auch der
Scheitel jedes Ringraumes nahe genug an der Oberfläche der ürennerhülse 1 liegen, um sicherzustellen, daß die rückkehrenden V.'ir-

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bei 13 rasch die Baals des Ringraumes erreichen und dabei noch genügend »'/armeenergie enthalten, um die oben beschriebene Wirkung \ zu erzielen. Man kann davon ausgehen, daß dies von der Größe der ι jeweiligen Brenneröffnung abhängig ist. Die Höhe jedes Ringrau- ! nies 12 ist nicht nur von der Geometrie des Strahles bzw. von dem ciaarakteristischen Strahl-Offnungewinkel abhängig, sondern auch von dem Abstand zwischen den Rändern benachbarter Brenneröffnungen. Dieser Abstand kann aber von dem Konstrukteur leichter bestimmt werden als der charakteristische Strahl-üffnungswinkel. Im allgemeinen hat sich herausgestellt, daß der Abstand zwischen den Rändern benachbarter Brenneröffnungen maximal in der Größen-Ordnung des Durchmessers einer jeden solchen Brenneröffnung oder darunter liegen soll. Wird diese Forderung beachtet, so ergibt sich eine Konstruktion, welche innerhalb der Frenzen liegt, welche die obigen Bedingungen erfüllen.

j .din weiterer Gesichtspunkt für die Auswahl der Größe der Bren-[ neröffiiungen und ihres Abstandes ist die Porosität der Brenner- ! wandung. Eine Porosität von 18 $ liegt etwa in der Mitte des ^! zweckmäßigen Bereiches. Der Porositätsbereich von etwa 15 ji bis

etwa 13 p, wie er oben angegeben wurde, führt zu Brennerkonstruk- ; tionen, welche die oben herausgestellten Gesichtspunkte erfüllen.

Wie zuvor angegeben wurde, hat die Krümmung der Brennerhülse 1 Bedeutung hinsichtlich der Stabilisierung des Basisniveaus 18 dee Flammenmantels, welcher in dem Mischfiammenbereich des Brenners auftritt. Wird der Krümmungsradius größer, so neigt der Flarnmenmantel zu geringerer Stabilität und diese weigung wird bei vollständig flacher Brennerwandung und noch mehr bei einer konkaven ürenneroberflache stärker und stärker. Dies beruht offensichtlich auf der Tatsache, daß die Strömungsgeschwindigkeit des lAischungabereicnes mit größer werdendem Abstand von der Oberfläorjfi dor Brenn er hülse 1 nicht abfällt, wie dies bei einer konvex gekrümmten Brenneroberflache der Fall ist. Zylindrische Brenner

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rait einem Durchmesser in der Größenordnung von etwa 50 mm oder darunter besitzen Krümmungen, welche zu der erfindungsgemäß, beabsichtigten Wirkung führen. . .

J₁-Is wesentliche Eigenschaft eines .Brenners nach der Erfindung ist weiterhin zu' nennen, daß ein solcher Brenner .zwar Wärmeenergie in außerordentlicher Dichte abgibt, die 3rennerhülse aber verhältnismäßig kühl bleibt, so daß sie nicht durch den Einfluß hoher Temperaturen einer Zerstörung ausgesetzt ist. Dies oeruht teilweise darauf, daß die große Menge an Gas-Luft-Gemisch, die während des Normalbetriebes des Brenners durch die Brenneröffnungen strömt, eine gute Kühlwirkung ausübt. Die untere Betriebsgrenze bekannter Brennerarten wird erreicht, wenn die Geschwindigkeit der austretenden Gasstrahlen auf einen .vert verringert ._: wird, bei welchem die normale Flammenfortpflanzungs-G-eschwindigkeit größer als die Strahlgeschwindigkeit in samtlichen punkten wird und daher die Flamme bis zu den Rändern der zugehörigen _;,·,■·■ Brenneröffnung wandert, wo die Flamme entweder in die drenneröffnung hinein zurückschlägt oder aber erlischt. Bei einem Brenner nach der Erfindung wird die untere Betriebsgrenze dann erreicht, wenn sich die Flammen der Brenneroberfläche so v/eit genähert haben, daß die der Brenneroberfläche zugeführte Wärmeenergie über der Wärmemenge liegt, die das durchströmende Gas-Luft-Gemisch zur Kühlung der Brenneroberfläche auf einen zulässigen Wert abführen kann. Wird die Brennerhülse 1 mit dem Leitungsanschluß 3 über ein sehr gut 'wärmeleitendes Verbindungsstück verbunden, so kann die Leitung 3 zur Kühlung der Brennerdüse 1 beitragen und vermag auf diese Weise die untere Betrieos_fi,renze des erfindungsgemäi3en Brenners weiter herabzusetzen.

Es sei bemerkt, daß die oberste Reihe von Brenneröffnungen am oberen Ende des Brenners nach Figur 1 notwendigerweise nur nach unten hin zugehörige benachbarte Brenneröffnungen besitzen. Aus diesem Grunde erfüllen diese wenigen Brenneröffnungen am Rande ebenso wie die entsprechenden Brenneröffnungen am unteren Ende

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aes urenners nicht sämtliche G-eSichtspunkte in der ./eise, wie dies die überwiegende kehrheit der trenneröffnungen tut. Die ".firkuru.· der'xVlehrheit der 3rennerÖffnungen herrscht jedoch vor, so dai aie Randerscheinungen: nur sehr wenig ins G-ewicht fallen, xrotzdem ist es wünscnenswert, daß an den ilnden bzw. üändern keine zusätzlichen nachteiligen Erscheinungen auftreten. Aus diese:: arunde ist es zweckmäßig, daß die Strömungsgeschwindigkeit des j-eaiisches, welches zur .Bildung der Gasstrahlen aus den Brenneröffnungen austritt, an den Enden des Brenners genau so groß ist, wie in sämtlichen übrigen Bereichen des Brenners. 3ei der zylindrischen Anordnung nach i'igur 1 bereiten die Brenneröffnun- :_;._.en air. unteren Ende in dieser Hinsicht keine Schwierigkeiten. . hinsichtlich der Brenneröffnungen am oberen isrennerende ist aber zu beobachten, dai3 hier die Gasstrahlen dazu neigen, mit größerer Geschwindigkeit auszutreten als mit der 'Geschwindigkeit der üori.:en Gasstrahlen. Diese Erscheinung kann aber durch die ein-■ fache Llaßnahme beseitigt werden, dai3 die Abschlußkappe 4 leicht iLciikav ausgebildet wird. Bei einem typischen Beispiel beträgt die x'iefe der Eiiiwärtswoibung etwa 6,3 mm.

Die ,v'irkung dieser Maßnahme läßt sich et'.va folgendermaßen erklären. Strömt das Gas-Luft-Gemisch durch den mittleren Iⁿeil des j3renners nach aufwärts, so erreicht es den oDeren -brenneraoschluß, bevor seine Geschwindigkeit auf Juli abfällt. Der dtrom Desitzt daher eine beträchtliche ieinetische Energie, welche beim Auftreffen auf den Abschluß aes Brenners in einen Bemerkenswerten Druckanstieg an der betreffenden üteile umgewandelt wird. Ist der mittlere Bereich, an welchem ein solcher Druckanstieg auftritt, zu nahe bei den Brenneröffnungen am Brennerende gelegen, so kann sich der Druck nicht auf einen Wert abbauen, welcher äii den übrigen Brenneroffnungen anzutreffen ist und die Flamme hat daher an diesen endständigen Brenneroffnungen aas Bestreben", sich abzuheben. Wird aber der mittlere leil aer Abschlußplatte 4 nach einwärts gedruckt, so wird der Abstand zwi-

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sehen dem Bereich ernohten uruckes und aem umfangsrana des ürerj-" ners so stark vergrößert, daß die gewünschte Druckangleicrmn;; stattfinden Kann. ■

■'Säen der Erfindung ausgebildete Brenner mit. den oben angegebenen : iuer tonal en können Deträchtliohe Wärmemengen auf kleinstem Ka urne abgeben. Gleichzeitig arbeiten sie ruhig und mit hohem .7irkungs- ;.grad. Ihre Einfachheit ermöglicht eine wirtschaftliche iiorstel-.lung und gleichseitig werden eine lange Lebensdauer und geringe ■: V/artun&"skosten erzielt. ·■ ■ ,--

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. "/ielloch-ü as brenner mit einer Vielzahl in einer v/andung angeordneter, eine beträchtliche Fläche der ^:</andung einnehmender öffnungen, dadurch gekennzeichnet, cia3 jede der Öffnungen (2) von niedreren benachbarten öffnungen umgeben ist und dafl die Mittellinien benachbarter öffnungen mit einem 7/inkel divergieren, ,veLüer iil^iner als der charakteristische Strahl-Offnungswinkel für Verhältnisse konstanter i'eruperatur ist.

   2. Vieiioch-uasorenner nach Anspruch 1, dadurcn gekennzeichnet, dais die ,Vandung (1) auf der rfeite, von welcher das zu verbrennende 'J-asgemisch in Gasstrahlen von den Öffnungen (2) austritt, konvex gekrümmt ist.

   5. gasbrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wandung {1) die 'Form, eines Zylinders hat.

   4. 'Gasbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dai der .--,blinder einen .Durchmesser von etwa 51mm oder weniger hat.

   ο. Gasbrenner nach einem der Ansprüche 2 bis 4» dadurch gekannzeiühnot, daß die Porosität der ,v'andung (.1) mehr als etwa 15 $ oeträgt.

   6. gasbrenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Porosität der Wandung (1) zwischen 15 °/> und 30 $ beträgt.

   Ί, O-aabrenner nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Händern benachbarter Öffnungen (.2j größenordnungsmäßig gleich groß wie oder kleiner als der .Durchinefjjer der Öffnungen ist.

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   BAD

   8. Gasbrenner nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch· gekennzeichnet, daß der Jurchrneaser der Öffnungen (.2) ia Beieich; vcn etwa 0,51 mm bis etv/a 1 ,02 mm liegt. " . :

   S'. Gasbrenner nach einem der Ansprüche .2 ois ö, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen \2) eine Anordnung aufweisen, bei. welcher der Abstand zwischen den Rändern benacnoarter ;O±'£üun&;e^'. in einer x^ichtung größer ist als in der anderen und da.ß die Richtung des größeren ^Dstanaes zwischen den üfi'nur-gsi-änderii auf die Richtung der geringsten Krümmung der V/andung (1) aus^ericiitet ist. „ . . ' ·

   10. Gasbrenner nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch ^ekennzeichnet, daß er an ein Zuführungss-stem {o ois 9) angeschlossen ist, -welches bei jormalbetrieb solche Leistung'be-oitzt, daß ein bestimmtes 3-emisch von brennbarem ias und sauerstofinaltiger Atmosphäre mit einer Geschwindigkeit durch die Offnungen OJ gedrückt wird, die mehr als das Zehnfache der normalen \?Ι&:> menfortpflanzungs-Geschv/indigkeit des betreffenden J-eEiisches ist.

   11. ü-asDrenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Zuführungssystem eine leistung besitzt, durch welche, das gehan.-:- "te Gemisch durch die Offnungen !,2j mit jescnv/indigkeiten austreibbar ist, welche mindestens das Vierzigfache der normalen ilammenfortpflanzungs-'jeschwindigkeit des betreffenden Gemisches betragen.

   12. Gasbrenner nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch ge-Kennzeichnet,- daß ein inde des Zylinders (1) an das bzw. ein buführungssystem (5'bis 9) angeschlossen {'5) ist, während das andere Ende mittels einer Abschlußplatte (4) verschlossen ist, deren mittlerer Teil sich in den Zylinderhoniraum nihein erütreokt.

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