DE2201981C3 - Explosionsschutzanordnung an einem Verbrennungsraum - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Explosionsschutzanordnung an einem Verbrennungsraum, in dem ein Brenner für flüssige oder gasförmige Brennstoffe angeordnet ist und dessen Wand eine Druckentlastungsöffnung aufweist.

Die bisher bekannten Explosionsschutzanordnungen haben den Zweck, beim Auftreten einer Explosion eine Druckentlastung zu schaffen, damit die Druckwelle der Explosion den Verbrennungsraum nicht zerstört. Hierzu ist die Druckentlastungsöffnung im Normalzustand mit einer Klappe verschlossen, die durch Federkraft oder Gewicht belastet ist und sich erst unter dem Explosionsdruck nach außen öffnet. Es handelt sich also um Anordnungen, die Explosionen nicht verhindern, sondern nur deren Folgen teilweise unschädlich machen können.

Explosionen und insbesondere kleinere Explosionen oder sogenannte Verpuffungen können aber auch dann, wenn ihre Druckwelle den Heizraum nicht gefährdet oder durch eine Anordnung der genannten Art unschädlich gemacht wird, unangenehm und nachteilig sein, weil sie den Betrieb des Heizkessels stören und zu Rauch- und Rußbildung sowie zu unangenehmer Geräuschentwicklung Anlaß geben.

Eine Voraussetzung für das Entstehen einer Verpuffung ist es, daß der Verbrennungsraum dicht ist und ein konstantes Volumen hat. Während der Verbrennung des Brennstoffes in diesem Raum strömen Luft und Verbrennungsgase vom Brenner durch den Raum und heraus durch einen Schornstein. Dieser Strom von Luft und Gas. ist nicht konstani. sondern ist überlagert von einem komplizierten Muster von Partikelbewegungen bzw. Teilströmungen, das ein Spektrum von niedrigen Frequenzen im Gasstrom bildet von außen vernehmbar wie ein Brausen. Denkbare Ursache zu diesem Brausen ist die Instabilität in der Verbrennung, die durch einen in dem Brenner befindlichen Turbulator oder Ventilator Turbulenz verursacht Da der Verbrennungsraum ein konstantes Volumen hat, wirkt dieser für eine gewisse Frequenz des Brausens als ein Hohlraumresonator, und diese Frequenz wird dadurch bedeutend verstärkt. Die Resonanzfrequenz in dem Verbrennungsraum ist abhängig von dessen Größe, ein größerer Raum ergibt niedrige Resonanzfrequenz. Da das Brausen gewöhnlich nichfdie niedrigsten hörbaren Frequenzen enthält, kann somit die Resonanz in dem Verbrennungsraum vermieden werden, wenn dieser Raum groB gemacht wird. Der Raum muß jedoch mit Rücksicht auf die äußeren Dimensionen des Heizkessels begrenzt werden. Außerdem kann dieser Weg, die Resonanz im Verbrennungsraum zu vermeiden, nicht bei kleineren Heizkesseln, beispielsweise bei Villenheizkesseln, angwendet werden. Für diese Heizkessel wird deshalb die Resonanzfrequenz in dem Verbrennungsraum innerhalb des Frequenzgebietes liegen, wo es die Brausfrequenz gibt. Eine Möglichkeit dort die Amplitude der Resonanzschwingungen zu begrenzen, besteht darin, daß der Widerstand in dem Rauchgasweg erhöht wird, wobei die Dämpfung der Resonanzschwingungen so groß werden kann, daC das System nicht in Eigenschwingung kommen kann. Der erhöhte Widerstand in dem Rauchgasweg ist jedoch ein wesentlicher Nachteil im Hinblick auf die Luftzugstärke, die bei modernen Villen als Folge der Schornsteinhöhe zur Verfügung steht. Eine andere Möglichkeit, die zur Vermeidung von Resonanzschwingungen ausgenutzt werden kann, ist, den Verbrennungsraum bewußt undicht zu machen. Das Risiko, daß die Verbrennungsgase in den Heizraum entweichen können, ist jedoch groß, weshalb eine solche Anordnung als nicht geeignet angesehen werden kann. Schließlich hat man gefunden, daß verschiedene Brennertypen ungleich große Neigung zu Resonanzschwingungen haben, da sie in Verbrennungsräumen von verschiedener Art eingesetzt werden.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, Explosionen und Verpuffungen in einem dichten Verbrennungsraum dadurch zn verhindern, daß die im Betrieb des Brenners auftretenden Druckspitzen gedämpft werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an die Druckentlastungsöffnung außerhalb des Verbrennungsraumes eine geschlossene, volumenveränderliche Kammer mit mindestens einer unter den betrieblichen Druckschwankungen nachgiebigen Wand angeschlossen ist.

Es hat sich gezeigt, daß diese volumenveränderliche Kammer bei sich durch Resonanz aufschaukelnden Druckschwingungen im Verbrennungsraum rechtzeitig nachgibt, so daß durch das veränderte Volumen die Resonanz »verstimmt« wird und die Druckschwingungen sich nicht weiter bis zur Verpuffung oder Explosion aufschaukeln können. Die Druckentlastungsöffnung gestattet dabei einen ständigen ungehinderten Gasaustausch zwischen Verbrennungsraum und Kammer in beiden Richtungen. Die Vorrichtung ist somit mit den eingangs genannten Anordnungen, deren Druckentla-

stungsöffnung ständig verschlossen ist, funktionsmäßig nicht vergleichbar; diese können vielmehr zusätzlich noch vorhanden sein für den Fall, daß es aus anderen Ursachen doch zu einer Explosion kommen sollte.

Die Erfindung wird im folgenden muer Bezugnahme auf die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen

Fig. 1 und 2 einen Verbrennungsraum mit einer Explosionsschutzanordnung im Ruhezustand und Ar beitszustand,

Fig.3 und 4 eine andere Ausführungsform der Explosionsschutzanordnung im Ruhezustand und Arbeitszustand,

F i g. 5 und S eine weitere andere Ausführungsform der Explosionsschutzanordnung im Ruhezustand und Arbeitszustand,

F i g. 7 eine weitere Ausführungsform, dargestellt teils im Ruhezustand (durchgezogen) und teils im Arbeitszustand (gestrichelt).

In den Figuren ist der Verbrennungsraum 1 als ein kubischer Hohlraum mit geraden Wänden 2 mit einem durch eine öffnung hineinragenden Brenner 3 und einem oben angeschlossenen Rauchabzug 4 dargestellt. Die Form des Verbrennungsraumes ist jedoch von geringer Bedeutung für die Anwendung der Erfindung. Es muß jedoch bemerkt werden, daß glatte Innenseiten in einem Verbrennungsraum den Widerstand zum Gasstrom und damit auch die Dämpfung auf einen Schwingungszustand im Gasstrom vermindern. Der dargestellte Raum muß als ein typischer schwingungsfördernder Hohlraum angesehen werden, wo Verpuffungen ausgelöst werden können, wenn es keinen Schutz gibt.

In Fig. 1 wird eine Explosionsschutzanordnung gezeigt, montiert in einer Wand 5 des Verbrennungsraumes. Ein Loch 6 als Druckentlastungsöffnung in der Wand 5 führt in einen Stützbehälter 7 hinein, in welchem ein Sack 8, der mit der öffnung 9 an dem Loch 6 in der Wand 5 angeschlossen ist, hängt. Der Sack 8 ist aus wärmebeständigem Material hergestellt, beispielsweise aus Abest- oder Glasfaser, und so dicht, daß das Rauchgas nicht aus dem Sack in den Stützbehälter 7 entweichen kann, der durch ein Loch 10 in seiner Wand mit der Umgebung in Verbindung steht. Der Sack 8 ist sehr leicht beweglich und wird als volumenveränderliehe Kammer sogleich mit Gas gefüllt, sowie der Druck in dem Verbrennungsraum den Atmosphärendruck übersteigt. Wenn ein Schwingungszustand in dem Verbrennungsraum angeregt wird, wachsen die Druckwellen nach und nach; aber in einem frühen Stadium der Schwingungen reagiert die Schutzanordnung derart, daß der Sack 8 sich während des steigenden Druckes solcher Wellen mit Gas zu füllen beginnt. Ein Teil der Energie, die sich in den Schwingungen befindet, dient dann zur Füllung des Sackes (Fig. 2). Dieses Abzapfen der Schwingungsenergie ist ausreichend groß, damit die Schwingungen abgetötet werden, und da dann wieder ein gewisser konstanter Unterdruck im Verbrennungsraum entsteht, fällt der Sack zusammen. Das Abzapfen der Schwingungsenergie beginnt normalerweise längst bevor eine Verpufiung ausgelöst wird. Eine Voraussetzung ist jedoch, daß der Sack leicht beweglich ist. so daß das Abzapfen in einem frühen Stadium der Schwingung entsteht, wo das Verhältnis zwischen abgezapfter und bleibender Energie ausreichend groß werden kann, damit die Schwingungen abgetötet werden.

In den F i g. 3 und 4 wird ein ähnlicher Verbrennungsraum mit der volumenveränderlichen Kammer an der einen Seite dargestellt. Diese ist jedoch nicht als Sack, sondern als Balg 11 ausgebildet, der durch das Loch 6 in der Wand 5 mit dem Verbrennungsraum in Verbindung steht. Der Balg 11 ist selbstzusammenziehend und nimmt demnach eine Lage gemäß Fig. 3 ein, solange kein Überdruck in dem Verbrennungsraum vorherrscht. Bei einem Schwingungszusiand und davon verursachten Druckwellen im Verbrennungsraum wird der Balg 11 mit Gas gefüllt und vergrößert dadurch das Volumen des Verbrennungsraumes auf die gleiche Weise wie der Sack 8 in F i g. 2.

In Fig. 5 und 6 wird eine Ausführungsform des Verbrennungsraumes J mit einem Zylinder 12 und Kolben 13 an der einen Seite gezeigt. Der Zylinder steht mit dem Verbrennungsraum durch das Loch 6 in der Wand 5 in Verbindung und der Kolben, der sehr leicht beweglich ist, kann durch Einwirkung einer schwachen Feder 14 gegen den Boden 15 im Zylinder verschoben werden. Die Feder vermag bei normalem Druck im Verbrennungsraum den Kolben gerade noch in die Ausgangslage zu verschieben, wie in F i g. 5 dargestellt. Bei Überdruck im Verbrennungsraum wird der Kolben in Richtung gegen den Boden im Zylinder gepreßt (F i g. 6) und wirkt auf den Verbrennungsraum volumenvergrößernd in der gleichen Weise wie der Sack 8 und der Balg 11 in den beiden vorher beschriebenen Ausführungen.

Schließlich wird in Fig. 7 eine Ausführung der Explosionsschutzanordnung gezeigt, die nach dem Prinzip aufgebaut ist, die Resonanzschwingungen in dem Verbrennungsraum mittels eines Dämpfungsfilters

16 in einer volumenveränderlichen Kammer 18 außerhalb des Verbrennungsraumes 1 zu dämpfen. Die Druckwellen der Resonanzfrequenz werden beim Durchlaufen des Filters, welches im Außenraum der Kammer 18 von der Umgebung mittels einer Membran

17 getrennt ist, einer starken Dämpfung ausgesetzt, so daß kein Rauchgas entweichen kann. Das Filter absorbiert demnach Schwingungsenergie, und eine Schwingung der Resonanzfrequenz wird sich nicht so w eit ausbilden können, daß die Gefahr einer Verpuffung auftritt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Explosionsschutzanordnung an einem Verbrennungsraum, in dem ein Brenner für flüssige oder gasförmige Brennstoffe angeordnet ist und dessen Wand eine Druckentlastungsöffnung aufweist, d a durch gekennzeichnet, daß an die Drukkentlastungsöffnung (6) außerhalb des Verbrennungsraumes (1) eine geschlossene, volumenveränderliche Kammer (8,11,12,18) mit mindestens einer unter den betrieblichen Druckschwankungen nachgiebigen Wand angeschlossen ist

2. Explosionsschutzanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geschlossene Kammer aus einem flexiblen Sack (8) gebildet ist

3. Explosionsschutzanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die geschlossene Kammer durch einen seibstzusammenziehbaren Balg (11) gebildet ist

4. Explosionsschutzanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Behälter aus einem Zylinder (12) und einem darin verschiebbaren, federbelasteten Kolben (13) besteht.

5. Explosionsschutzanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (18) eine flexible Membran (17) aufweist.

6. Explosionsschutzanordnnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Drukkentlastungsöffnung (6) und der Membran (17) ein Dämpfungsfilter (16) angeordnet ist.

7. Explosionsschutzanordnung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die volumenveränderliche Kammer (8, U) in einem Stützbehälter (7) mit einer Entlüftungsöffnung (10) angeordnet ist.