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Gasbrenner, insbesondere für Haushaltsgerate.
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Die Erfindung betrifft die Gasbrenner, insbesondere für Haushaltsgeräte
(Kochherde, Öfen, Waschmaschinen usw.).
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Sie bezweckt insbesondere, derartige Brenner so auszubilden, dass
sie einen grsseren Änderungsbereich der Strömungsmenge ermöglichen, ohne dass die
Flamme bei sehr kleinen Strömungsmengen an der Zufuhrstrahldüse ansetzt, oder bei
hohen Strömungsmengen ausgeblasen wird.
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Hierzu sei zunächst daran erinnert, dass die Gasbrenner bekannter
Bauart, d.h. mit einer kalibrierten Zufuhrstrahldüse und einem Bufttrichter, dadurch
gekennzeichnet sind, dass ein Teil der für die Verbrennung erforderlichen Luft durch
die Saugwirkung eines aus der Strahldüse austretenden, zu der Öffnung des Bufttrichters
strömenden GasstrahAs angesaugt wird, worauf der hufttrichter das so erhaltene Luft-Gasgemisch
den Austrittsquerschnitten des eigentlichen Brenners
zuführt, z.B.
eines Kranzbrenners, an welchen die Flammen ansetzen.
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Das richtige Arbeiten eines derartigen Brenners hangt einerseits
von der Qualität der Verbrennung ab (welche vollständig erfolgen muss, ohne Rückstände
zu lassen), und andererseits von dem Gleichgewicht der Flammen an dem Ausgang der
Uffnungen des Brenners Dieses Gleichgewicht beruht auf der gegenseitigen Grösse
von zwei Geschwindigkeiten, nämlich der Austrittsgeschwindigkeit V5 des Luft-Gasgemischs
und der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Flammen Vf (siehe Fig. 1 der anliegenden
Zeichnung).
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Wenn V5 zu gross gegenüber Vf ist, wird die Flamme ausgeblasen, was
bei einem schlecht berechneten Brenner bei hohen Stromungsmengen der Fall ist. Wenn
Vs zu klein gegenhuber Vf (Sparbetrieb) ist, setzt die Flamme an der Strahldüse
an.
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Nun sind aber die Werte dieser beiden Geschwindigkeiten eine Funktion
der Werte des Verhältnisses Luft-Gas.
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Der Wert von V5 hängt nämlich von der Menge des den Austrittsöffnungen
des Brenners zugeführten Luft-Gasgemischs ab, welche ihrerseits eine Funktion des
Verhältnisses R = Luft/Gas ist.
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Andererseits ändert sich der Wert von Vf mit R, wie dies die Praxis
zeigt. Schliesslich ändert sich das Verhältnis R seinerseits mit der Art des gewählten
Gases, so dass bei Brennern für alle Gasarten, welche jetzt am häufigsten benutzt
werden, ein passender Kompromiss gewählt werden muss.
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Hinsichtlich des Luft-Gasgemischs zeigen die Brenner bekannter Bauart
mit einer Zufuhrstrahldüse und einem Lufttrichter die deutliche Neigung, dass sich
das Verhaltnis R = Luft/Gas mit der Gasmenge andert, obwohl es wünschenswert ist,
dass dieses Verhältnis konstant und den stöchiometrischen Bedingungen nahe bleibt.
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Wenn man bei den bekannten Brennern mit Zufuhrstrahldüse und Bufttrichter
den Hahn des Brenners schnell aus der Stellung für volle Gasmenge in die Stellung
des Sparbetriebs
bringt, wird daher das Verhältnis Luft/Gas betrachtet
lich verringert, wie dies Fig. 5 zeigt, in welcher die Zeiten als Abszissen und
die Luft- bsw.Gasvolumen Q bzw. Q als Org dinaten aufgetragen sind.
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Die Betätigung des Hahns wird durch die abfallenden Kurven von Q
und Qg dargestellt. Wie man sieht, gelangt man schnell zu einem Minimum m, bei welchem
das Verhältnis R der Luft- und Gasvolumen verhältnismässig klein ist.
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Andererseits nimmt für diesen Punkt m; welcher einem Verhaltnis R
entspricht, welches von dem stöchiometrischen Verhältnis S stark verschieden ist,die
Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Flamme Vf bis zu einem entsprechenden Maximum
M zu. Dies ist insbesondere-bei Stadtgas der Fall, doh.
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bei grosser Geschwindigkeit Vf Die Kurve C derFig. 7 zeigt die Änderungen
der Geschwindigkeit Vf in Funktion des Verhältnisses R für Stadtgas. FUr diese Gasart
werden die (der rormalen Gasmenge des Hahns entsprechenden) stöchiometrischen Bedingungen
durch die Ordinate S dargestellt, welche dem äbwärts gehenden Abschnitt der Kurve
C gegenüberliegt. Wenn daher das Verhältnis R abnimmt, verschieben sich die Verhaltnisse
zu einer Zone Z, welche einem Ansetzen der Flamme an der Strahldüse entspricht.
Dies wird auch durch das Maximum M der Pig. 5 ausgedrückt.
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Infolge dieser plotzliche Abnahme des Verhålt nisses R bei Sparflammenbetrieb
besteht daher bei den bekannten Brennern die Gefahr eines Flammenansatzes an der
Strahlduse, so dass kein richtiger Sparflammenbetrieb möglich ist (welcher dem rechten
Teil der Fig. 5 nach den singulären Punkten M, m entsprechen würde).
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Infolge dieser Gefahr eines Flammenansatzes an der Strahldüse ermöglichen
die bekannten Apparate nicht, für den Sparflammenbetrieb unter Gasmengen herunterzugehen,
welche kleiner als 1/5 oder 1/7 des Nennwertes sind. Dies ist noch ausgesprochener
bei den Brennern für beliebige Gasarten, bei welchen ausserdem die verschiedene
Zusacomenzetung der betreffenden Gase berücksichtigt werden muss.
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Die Erfindung bezweckt, bei derartigen Brennern eine solche Ansaugung
der Luft durch die Gasströmung zu
erzeugen, dass selbst bei Sparflammenbetrieb
das Verhältnis R praktisch konstant bleibt, wie dies z.B. in Fig. 6 dargestellt
ist. In dieser Figur sieht man, dass die oben genannten singularen Punkte M und
m vermieden sind, und dass das Verhältnis R praktisch das gleiche bleibt, was zur
Folge hat, dass auch Vf auf einem praktisch konstanten Wert gehalten wird.
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Um diese Bedingungen zu verwirklichen oder sich ihnen wenigstens
möglichst weitgehend zu nähern,ist erfindungsgemäss zur Sicherstellung des richtigen
Luft-Gasgemischs bei den verschiedenen Gasmengen eine Aufeinanderfolge von wenigstens
zwei Kammern vorgesehen, nämlich einer ersten Kammer, welche von der Zufuhrstrahldüse
gespeist wird und so klein ist, dass das Gas selbst bei sehr geringen Strömungsmengen
die richtige Zufuhr der Luft des Gemischs durch entsprechende Uffnungen und mit
dem gewünschten Verhältnis R gewährleistet, sowie einer zweiten Kammer, welche auf
die erste folgt und die Zufuhr von Zusatzluft für grosse Strömungsmengen gewährleistet.
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Diese zweite Kammer kann insbesondere die Form eines Diffusorkegels
haben, in welchen das aus der ersten Kammer kommende Gemisch eintritt, wobei dieser
Kegel mit seitlichen Schlitzen für die Luftzufuhr versehen ist. Diese Schlitze erzeugen
einen solchen Druckabfall, dass bei geringen Strömungsmengen die von demsaus der
ersten Kammer austretenden Gasstrahl entwickelte Energie nicht ausreicht, um diese
Druckabfälle zu überwinden, so dass bei diesen Betriebszuständen praktisch die erste
Kammer allein in Tätigkeit ist.
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Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung
beispielshalber erläutert Fig. 1 ist ein lotrechter Schnitt eines erfindungsgemässen
Brenners.
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Fig. 2 bis 4 zeigen getrennt in einem Axialschnitt längs der Linie
II-II der Fig. 3, bzw. in Seitenansicht, bzw. in Draufsicht eine erfindungsgemasse
Strahldüsenanordnung zum Einbau in den Brenner der Fig. 1.
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Fig. 5 bis 7 sind das Verständnis der Erfindung erleichternde Schaubilder.
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Nachstehend ist die Erfindung beispielshalber in ihrer Anwendung
auf einen Kranzbrenner erläutert.
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Der Brenner kann im ganzen mit Ausnahme des unteren Abschnitts zur
Zufuhr des Gases und der Verbrennungsluft oder Primärluft auf beliebige geeignete
Weise ausgebildet sein, wobei natürlich sein Innenvolumen und die Austrittsquerschnitte
unter Berücksichtigung der durch die ZuSuhrstrahldüse zugeführten Menge des Luft-Gasgemischs
so berechnet sind, dass man am Ausgang der Uffnungen des Brenners eine geeignete
Geschwindigkeit Vs erhält, welche das Gleichgewicht zwischen V5 und Vf aufrecht
erhält.
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Der Brenner der Fig. 1 besitzt einen mittleren Korper 1, welcher
das Luft-Gasgemisch durch einen sich erweiternden Kanal 2 zwischen einem Brennerkopf
4 und einem Deckel 5 angeordneten Verteilungskammern 3 zuführt, wobei das Luft-Gasgemisch
durch auf den ganzen Umfang des Brenners -verteilte Öffnungen 6 austritt.
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Unten wird der Körper 1 zweckmässig durch einen Halter 7 zur Aufnahme
der weiter unten beschriebenen Strahldüsen- und Dosiervorrichtung verlängert, wobei
das Gas durch eine Leitung oder einen Stutzen 8 ankommt.
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Im Gegensatz zu der bisherigen Technik, bei welcher die Zufuhrstrahlduse
mit ihren Zubehörteilen den Eingang eines an der Basis des Körpers 1 ausgtildeten
Lufttrichtersspeist, ist erfindungsgemass die Anordnung so getroffen, dass wenigstens
zwei aufeinanderfolgende Mischkammern vorhanden sind, nämlich eine erste Kammer
9, welche von der Strahldüse gespeist wird und verhältnismässig klein ist, damit
die aus der Strahldüse 10 austretende Strömung selbst bei sehr geringen Strömungsmengen
die Ansaugung der Luft des Gemischs unter einem bestimmten Verhältnis R durch eine
oder mehrere entsprechend kalibrierte und gegebenenfalls durch beliebige geeignete
Mittel regelbare Oeffnungen 11 gewährleistet, und eine zweite Kammer, welche auf
die vorhergehende folgt und die Zufuhr von Zusatzluft für stärkere Gasströmungsmengen
gewährleistet, wobei diese Kammer gegebenenfalls durch den einen Lufttrichter bildenden
Körper 1 gebildet werden kann, aber vorzugsweise in der nachstehend angegebenen
Weise ausgebildet ist.
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Gema"ss einer bevorzugten Anordnung wird diese zweite Kammer durch
einen innerhalb einer Muffe 13 ausgebildeten
divergierenden Kanal
12 gebildet, zu welchem die Luft z.B.
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durch eine gewisse Zahl von seitlichen Schlitzen 14 mit konstantem
oder (insbesondere in der Achsrichtung) veränderlichem Querschnitt gelangen kann,
wobei es wohlverstanden ist, dass der Querschnitt dieser Schlitze gegebenenfalls
regelbar sein kann, z.B. durch eine aussere Hülse regelbarer Stellung oder auf beliebige
andere geeignete Weise.
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Die drei obigen Vorrichtungen, nämlich die Zufuhrstrahldüse, die
erste und-:die zweite Kammer, konnen,wie dargestellt, in ein und demselben Block
ausgearbeitet werden, welcher bei 15 an den Halter 7 angeschraubt werden kann, sie
können jedoch auch getrennt behandelt und in geeigneter Weise zusammengebaut werden.
Bei dem dargestellten Beispiel ist bei 16 eine sechseckige Schulter vorgesehen,
um das Aufschrauben zu erleichtern. Die Muffe 13 kann ihrerseits einen Sechseckquerschnitt
haben.
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Nach Einbau dieser Strahldüsen- und Dosieranordnung 9 tritt das austretende
Luft-Gasgemisch in den Körper 1 ein, wie dargestellt, wobei gegebenenfalls bei 17
ein Spiel vorhanden ist, welches bei grossen Strömungsmengen eine Zufuhr von Zusatzluft
ermöglicht.
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Die obige Anordnung arbeitet folgendermapen.
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Wenn man zunächst die Vorgänge in der ersten Kammer 9 betrachtet,
stellt man fest, dass infolge der Kleinheit derselben der in diese eintretende Gasstrahl
bei beliebigem Betriebszustand die Luft durch die Offnungen 11 ansaugt (von denen
z.B. sechs gleichmässig verteilte vorhanden sind).
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Insbesondere bei kleinen und sehr kleinen Strömungsmengen wird sichergestellt,
dass der Gasstrahl die Zufuhr einer Luftmenge bewirkt, welche im Prinzip zu der
zugeführten Gasmenge proportional ist, so dass das gewünschte Verhältnis R = Luft/Gas
selbst bei diesen kleinen und sehr kleinen Strömungsmengen verwirklicht werden kann.
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Wenn jetzt die Vorgange in der zweiten Kammer betrachtet werden,
so stellt man zunächst fest, dass fu"r die betrachteten kleinen Strömungsmengen
die Wirkung der Schlitze 14 praktisch NUll ist, da die von dem Strahl aus Gas und
Luft entwickelte Energie nicht ausreicht, um die erheblichen, durch diese Schlitze
erzeugten Druckabfälle zu überwinden. Diese hben
also keine Störwirkung
auf den Wert von R bei niedrigen Strömungsmengen.
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Selbstverständlich konnen zur Bestimmung des idealen Querschnitts
der Schlitze 14 zur Erzielung des gewunschten Ergebnisses Versuche im Labsratorium
vorgenommen werden.
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Bei höheren Strömungsmengen bis zur Nennleistung erfolgt jedoch die
Ansaugung von Zusatzluft durch diese Schlitze infolge der Zunahme der Energie des
aus der kleinen Kammer 9 austretenden Gasstrahls. Gegebenenfalls kann noch eine
zusatzliche Luftzufuhr für die grössten Strömungsmengen vorgesehen werden.
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Dank der Wirkung dieser beiden aufeinanderfolgenden Kammern kann
somit der Hauptzweck der Erfindung erreicht werden, nämlich : - die praktische Konstanz
des Verhältnisses R = =Luft/Gas, welches in der Nahe der stöchiometrischen Bedingungen
gewählt wird, - und somit die weitgehende Verringerung der Änderung der Austrittsgeschwindigkeit
V5 aus dem Brenner in Funktion der Gasmenge.
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So besteht z oBe die Möglichkeitf wobei die Gasmenge für den Sparflammenbetrieb
bis auf Werte von gr9ssenordnungsmassig 1/10 bis 1/15 der Nennleistung herabgesetzt
werden kann, die Ausbildung so zu treffen, dass das Verhältnis zwischen der Austrittsgeschwindigkeit
Vs für den normaien Betrieb und der Geschwindigkeit von V5 im Sparflammenbetrieb
nicht 20 übersteigt. Unterldiesen Bedingungen kann, da ausserdem die Fortpflanzungsgeschwindigkeit
der Flamme Vf (dank der Stabilität des Verhältnisses R3 ungefahr konstant gehalten
werden kann, auch das. Gleichgewicht der Geschwindigkeiteen Vs und Vf am Ausgang
des Brenners aufrechterhalten werden, wobei sowohl das Ausblasen bei grossen Strömungsmengen
als auch der Flammenansatz an der Strahldüse bei den geringen Strömungsmengen der
Sparflamme vermieden wird.
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Ferner kann der Hahn aus seiner Stellung für die Nennleistung schnell
bis in die Sparflammenstellung übergeführt werden, ohne dass die Anomalien der Kurven
der Fig. 5 bei M und m zu befürchten sind.
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Nachstehend sind, natürlich als nicht beschränkendes Beispiel, einige
Angaben aber konkrete Fälle (in m*)gemacht.
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a) Brenner von 2.600 kcal/h Durchmesser der Zufuhrstrahldüse: 2,30
Gesamtquerschnitt s der Locher 11: 19 mm2 Abmessungen der Kammer 9 Durchmesser:
3,5 Länge : 4 Lange L des Kegels 12: 17 Durchmesser D des Kegels am Ausgang: 9 Breite
der Schlitze 14 : 0,7.
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Für Stadtgas betrug das Verhältnis Nennstrcmungsmenge/Sparflammenströmungsmenge
grössenordnungsmässig 1/17 ohne Gefahr eines Ausblasens oder eines Flammenansatzes
an der Strahldüse. Das Verhältnis R = Luft/Gas beträgt grössenordnungsmässig 4,2,
was von-dem stüchiometrischen Verhältnis wenig verschieden ist.
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Für Naturgas sind die Bedingungen folgende R = Luft/Gas beträgt grössenordnungsmässig
9,7, was von dem stochiometrischen Verhaltnis wenig verschieden ist.
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b) ein anderes Beispiel fureinen Brenner anderer Leistung.
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Brenner von 1500 kcal/h Durchmesser der Zufuhrstrahldüse : 1s70 Gesamtquerschnitt
s der Locher 11 : 11mm2 Abmessungen der Kammer 9 Durchmesser: 2,55 Länge : 4 Lange
L des Kegels 12 : 17 Durchmesser D des Kegels am Ausgang : 9 Breite der Schlitze
14 : 0,7 Die Verhältnisse Nennströmungsmenge/Sparflammenströmungsmenge und R = Luft/Gas
sind mit denen des Brenners mit einer Leistung von 2.600 kcal/h identisch.
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Wie aus den obigen Ausführungen hervorgeht, besitzt der erfindungsgemässe
Brenner vor den bekannten Brennern zahlreiche Vorteile, insbesondere folgende -
Möglichkeit einer erheblichen Vergrössprung des Änderungsbereichs der Stro"mungsmenge,
d.h. einer Senkung der Strömungsmenge für die Sparflamme
- infolgedessen
bei der Anwendung auf Kochherde die Möglichkeit der Herstellung von sehr kleinem
Feuer für langsames Kochen usw.; - und die Möglichkeit der Vermeidung des Flammenansatzes
an der Strahldüse, insbesondere bei schneller Verdrehung der Hähne in ihre Sparflammenstellung.