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Strahlrohrbrenner und Verfahren für die Flammenformsteuerung de sselben
Die Erfindung betrifft Brenner zum Rauxnheizen für Wärmearbeiten u. ä., und insbesondere
Brenner des Sauerstoff-Brennstofftyps, bei denen Sauerstoff und Brennstoff einschlägig
gemäß Erfordernis dem Brenner zwecks Verbrennung und Ausstoßens von Heizflammen
zugeführt werden. Eine Steuerung der physikalischen Größe und Form, das ist das
Muster oder die Form der Brennerflammen, ist bei vielen Anwendungen bedeutsam, wo
beispielsweise kurze, buschige oder spreizende Flammen dem Heizzweck am besten dienen;
bei anderen Anwendungen kann eine lange, schlanke, nadelartige Flamme angebracht
sein.
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Obgleich Flammenmustersteuerung für Sauerstoff-Brennstoff-Brenner
bereits vorgeschlagen und in der Praxis verwendet worden sind, wurde diese,soweit
bekannt, bei modernen brauchbaren Brennerausrüstungen nicht befriedigend erreicht.
Beispielsweise verwendet eine als Muschelbrenner (Shell-type-burner) bekannte Einrichtung
das Nadelventilprinzip zum Wechseln des Flammenmusters. Bei diesem Brenner wird
der Sauerstoff durch ein zylindrisches Gehäuse
oder eine Muschel
zugeführt und mit Brennstoffgas von einem Zuführer gemischt, der in der Muschel
für das Bestimmen einer ringförmigen düsenartigen Öffnung verstellbar ist und den
verstellbaren Brenner-Durchlaß bildet. Der Brenner umfaßt ferner einen sogenannten
Prallplatten (Bluff-Body"-)Flammen stabilisator und -spreizer, der mit der Sauerstoff-Brennstoff-Flamme
am Punkt der Mischung in direktem Kontakt ist. Wie oben angedeutet, wird die Steuerung
des Flammenmusters des Muschelbrenners durch axiale Bewegung des zentralen Brennstoffzuführens
für eine Verstellung nach Art der Nadelventil-Steuerung des ringförmigen Durchlasses
zum Richten der Sauerstoff-Brennstoff-Mischung in die Verbrennungsregion gegen den
Praliplattenkörper erreicht.
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Ernsthafte Schwierigkeiten und Nachteile ergaben sich beim Betrieb
des Muschelbrenners. Frühzeitige Zündung der sehr brenabaren Sauerstoff-Brennstoff-Nischungen
innerhalb des Brenners verursachte bedenkliche Explosionsgefahr; auch übermäßige
Wartung war eingeschlossen, und zwar infolge der Schwierigkeiten der genauen Kühlung
der Brennerteile, die in direktem Kontakt mit den heißen Sauerstoff-Brennstoff-Flammen
standen. Aus diesen Gründen hat die allgemeine Verwendung von Sauerstoff-Brennstoff
Brennern des Muscheltyps sehr stark abgenommen.
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Eine nun im allgemeinen Gebrauch befindlicher Sauerstoff-Brennstoff-Brenner
ist als Strahlrohr-Brenner (rocket burner") bekannt geworden, von dem eine typische
Ausführung Gegenstand der US-PS 3 135 626 ist. Kurz gesagt hat der Strahlrohr-Brenner
eine zylindrische Brennkammer, die an ihrem Auslaßende offen ist und eine Nehrfaehkanal-Brennerplatte,
die das entgegengesetzte Ende der Kammer bildet. Brenngas und Sauerstoff werden
in dicht gruppierten parallielen Strömen separat durch geeiçlete Durchlässe in der
Brennerplatte zum Vermischen und Vorbrennen
einer Brennkammer geführt.
Einleitend wird dies durch das Etablieren einer Ankerflamme mit geringer Geschwindigkeit
erreicht, wenn sich Gase längs der Peripherie von benachbarten Brennstoff- und Sauerstoffströmen,
nach dem Durchtritt durch die Brennerplattenöffnungen, vermengen.
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In dem Strahlrohr-Brenner kann selbstverständlich ein begrenzten Umfang
von Flammenmustersteuerung erreicht werden, und zwar durch Verntilsteuerung der
Mengen, Drücken und Verhältnissen von Sauerstoff und Brennstoff, die dem Brenner
zugeführt werden ebenfalls durch Anordnung der Brennerplatte in ausgewählten Abständen
von dem Brennerausstoß kann eine längliche "steife" Flamme oder eine vergleichsweise
kurze dicke Flamme erzeugt werden. Jedoch schafft die Regulierung des Sauerstoff-und
Brennstoff-Brennereingangs keine Flexibilität bei der Verstellung des Flammenmusters
für einen vorgegebenen BTU-Brennerausgang (Wärmeleistung am Ausgang). Auch die Anordnung
der Brennerplatte in unterschiedlichen Abständen von dem Brennerauslaß führt nicht
zur gewünschten Steuerung des Flammenmusters, da die dicht gruppierten parallelen
Gasströme von der konventionellen Brennerplatte üblicherweise das Mischen und Brennen
innerhalb der Brennkammer nahe der Brennerplatte beginnen und zum Divergieren in
Stromabrichtung tendieren. Wo die Brennerplatte vergleichsweise nahe am Auslaß der
Brennkammer ist, ergeben sich natürlich Flammen de: buschigen Typs; jedoch, eine
weitgespreizte Schirmflamme ist mit dem konventionellen Strahlrohr-Brenner nicht
möglich.
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Die erfindung betrifft daher das Schaffen eines verbesserten Strahlrohr-Brenners
mit einer flexiblen Flammenmustersteuerung unter einem weiten Bereich für einen
gegebenen BTU-Brennerausgang.
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In Ubereinstimmung mit der Erfindung in ihren breiteren Aspekten ist
ein Strahlrohrbrenner vorgesehen mit einer speziell konstruierten Mehrfachdurchgang-Brennerplatte
für ein derartiges Richten der betreffenden Ströme von Brennstoffgas und Sauerstoff
in die zylindrische Brennkammer des Brenners, daß die einleitende Mischung der Gase
für die Verbrennung innerhalb einer Region eintritt, die in einem Abstand von der
Brennerplatte liegt; ferner kann diese Region für einen vorgegebenen BTU-Ausgang
zu und von dem Auslaßende der Brennkammer, durch entsprechende relative Längsbewegung
der Brennerplatte in bezug auf die Brennkammer, für einen Wechsel durch einen weiten
Bereich des Musters der Ausgangsflammen verschoben werden.
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Bei einer bevorzugten Form der Erfindung ist die Region der einleitenden
Gasmischung durch die Zwischeneinwirkung einer Anzahl von Brennstoff-Gasströmen
bestimmt, die von der Brennerplatte im allgemeinen parallel zu der Längs- oder Mittelachse
der Kammer strömen, mit einer Anzahl von Sauerstoffströmen, die von der Brennerplatte
winklig derart strömen, als wenn sie zur Kammerachse konvergieren, aber in versetzter
oder tangentialer, nicht einmündender Anordnung dazu. Demzufolge bilden die Punkte
an den betreffenden konvergierenden Achsen eine Ebene, die quer zu dieser Achße
liegt. Die Ebene, nachstehend als Ebene der größten Annäherung11 bezeichnet, ist
der flauptlokalisierer der Region von Gasmischung und primärer Verbrennung.
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Da die projizierterl Längsachsen der SAuerstoff-Durchgänge außerhalb
der Ebene der größten Annäherung zu divergieren beginnen, tendiert das Moment der
Hochgeschwindigkeitsströme dazu, buschige, weitgespreizte Flammen zu erzeugen, wo
der Brenner für eine Achsen-Divergenz außerhalb des Kammerauslasses
eingestellt
ist; umgekehrt, wo die Einstellung so ist, daß die divergierenden Ströme durch die
Kammessande eingeengt sind, wird eine längliche scharfe und strahlgleiche Hochgeschwindigkeitsflamme
erzeugt. Veränderungen des Blammen-Ausgangsmusters innerhalb der oben angegebenen
Grenzen wird in Vbereinstimmung mit der Erfindung erreicht durch relative Längsbewegung
zwischen der Brennerplatte und der Brennkammer uild daher durch Veränderungen der
Lage der Ebene der größten Annäherung in bezug auf den Kammerauslaß für die Regelung
der Divergenz der gemischten Brenngase.
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Ein Hauptziel der Erfindung ist daher die Schaffung eines verbesserten
Sauerstoff-Brennstoff-13renners des Straklrohrtyps mit einer Flammenmustersteuerung,
bei dem das Mischen von Sauerstoff und Brenngas innerhalb einer Region der Brennkammer
auftritt, die der Brennerplatte fern liegt und bei dem der Abstand zwischen der
Mischregion und dem Kammerauslaß, zum Verändern des Musters der Kammerauslaßflammen
in einem weiten Bereich, variierbar ist.
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Ein weiteres und verwandtes Ziel ist die Schaffung eines verbesserten
Brenners mit den oben beschriebenen Besonderheiten, bei dem die proJizierten Achsen
der Sauerstoff- und Brennstoffdurchlässe der Brennerplatte in Winkelbeziehung zum
Bestimmen der fernliegenden Gas-Mischregion stehen und die Brennerpiatte, relativ
zum Kammerauslaß zum Verändern der Lage der Mischregion und damit zum Steuern des
Nusters der Auslaßflammen, bewegbar ist.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines verbesserten
Brenners der oben beschriebenen Art, der einen zweckdienlichen Gebrauch des Wärmeausganges
für eine veränderbare Flammenmuster-Steuerung erreicht und leicht für einen vorgegebenen
BTU-Brennerausgang
innerhalb eines weiten Bereichs von Blammenmustersteuerung verstellbar ist und der
niedrige Wartungskosten hat und von Vorzündungsgefahren frei ist.
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Andere Ziele, Besonderheiten und Vorteile ergeben sich aus der nachstehenden
Beschreibung, in der auf die Zeichnung Bezug genommen wird; diese zeigt in: Fig.
1 eine perspektivische Darstellung, teilweise geschnitten, eines erfindungsgemäßen
Sauerstoff-Brennstoff-Brenners vom Strahlrohrtyp; Fig. 2 eine Draufsicht auf ein
Mehrfach-Durchlaß-Brennerelement des in Fig. 1 gezeigten Strahlrohrbrenners; Fig.
3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 in Fig. 2; Fig. 4 eine schaubildliche Darstellung
des Brennerelementes und der Brennkammer, wobei die Konvergenz von zwei Sauerstoff
strömen in Richtung auf die Kammerachse gezeigt ist; Fig. 5 eine schaubildliche
Draufsicht, welche die Relation der Sauerstoff ströme zur Kammerachse an der Ebene
der größten Annäherung längs der Linie 5-5 in Fig. 4 zeigt; und Fig. 6, 7 und 8
sind schaubildliche Darstellungen, die verschiedene Stellungen der Brennerplatte
in bezug auf den Brennkammerauslaß zum Erreichen unterschiedlicher Muster der Auslaßflammen
zeigen.
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Der Saurrstoff-Brennstoff Strahlrohrbrenner 10, der in Fig. 1 beispielsweise
gezeigt ist, umfaßt ein rohrförmiges oder zylindrisches Gehäuse 12 innerhalb welcher
ein Brennerelement 14 ein Ende einer Brennkammer 16 bildet0 Das offene Ende des
Gehäuses bildet bei 18 das entgegengesetzte oder Auslaßende der Kammern aus welcher
Heizflammen für Wärmearbeit, Rauaheizung etc. hervorragen. Wenn die Brennkammer
hohen Temperaturen unterworfen ist, welche beim Betrieb von Sauerstoff-Brennstoff-Brennern
auftreten, umfaßt das Gehäuse 12 einen wassergekühlten Mantel 20, der sich über
die ganze Länge der Brennkammer und dem größten Teil des Gehäuses für eine wirksame
Wärmeableitung erstreckt Das Brennerelement 14, nachstehend der Einfachheit halber
als "Brennerplatte" bezeichnet, bildet einen Strömungsteiler für die separate Zuführung
jeweils einer Anzahl von Sauerstoff-und Brenngasströmen in die Brennkammer. Bei
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Brennerplatte aus einem durchbrochenen
scheibenartigen Zylinder geformt, der konzentrisch innerhalb der Brennkammer angebracht
ist und als Trennwand zwischen der Brennkammer und einer länglichen Sammelkammer
22 für das Brenngas dient Die Sammelkammer erstreckt sich von der Brennerplatte
zum entgegengesetzten Ende des Gehäuses, wo sie an einer Brenngasvorratsleitung
bei 23 angeschlossen ist, das zweckdienlich brauchbares Naturgas sein kann0 Bestimmte
der Brennerplattendurchlässe oder -öffnungen sind wie beispielsweise bei 24 zentriert
und erstrecken sich durch die Brennerplatte zwecks direkter Verbindung mit der Brenngassammelkammer
22. Eine Vielzahl von anderen Öffnungen 26 für die Zufuhr von Sauerstoff in die
Brennkammer sind in einem kreis angeordnet, der vorzugsweise mit der längsachse
der
Brennkammer (und Brennerplatte) um die zentral grupperten kleineren Brennstoffdurchlässe
24 herum, konzentrisch ist.
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Zusätzliche Brennstoffdurchlässe 28 in der Brennerplatte, die ebenfalls
mit der Brennstoffkammer 28 in Verbindung stehen, sind in einem Kreis um den äußeren
peripheren Bereich der Sauerstoffdurchlässe 26 angeordnet. Die mittigen Brennstoffdurchlässe
24, von denen zahlenmaßig sechs gezeigt sind, und die äußeren Brennstoffdurchlässe
28, von denen ebenfalls sechs gezeigt sind, verlaufen quer durch die Brennerplatte;
das ist, daß die Achsen der betreffenden Durchlässe sich im allgemeinen parallel
zu der Längsachse der Brennkammer erstrecken. Die Sauerstoffdurchlässe 26 jedoch
sind winklig zur Kammerachse angeordnet, die projizierten Längsachsen derselben
konvergieren in Richtung auf den Kammerauslaß in versetzter tangentialer Beziehung,
so daß sie in nicht einmüdender Beziehung.zu dieser stehen; das ist, daß die Längsachsen
der Sauerstoffdurchlässe in bezug auf die Kammerachse etwas Steigung aufweisen und
abgeschrägt sind, wie es in Fig. 2 zum Etablieren der oben angegebenen geometrischen
Beziehung angezeigt ist.
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Die Sauerstoffdurchlässe 26 sind mit einem Sauerstoffvorrat durch
eine Verteileranordnung verbunden, die eine Anzahl von Rohren 30 aufweist, welche
die entsprechenden Sauerstoffdurchlässe und ein Kopfstück 32 verbindet. Das Kopfstück
wird seinerseits durch eine Leitung 34 gespeist, die sich längs durch die Kammer
22 und das Gehäuse zum Äußeren, zwecks der angezeigten Verbindung mit unter Druck
stehendem Sauerstoff, erstreckt.
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Es ergibt sich, daß in der bisher beschriebenen Vorrichtung separate
Vorräte von Sauerstoff Im + renngae zu den entsprechenden Durchlässen in der Brennerplatte
geführt sind; der Sauerstoff
von der Leitung 34 und dem Verteiler
zu den Durchlässen 24 und das Brenngas von der Vorratsleitung 23 und der Sammelkammer
22 direkt zu den Brennplattendurchlässen 24 und 28.
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Dementsprechend richten die Brennplattendurchlässe, wie oben beschrieben
wurde, separate Ströme von Sauerstoff bzw. Brenngas in die Brennkammer 16, zum frischen
außerhalb der Brennerplatte und nachfolgendem Vorbrennen, wie es nachstehend eingehender
beschrieben werden wird.
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Die Brennkammerwände, wie oben erwähnt, sind gegen Überhitzung durch
einen wassergekühlten Mantel 20 geschützt, der einen Teil des Gehäuses 12 bildet
und aus konzentrischen Rohrwänden 36, 38 und 40 besteht, die in üblicher Weise voneinander
beabstandet sind, um ringförmige Rückströmungs-Kühlbahnen zu bilden. Wie gezeigt
ist, erstreckt sich die Kühlbahn von dem Kühlwassereinlaß 42 durch den ringförmigen
Kanal 44, der von den Wänden 38 und 40 gebildet wird, zu dem Brennerauslaßende,
wo der Strom in den ringförmigen Kanal 46 umkehrt, der zwischen den Wänden 36 und
38 gebildet ist, und dann zum Eihlwasserauslaß 48.
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Die Werkstoffe der Konstruktion für den vorliegenden Brenner können
im allgemeinen gleich denen sein, die für bekannte Strahlrohrbrenner verwendet werden;
das ist, daß die Brennerplatte aus Kupfer oder Tellur-Kupfer hergestellt sein können
und die Zylinder des Gehäuses, der Kühlmantel und die Brennkammer aus Messing oder
rostfreiem Stahl entsprechend der geforderten Wärmeleitfähigkeit, dem Flammen-Sorrosionswider=
stand etc.
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Bei der Anwendung der Erfindung ist die Stellung der Brennerplatte
14 längs einer Längsachse der Breiiiilmmer in bezug auf
den Kammerauslaß
verstellbar; das ist, daß die Brennerplatte in Richtung zu oder von dem Kammerauslaß
bewegt werden kann, um eine Längenveränderung der Brennkammer zu bewirken und damit
eine Veränderung des Musters der austretenden Flammen.
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Bis dahin sind die Brennerplatte 14, der Verteiler 30 bis 32 und die
Leitung 34 zu einer strukturellen Einheit für eine Relativbewegung in bezug auf
das Gehäuse 12 zusammengefaßt.
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Die Brennerplatte hat einen gleitenden Sitz an der inneren Zylinderwand
40, welche die Brennkammerwand bildet, und die Leitung 34 ist zwecks Längsbewegung
mittels eines Dichtungslagers 50 durch die Endwand 52 des Gehäuses geführt. Eine
Relativbewegung zwischen dem Brennerplattenaufbau und dem Gehäuse kann in jeder
geeigneten Weise erreicht werden; beispielsweise ist eine Zahnstange 54 an der Leitung
angebracht, die mit einem damit usammenwirkenden Zahnrad 56 in Eingriff steht, das
seinerseits bei 58 manuell für eine Bewegung der Leitung (und der Brennerplatte)
längs in jeder Richtung betätigt wird.
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Für die Erläuterung der besonderen Anordnung der Brennerplattendurchlässe,
zum Richten der zusammenwirkenden Ströme von Sauerstoff und Brenngas in die Brennkammer,
wird auf die Fig. 2 und 3 Bezug genommen. Beim Sauerstoffdurchlaß 26a als Beispiel
ist festzustellen, daß die Längsachse 26' desselben in bezug auf das Zentrum der
Brennerplatte schräg ist, das ist die Längsachse der Brennkammer, so daß ein Schneiden
der Durchlaßachse 26' mit der Kammerachse 16' nicht möglich ist. Es ist ebenfalls
festzustellen, daß die Sauerstoff-Durchlaßachse 26' sich mit der Längsachse eines
der mittig angeordneten kleinen Brennstoffdurchlässe 24b schneidet, die nachstehend
als "Primarbrennstoff-Durchlässe" bezeichnet werden, um ein Mischen der beiden Ströme
zu gewährleisten. Im Uhrzeigersinne weitergehend ist erkennbar, daß die Sauerstoffdurchlässe
26b, 26c etc. gleichartig schräg zur Kammerachse sind und ihre Längsachsen für
ein
Schneiden mit den entsprechenden Achsen der Primärbrennstoff-Durchlässe 24c, 24d
etc. orientiert sind.
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Fig. 3 zeigt die Winkelrichtung der Sauerstoffdurchlässe 26a und 26d
für das Richten der Sauerstoffströme in konvergierender Richtung auf die Kammerachse
16', j-edoch in tangential versdzter nicht schneidender Beziehung zu dieser, wie
es am besten in Fig. 2 gezeigt ist. Die aus den in Fig. 2 gezeigten sechs Durchlässe
kommenden Sauerstoff ströme tendieren dazu, einen im Uhrzeigersinn verlaufenden
Wirbel um die Kammerachse herum in einer Region zu erzeugen, die der Brennerplatte
fern ist.
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Die Fig. 4 und 5, welche den Fig. 2 und 3 schaubildlich zugeordnet
sind, zeigen die Beziehung zwischen den vorstehenden Längsachsen der Sauerstoffdurchlässe
und der Verlängerung der Kammerachse 16'. In der teilweise im Schnitt gezeigten
Ansicht der Brennkammer und der Brennerplatte gemäß Fig 4 ist die Brennerplatte
in einer gleichen Lage wie in der gemäß Fig. 3 Die Sauerstoffströme aus den Durcl11ässen
26a und 26d sind zum Zwecke der leichteren Darstellung als geradlinige Hochgeschwindigkeitsstrahlen
oder Strahlkerne 0 bis 1 und 0 bis 4 gezeigt, ohne Rücksicht auf das Moment irgendwelcher
hiodifikationswirkungen der Brenngasströme (nicht dargestellt) aus den Primärbrennstoff-Durchlässen
24a bis 24d etc. Obgleich die Achsen der beiden schrägen Ströme in Fig. 4 und die
Kammerachse 16' an einem Punkt außerhalb der Schnittlinie 5-5 sich einander zu schneiden
scheinen, tritt ihre größte Annäherung zur Achse tatsächlich an der Schnittlinie
auf. Demzufolge wird die Querebene oder die Region, welche durch die Schnittlinie
5-5 bestimmt ist, in der Beschreibung als "Ebene der größten Annäherung" bezeichnet.
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Fig. 5 zeigt gemäß dieser Schnittlinie den Schrägungswinkel alpha
der Sauerstoffströme 0 bis 1 und 0 bis 4 als einen Winkel von etwa 600 in Richtung
des Uhrzeigersinnes von den Ausgangsstellungen gemäß Fig. 3, wie sie durch die horizontale
oder Quer-Brennplattenachse 141 repräsentiert ist. Bei den anderen Sauerstoff strömen
0 bis 2 und 0 bis 3 etc. wird davon ausgegangen, daß diese gleichmäßig in der gleichen
Richtung schräg sind, wie es am besten in Fig. 2 gezeigt ist.
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Zwischen der Ebene der größten Annäherung und dem Kammerauslaß beginnen
die Sauerstoffströme in Richtung der Brennkammerwand zu divergieren. Fig. 6 zeigt
diese Divergenz schematisch bei einer vorgegebenen Lage der Brennerplatte, wobei
die Brennkammer vergleichsweise kurz ist. Bei diesem Beispiel erstreckt sich die
Divergenz der Sauerstoffdurchlaßöffnungen bis außerhalb des Kammerauslasses. Kurz
zurückkommend auf Fig. 2 ist zu erkennen, daß die zusätzlichen oder Sekundärbrennstoffdurchlässe
28 längs des peripheren Bereichs zur Zuführung des Hauptvolumens des vergleichsweise
Niedriggeschwindigkeitsbrennstoffes zur Brennkammer konstruiert sind. Wenn die Achsen
dieser Durchlässe, wie im Falle der zentralen oder Primärbrennstoffdurchlässe 24a,
24b etc. im allgemeinen parallel zu der Kammerachse verlaufen, bilden die Brenngasströme
tatsächlich eine Niedriggeschwin digkeit-Gashülle an der Kammerperipherie, welche
die Sauerstoff-und Primärbrennstoffströme umschließt.
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Der Schnitt in Fig.6 soll eher die Zwischenaktion der Sauerstoff-und
Brennstoffströme in und außerhalb der Brennkammer anzeigen als die präzise Beziehung
der Achsen in den Fig. 2, 3 und 4.
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Es hat sich beim Entwickeln der vorliegenden Erfindung ergeben, daß
sich eine weit spreizende, buschige oder schirmartige Flamme für den Strahlrohrbrenner
gemäß Fig. 6 am besten erreichen läßt,
wenn das Moment der Hochgeschwindigkeits-Sauerstoffströme
sowohl in konvengierenden und tangentialen (oder schrägen) Richtungen in bezug auf
die Brennkammerachse gerichtet wird, zum Anordnen der Ebene der größten Annäherung
ausreichend nahe an dem Eammerauslaß verwendet wird, daß die Divergenz des Hochgeschwindigkeitsstromes
nicht durch die Kammerwand eingedämmt wird. Beim Vermeiden der Konvergenz, die an
einem gemeinsamen Punkt zur tatsächlichen Schneidung der Sauerstoffstromachsen führt,
werden ernste Probleme welche die Begrenzung der Blammenlänge, der Brennkammerkühlung
etc.
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einschließen, vermieden und die Vorteile der freien Gas- und Flammendivergenz
außerhalb der Ebene der größten Annäherung für das Erzeugen einer schirmartigen
Flamme bleiben erhalten.
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Mehr speziell auf den Brennerbetrieb eingehend unterscheidet sich
der Primärbrennmechanismus der vorliegenden Erfindung, während er dem eingangs erwähnten
(Moen und Shepherd-Patent) irgendwie ähnelt, bei dem das Halten der Flamme für die
Stabilisierung der Hauptbrennkammerflammen durch eine Niedriggeschwindigkeitsregion
nahe der Auslaßseite der Brennerplatte erzielt wird, tatsächlich materiell von diesem
durch die Etablierung der Primärverbrennung für die Stabilisierungsflammen in einer
Kammer mittigen Region eines materiellen Abstandes von der Brennerplatte. Dies wird
erreicht durch dieZuführung der vergleichsweise kleinen Primärmenge vom Brenngas
von den Brennerdurchlässen 24a, 24b etc. direkt in die konvergierenden Sauerstoffströme,
welche in die Region der größten Annäherung eintreten (Fig. 2 und 6). Wenn die Sauerstoff-
und die Primärbrennstoff ströme fortschreitend konvergieren, vermischen sich die
betreffenden Ströme und schaffen Niedriggeschwindigkeits-Halteflammen, wie sie bei
25 schematisch gezeigt sind.
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Diese Einführung einer vergleichsweise kleinen Menge von Brennstoff
in die Sauerstoffströme an derEbene der größten Annäherung erzeugt eine sich quer
erstreckende Region Lür die Primär- und Stabilisierverbrennung. Diese Region ist
in einer Gas-r;iischungszone von relativ niedriger Gescnindigkeit, die sich zu den
umhüllenden Brennstoff strömen F5 erstreckt.
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Sekundärverbrennung wird daher wirksam durch direkte Verbindung mit
der Brennzone erzielt. Die Größe und Spreizung dieser Zone (siehe Fig.5), ist leicht
in ihrer Form zu steuern, entsprechend der Konvergenz und der schrägen Winkel der
Sauerstoffdurchlaßachsen. Wenn die divergierenden Sauerstoffströme aus der Region
der größten Annäherung das Divergieren in Richtung auf den Kammerauslaß fortsetzen
und sich mit dem ushüllenden Hauptvorrat von Sekundärbrenngas von den Durchlässen
28 vermischen, ist die Verbrennung des gemischten Gases durch die Primärverbrennung
oder Halteflammen in der Region der größten Annäherung gewährleistet, wie es in
Fig. 6 gezeigt ist.
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Die zweite Verbrennungsregion, das ist, wo die Verbrennung des gespreizten
gemischten Sauerstoffs und Brenngases vollendet wird, erstreckt sich außerhalb des
Kammerauslasses wie angezeigt und ist allgemein durch die Geschwindigkeit und Divergenz
der Sauerstoffströme in bezug auf den Kammerauslaß und die Menge des Brenngases
von den Durchlässen 28 bestimmt. Aus Fig. 6 ist zu sehen, daß die Haupt- oder Sekundär-Brennstoff-Vorratsumhüllung
aus den Durchlässen 28 quer geführt durch die und gemischt wird mit den hochgeschwindigkeits-divergierenden
Sauerstoffströmen 0 bis 1 und 0 bis 4etc., mit nachfolgendem Spreizen oder Wölben
der gemischten brennenden Gase außerhalb des Kammerauslasses. Dementsprechend wird
eine Sekundär-Brenn-oder Flammenregion mit dem gewünschten weit gespreizten schirmartigen
Muster etabliert.
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Der Grad der Flammenspreizung für eine vorgegebene Brennplatteneinstellung
kann selbstverständlich durch empirische Einstellung der Vorratsdrücke für Sauerstoff-
und Brenngasströme variiert werden. Variationen in dem Sau er stoff-Brennstoffverhältnis
bewirkt Flammenspreizungen bis zu einem Ausmaß, daß ein Verhältnis, welches eine
optimale Brennstoffzufuhr für das Erzeugen brennbarer Mischungen für das Hauverbrennungsflammensystem
ergibt, zu einer größeren Sekundär-Brennregion, führt. Obgleich der Begriff Sauerstoff,
der hier verwendet wird, sich im allgemeinen auf die bevorzugte Verwendung von kommerziellen
reinen Sauerstoff bezieht, können ebenfalls mit Sauerstoff augereicherte Gase in
die Anwendung der Erfindung einbezogen werden, bei denen die durch reinen Sauerstoff
erzielbaren hohen Temperaturen nicht erforderlich sind.
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Wo die Brennerplatte und die Ebene der größten Annäherung wie in Fig.
7 angeordnet sind, so daß die vorstehenden divergierenden Achsen 26' der Sauerstoffstromkerne
die Brennkammerwand schneiden, wie es unterschiedlich zu Fig. 6 ist, wo die Divergenz
der Achsen außerhalb der Ebene der größten Annäherung nicht durch die Kammerwand
beschränkt ist, sind das Mischen und die einleitende Sekundärverbrennung der umhüllenden
Brennstoff ströme BS und der Sauerstoff ströme 0 bis 1 und 0 bis 4 etc. in einem
größeren Umfang innerhalb der nun länglichen Brennkammer 16 eingeschränkt. Das ist,
wenn die Kammerwand nur wirksam wird, um die Sauerstoff ströme allgemein längs den
und in die umllüllenden Brennstoff ströme abzuleiten, tendiert das Mischen des Sauerstoffs
und des Sekundärbrennstoffs dazu, hauptsächlich innerhalb der Brennkammer zu erfolgen.
Das Moment der Sauerstoffströme, in Kombination mit dem Kammerdruck, der auf die
Sekundärverbrennung wirkt, erzeugt eine steife, scharfe und längliche Flamme am
Brennkammerauslaß. Es ist davon auszugehen,
aaß diese Wirkung als
Teilfolge der Energie der abgelenkten Sauerstoffkerne eintritt, die an der Kammerachse
zum Rekonvergieren neigen, etwa wie ein konischer Kern. Sekundärbrennstoff wid während
dieses Vorgangs mit Sauerstoff vermischt und längs der Mittelachse der Kammer getragen,
wo sich die Sekundärverbrennung fortsetzt, wenn die gemischten Gase und die Verbrennungsflammen
unter hoher Geschwindigkeit aus dem Brennerauslaß austreten, um eine lange, nadelartige
Flamme zu formen.
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Fig. 8 zeigt eine Zwischeneinstellung der Brennplatte zum Erhalten
eines Flammenmusters für eine gemildert buschige Flamme, materiell länger als die
schirmartige Flamme in Fig. 6 gezeigte. Bei dieser Flammenmustereinstellung sind
die vorstehenden Längsachsen 26' der Sauerstoffstromkerne völlig frei von dem Kammerauslaß,
so daß ein Teil des Sauerstoffstromes durch die Kammerwand nach innen abgelenkt
wird. Demzufolge wird aber ein Teil der Energie des Sauerstoffstromes für das Spreizen
der gemischten Gase und der Flamme in divergierenden Richtungen am Auslaß verfügbar,
so daß eine modifiziert buschige Flamme von gemilderter Länge erzeugt wird. Aus
den Beschreibungen der Figuren 6 bis 8 wird offenbar, daß ein weiter Bereich von
fortlaufender Flammenmustersteuerung durch entsprechende Verstellung der Brennerplatte
(und der Ebene der größten Annäherung) in bezug auf den Kammerauslaß erreicht werden
kann.
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ist Zusammengefaßt/zu erkennen, daß die Erfindung gewisse vorher
bestehende Schwierigkeiten durch die Verwendung von aerodynamischen Flammenhalten
zum Etablieren einer Sauerstoff-Brennstoff-Mischregion, fern von jedem Teil der
Brennerplatte, beseitigt und dabei die bewegbare Brennerplatte von jedem Kontakt
mit der Flamme oder brennbaren Mischungen von Sauerstoff und Brennstoff isoliert.
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In der Praxis ist der Strahlrohrbrenner gemäß der Erfindung im Hinblick
auf den Anwendungsbereich sehr flexibel. Alle gasförmigen, sprühbaren oder verdampfbaren
Brennstoffe können unter hoher Wirtschaftlichkeit verbrannt werden, ohne daß die
Hauptkonstruktion geändert werden muß und optimale Bedingungen für einen vorgegebenen
Brennstoff lassen. sich durch Verstellung der Konstruktionsparameter erhalten. Variable
Basisfaktoren des Brenners schließen den Brennerausgang ein, wie er durch die Mengen
von zugeführtem Sauerstoff und Brennstoff bestimmt ist, den Winkel der Auslaßflammendivergenz,
der durch die Lage der Brennerplatte bestimmt ist (und die Divergenzwinkel und schrägen
Winkel der Sauerstoff stro.mkerne) und dem Reduzierverhältnis (turndown ratio).
Das letztere ist bestimmt in Beziehungen des vollen Bereichs des Brennerbetriebes
für eine stabile Flammensituation. Dies kann quantitiv als folgendes Verhältnis
ausgedrückt werden: BGU/h (max) BDU/h (min) Bekannte handelsübliche Brenner haben
im allgemeinen einen engen Bereich, in dem ein stabiler Flammenbetrieb erzielt werden
kann, wogegen der Strahlrohrbrenner gemäß der Erfindung beispielsweise ein Reduzierverhältnis
von 1000 : 1 haben kann, das von den Abmessungen des Brenners bestimmt ist, prinzipiell
von den Durchmessern der betreffenden Sauerstoff-und Brennstoffdurchlässe und den
Winkelverhältnissen dar Durchlaßachsen zu der Kammerachse.
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Praktische Vorteile der Erfindung schließen auch eine verbesserte
Flammenstabilität aufgrund der niedrigen Geschwindigkeit
ein sowie
eine zentrierte trimärverbrennungsregsion, ein verbessertes Reduzierverhältnis eine
Vereinfachung der Konstruktion, bei der ein flammenstabilisierender Prallkörper
o. ä. nicht benötigt wird und eine weit verbesserte Sicherheit mit dem praktischen
Ausschluß von brühzündtmgs- und Explosionsgefahren.
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Mit der Erfindung wird ein Sauerstoff-Brennstoff-Brenner von der Art
der Strahlrohrbrenner (Raketenbrenner) geschaffen, mit einer zylindrischen Brennkammer
mit einem offenen Auslaßende und einer Brennerplatte mit separaten Sauerstoff- und
Brennstofföffnungen, welche das entgegengesetzte Ende der Kammer bildet; die vorstehende
Längsachsen der Sauerstofioffnungen erstrecken sich in konvergierenden Richtungen
auf die Längsachse der Kammer hin, jedoch in versetzter, nicht einmündender Relation
zu dieser, so daß Punkte an den betreffenden Achsen, welche der Kammerachse am nächsten
kommen, eine quer angeordnete Ebene zwischen der Brennerplatte und dem Kammer auslaß
bestimmen; die projizierten Längsachsen der Brennstofföffnungen sind im wesentlichen
parallel zur Kammerachse zum Mischen von Sauerstoff und Brennstoff an und außerhalb
der Ebene der dichtesten Annäherung angeordnet und mit einer Einrichtung zum Verstellen
der Längsposition der Brennerplatte auf der Kammerachse und dabei erfolgendem Anordnen
der Ebene der nächsten Annäherung im Verhältnis zu dem Kammerauslaß, zum Bestimmen
der Form der Brenner-Auslaßflammen.
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Nach diesem Erläutern eines bevorzugten Ausführungsbeispiels ist zu
erwähnen, daß Anderungen hinsichtlich des Systems und der Vorrichtung gemäß vorstehender
Beschreibung keine hbweichungen vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche sind.
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-Patentansprüche-