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Brennerkopf, insbesondere für gasförmige Brennstoffe Die Erfindung
betrifft einen Brennerkopf für insbesondere gasförmige Brennstoffe.
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Zur Stabilisierung von Flammen in Brennerköpfen hat man Drosselscheiben,
Stauringe, Wirbelschrauben und ähnliche Vorrichtungen verwendet, also Vorrichtungen,
welche eine Wirbelbildung bewirken und für das im Reaktionsstadium befindliche Luft/Gas-Gemisch
örtlich sehr niedrige oder sogar negative Vorschubgeschwindigkeiten auslösen. Diese
örtlich geringen Geschwindigkeiten, die in jedem Fall geringer als die Fortpflanzungsgeschwindigkeit
der Flamme sind, ermdglichen die Ausbildung einer räumlich stabilen Flammenfront,
solange ein entzündbares Gemisch vorliegt. Bei einem homogenen Gemisch aus Luft
und Brennstoff erfolgt die Verbrennung bei einer verhältnismäßig geringen Verdünnung,
die beispielsweise bei Methangas in Luft eine untere Entzündungsgrenze von 5 % und
einen oberen Grenzwert von 15 % besitzt. Da die Stabilität der Flamme im wesentlichen
von
den örtlichen Strömungsverhältnissen und der Geschwindigkeit des möglichst homogenen
Gasgemisches abhängt, sinkt die Stabilität einmal beim Absinken der örtlichen Geschwindigkeit
und zum anderen, wenn die Zusammensetzung des Luft/Brennstoffgemisches in dem Flammenstabilisierungsraum
außerhalb des Zündbereiches liegt. Selbst derart stabilisierte Flammen werden instabil,
wenn aufgrund einer momentanen schlechten Regulierung oder durch Pulsationserscheinungen
in der Zufuhrleitung oder durch einen Gegendruck ein zu starker Überschuß an Luft
oder ein Luftunterschuß auftritt.
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Beispielsweise kann sich bei Zündung sich das Gemisch örtlich mit
kleinerer Geschwindigkeit als die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Flamme bewegen,
so daß bei der Anfangsexplosion ein Zwischenzustand erreicht wird, bei dem der Ventilator
sehr viel weniger Luft zuführt, als es üblicherweise für den Betrieb erforderlich
ist; ferner kann jedoch weniger spürbar wegen des entsprechend hohen Drucks im Verteilernetz
auch eine Zurückdämmung des Gasstromes erfolgen.
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In dem Brennerkopf wird daher unter entsprechendem Abfall der Flamme
der obere Entzündungspunkt rasch überstiegen.
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Zur Flammenstabilisierung hat man ferner anstelle einer Verwirbelung
das Prinzip der Bewegung eines Fluidums an den Grenzflächen ausgenutzt, wobei die
geringe Geschwindigkeit der
Grenzschichten ausgenutzt wird, die
der betreffenden Fläche am nächsten liegen. Bei derartigen Vorrichtungen ist ein
Leitkanal vorgesehen, der achsengleich in einem Luftleitrohr angeordnet ist und
an seinen Enden radiale Durchlässe besitzt.
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Dicht vor diesen Durchlässen für den Gasaustritt ist eine AbschluBplatte
quer angeordnet, hinter der ein offener Hohlkörper vorgesehen ist. Zwischen der
geschlossenen Platte und dem Hohlkörper sind radiale Austrittsöffnungen für das
Gas vorgesehen. Der Luftstrom löst beim Auftreffen auf die abschließende Platte
hinter derselben eine Auspuffwirkung aus, und zwar im Bereich der zwischen der Platte
und dem Hohlkörper vorhandenen radialen öffnungen. Durch diese Öffnungen wird daher
eine bestimmte Gasmenge angesaugt, mit Luft vermischt, wobei dieses Gas/Luft-Gemisch
wie eine Schicht die Außenfläche des Hohlkörpers bedeckt. Diese praktisch am Hohlkörper
haftende Grenzschicht soll die beim Anzünden entstehende dünnschichtige Flamme stabil
halten und für eine stete Nachzündung der aus dem Hohlkörper austretenden Hauptgasmenge
sorgen. Bei einer derartigen Stabilisierung ersetzt die geringe Geschwindigkeit
der Grenzschichten die geringe Geschwindigkeit der Verlagerung der Wirbelbewegungen
bei den eingangs beschriebenen Brennerköpfen. Diese Vorrichtungen zeigen aber unverändert
die Nachteile, die bei Veränderung der Konzentration des Luft/Gas-Gemisches auftreten.
Wenn das Gas bereits mit Luft vorgemischt und der Mindestpunkt der Entzündbarkeit
überschritten ist,
können die inneren und langsameren Schichten
brennen und eine stabile Flammenwurzel bilden, sobald sie die Außenfläche des Hohlkörpers
bestreichen; wenn jedoch die Vormischung ungenügend ist, muß die Verteilung der
Umgebungsluft im Gas auf dem Wege des Gases zur Brennkammer abgewartet werden, damit
die Grenze der Entzündbarkeit überschritten wird. Die Erzielung derartiger Zustände
ergibt Schwierigkeiten. Wenn dagegen das Gasgemisch durch einen Überschuß an Vormischung
bereits die obere Grenze der Entzündbarkeit überschritten hat, so bildet sich überhaupt
keine Flammenwurzel aus. Bei derartigen Brennerköpfen ist die Einstellung äußerst
schwierig und empfindlich, wobei ferner die kleinen Öffnungen leicht im Laufe der
Zeit durch Fremdteilchen verstopft werden.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, diese Nachteile zu beseitigen
und einen Brennerkopf vorzuschlagen, mit dem eine einwandfreie Stabilisierung der
Flamme gewährleistet ist und die Flammenstabilisierung unabhängig von den jeweiligen
Betriebsverhältnissen erfolgt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Brennerkopf für Gasbrenner mit
Druckluft mit mindestens einer Luftleitung und mindestens einer Gasleitung vorgeschlagen,
der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Luftleitung eine gelochte Platte oder Wand
besitzt, die derart angeordnet ist, daß der Luftstrom behindert wird
und
daß der gasförmige, gegebenenfalls mit Luft gemischte gasförmige Brennstoff hinter
der Platte an zwei gesonderten Stellen austritt, von denen die eine zur Bildung
der Flammen wurzel bei oder an der Platte und die andere zur Bildung der Hauptflamme
dieser ersten Zone nachgeordnet, jedoch im Kontaktbereich der Flammenwurzel, angeordnet
sind.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert;
es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung der Luftströmung durch eine in den
Luftstrom eingesetzte gelochte Wand; Fig. 2 einen axialen Schnitt durch eine einfachste
Ausführungsform der Erfindung; Fig. 3 bis 7 verschiedene Axialschnitte durch weitere
erfindungsgemäße Brennerköpfe; Fig. 8 eine Lageanordnung der Zündelektroden und
der Tasterelektroden in einem erfindungsgemäßen Brennerkopf, teilweise in seitlichem
Aufriß; Fig. 9 einen Axialschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung.
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Fig. 1 erläutert die theoretischen Voraussetzungen, auf denen die
Erfindung beruht. Eine Platte 100 mit mehreren im Abstand voneinander angeordneten
Öffnungen 101 ist in einem senkrecht auf die Platte in Pfeilrichtung X auftretenden
Luftstrom angeordnet. In dem unmittelbar dahinter befindlichen Raum entstehen zwischen
der einen und der anderen Öffnung bzw. an den vollen Stellen der Platte 100 Strömungs-
und Umkehrerscheinungen oder Stauungen, wie sie durch die Pfeile Y angedeutet sind.
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Wird nun in diese Zone Brenngas eingeleitet, beispielsweise durch
Austrittsöffnungen 102 von Zufuhrleitungen so bildet sich ein Konzentrationsgefälle
von Brennstoff in Luft aus, das geometrisch um die Öffnungen 101 lokalisiert ist
und an deren Außenumfang innerhalb weiter Grenzen definierter Räume ein stationärer
Zustand herrscht, in dem die Konzentration im Bereich der Entzündbarkeit liegt.
Selbstverständlich werden die lokalen Geschwindigkeiten und der Verlauf der Konzentrationsgradienten
durch das Ausmaß der jeweiligen Gas- und Luftstrahlen und ihre Zwischenabstände
beeinflußt. Bei richtiger Ausbildung und sofern die Entzündung dieses Gemisches
ausgelöst worden ist, besteht hinter der Platte 100 eine Flammenbildung in demjenigen
Gesamtraum, in dem die Konzentration im Bereich der Entzündbarkeit liegt. Dies ist
das Grundprinzip, das eine wesentliche Rolle im erfindungsgemäßen Brennerkopf spielt.
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Bei dem in Fig. 2 gezeigten Brenner befindet sich im Brennergehäuse
oder Hauptrohr 1 eine Gaszufuhrleitung 2, die mittels eines Krümmers durch die Wand
des Gehäuses 1 hindurchgeführt wird. Das Brennergehäuse wird durch einen hier nicht
gezeigten Ventilator mit Luft versorgt. In der Gaszufuhrleitung 2 ist eine weitere
Leitung 3 axial angeordnet, die durch den Krümmer der Gaszufuhrleitung 2 durchgeführt
ist. Diese Leitung 3 mündet derart in dem Brennergehäuse 1, daß die durch den Ventilator
zugeführte Luft teilweise durch die Leitung 3 strömt. In dieser inneren Leitung
3 sind öffnungen oder vorzugsweise schräg angesetzte Kanäle 4 angeordnet, die das
Einleiten des Gases in die durch die innere Leitung 3 strömende Luft dienen und
eine Vormischung des Gasgemisches bewirken.
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Die Leitung 3 ist an ihrem Austrittsende in Richtung auf die Brennkammer
des Kessels offen. Das Ende der äußeren Leitung 2 ist dagegen mittels eines Flansches
5 verschlossen. In einem bestimmten Abstand vor dem Flansch 5 ist am Umfang der
Außenleitung 2 eine Scheibe oder Platte 6 angeordnet, die nur einen Teil des Querschnittes
des Brennergehäuses oder des Hauptrohres 1 ausfüllt. Der Flansch 5 und die Scheibe
6 bilden einen ringförmigen Brennraum A, der auch als Wurzelbildungsraum der Flamme
bezeichnet wird und der gegen das Hauptrohr 1 hin offen ist. In diesen Raum A werden
Brenngase durch die Offnungen 7 in der äußeren Leitung 2 eingeleitet und ferner
die aus
den öffnungen 8 in der Scheibe 6 keimende Luft. Die Öffnungen
7 und 8 sind vorzugsweise derart versetzt angeordnet, daß die Gasaustrittsöffnung
7 nicht neben einer Luftaustrittsöffnung 8 liegt; dadurch wird erreicht, daß das
Gas in die Stauzone zwischen die Luftstrahlen eintritt, die aus den Öffnungen 8
austreten. Die Hauptverbrennung findet in dem Raum B statt, der in Nachbarschaft
zum Brennraum liegt bzw. in diesen übergeht. Das Gas und die Luft, die in den Raum
A strömen, bewirken einen lokalisierten Neuumlauf oder eine neue Zirkulation, wie
sie in den Figuren 1 und 2 angedeutet ist. An dieser Stelle bildet sich die Flammenwurzel,
die teilweise zum Raum B verschoben ist und an die sich die eigentliche Brennflamme
anschließt, die durch die Flammenwurzel stabil gehalten wird.
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Die bei A gebildete Flamme ist auch bei einem starken Luftüberschuß
außerordentlich stabil, weil zusätzlich zu der Stabilisierung, die bereits mit einer
gewöhnlichen Drosselscheibe oder Flammensperrscheibe erhalten wird, noch die Steuerung
der Verteilung der Gaskonzentration hinzukommt. Da die Flammenwurzel sich aus sich
selbst erhält und unabhängig von späteren Einflüssen beständig bleibt, erhält man
den überraschenden Vorteil, daß die Flamme selbst außerordentlich stabil und unabhängig
ist; es können Verengungen oder Erweiterungen im Endbereich der Hauptleitung 1 vorgenommen
werden, ohne daß die Stabilität der Flamme verlorengeht. Es können außerdem auch
vor der Flamme entsprechende Leitelemente angeordnet
sein, um
bestimmte Flammenformen auszubilden oder neuartige physikochemische Effekte zu erzielen,
wie es in Zusammenhang mit den Figuren 3a, 3b und 3c erläutert wird.
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Wesentlich ist bei der vorliegenden Ausführungsform, daß das zur Speisung
der Flammenwurzel erforderliche Gas physikalisch und strömungsdynamisch von dem
übrigen Gas oder der Hauptgasmenge getrennt bleibt.
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Fig. 2 zeigt außerdem, daß bei einer Verringerung der Gasmenge ohne
Beeinträchtigung des Luftstromes die Flammenwurzel immer so lange gezündet bleibt
und als letzte ausgeht, wenn letztlich die Gasmenge so gering geworden ist, daß
keine Flamme mehr erhalten bleiben kann. Dieses beruht darauf, daß das Gas beim
Absinken der abgegebenen Menge wegen des relativen Unterdrucks in der Zone A zwar
aufhört nach B zu strömen aber immer noch in den Raum A einströmt.
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Bei der in Fig. 3a gezeigten Ausführungsform ist der Flansch 5 größer
ausgebildet und reicht über den Außenrand der Leitung 2 hinaus und bildet somit
eine parallele Wand zu der Scheibe 6.
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Bei der in Fig. 3b gezeigten Ausführungsform ist eine Drosselstelle
50 in dem Hauptrohr 1 und eine Verlängerung 51 der äußeren Leitung 2 vorgesehen.
Diese Verlängerung besitzt radiale Öffnungen 53, aus denen das Gas/Luft-Gemisch
austritt.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausführung gemäß Fig. 3c ist ebenfalls eine
Drosselstelle 50 vorgesehen, hinter welcher sich an der Mündung der Hauptleitung
1 noch eine Platte befindet.
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Der erfindungsgemäße Brennerkopf vereinfacht und verringert die zur
Zündung und zum Tasten der Flamme erforderlichen Elektroden. Bei den bislang bekannten
Brennern war es üblich, vier entsprechend profilierte und gegen Hitze widerstandsfähige
Elektroden vorzusehen; bei dem erfindungsgemäßen Brennerkopf genügen nur zwei derartige
Elektroden, nämlich die in Fig. 8 gezeigte Zündelektrode 9 und die Tasterelektrode
10, wobei nur die Tasterelektrode 10 hitzebeständig sein muß.
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Beiden Elektroden dient der Brennerkopf als Masseelektrode.
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Die Zündelektrode 9 befindet sich an freien Ende gegenüber dem Umfang
der Scheibe, während die Tastelektrode 10 mit ihrem Ende in die Flammenwurzel A
hineinreicht, also in einen Bereich, in dem die Flamme innerhalb weiter Grenzen
praktisch von der Versorgung unabhängig ist und wo eine relativ starke Ionisierung
nahezu unabhängig von der Leistung erzielt wird.
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Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform bestehen zwischen den
beiden Leitungen 2a und 3a keine Verbindungsöffnungen 4, wie sie beispielsweise
bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform vorgesehen sind. Das die Leitung 2a
durchströmende Gas strömt einmal in die Zone A und ferner über Öffnungen 11, die
an der Scheibe 5a vorgesehen sind, in den Raum B.
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Bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform ist die innere Luftzufuhrleitung
nicht vorhanden; die Leitung 2b liefert nur Gas, das über die Öffnungen 7b in den
Raum A und ferner über ein oder mehrere Öffnungen 12 in der Scheibe 5b in den Raum
B strömt.
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Bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform sind in dem Flansch 5c
Öffnungen 11c vorgesehen, die den Öffnungen 11 der Ausführung gemäß Fig. 4 entsprechen.
Der Flansch 5c besitzt ferner einen Ringrand 13, der zur Gasführung für das in den
Raum A aus der Außenleitung 2c strömende Gas dient. Diese Außenleitung 2c besitzt
Öffnungen 20, die in einem bestimmten Abstand vom Flansch 5c enden.
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Bei der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform hat das Ende der Leitung
2d einen Flansch 14. Der an die innere Leitung 3d angesetzte Flansch 5d besitzt
ferner einen Ringrand 15. Das Gas wird zwischen den Flanschen 5d, 14 und dem Ringrand
15 in den Raum A eingeleitet.
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Die Öffnungen in der Scheibe 6 können einfache runde Löcher sein oder
eine andere beliebige Form besitzen; sie können auch schräg angeordnet sein, so
daß eine Rotation in dem Raum A ausgelöst wird. Ferner ist es möglich, die beiden
Scheiben 5 und 6 durch mehr oder weniger gelochte Elemente zu ersetzen,
deren
Umfang auch nicht rund sein muß. Die Öffnungen 7 können ebenfalls die verschiedensten
Formen aufweisen.
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Alle Ausbildungsformen beruhen auf dem gleichen Prinzip und können
auch in einer spiegelbildlich zylindrischen" Ausführungsform ausgeführt werden,
wie es beispielsweise der Brenner in Fig. 9 zeigt. In der Luftleitung 17 ist im
Inneren eine Wand 67 mit Öffnungen 8 vorgesehen. In einer ringförmigen Ausnehmung
27 in dieser Hauptleitung 17 wird das Gas über einer Eintrittsleitung 60 zugeleitet.
Die ringförmige Ausnehmung 27 entspricht der Gasleitung 2 bei der in Fig. 2 gezeigten
Ausführungsform. Das Gas aus der ringförmigen Ausnehmung 27 tritt einmal über Bohrungen
aus, die unmittelbar hinter der Wand 67 angeordnet sind,und zum anderen aus axialen
Bohrungen 117 aus, die den Bohrungen 11 der Fig. 4 entsprechen.