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Brenner Die Erfindung betrifft einen Brenner zurVsrbrennung von Kraftstoff
oder Brennstoff und befasst sich insbesondere mit der Brennstoffverbrennung, bei
der die Brennerflamme die Form langer, stabähnlicher Strahlen hat, die sich weit
über den Brenner hinaus-erstrecken und einen kleinen Durchmesser aufweisen Es lassen
sich zahlreiche Beispiele nennen, in denen die durch die Verbrennung von Brennstoff
erzeugte Flamme die
Form langer, stab- oder stangenähnlicher Flammenstrahlen
hoher Energie und hoher Geschwindigkeit haben soll und dabei auch einen kleinen
Durchmesser und eine erhebliche Länge aufweisen soll. Derartige Flammen sind sowohl
bei Dfenbrennern als auch bei Fackelbrennern außerordentlich nützlich. Mit den bekannten
Vorrichtungen konnten jedoch keine Flammen erzeugt werden, deren Länge groß genug
und deren Durchmesser klein genug war, um den Flammenstrahlen eine angemessene Richtungsstabilität
zu verleihen oder für die Vorwärtsbewegung des ausgetragenen Brennstoffes eine ausreichende
Energie zu liefern. Die bekannten Vorrichtungen lieferten im allgemeinen Flammen,
die aufgrund ihrer hohen Geschwindigkeit instabil waren, wodurch Gefahr bestand,
daß die Flamme aufgrund der hohen Brennstoffgeschwindigkeit zum Erlöschen gebracht
wurde.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, einen Brenner zu
schaffen, der sich zur Erzeugung langer, stabähnlicher, steifer oder stabiler Hochgeschwindigkei*r
flammen kleinen Durchmessers für die Verbrennung von Brennstoff verwenden lässt.
In diesem Zusammenhang soll der Brenner vollständig stabil arbeiten, und zwar auch
dann, wenn der Durchmesser der austretenden Flamme verringert und ihre Länge verkleinert
werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, einen
Brenner zu schaffen, der eine Hauptöffnung aufweist, die entweder in axialer Richtung
oder schräg zum Brennstoffrohr angeordnet ist und dienen geeigneten Brennstoffstrahl
erzeugt. Ein solcher Brennstoffstrahl kann nur von außen brennen und demzufolge
behält er dieselbe Form
wie eine Flamme auch als Brennstoffstrahl
bei. Es ist daher wichtig, daß um den Brennstoffstrahl herum ständig ein stabiler
Flammenring erzeugt wird, so daß der in dem Strahl befindliche Brennstoff gezündet
werden kann und über die ganze Länge des Brennstoffstrahls eine Verbrennung stattfindet.
Die Zündflamme wird durch eine Reihe kleiner sekundärer Öffnungen erzeugt, die von
der Rohrachse aus unter einem Winkel von 45 - bs oder mehr Grad schräg nach außen
gerichtet sind. Diese kleinen Strahlen werden in angemessener Weise mit Luft vermischt
und gezündet, um dadurch eine stabilie Flamme ;jzu schaffen, die den Brennstoffstrahl
vollständig umgibt. Sobald also der Brennstoffstrahl aus der Hauptöffnung aus tritt
und entlang seiner äußeren Oberfläche Luft einzieht, wird das Gemisch aus Brennstoff
und Luft gezündet, und die entstehende Flamme ist stabil, da eine kontinuierliche
Zündung des Brennstoffs an der Basis des sich mit hoher Geschwindigkeit fortWewegenden
Brennstoffstrahls eriffgt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der ZeichnungZzeigen: Fig. 1 eine Draufsicht
des Brenners gemäß einer Ausführungsform, Fig. 2 eine Schnittansicht längs der Linie
2-2 in Fig. 1, Fig. 3 eins Schnittansicht längs der Linie 3-3 in Fig. 2, Fig. 4
und 5 eine Draufsicht und eine Schnittansicht einer anderen Ausführungsform,
Fig.
6 und 7 eine Draufsicht und eine Schnittansicht noch einer anderen Ausführungsform,
Fig. 6, 9 und 10 drei Flammenformen, die von den in den Figuren 1, 2 und 3 bzw.
4 und 5 bzw. 6 und 7 gezeigten Brennern erzeugt werden, und Fig. 11 und 12 eine
weitere Ausführungsform des Brenners.
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In den Figuren 1, 2 und 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform des
Brenners dargestellt. Fig. 1 zeigt eine Stirnansicht des allgemein mit 10 bezeichneten
Brenners. Fig. 2 zeigt eine Ouerschnittsansicht längs der Linie 2-2 in Fig.1, während
Fig. 3 eine Ouerschnittsansicht längs der Linie 3-3 in Fig. 2 darstellt. Der Brenner
weist ein Rohr 12 mit einem gerundeten Ende 22 und einer primären, zentralen Axialöffnung
20 auf, die von sekundären Öffnungen 21 umgeben ist, durch die der Brennstoff hindurchtritt.
Der Brennstoff kann ein Gas oder eine zerstäubte Flüssigkeit sein. In jedem Falle
ist der auf der Zustromseite der Austrittsöffnungen herrschende Druck größer als
der atmosphärische oder Außendruck. Die Flammenmenge ist grob gesprochen der Quadratwurzel
des über den Austrittsöffnungen herr5chenden Druckabfalls proportional. Der Flammendurchmesser
ist jedoch im wesentlichen konstnt, während sich die Flammenlänge bei Druckschwankungen
ändert. Auf der Zustromseite lässt sich jeder beliebige Druck verwenden, und die
kritische Austrittsgeschwindigkeit ändert die Leisutng dieses Brenners nicht.
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Es sind mehrere kleinere tertiäre Öffnungen 30 vorgesehen, die rund
um den Rohrumfang unterhalb seines Endes mit Abstand angeordnet sind und in einen
Ringraum 15 zwischen
dem Rohr und einem Zylinder 14 Brennstoff austragen.
Eine Reihe Öffnungen 18 sind mit Abstand rund um den Umfang des Bodens 16 des Kegels
14 angeordnet. Der Brennstoff bewegt sich im allgemeinen im Raum 32 in axialer Richtung
innerhalb des Rohres, wie dies durch die Pfeile 22 angedeutet ist. Der Hauptteil
dieses Brennstoffes folgt den Pfeilen 24, strömt also durch die primärEn und die
sekundären Öffnungen 20 und 21 in etwa Axialrichtung entsprechend den Pfeilen 25
aus. Ein kleiner Teil des Brennstoffes folgt den Pfeilen 23 durch die tertiären
Öffnungen 30 in den Ringraum 15 und wird dort in der gezeigten Weise abgelenkt.
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Luft außerhalb der Leitung 12 wird in den Ringraum 15 durch die Öffnungen
18 gemäß dem Pfeil 28 eingesaugt.
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Die Luft und das Gas mischen sich in dem Ringraum und werden mit Hilfe
einer nicht dargestellten, an sich bekannten Vorrichtung gezündet, wobei sie eine
ununterbrochene, stabile Flamme erzeugen, die sich in Richtung der Pfeile 29 ausbreitet
und dazu dient, die Zündung des aus den Öffnungen 20 und 21 austretenden Brennstoffs
aufrechtzuerhalten.
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Wenn der Brennstoffstrahl, der hier der Einfachheit halber so beschrieben
wird, als ob er ein gasförmiger Brennstoffstrahl sei, aus den Öffnungen 20 und 21
mit hoher Geschwindigkeit austritt, ist der am Umfang des Gasstrahls herrschende
Druck geringer als der atmosphärische oder Außendruck. Daher wird Luft in radialer
Richtung an den Strahlseiten angesaugt, die sich mit der äußeren Brennstoffschicht
vermischt. In ähnlicher Weise werden die aus dem Ringraum 15 austretenden Flammenstrahlen,
die die Brennstoffstrahlsäule umgeben, radial nach innen gesaugt
und
zünden den Brennstoff innerhalb des Strahls und die sich mit ihm mischende Luft.
Auf diese Weise wird jetzt der Hochgeschwindigkeitsstrahl gezündet und am Austrittspunkt
des Brennstoffs und jenseits dieses Punktes wird mit Hilfe der stabilen Flamme,
die durch den Brennstoff- und Gasstrom durch den Ringraum 15 hindurch erzeugt wird,
eine ständige Zündung aufrechterhalten.
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Somit wird durch Verwendung eines unter einem ausreichenden Druck
stehenden Brennstoffs im Raum 32 und dadurch erzeugter ausreichender Geschwindigkeit
beim Austreten der Brennstoffstrahlen aus den Öffnungen 20 und 21 eine Flamme großer
Länge und schmalen Querschnitts erzeugt, die kontinuierlich gezündet wird, und deren
Stabilität beim Austreten aus dem Brenner durch das tertiäre Luft-Gas-Gemisch bei
29 vergrößert wird.
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Die in den Figuren 1, 2 und 3 gezeigte Ausführungsform wird deshalb
bevorzugt, weil die Zündflamme gemäß den Pfeilen 29 am wirksamsten ist. Wenn der
Druck in der Brennstoffleitung ansteigt, erhöht sich auch die Geschwindigkeit des
austretenden Brennstoffstrahls, und die Länge der sich ergebenden Flamme erfährt
eine Vergrößerung, obgleich sich der Flammendurchmesser nicht wesentlich ändert.
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Bei der in den Figuren 4 und 5 gezeigten Ausführungsform ist das Rohr
37 mit einem gerundeten Ende 38 versehen, das eine große Axialöffnung 40 aufweist,
durch die der Gasstrom entsprechend dem Pfeil 48 mit hoher Geschwindigkeit austritt
und sich entlang der Rohrachse bewegt. Es sind
mehrere kleinere
Sekundäröffnungen 50 vorhanden, die die Primäröffnung 40 umgeben. Diese Sekundäröffnungen
sind unter einem Winkel A, der zwischen 45 und 60° betragen kann, zur Rohrachse
geneigt. Das durch die kleineren Öffnungen 50 entsprechend den Pfeilen 45 austretende
Gas wird außerhalb des Rohres gezündet und erzeugt eine stable Flamme, die bei einer
Ausführungsform dazu dient, den Brennstoffstrahl bei seinem mit hoher Geschwindigkeit
erfolgenden Austreten aus der Öffnung 40 kontinuierlich zu entzünden.
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Bei der in den Figuren 6 und 7 gezeigten Ausführungsform ist eine
geringfügige Abänderung vorgenommen worden, die sich in der Verwendung mehrerer
kleiner Primäröffnungen 52 verdgutlicht, die jedoch zusammengenommen im wesentlichen
die gleiche Öffnungsfläche aufweisen, wie sie die Öffnung 40 besitzt. Auch hier
wird wieder der durch die Sekundäröffnungen 50 austretende Brennstoff zur Erzeugung
einer stabilen Flamme benutzt, die dazu dient, den mit hoher Geschwindigkeit austretenden
Brennstoffstrahl ständig zu entzünden.
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Die bei diesen drei Ausführungsformen des Brenners anzutreffenden
Flammentypen sind in den Figuren 8, 9 bzw. 10 dargestellt. Fig. 8 zeigt die Flamme,
die von dem in den Figuren 1, 2 und 3 gezeigten Brenner erzeugt wird, während Fig.
9 eine ähnliche Flamme zeigt, die von dem in den Figuren 4 und 5 dargestellten Brenner
erzeugt wird. Fig.10 zeigt das Bild derjenigen Flamme, die aus dem Brenner der Figuren
6 und 7 austritt. Im allgemeinen ist die Flamme 70 von Fig. 10 kürzer und breiter
als die anderen beiden Flammen, und zwar aufgrund der Vielzahl der Öffnungen 52.
Dadurch
wird etwas Luft ins Innere der Flamme eingesaugt, wo die
Verbrennung stattfindet, wodurch ein nach außen gerichteter Druck erzeugt wird,
der wiederum bestrebt ist, den Strahl und die sich ergebende Flamme auszubreiten.
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Infolgedessen wird die Flamme kürzer und breiter. Bei den Figuren
6 und 7 weisen die Sekundärstrahlen, die aus den Öffnungen 50 austreten, einen Austrittswinkel
B auf, der zwischen 45 und 600 groß ist, jedoch auch 900 betragen kann. In gewissen
Fällen wird durch Ablenken eines Teils des Gases durch Quer- oder tertiäre Öffnungen
30 in den Ringraum 15 hinein, der von der Ablenkungsprallplatte 14A gebildet wird,
eine zusätzliche Stabilisierung erreicht. Luft wird in den Ringraum 15 durch die
Öffnungen 18 eingesaugt, und'nach der Zündung entsteht eine kontinuierliche Flamme,
die die Primär- und Sekundärflammen stabil hält.
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Ein wesentlicher Vorteil der hier beschriebenen Brennerkonstruktion
ist in der Möglichkeit zu sehen, die bevorzugte Flammenkonfiguration auch dann noch
ständig zu erzeugen, wenn die Geschwindigkeit des aus der Öffnung austretenden Brennstoffstrahls
kritisch ist oder der Schallgeschwindigkeit entspricht. Die Rhall- oder kritische
Geschwindigkeit herrscht in Blenden oder Öffnungen dann, wenn der Absolutdruck auf
der Zustromseite der Blende oder Öffnung das zweifache des Absolutdrucks auf der
Abstromseite der Blende oder Öffnung beträgt. Strömungsgeschwindigkeiten können
im kritischen Zustand oder bei Schallgeschwindigkeit entsprechend der Dichte des
Brennstoffs zwischen 180 und mehr als 1260 m/sek betragen. Da die kleinste Geschwindigkeit
auf diese Weise die bisher bekannten Flammenfortschreitgeschwindigkeiten
weit
übersteigt, ist der der hier beschriebenen Erfindung zugrundeliegende Vorschlag
ein einzigartiges Mittel zur Erzeugung stabähnlicher Flammen kleinen Durchmessers,
wenn die anfängliche Strömungsgeschwindigkeit der Brennstoffflamme der Schallgeschwindigkeit
entspricht, und eine stabile Verbrennung über die ganze Flammenlänge aufrechterhalten
wird.
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Bei den in den Figuren 1 - 7 dargestellten Ausführungsformen sind
die primären Gasöffnungen 20, 40 und 52 alle entlang der Achse des Brennerrohres
37 gerichtet. Es versteht sich, daß das Brennerrohr in irgendeiner gewünschten Richtung
installiert werden kann, um dementsprechend die Flamme in dieselbe Richtung zu lenken.
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In den Figuren 11 und 12 ist eine andere Ausführungsform des in den
Figuren 4 und 5 gezeigten Brenners dargestellt, bei der die Primäröffnung 40 unter
einem Winkel zur Achse des Brennerrohres 37 angeordnet ist. Obgleich hier ein Winkel
von 450 dargestellt ist, ist der Winkel der Öffnung in bezug auf die Rohrachse an
sich beliebig, kann also zwischen 0 und 60° oder darüber liegen. Auch sind die kleinen
Öffnungen 50, die die Primäröffnung 40 umgeben, anders angeordnet, und zwar so,
daß sie unter einem gewünschten Winkel, also beispielsweise 450, zur Primeröffnung
40 liegen und diese umgeben. Die Ablenkungsprallplatte 14 oder 14A ist auch bei
der Ausführungsform nach den Figuren 11 und 12 verwendbar, obgleich sie in der Zeichnung
nicht dargestellt ist. In gewissen Fällen ist auch
nur eine kreisrunde
Teilprallplatte neben der Seite erforderlich, an der die Flamme austritt.