DE2616373C3 - Sauerstoff-Brenngas-Brennerdüse - Google Patents

Description

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beträgt.

6. Brennerdüse nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an die Eintrittsöffnung (1) des Sauerstoff-Schneidgaskanals ein aus einer konischen Düsenbohrung(2) und einem anschließenden konischen Bohrungsabschnitt (3) bestehender Expansionsabschnitt anschließt, gefolgt von einer ersten .Kammer (4) und weiterhin von einem Diffusor (5) und einer zweiten Kammer (6), an die austrittsseitig die in die Austrittskanäle (8) einmündenden Düsenkanäle (7) anschließen, daß die Austrittskanäle (8) aus je einer am äußeren Umfang des zylindrisch ausgebildeten Düsenkörpers (11) angeordneten und bis zu dessen austrittsseitigem Ende reichenden Nute bestehen, die an den Stellen (9) jeweils von einer weiteren, einen Brenngaskanal 6<; (15) bildenden Nute am äußeren Umfang des Düsenkörpers (11) unter dem Winkel (α) und unter Bildung einer entsprechenden Kreuzungsstelle geschnitten werden, und daß der Düsenkörper(l 1) von einer die Nuten außen zu Kanälen schließenden Hülse (12) umschlossen ist, deren Bohrung eintrittsseitig gegenüber dem Außendurchmesser des Düsenkörpers (11) bis über den eintrittsseitigen Endbereich der Nuten der Brenngaskanäle (15) auf einen die Brenngaskammer (14) einschließenden größeren Durchmesser erweitert ist und an ihrem eintrittsseitigen Ende eine ringförmige Anschlußstelle (13) für eine Brenngas-Zuführungsleitung bildet.

7. Brennerdüse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der aus dem Düsenabschnitt (2) und dem konischen Bohrungsabschnitt (3) bestehende erste Expansionsabschnitt (2, 3) eine Lavaldüse bildet.

8. Brennerdüse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß im eintrittsseitigen Sauerstoff-Schneidgaskanal auf den Expansionsabschnitt (2, 3) noch mindestens ein weiterer Expansionsabschnitt folgt.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennerdüse zum Erhitzen, Abbrennen, autogenen Schneiden und für ähnliche Arbeiten, die in einem zentralen Düsenkörper eintrittsseitig einen axialen Sauerstoff-Schneidgaskanal und von einer eintrittsseitigen Brenngaskammer ausgehende sowie im Düsenkörper verlaufende Brenngaskanäle aufweist und bei der die Gase nahe der Austrittsöffnung der Düse gemischt werden.

Solche bis heute üblichen Brennerdüsen, bei denen die Gase nahe der Austrittsöffnung der Düse gemischt werden, weisen vor allem zwei Nachteile auf: erstens werden die Gase an der Austrittsöffnung der Düse nur unvollkommen gemischt und zweitens enthält die Mischung für die meisten Erhitzungsvorgänge einen zu großen Anteil an Sauerstoffgas. Entsprechende Düsenkonstruktionen sind beispielsweise in der DT-OS 21 51 294.7 und der SW-PS 3 52 434 beschrieben und weisen ein Mischungsverhältnis mit einem 2,5- bis 3,0fachen Anteil von Sauerstoffgas zu Azetylengas auf.

Der vorliegennen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Mängel zu beheben und damit eine solche Brennerdüse der eingangs genannten Art zu schaffen, die nicht nur ein kleineres vorgenanntes Mischungsverhältnis zuläßt, sondern außerdem auch eine vollkommenere Vermischung der zu vermischenden Gase gewährleistet.

Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der axiale Sauerstoff-Schneidgaskanal eintritsseitig mindestens einen Expansionsabschnitt aufweist und austrittsseitig über Düsenbohrungen mit Austrittskanälen der Düse verbunden ist, und daß die Brenngaskanäle jeweils in Strömungsrichtung je einen Austrittskanal an einer Stelle zwischen der Einmündungsstelle der zugeordneten Düsenbohrung und der Ausmündung dieses Austrittskanals unter Bildung jeweils eines in seiner Größe von dem zwischen beiden Kanälen eingeschlossenen Winkel abhängigen Mischraumes kreuzen und im Anschluß an diese Stellen lediglich jeweils noch eine Resonatorkammer bilden.

Eine so ausgebildete Brennerdüse ergibt eine vollkommene Mischung der zu mischenden Gase und weist überdies eine große Sicherheit gegenüber Flammenrückschlägen auf. Dabei ist eine genaue

Berechnung und Dimensionierung aller Gaskanäle der niise vorausgesetzt, wobei von einer gewünschten Rrennerleistung (Gasverbrauch in der Zeiteinheit), von • m gewünschten Mischungsverhältnis bzw. einem «Dachenden Bereich und von einer gewünschten Aistrittsgeschwindigkeit der Gasmischung an der A strittsöffnung der Brennerdüse auszugehen ist. Durch ■ geeignete Bemessung der in die Austrittskanäle Einmündenden Düsenbohrungen für das Sauerstoff-Irhneidgas der Brenngaskanäle und der Austnttskanä-Ip kann an den Kreuzungsstellen der Austrittskanäle mit den Brenngaskanälen außerdem auf das Brenngas eine Saugwirkung ausgeübt werden.
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran-

^SPln°der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht; es zeigt
F i ε 1 die Brennerdüse in einem Axialschnitt; Fig 2 einen inneren Düsenkörper der Brennei Jüse in einer Seitenansicht.

Die dargestellte Brennerdüse weist einen inneren nnsenkörper H und eine diesen umschließende Hülse auf Der gemäß dem Ausführungsbeispiel zylindrische Düsenkörper weist eintriusseitig eine axiale Sackbohrung 6 auf, in deren äußerer, auf einen etwas äußeren Durchmesser abgesetzten Teil eine Hülse 16 !neesetzt ist. Das etwas über den Düsenkörper 12 vorsehende äußere Ende der Hülse 16 bildet eine Ein rittsöffnung 1 für das Sauerstoff-Schneidgas An die Eintrittsöffnung 1 schließt ein Expansionsabschnm an, Her in Durchströmungsrichtung der Hülse 16 aus einer den Durchsatz bestimmenden, konisch erweiterten Düsenbohrung 2 und aus einem ebenfalls konisch erweiterten Bohrungsabschnitt 3 besteht und insgesamt a s eine sogenannte Lavaldüse ausgebildet ist. An den Bohrungsabschnitt 3 schließt eine erste zylindrische Kammer 4 und dann ein konisch erweiterter Diffusor 5 i„ der in eine zweite zylindrische Kammer 6 ausmündet, die durch das innere Ende der Sackbohrung 6 «bildet wird und an die in nachstehend noch beschriebener Weise weitere Strömungskanale an- :hließen.

Im Axpansionsabschnitt 2, 3 wird das expandierende Sauerstoffgas bei seiner Verzögerung zugleich so gekühlt, daß eine hinreichend niedrige Düsentemperatur eingehalten wird, bei der keine Gefahr für eine etwaige plötzliche Selbstzündung des Sauerstoff-Brenngasgemisches oder im Falle der Verwendung von Acetylen als Brenngas keine Gefahr für eine etwaige Bildung von Polyacetylen besteht. Die Kühlung des Sauerstoffgases wird durch eine geeignete Wahl des Druckabfalles und der Strömungsgeschwindigkeit bewirkt, wobei von der durch die Verbrennung des Gasgemisches und zuweilen von der durch die Verbrennung organischer Substanzen vor der Düse zusätzlich gebildeten Wärme ausgegangen wird, die auf die Brennerdüse übertragen werden. Im Expansionsabschnitt überwiegt noch ein überkritisches Druckverhältnis, während im anschließenden Diffusor 5 die hohe Gasgeschwindigkeit verringert und zugleich ein Druck-

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der Kammer 6' schließen in Hülse 12 je einen Austrittskanal 8 bilden. Auch in den Düsenbohrungen 7 herrscht ein überkritisches Druckverhältnis vor, wodurch aufgrund der entsprechenden Kühlwirkung die Gefahr von Fl^a™^me"^rücksJ ^" verringert und ein gleichbleibendes M.schungsverhaltⁿⁱ Dertinendtchmesser der Hülse 12 i^temtrittssehig der im Bereich der Düsenbohrungen 7 endigenden Austrittskanäle 8 auf einen gegenüber dem zyl.ndn-,o sehen Düsenkörper 11 etwas größeren Durchmesse abgesetzt, womit sich um den eintrittsseitigen Teil des Düsenkorpers 11 herum eine ringförmige Brenngaskammer 14 ergibt, die am eintrittsse.t.gen Ende der Brennerdüse zu einer ringförmigen Anschlußstelle 13 ,s für das Brenngas rührt. Außerdem weist der Dusenkorper 11 in seinem austrittsseitigen Umfangsbere ich,über die Austrittskanäle 8 hinaus noch - ebenfalls durch Längsnuten gebildete - Brenngaskanale 15 auf, die eintriusseitig über die Enden der Austnttskanale 8 hinaus bis zur Brenngaskammer 14 eichen so daß das Brenngas in Durchströmungsr.chtung der Brennerdüse aus der Brenngaskammer 14 in die Brenngaskana15 einströmen Wann. Wie insbesondere aus F ig.2 ersicni X ™ t jedem Austrittskana. 8 ein BrenngaskanalH zugeordnet und die jeweils ^geordneten Kana e verlaufen zur Achsrichtung des D^"*⁰/^" gegensätzlich schräg, so daß sie sich jeweils an einer Stelle 9 des Düsenkörpers 11 unter Bildung eines in de »emeinsamen Durchströmungsrichiung e.ngeschlosse 3, Äels _Λ kreuzen. Gemäß dem dargesteJten Ausführungsbeispiel sind die Austrittskanale 8 gegen über der Achsrichtung des Düsenkorpers 11 alle η SS her Richtung um einen Winkel β schraggestejt. wodurch auf die Brennerflamme eine stabilise ende

^{35 W}dS Al def größe des Winkels _Ä hat man es in de"Ä *e Groß? der an der Stelle=9 geb.Wcten Mischkammer für die dortige Vermischung der be d^n Gase zu bestimmen. Wenn man davon ausgeht daU^e

₄o Austrittskanale 8 und die Brenngaskanale 15 eme einheitliche Tiefe ,(F ig. Dsow.edie Brenngask a η e eine Breite α und die Austrittskanale 8 eine biene ο aufweisen dann ergibt sich eine Oberfläche A₆₁ von

Sdrischen Außenumfang des Dü

nach

Z Düsenkörper 11 dort dicht umschließenden Die Mischungsoberfläche kann also durch eine 50 Vergrößerung der Tiefe j und der Breite a, feder Kanäle sowie durch eine Verkleinerung des Winkels λ vergrößert werden. Allerdings sollte die Breite b der Austrittskanäle 8 nicht zu groß gewählt werden, damit in diese Kanäle möglichst keine weißglühenden 55 Bestandteilchen des Werkstückes durch Funkenflug hinein gelangen können. Die Breite a der Brenngaskanale 15 sollte ebenfalls begrenzt bleiben, um der Ausbreitung etwa verpuffenden Acetylengascs entgegenzuwirken. Im übrigen trägt die an der Stelle 9 der 60 Gasvc'-mischung gebildete Kreuzungsstelle dazu bei, daß sich etwaige Flammenrückschläge und damit verbundene Druckwellen nicht etwa direkt in die z. B. Acetylengas enthaltenden Brenngaskanale 15 fortpflanzen können.

(15 Aus F i g. 2 ist weiterhin ersichtlich, daß die austrittsseiiig über die Stellen 9 hinausragenden Endteile der Brenngaskanale 15 innerhalb der den Düsenkörper 11 umschließenden Hülse 12 lediglich

jeweils noch einen kleinen Raum bilden, der als Resonatorkammer 10 bezeichnet werden kann, in welchem die über die Stelle 9 hinausströmenden Brenngasbestandteile reflektiert werden und hin- und herschwingen, wodurch sie wirksam zu einer guten Vermischung der zu vermischenden Gase beitragen.

Wenn die Düse zum Abbrenn-Reinigen oder Erhitzen verwendet werden soll, ist eine verhältnismäßig hohe Austrütsgeschwindigkeit der Gasmischung wünschenswert, um eine gute Wärmeübertragung und eine gute Blaswirkung zu erzielen und auch deshalb, damit die Flamme nach Möglichkeit erst in einem kleinen Abstand vor der Austrittsöffnung der Düse brennt, wodurch die Erhitzung der Brennerdüse so gering wie möglich gehalten werden kann.

Nachstehend werden beispielsweise die konstruktiven Daten eines Brenners zum Abbrenn-Reinigen von Beton angeführt, der 24 vorstehend beschriebene Brennerdüsen enthält:

10

20

Anzahl der Brennerdusen	= 24	25	a = 0,3 mm	10	,ι = 22°	35	lh = 10 mm	45	= 35 mm
Anzahl der Austritts					pa = 0,5 Bar (überdruck)
und Brenngaskanäle		/) = 0,4 mm		P0 = 5 Bar (überdruck)
je Düse	= 6	j = 1,2 mm	β = 7°	V0 = 12m3/h 40
Breite der Brenngas	V0 = 20m3/h
kanäle
Breite der Sauerstoffgas	V„i = 160 m/s
kanäle
Tiefe der Kanäle
Winkel zwischen den
zugeordneten Kanälen
Winkel der Brenngas-
kanäle gegenüber der
Achsrichtung
Abstand der Mischstelle
von der Austrittsöffnung
der Brennerdüse
Brenngasdruck
Sauerstoflgasdruck
Brenngasdurchsatz
Sauerstoffgasdurchsatz
Mischungsverhältnis
Austrittsgeschwindigkeit
Arbeitsabstand der
Düscnausmündung über
dem Werkstück z. B.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß die guten Mischlings- und Sichcrhcitseigenschaflcn der beschriebcncn Brennerdüse vor allem darauf zurückzuführen sind, daß die Vermischung der zu vermischenden beiden Gase an den beschriebenen KrcuzungsslcUen zwischen jeweils einem Saucrstoff-(Austritls-)Kanal und einem 'Brcnngas-(Acelylen-)K.nnnl erfolgt, wodurch sich eine _5S wirksame Vermischung auch dann ergibt, wenn nur ein kleiner Misehbereich zur Verfügung steht, wobei die Größe des für die Vermischung zur Verfugung stehenden Raumes in weiten Grenzen durch die voneinander unabhängige Bemessung der einzelnen sich kreuzenden Kanäle, natürlich in den durch die Auslegung der Brennerdüse gegebenen Grenzen, verändert werden kann. Ein weiterer Grund für die vorteilhaften Eigenschaften der Brennerdüse ist die wirksame Kühlung der Düse mittels der sogenannten Expansionskühlung, die durch eine Expansion des Sauerstoffgases in einem oder mehreren Stufen noch vor dessen Vermischung mit dem Brenngas bewirkt wird. Bei der beschriebenen Brennerdüse können an den Expansionsabschnitten Druckverhältnisse erreicht werden, die nur 0,3 bis 0,5 betragen und insbesondere auch vom Gesichtspunkt einer wirksamen Kühlung her vorteilhaft sind. Bei bisher bekannten Brennerdüsen mit Expansionskühlung konnte das Druckverhältnis nicht unter 0,528 gesenkt werden. Außerdem wirkt sich auf die Eigenschaften der Brennerdüse vorteilhaft die Verwendung einer hohen Austrittsgeschwindigkeit der Gasmischung aus, wodurch die Brennerflamme in einem kleinen Abstand von der Düsenausmündung gehalten werden kann. Überdies wird die Flamme durch die beschriebene Schrägstellung der Austrittskanäie gegenüber der Achsrichtung der Brennerdüse stabilisiert.

Wie aus der Zeichnung weiterhin ersichtlich ist, trägt der Düsenkörper 11 an seinem eintrittsseitigen, über die Hülse 12 axial vorstehenden Ende ein Außengewinde, über das die Brennerdüse in ein Brennergehäuse oder einen Halter eingeschraubt werden kann, wobei die dortige Stirnfläche 17 des Düsenkörpers 11 und die eintrittsseitige Stirnfläche 18 der Hülse 12 jeweils eine vorzugsweise ohne die Zwischenlage von Dichtringen oder dergleichen wirksame ebene Dichtfläche bilden. Es bestehen also keine Abdichtschwierigkeiten und gewünschtenfalls kann jede Brennerdüse für sich in einfacher Weise ausgewechselt werden.

Der Düsenkörper 11 könnte statt zylindrisch auch konisch ausgebildet sein, in welchem Falle die zugeordnete Bohrung der Hülse 12 entsprechend konisch zu gestalten ist. Statt eines Expansionsabschnittes könnte die Düse auch zwei oder mehr Expansionsabschnitte aufeinanderfolgend aufweisen. Die Austrittskanäle 8 könnten statt zur Achsrichtung der Brennerdüse schräggestellt auch achsparallel verlaufen oder könnten aber auch nach Art eines Gewindes schraubenlinienförmig um den Düsenkörper 11 herum angeordnet sein. An den eintrittsseitigen Anschlußstellen der Brennerdüse für das Sauerstoff-Schneidgas und das Brenngas könnten statt ebenen Dichtflächen auch in üblichei Weise konische Dichtflächen vorgesehen sein, die mi zugeordneten Anschlußnippeln zusammenwirken. E sind schließlich auch noch andere Abwandlungen un< Ausgestaltungen des beschriebenen Ausführungsbci spiels denkbar, ohne daß dadurch der in de nachstehenden Ansprüchen niedergelegte Schutzbc reich der Erfindung verlassen wird.

Ilin/u 1 Wan /χΊϋΙιηιιημοι

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Brennerdüse zum Erhitzen, Abbrennen, autogenen Schneiden und für ähnliche Arbeiten, die in einem zentralen Düsenkörper eintrittsseitig einen axialen Sauerstoff-Schneidgaskanal und von einer eintriltsseitigen Brenngaskammer ausgehende sowie im Düsenkörper verlaufende Brenngaskanäle aufweist und bei der die Gase nahe der Austrittsöffnung der Düse gemischt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Sauerstoff-Schneidgaskanal eintrittsseitig mindestens einen Expansionsabschnitt (2, 3) aufweist und austrittsseitig über Düsenbohrungen (7) mit Auslrittskanälen (8) der Düse verbunden ist, und daß Brenngaskanäle (15) jeweils in Strömungsrichtung je einen Austrittskanal (8) an einer Stelle (9) zwischen der Einmündungsstelle der zugeordneten Düsenbohrung (7) und der Ausmündung dieses Austrittskanals (8) unter Bildung jeweils eines in seiner Größe von dem zwischen beiden Kanälen eingeschlossenen Winkel (λ) abhängigen Mischraumes kreuzen und im Anschluß an diese Stellen (9) lediglich jeweils noch eine Resonatorkammer (10) bilden.

2. Brennerdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittskanälc (8) am Außenumfang des Düsenkörpers (11) gleichartig schraubenlinienförmig oder schraubenlinienähnlich schräg verlaufen.

3. Brennerdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittskanäle (8) gegenüber der Achsrichtung des Düsenkörpers (11) um einen Winkel (ß) zwischen 6° und 10° schräg verlaufen.

4. Brennerdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, di<ß der Winkel («) zwischen den Austritts- und Brenngaskanälen (8 und 15) ein mehr als Γ betragender spitzer Winkel ist.

5. Brennerdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckveihältnis des austrittsseitigen Gasdruckes (p_x)zum eintrittsseitigen Gasdruck (po) jedes Expansionsabschnittes (2,3) den Wert