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Verfahren und Vorrichtung zur Verbrennung von Abluft
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Bei verschiedenen Industriebetrieben können Abgase anfallen, die zeitweise
über die untere Explosionsgrenze hinaus mit Schadstoffen, beispielsweise Lösungslnitteldämpfen,
wie z.B. Hexan, Toluol, Benzol, Xylol, Kerosin, Äther, Alkohol und/oder brennbaren
Gasen, wie z.s.
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Wasserstoff, Acetylen, Methan, Schwefelkohlenstoff beladen sind. Diese
Abgase müssen einer Abgasreinigung zugeführt werden.
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Bekannt sind Verfahren, bei denen die Abgase über Adsorption, Kondensation
oder Oxydation behandelt werden.
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Von diesen bekannten Verfahren stellen nur die Oxydationsverfahren
eine wirkliche Schadstoffvernichtuna dar, da alle anderen Verfahren die Abluftprobleme
lediglich auf Folgeprobleme verlagern. Wegen der Störanfälligkeit einer katalytischen
Abgasoxidation geht man mehr und mehr zur Oxydation in thermischen Abluftreinigungen
über, bei der das Schadstoff-beladene Abgas in einem Brenner mit Zusatzbrennstoff
verbrannt wird bzw. die Schadstoffe oxydiert werden.
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Gegen##1ärtig ist jedoch kein betriebssicherer Brenner bekannt, der
zündfähige Brennstoff- Luft-Gemische verbrennen kann, ohne daß bei den im praktischen
Betrieb unvermeidlichen Schwankungen eine Rückzündung in die zuführende Leitung
bis zu einer Flammensperre oder bis zum Entstehungsort des Abgases möglich ist.
Nach dem Stand der Technik müssen daher zündfähige Abgase mit Verdünnungsluft-Zufuhr
so behandelt werden, daß sie mit Sicherheit nicht mehr zündfähig sind, wenn sie
in den Brenner gelangen; anderenfalls bestünde die Gefahr einer Explosion oder Detonation
in zuführenden Rohrleitungen oder Reaktionsbehältern. Eine Flammensperre, wie z.B.
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ein Flammensieb oder eine Tauchsicherung sind zudem nur geeignet,
eine kurzzeitige Rückzündung aufzuhalten, sie ermöglichen keinen kontinuierlichen
Betrieb eines Brenners mit zündfähigen Abgasen.
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Die Nachteile der bekannten Verbrennungsverfahren für Abgase liegen
insbesondere in deren hohen Investions- und Betriebskosten, die bedingt sind durch
die aufwendigen Sicherheitsmaßnahmen.
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Es ist daher Ziel der vorliegenden Erfindung, zündfähige Abgase direkt
in einem rückzündsicheren Brenner ohne Zusatz von Verdünnungsluft zu verbrennen.
Nach der vorliegenden Erfindung soll es möglich sein, den praktischen Erfordernissen
des Abgasanfalls entsprechend Abgas in zeitlich stark schwankenden Mengen rückzündsicher
unschädlich machen zu können. Schließlich soll nach der vorliegenden Erfindung zur
Verbrennung zündfähiger Abgase im Zusammenwirken eines rückzündsicheren Brenners,
der notwendigen Steuertechnik und Sicherheitsausrüstung ein höheres Maß an Sicherheit
gegen Explosionen gegeben sein, als es nach
dem Stand der Technik
durch die bereits geschilderten Maßnahmen möglich ist.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit ein Verfahren zur
thermischen Abluftreinigung Schadstoffbeladener Abgase durch Verbrennung mit Luft
bei hohen Temperaturen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man zeitweise über die
untere Explosionsgrenze hinaus mit Schadstoffen beladene Abgase, gegebenenfalls
unter Zuführung einer konstanten Menge Luft, zunächst in ihrer Strömung weitgehend
laminarisiert, die Abgase mit einer Strömungsgeschwindigkeit, die höher als die
Zündgeschwindigkeit der Flamme ist, in einen Verbrennungsraum einführt, gegebenenfalls
unmittelbar vor der Verbrennung der Abgase die Grenzschicht der Strömung zerstört,
und anschließend die Abgase bei Temperaturen von etwa 800 bis 10000C, falls zur
Aufrechterhaltung dieses Temperaturbereiches Hilfsbrennstoff notwendig ist, unter
Zuführung von Hilfsbrennstoff, verbrennt.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner eine Vorrichtung
zur thermischen Abluftreinigung in einem Verbrennungsraum mit Gaszufuhr- und gegebenenfalls
Hilfsbrennstoffzufuhrleitung, wobei in der Gaszufuhrleitung ein Str~;mungsgleichrichter
(2) angebracht ist, dem sich eine in Richtung auf den Verbrennungsraum (6) kontrahierende
Düse (1) anschließt, wobei am Düsenaustritt (3) in den Verbrennungsraum (6) Abreißkanten
(4) (Ziffern bezogen auf Figur 1) angebracht sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ein rückzündfreies Verbrennen
explosionsfähiger Abgase, wobei die Abgase in ihren Mengen im Verhältnis von etwa
1 zu 10, vorzugsweise 1 zu schwanken können. Im Abgas können beliebige brennbare
Schadstoffe, beispielsweise
gegebenenfalls substituierte, aromatische
und/oder aliphatische Kohlenwasserstoffe, wie z.B. Hexan, Kerosin, Äthylen, Toluol,
Benzol, Xylol, Chlorbenzol, Alkohole, wie z. B. Methanol, Äthanol, Äther wie z.
B. Diäthyläther, Schwefelkohlenstoffverbindingen, wie z. B. CS2, Wasserstoff, Acetylen,
Propylenoxid, Äthylenoxid vorliegen. Die Temperatur, mit denen das Abgas in die
Verbrennungsvorrichtung eingeführt wird, liegt bei etwa -40° bis 1000C, vorzugsweise
0 bis 400C.
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Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren bzw.
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die erfindungsgemäße Vorrichtung anhand von zwei bevorzugten Ausführungsformen,
illustriert in den Figuren 1 und 2,näher erläutert.
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Die erste Ausführungsform ermöglicht es, Abgase, deren Mengen zwischen
10 bis 100 % der maximalen Menge schwanken, rückzündsicher zu verbrennen.
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In der Figur 1 kommt den Zahlen dabei folgende Bedeutung zu: 1. Düse;
2. Strömungsgleichrichter, vorzugsweise Flammensieb; 3. Düsenaustritt; 4. Abreißkante;
5. Hilfsbrennstoffzufuhr; 6. Verbrennungsraum.
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Im einzelnen wird das Schadstoff-beladene Abgas durch den Strömungsgleichrichter
2 in die sich kontraktierende Düse 1 eingeführt. Bereits im Strömungsgleichrichter
2 erfolgt eine teilweise Laminarisierung der Strömung des Abgases, die im kontraktierenden
Teil der Düse noch verstärkt wird. In dem kontrahierenden Teil der Düse erfolgt
eine stetige Beschleunigung der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases. Das in der
Düse bezüglich seiner Strömung weitgehend drall und wirbelfrei gemachte Abgas wird
an einer scharfen Abreißkante 4 (am Düsenaustritt) vorbei in den Verbrennungsraum
6 eingeführt. Der für das Erreichen der Schadstoffzersetzungstemperatur gegebenenfalls
erforderliche Zusatzbrennstoff, beispielsweise Erdgas, kann über die Leitung 5 außerhalb
der Düsenaustrittstelle dem Verbrennungsraum zugeführt werden. Aufgabe der Abreißkante
4 ist es, die an der Wandung der Düse entstandene laminare Strömungsgrenzschicht
weitgehend zu zerstören, so daß eine Rückzündung in dieser relativ langsam strömenden
Grenzschicht aus dem Verbrennungsraum in die Düse 1 vermieden wird.
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Die Abreißkante 4 steht etwa 0,2 bis 10 mm, vorzugsweise 1 bis 3 mm
senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Abgases in der Düse.
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Das erfindungsgemäße Prinzip dieser dynamischen Flammenrückschlagsicherung
beruht darauf, daß im engsten Düsenquerschnitt, an jeder Stelle, d.h. auch in Wandungsnahe
die Strömungsgeschwindigkeit möglichst größer sein muß,als die jeweilige Flammenrückzündgeschwindigkeit.
Zu diesem Zweck wird die langsame laminare Strömung, die in unmittelbarer Wandnähe
verläuft, durch mindestens eine Abreißkante zerstört.
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In einer anderen nicht dargestellten Ausführungsform ist es möglich,
auf die Abreißkante zu verzichten und das Abgas in der sich kontraktierenden Düse
so stark zu beschleunigen und zu laminarisieren, daß die in unmittelbarer Nähe der
Wandung verlaufende langsamere Strömung eine so geringe Dicke besitzt, daß die bei
der Rückzündung entstehende Wärme in dieser Grenzschicht sofort über die wärmeableitende
Wandung (möglichst Metalle) abgeführt wird und somit die Rückzündung unterbrochen
wird. Während bei Gegenwart einer Abreißkante an einer Düse von 70 mm ~ die Strömungsgeschwindigkeiten
der Abgase am Düsenaustritt für Abgase, die Kohlenwasserstoffe enthalten etwa in
der Größenordnung von 2 bis 8 m pro sec., vorzugsweise 4 bis 5 m pro sec., für Abgase,
die Wasserstoff, Acetylen, enthalten, etwa 20 bis 50 m pro sec., vorzugsweise 25
bis 30 m pro sec. betragen sollen, müssen die Strömungsgeschwindigkeiten für Abgase
der erstgenannten Art am Düsenaustritt etwa 10-30 % höher eingestellt werden, falls
auf eine Abreißkante verzichtet wird.
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Sinn der kontrahierenden Düse ist neben der Beschleunigung des Abgases
die Erzeugung eines möglichst gleichmäßigen Strömungsprofils über den gesamten Düsenquerschnitt
ohne evtl. auftretende Einbeulung in der Mitte der Düse.
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Erfindungsgemäße Düsen besitzen am Düseneingang einen Durchmesser
von etwa 2 bis 30 cm,vorzugsweise 5 - 8 cm,am Düsenaustritt etwa ein Drittel des
Düsenquerschnitts am Düseneingang.
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Die Düsenweite richtet sich nach dem minimalen und maximalen Mengendurchsatz.
Auf jeden Fall muß verhindert werden, daß bei minimalem Durchsatz die Rückzündgeschwindigkeit
in Abhänc'igkeit von Schadstoffart und Konzentration die Strömungsgeschwindigkeit
in Richtung auf den Verbrennungsraum überschreitet. Die Maximalmenge bestimmt den
maximalen Druckverlust. Bei der beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsform
mit gleichgerichteter und beschleunigter Strömung liegt z.B. die Rückzündgeschwindigkeit
für ein nahezu stöchiometrisches Hexan-Luftgemisch bei -< 3 m/sec.
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Der Strömungsgleichrichter wird vorzugsweise gleichzeitig als Flammensperre
ausgebildet, beispielsweise als wärmeableitendes Flammensieb,und sitzt vorzugsweise
in einer Entfernung, die 1 bis 10 mal dem Düseneingangsdurchmesser entspricht, vor
der Düse.
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Die Flammensperre dient aus Sicherheitsgründen zur Verhinderung einer
Rückzündung in die Abgaszufuhrleitung bei Fehlbedienungen. Die Spaltweite der Flammensperre
muß in bekannter Weise auf die Zündwilligkeit des Gemisches abgestellt werden.
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Bei Aufrechterhaltung von Verbrennungstemperaturen von etwa 800 bis
10000C im Verbrennungsraum 6 werden die organischen Schadstoffe praktisch vollständig
oxydiert.
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In der in der Figur 2 dargestellten Ausführungsform ist eine erfindungsgemäße
Reinigung von zündfähiger Abluft bzw. Abgas möglich, bei dem die anfallenden Schadstoff-beladenen
Abgase zwischen 0 und 100 O/o
der Maximalmenge mit plötzlichen
Änderungen schwanken können.
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In der Figur 2 kommt den Zahlen folgende Bedeutung zu: 7. Abgaszufuhrleitung;
8. kontrahierende Düse; 9. Verbrennungsraum; 10. Regelkreis; 11. Frischluftmenge;
12. Hilfsbrennstoffzuführung; 13. Regelkreis 14. Düseneintritt 15. Abreißkante Im
einzelnen wird das erfindungsgemäße Verfahren entsprechend Figur 2 wie folgt durchgeführt:
Die zündfähige Abluft tritt über die Leitung 7 durch die Düse 8 in den Verbrennungsraum
9 ein. Ober einen Regelkreis 10 wird ein konstant gehaltener Frischluftstrom 11
(die Ermittlung des benötigten Frischluftstromes ist in Abhängigkeit vom speziellen
Schadgas in Figur 3 dargestellt) zugegeben, so daß die ebenfalls in Figur 3 nachfolgend
noch definierte Geschwindigkeit W am 0 Düsenaustritt in den Verbrennungsraum auch
bei Rückgang des Abluftstromes auf 0 eingehalten wird. Hierbei ist es dann ohne
Abluftanalyse möglich, durch einfache Regelung über 13 des Mengenverhältnisses von
Abluft und Frischluft (7 und 11) zu der Hilfsbrennstoffmenge (12) eine Mindesttemperatur
von etwa 800 bis 100000 in der Brennkammer 9 auch bei beliebiger und plötzlicher
Schwankung des Abluftstromes einzuhalten, die zum thermischen Zersetzen aller organischen
Schadstoffe im Abgas ausreicht.
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Dieser Verfahrensdurchführung liegen die in Figur 3 dargestellten
Zusammenhänge zugrunde. In Figur 3 wird die Strömungsgeschwindigkeit bzw. Rückzündgeschwindigkeit
des Abgases in m/s (Ordinate) in Abhängigkeit von der Schadstoffkonzentration (Vol.
% an brennbaren Stoffen in der Abluft bzw. in dem Frischluft/Abluftgemisch) (Abszisse)
beispielhaft für ein Hexan/Luft-Gemisch (Hexan Schadstoff) dargestellt.
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Die Zündgeschwindigkeit in der Düsenströmung ist zwischen der unteren
und oberen Explosionsgrenze außer von der Konzentration und dem Düsendurchmesser
stark von dem laminaren bzw. turbulenten Strömungszustand abhängig. Um möglichst
geringe strömungsbedingte Zündgeschwindigkeiten zu erreichen, wird mit der Düse
erfindungsgemäß eine gleichgerichtete, beruhigte und beschleunigte Strömung angestrebt.
Hierdurch wird die Grenzschicht an der Düsenwandung minimiert. Durch die scharfe
Kante (15) am Düsenmund wird eventuell zusätzlich die Grenzschicht abgerissen d.
h. die Grenzschicht wird an der Kante unendlich dünn. Diese Maßnahmen haben den
Zweck,die Rückzündmöglichkeiten in der Grenzschicht möglicht zu verringern, so daß
für die Gesamtdüse eine möglichst geringe Rückzündgeschwindigkeit resultiert.
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Um die tatsächlichen Rückzündeigenschaften einer nach Fig. 1 konstruktiv
optimierten Düse für einen gegebenen Schadstoff zu ermitteln, muß die Abhängigkeit
der Rückzündgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Schadstoffkonzentration experimentell
ermittelt werden.
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Hierzu wird eine Düse gemäß Fig. 1 mit einem herzustellenden Schadstoff-Luft-Gemisch
unter Variation des Schadstoff-Luft-Verhältnisses innerhalb der Explosionsgrenzen
betrieben. Nach Einstellung eines stabilen, rückzündfreien Brennzustandes an der
Düse wird der Durchsatzstrom reduziert, bis eine Rückzündung bis zum Flammensieb
eintritt.
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Die Rückzündung kann optisch, akustisch oder durch Temperaturfühlen
auf der Flammenseite des Flammensiebes festgestellt werden. Die Strömungsgeschwindigkeiten
in der Düse zum Zeitpunkt der Rückzündungen werden in Abhängigkeit von der Schadstoffkonzentration
in ein Diagramm analog Fig. 3 eingetragen und ergeben eine Kurve analog Kurve 1.
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Die Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit W in der Düse in Abhängigkeit
von der Schadstoffkonzentration cs (Kurve 2, Fig. 3) ergibt sich aus folgenden Beziehungen:
1) Luft Abluft Gemisch (o' + n')X + (o' + n' + s')Y = Vgemisch o' Volumenteile Sauerstoff
t o Volumenkonzentration Sauerstoff n' Volumenteile Stickstoff > n Volumenkonzentration
Stickstoff s' Volumenteile Schadstoff -i s Volurrenkonzentration Schadstoff X Frisch
luft-Volumenstrom y Abluft-Volumenstrom V Gemisch-Volumenstrom 2) Für Luft ist o'
+ n' = 0,79 + 0,21 = 1 3) Für Abluft ist o' + n' + s' = 0,79 + 0,21 + s' = 1 + s'
o'
+ n' + s' = 1 1+s' 1+s' 1+s' o + n + s =1 4) s = s' s' = s 1+s' 1-s Durch Einsetzen
ergibt sich aus Gleichung 1): s 5) 1 x + (1 + 1-s)Y = v gemisch
Strömungsgeschwindigkeit in der Düse schnitt in m
( Cs = max. Konzentration des Schadstoffes im Luft-Abluft-Gemisch).
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Wenn man mit s die maximal zu erwartende Schadstoffkonzentration im
Abgas festlegt, kann man unter Variation von X, Y und FDüse eine Kurve 2 für die
Strömungsgeschwindigkeit ausrechnen, die einen gewünschten Sicherheitsabstand (3)
zur Kurve der Rückzündgeschwindigkeit (1) hat. Zweckmäßigerweise geht man hierbei
so vor, daß man verschiedene Werte für FDüse (Düsenquerschnitt) und X (Frischluft-Volumenstrom
annimmt und Y (Abluft-Volumenstrom) von 0 ~ 100 % variiert.
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In dem Diagramm stellt das Verhältnis der Ordinatenhöhen zur Kurve
2,Punkt 4 und Kurve 1,Punkt 5 bei einer bestimmten Schadstoffkonzentration im Frischluft-Abluft-Gemisch
das Verhältnis von Strömungsgeschwindigkeit zu Rückzündceschwindigkeit dar. Es wird
erfindungsgemäß ein Verhältnis von 1,5 oder höher angestrebt.
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Die so ermittelte Kurve 2 schneidet die Ordinate bei WO, woraus sich
durch Multiplication mit der Düsenfläche FDüse (Gleichung 6) der benötigte Frischluftstrom
ergibt. Dieser liegt in der Regel weit unter dem Frischluftstrom, welches für sich
in der Düse eine höhere Strömungsgeschwindigkeit als Rückzündgeschwindigkeit bewirken
würde. Dadurch ergibt sich eine erhebliche Betriebskostenersparnis.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, bei relativ geringem
Druckverlust von bis etwa 20 m bar im Verbrennungsraum Schadstoffe in explosiven
Abgasen vollständig und sicher mit einem zulässigen Mengenschwankungsbereich für
die Abluft von 0 5 100 % zu verbrennen.
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Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft erläutert:
Es wurde eine Anordnung gemäß Figur 1 verwendet, in der das Flammensieb (2) einen
Durchmesser von 150 mm mit 0,7 mm Siebkanal-Weite und der Düsenaustritt 4 einen
Durchmesser von 67 mm hatten.
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Als explosionsfähige Abluft wurde ein Hexan-Luft-Gemisch eingesetzt.
Zunächst wurde nach dem oben beschriebenen Verfahren die Kurve 1, Fig. 3 für die
Rückzündgeschwindigkeit dieser Düse ermittelt. Es zeigte sich, daß die größte Rückzündgeschwindigkeit
in Höhe von 3,3 m/s bei einer Hexan-Konzentration von etwa 2,7 Vol-% auftrat. Bei
einer Jtrömungsgeschwindigkeit von mehr als 3,3 m/s konnte bei beliebiger Konzentration
keine Rückzündung festgestellt werden. Wurde die Strömungsgeschwindigkeit gesenkt,
sodaß die Werte auf oder unter den Werten der Kurve 1 lagen, erfolgten Rückzündungen
und die Flamme brannte am Flammensieb. Durch eine Brenndauer von etwa 3 Minuten
am Flammensieb wurde das Sieb nicht beschädigt.
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Die Kurve 2, Fig. 3 wurde sodann unter Variation der Werte X,Y und
Düse und unter Festlegung des maximalen Schadstoffgehaltes im Abgas mit s = 2,3
% ermittelt. Es ergab sich, daß mit X = 0,1 m3 Frischluftzusatz und einem 2s Düsenquerschnitt
von 0,1 m ein Abluftstrom Y zwischen o und 3 sn rückzündsicher durch diese Düse
geführt sn 3 werden kann. Durch den konstanten Frischluftstrom O,1m 5 wird ohne
Abluft an der Düse eine Geschwindigkeit von von WO = 1 erreicht. Die Kurven 1 und
2 haben in den Punkten 4 und 5 ihren kleinsten Abstand bzw. das Verhältnis der Strömungsgeschwindigkeit
(4 bis 6) zur Rückzündgeschwindigkeit (5 bis 6) liegt bei 3,1 zu 1,75 gleich 1,77.
Die für diesen Abluftstrom sich ergebende Strömungsgeschwindigkeit von 3,1 m/s liegt
damit unter der maximalen
Zündgeschwindigkeit von 3,3 m/s; trotzdem
ist ein rückzündsicherer Betrieb gewährleistet, da die zu diesem Abluftstrom sich
ergebende Rückzündgeschwindigkeit mit 1,75 m/s mit Sicherheitsabstand kleiner ist.
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L e e r s e i t e