DE2659085A1 - Flammensperre - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Flammensperre, die sich in Durchgangskanälen für verbrennbare Sauerstoff/Brennstoff-Gemische verwenden lässt.

Bekanntlich schreitet die Flamme in einem Gemisch aus verbrennbarem Gas und Luft gemäß der jeweiligen Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flammenfront vorwärts. Wenn das Gas aus einer Brennerdüse austritt, muß die Geschwindigkeit des Gasgemisches größer sein als die Geschwindigkeit der Fl amtnenf ront, so daß die Flamme von der Oberfläche des Brenners ständig einen minimalen Abstand aufrechterhält.

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Wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Gases auf einen Wert abnimmt, der unter der Geschwindigkeit der Flammenfront liegt, schreitet die Flamme weiter in Richtung auf die Gaszustromseite und kann dann in den Brenner eindringen. In einem solchen Fall findet dann die Verbrennung innerhalb der Brennerkonstruktion statt, wodurch die Vorrichtung beschädigt wird und entsprechende Gefahren heraufbeschworen werden.

Um dieses Vorwärtsschreiten der Flammenfront stromaufwärts des Gasstroms zu verhindern, ist bereits eine Konstruktion bekanntgeworden, die eine Flammensperre bildet und ganz allgemein ein Gebilde ist, das mit mehreren kleinen Durchgangskanälen versehen ist, durch die das Gas strömt. Die Wände der Kanäle bestehen aus Metall und befinden sich auf einer Temperatur, die weit unter der Zündtemperatur des Gases liegt. Wenn die Flamme dazu neigt, sich stromaufwärts des aus der Sperre austretenden Gases zu bewegen und in die Zwischenräume der Sperre einzudringen, wird sie auf eine Temperatur unter der Zündtemperatur abgekühlt, so daß die Gasflamme erlöscht. Der als "Flammenrückschlag" bei Brennern bekannte Zustand ist ein Beispiel für eine unerwünschte Flammenfrontbewegung.

Luft ist die typische Sauerstoffquelle für brennende Brennstoffe. Deshalb ist bei Gemischen aus Luft mit typischen, nichtexplosiven Brennstoffen und bei einem typischen Brennerbetrieb die Strömungsgeschwindigkeit des Luft-Brennstoff-Gemisches größer als die Geschwindigkeit der Flammenfront, so daß ein Flammenrückschlag nicht erfolgen kann. Explosive Brennstoffe sind beispielsweise Wasserstoff, Acethylen,

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Äthylenoxid, Kohlenstoff di sul fid . Mit diesen Brennstoffen ist eine Flammensperre unmöglich, wenn keine Wasserdichtung benutzt wird, da die Flammenfront eine außerordentlich hohe Geschwindigkeit aufweist. Typische Flammensperren, die Labyrinthkonstruktionen sind, eignen sich daher nicht für explosive Brennstoffe. Nichtexplosive Brennstoffe sind beispielsweise Kohlenwasserstoffderivate, CO und dergleichen oder speziellere Standardbrennstoffe für Handel und Industrie.

In vielen Fällen wird aus Gründen der Betriebssicherheit eine Flammensperre verlangt. Möglicherweise ist der erste Fall einer brauchbaren Flammensperre in einer "Grubenlampe" verwirklicht, für die als Erfinder Sir Humphrey Davy gilt. Bei dieser Vorrichtung umgibt die Flamme der Lampe ein Metallschirm. Wenn die Lampe sich in einer Atmosphäre befindet, die mit verbrennbaren Gasen zu aufgeladen ist, daß sie bei Berührung mit der Flamme zur Explosion gebracht werden kann, kühlt der Metallschirm, der zwischen der Flamme der Lampe und der explosiven Atmosphäre angeordnet ist, sehr rasch die Flamme ab, und zwar infolge der Verbrennung verbrennbaren Gases innerhalb des Schirms, so daß die von der Flamme erzeugte Zündtemperatur des verbrennbaren Gases nicht außerhalb des Schirms auftreten kann und daher keine Gasverbrennung oder Explosion stattfinden kann. Der Fachmann auf diesem Gebiet der Technik weiß, daß die Wirkung der Flammensperre auf der einfachen Flammenfrontabkühlung auf eine Temperatur unterhalb der Zündtemperatur des Brennstoffes beruht, und daß das Brennen auf diese Weise überprüft werden kann. Bei normalem Luft-Brennstoff-Strömungsgetrieb herrscht nur eine geringe Gefahr des Flammenrückschlags

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■Diese Gefahr des Flammenrückschlags nimmt jedoch rasch zu, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Gas-Luft-Gemisches abnimmt, und sie ist am höchsten, sobald die Brennstoff-Luft-Strömung zum Stillstand kommt.

Die übliche Flammensperre weist eine zylindrische Form auf und kennzeichnet sich durch eine Konstruktion, bei der mehrere zylindrische Bleche Verwendung finden, zwischen denen je ein geripptes, dünnes Blech eingesetzt ist, so daß sich eine Vielzahl von Kanälen dreieckigen Querschnitts ergibt. Aufgrund der großen Metallmasse, die bei dieser Konstruktion Verwendung findet, ist der Querschnitt des Luftkanals normalerweise nicht größer als 30% der Fläche der Flammensperre. Darüberhinaus ist die Form aufgrund der zylindrischen Konstruktion derart, daß viel Raum benötigt wird. Demzufolge sind die gegenwärtig vorhandenen Flammensperren groß und platzraubend und weisen auch einen hohen Druckverlust auf.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine Flammensperre zu schaffen, die ein minimales Volumen und einen minimalen Druckverlust für den Brennstoff-Luft-Gemischstrom aufwei st.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Flammensperre eine rechteckige Konstruktion ist, die ein rechteckiges Gehäuse bildet, das mit Lamellen gefüllt ist, von denen jede aus einem dünnen Metallblech besteht, das mit mehreren mit Abstand benachbarten, parallelen, flachen, rechteckigen Vertiefungen gewählter Tiefe D versehen ist. Wenn diese Platten aufeinandergestapelt werden, um den Raum innerhalb des Gehäuses zu füllen, ergeben sich

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Querschnitte für die Brennstgff-Luft-Kanäle in Form von schmalen Schlitzen, deren Länge gleich der Länge der Bleche ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 und 2 eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Flammensperre,

Fig. 3 und 4 eine Seitenansicht und eine Draufsicht einer Lamelle,

Fig. 5 eine Detailansicht der pyramidenförmigen Abstandshalter, die die Lamellenbleche trennen, und

Fig. 6 eine bekannte Konstruktion der genannten Art.

In den Figuren 1 und 2 ist eine Querschnittsansicht der Flammensperre dargestellt, wobei die Figur 1 eine Ansicht von Figur 2 längs der Linie 1-1 ist, während die Figur 2 eine geschnittene Seitenansicht längs der Linie 2-2 in Fig. 1 ist. Die Flammensperre ist allgemein mit 10 bezeichnet und weist ein rechteckiges Gehäuse auf, das aus einem Metallblech besteht und zwei gegenüberliegende Seiten 14 gleicher Abmessungen sowie zwei weitere gegenüberliegende Seiten 16 gleieher ,Abmessungen aufweist, wobei letztere ebenfalls den Abmessungen der Seiten 14 entsprechen können. Es sei angenommen, daß das Innenmaß der

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Wand 14 W ist, daß die Wand 16 das Innenmaß L hat und daß die Länge des Gehäuses H beträgt.

Es sind mehrere Lamellen, die allgemein mit 18 bezeichnet sind und eine Breite W sowie eine Länge H besitzen, in dem Gehäuse 1 Ubereinandergestapelt, wie dies in Fig. 1 ersichtlich ist.

In den Figuren 3 und 4 ist im Detail eine einzelne Lamelle gezeigt. Diese Lamellen bestehen aus Metallblech in gewählter Dicke, wobei ein minimaler Wert für die Dicke zu--grundegelegt wird, der noch eine ausreichende Steifigkeit garantiert. In dem Metallblech sind mehrere rechteckige Kanäle 22 ausgebildet, die durch Teile 26 der ursprünglichen Oberflächenebene des Bleches 20 voneinander getrennt sind. Die Tiefe der Kanäle beträgt D, die Breite der Kanäle C. Beide Werte sind, wie im folgenden erläutert, ausgewählt.

Wie in Fig. 5 gezeigt, weist jedes Blech 20 mehrere Vertiefungen auf, die auf der anderen Seite des Bleches Vorsprünge bilden, die eine konvexe, pyramidenförmige Gestalt 24 haben, deren Höhe D beträgt und damit gleich der Tiefe der Kanäle 22 ist.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, sind die Bleche so angeordnet, daß sie in dem Gehäuse miteinander in Berührung stehen, wobei die Schenkel der Kanäle aufeinandergepresst sind und getrennte, rechteckige öffnungen 34 bilden, deren Breite D gleich der Tiefe der Kanäle ist. Das Vorhandensein von Vertiefungen und Pyramiden 24 dient dazu, den Abstand über die ganze Breite C der ebenen Teile der Kanäle und der ursprünglichen dazwischenbefindlichen Teile gleich dem Wert D

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zu halten. Die Verwendung solcher Abstandshalter in Form der Pyramiden 24, die natürlich auch eine andere Form aufweisen können, so beispielsweise eine halbrunde Form oder Halbkugelform, dient dazu, einen gewählten Wert D für den Abstand der engen Schlitze 34 aufrechtzuerhalten, die entstehen, wenn die Lamellen ins Innere des Gehäuses gepackt werden. Es versteht sich natürlich, daß das letzte Blech 19, das mit der Wand 14 in Berührung steht, keine solchen Vorsprünge 24 aufweisen darf. So gesehen unterscheidet sich das letzte Blech 19 bzw. die letzte Lamelle von den anderen Lame!len.

Es besteht ferner die Möglichkeit, die Richtung der Abstandshalter 24 im Kanal 22 im Vergleich zu den Zwischenteilen 26, wie bei 24A in Fig. 4 dargestellt, umzukehren, so daß dann alle Lamellen einander gleich wären. Dadurch ergäben sich jedoch bei der Herstellung der Lamellen höhere Kosten.

Die Breite C der Kanäle 22 und der Zwischenteile 26 ist so gewählt, daß die Schlitze 34 eine Länge C aufweisen, die nicht zu groß ist, um die angemessene Kühlung der Flammenfront zu verhindern, falls diese versuchen sollte, sich durch die Schlitze hindurchzubewegen. Bekanntlich ist ein schmaler Schlitz der Breite D über die ganze Breite W zwischen den beiden Blechen ungeeignet. Daher werden bei dieser Konstruktion vorzugsweise mehrere mit Abstand getrennte,parallele Kanäle verwendet. Dadurch wird außerdem eine steifere Konstruktion erreicht, da an jeder Kante des Kanals mehrere Berührungspunkte der Lamellen vorhanden sind Dadurch wird die gewünschte konstante Abstandshaltung gefördert.

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Wie aus der Seitenansicht von Fig. 2 und insbesondere der Ansicht der Abstandshalter 24 ferner hervorgeht, muß die Lage der Abstandshalter 2.4 auf einander abwechselnden Blechen so geändert werden, daß der Abstandshalter auf der einen Lamelle nicht in die Vertiefung des anderen Abstandshalters auf der benachbarten Lamelle eingreift. Demzufolge sollte der Abstandshalter in einer anderen Entfernung 32 vom Rand der Lamellen angeordnet werden als der Entfernung 30 des Abstandshalters auf den Zwischenblechen entspricht.

Es versteht sich, daß dann, wenn die Bleche 18 in bezug auf die Mittellinie des Bleches symmetrisch sind, die Lage der Abstandshalter 24 so sein kann, daß die Abstandshalter einen Abstand 30 von dem einen Ende und einen Abstand 32 von dem anderen Ende aufweisen. Dann können aufeinanderfolgende bzw. abwechselnde Bleche bezüglich ihrer Enden so gedreht werden, daß die gewünschte Wirkung der Abstandshalter eintritt, das heißt, daß die Abstandshalter auf benachbarten Blechen nicht einander gegenüberliegen. Somit lassen sich alle Bleche identisch ausbilden und entsprechen dennoch der gewünschten Bedingung.

Sobald das Maß C für die Breite der Kanäle festliegt und damit die Länge der Schlitze, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, alle Kanäle und die Zwischenräume in derselben Breite auszuführen, so daß dann die Bleche symmetrisch gebaut werden könnten, ohne daß irgendwelche weiteren Kosten entstehen.

In Figur 6 ist eine bekannte Konstruktion der genannten Art dargestellt, bei der die Flammensperre normalerweise eine

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kreisrunde, zylindrische Form aufweist, die mit einer Wand 40 und einer Mittelachse 42 versehen ist. In diesem Fall werden sehr viele dünne Metall bleche 44 zylindrischer Form benötigt, zwischen die gewellte dünne Metallbleche 46 eingebaut sind. Dadurch ergeben sich dreieckförmige öffnungen für. den Durchfluss des Gas-Luft-Gemisches. Diese Konstruktion schafft eine GasdurchstromfKche, die annähernd 30% der Fläche der gesamten Flammensperrenvorrichtung ausmacht. Im Vergleich dazu beträgt bei der in den Figureni und 2 gezeigten Ausführungsform die offene Durchflussfläche 40%. Der Druckabfall beim Gasdurchgang durch die rechteckige Konstruktion der Figuren 1 und 2 beträgt nur 56% des Druckabfalls der dreieckigen Kanalform, wie sie in Fig. 6 dargestellt ist. Ferner ist festzustellen, daß bei einer quadratischen Konstruktion, wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, das heißt, bei einer Konstruktion, die sich durch gleiche Breite und Länge kennzeichnet, dann, wenn Breite und Länge gleich dem Durchmesser der runden Form wären, die freie Durchflussfläche in der quadratischen Form annähernd das 1,3-fache der freien Fläche der runden Form betragen würde. Bei einer quadratischen Form ist eher noch als bei der runden Form die tatsächliche freie Durchflussfläche im Vergleich zu dem in Fig. 6 gezeigten kreisrunden Typ 0,4 χ 1,3 oder annähernd 51% größer, wenn die kreisrunde Form einen Durchmesser aufweist, der gleich der Abmessung der quadratischen Form ist. Somit kann die Konstruktion in quadratischer Ausführung, die die Flammensperre aufnimmt, erheblich kleiner gebaut werden, um eine angemessene Durchflussfläche zu schaffen, die einen bestimmten geforderten Druckabfall für eine Flammensperre aufweist. Für einen typischen Einbaufall ist dies entweder eine Notwendigkeit oder eine Eigenschaft, deren Berücksichtigung sich als sehr wertvoll erweist. Das heißt, wenn

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eine bestimmte Durchflussfläche für Gase verlangt wird, würde die Grundabmessung für die runde Einheit etwa 1,7 mal größer sein als für die quadratische Einheit.

Dem Fachmann ist bekannt, daß bei kreirunden Kanälen oder öffnungen ein 3,97 mm Kanal keine geeignete Kühlung erzeugen kann, sondern daß für die meisten Gas-Luft-Gemische ein 3,18 mm Kanal in der Lage ist, die richtige Kühlwirkung zu erzeugen, falls seine Länge groß genug ist. Aufgrund der Tatsache jedoch, daß ein runder Kanal nur das 0,79-fache der Fläche einer äquivalenten quadratischen Abmessung ausmacht, und da die runden Kanäle in einem Abstand von wenigstens einem halben Durchmesser getrennt sein müssen, wird die Verwendung runder Kanäle für Flammensperrvorrichtungen im allgemeinen als nicht geeignet angesehen.

Ferner ist im Hinblick auf die gewöhnlich anerkannte Forderung für das Verhältnis von Kanallänge zu Kanal durchmesser, das bei etwa 100/1 liegt, nicht die Möglichkeit gegeben, in den typischen Flammensperren Kanäle mit einem Durchmesser von 3,18 mm zu verwenden.

Offensichtlich ist ein Schlitz ein bevorzugter Kanal, da er keine Hindernisse enthält, wobei jedoch dabei berücksichtigt werden muß, daß ein 3,18 mm breiter Schlitz keine Kühlwirkung entfaltet, die gleich derjenigen eines 3,18 mm Kanals runder Form ist. Die Breite des Schlitzes muß wenigstens auf 1,19 mm verkleinert werden, um eine äquivalente Kühlwirkung zu erhalten. Außerdem muß die Verwendung eines geraden Schlitzes über die ganze Breite der Flammensperrkonstruktion für den Eintritt des Gasgemisches vermieden werden. Demzufolge ist die Breite der Lamellen in mehrere Kanäle aufgeteilt,- die kurze Schlitze der Länge C bilden,

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wenn die Lamellen zusammengesetzt sind. Die Abmessung C beträgt normalerweise etwa 6,3 bis 50,8 mm.

Im obigen ist eine verbesserte Flammensperrkonstruktion dargestellt worden, die für einen verlangten Gasgemischstrom einen größeren Raumwirkungsgrad aufweist als die herkömmlichen Konstruktionen sowie einen geringen Druckabfall.

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Claims (6)

1. PATENTANSPRÜCHE

   Flammensperre in Durchgangskanälen für verbrennbare idati onsmi ttel/B renn stoff-Gemische, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (10) recheckigen Querschnitts mit einer inneren Querschnittsbreite W und einer Länge L und einer Höhe H parallel zur Strömungsrichtung der Gemische, ferner durch mehrere im wesentlichen identische, planare Lamellen (18), die in dem Gehäuse über die ganze innere Lange L des Brenners parallel nebeneinander gesetzt sind und einander berühren, wobei jede Lamelle (18) eine Breite W und eine Höhe H aufweist und mit mehreren mit Abstand getrennten, parallelen, flachen, rechteckigen Kanälen (22) versehen ist, die sich parallel zur Höhenabmessung H und über deren ganze Länge erstrecken und eine Tiefe D sowie Breite C aufweisen.
2. 2. Flammensperre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessung D im wesentlichen 1,19 mm beträgt.
3. 3. Flammensperre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessung C etwa 6,35 bis 50,8 mm beträgt.
4. 4. Flammensperre nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Abstandshalter (24) in den Kanälen (22) der Lamellen (18), die eine Abmessung D aufweisen.
5. 5. Flammensperre nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter (24) Vorsprünge bilden, die in dem Blech der Lamellen ausgebildet sind.
6. 6. Flammensperre nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch

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   wenigstens zwei Abstandshalter (24) in jedem Kanal (22), die von den Enden verschieden weit entfernt liegen.

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