DE2812960A1 - Brenner fuer fluessige brennstoffe - Google Patents
Brenner fuer fluessige brennstoffeInfo
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- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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Description
28129
Patentanwälte Dipl. Ing. Hr.T!s-J-"!i"v»Ti Müller
Dr. rer. Cc-Λ. Tho^s..: B-'srondt
Dr.-Ing. HdXio Li-jk
lucile-Grahn-Straße 38 D 8 Mönchen
Flynn Burner Corporation
425 Fifth Avenue
New Rochelle, New York„ V0St0A.
-Case 125-
Breaaar für flüssig© Brennstoffe
Die Erfindung betrifft einen Brenner für flüssige Brennstoffe, z.B. einen Ölbrenner, und insbesondere
einen Brenner, der eine stabile, nichtverschmutzende blaue Flamme über einen breiten Betriebsbereich, erzeugt,
wobei das öl ein flüssiger Kohlenwasserstoff sein kann, dem ein gasförmiger Kohlenwasserstoff zugegeben
wird .
Die üblichen Ölbrenner arbeiten auch wenn sie sorgfältig eingestellt sind, oft nicht effektiv und erzeugen eine
gelbe oder orange Flamme, was ein Merkmal für eine unvollständige Verbrennung ist. Dies führt zu Rußablagerungen
im Kamin bzw. in Abgasleitungen und zum Austrag von Partikeln in die Atmosphäre, Diese Brenner
arbeiten daher nicht nur unwirtschaftlich,--sondern verschmutzen auch die Atmosphäre. Der Brenner
nach der Erfindung soll dagegen eine volle Verbrennung des zugeführten Brennstoffes bewirken und
eine stabile, nichtverschmutzende blaue Flamme erzeugen.
Es sind Brenner für Flüssigbrennstoffe bekannt, in welchen eine Vergasung des flüssigen Brennstoffes
bewirkt wird durch Umwälzung eines Teils des heißen Verbrennungsgases und Zumischung zu dem Öl, um eine
volle Verbrennung zu fördern. Typische handelsübliche Brenner für flüssige Brennstoffe mit blauer Flamme,
die ein Vergasungssystem enthalten, sind die THERMiL HV - Brenner, die von der Thermal Research
and Engineering Corp. of Conshohocken, Pa., a division of Trane Thermal Company, hergestellt
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- ar-
werden (US-PS 2 839 128 und 3 042 105).
In einem THEHMAl HV~Brenner wird das flüssige Öl oder Brennstoff in den Einlaß eines Strömungskanales
eingespritzt, der zu einer Verbrennungszone führt, und es wird Verbrennungsluft in denselben Kanal eingeführt.
Die Mischung aus Öl und Luft wird gezündet in der Verbrennungszone und ein Teil der resultierenden
heißen Verbrennungsprodukte werden zum Einlaß des Strömungskanales über eine Rückführleitung zurückgeführt. Dieses umgewälzte heiße Gas dient zur
Förderung der Verdampfung der Brennstoff-luft-Mischung,
ehe diese gezündet wird, um eine volle Verbrennung der Mischung zu erreichen.
In dem THERMAL HV-Brenner wird die Umwälzung des heißen Verbrennungsgases herbeigeführt, indem die
gesamte relativ kühle Verbrennungsluft über einen Verengungsquerschnitt mit reduziertem Durchmesser
in den Strömungskanal eingeführt wird bzw. eingepreßt wird, wodurch ein Niederdruck-Venturi-Effekt
erreicht wird, der das heiße Gas aus der Rückkopplungsleitung in den Einlaß des Strömungskanales
zu saugen sucht, um den flüssigen Brennstoff vorzuverdampfen. Die Druckdifferenz oder der Venturi-Effekt,
der erforderlich ist, um das heiße Verbrennungsgas anzusaugen oder mitzuziehen, hängt hauptsächlich
von der Massengeschwindigkeit oder dem Moment bzw» dem Schub der anströmenden Verbrennungsluft ab,
die durch den Hals bzw. den verengten Querschnitt hindurchströmt. Je größer der Schub umso stärker
ist die Saugkraft zum Ansaugen und Mitführen des heißen Gases.
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Es ist bekannt, daß zur Erreichung eines guten
Umwandlungsv/irkungsgrades möglichst ein stöchiometrisches Brennstoff-Luft-Verhältnis in der Verbrennungszone
über den vollen Arbeitsbereich von stark bis schwach aufrechterhalten werden soll.
Jede chemische Reaktion hat ihre charakteristischen Eigenschaften. Beispielsweise wenn Methan sich mit
Sauerstoff in einer vollständigen Verbrennung vereinigt, erfordern 16 g Methan 24 g Sauerstoff. Bei
einer gegebenen Betriebseinstellung des Brenners,
in der eine gegebene Menge des flüssigen Brennstoffs eingeführt wird, muß auch ein richtiger Anteil an
Luft eingeführt werden, um ein stöchiometrisches Verhältnis zu erhalten, um eine volle Verbrennung und
eine blaue Flamme zu erreichen.
Wenn danach der Brenner zurückgedreht wird, um die Menge des zugeführten flüssigen Brennstoffs zu reduzieren,
so muß gleichzeitig die Menge der zugeführten Luft verringert werden, um das richtige Verhältnis
zwischen beiden beizubehalten. Bei einem Brenner vom Typ THERMAL HV und bei anderen Brennern,
die nach diesen Prinzipien arbeiten, wird daher der Differenzdruck, der zur Förderung der Umwälzung des
Heißgases verfügbar ist, abfallen, wenn der Brenner zurückgedreht wird, und die Abfallkurve ist steil,
wenn der Brenner einen breiten Betriebsbereich hat.
Diese bekannten Brenner bilden daher eine richtige Heißgasumwälzung und eine richtige Funktion mit optimaler
Leistungsfähigkeit nur dann, wenn der Brenner praktisch oder nahezu voll aufgedreht ist, da, wenn
der Brenner zurückgedreht wird, die Ansaugkraft für die Umwälzung der Heißgese reduziert wird, die notwendig
sind, um den flüssigen Brennstoff vorzuverdampfen. Anstatt vor dem Eintritt in die Verbrennungs-
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kammer vorverdampft zu werden, tritb der flüssige Brennstoff in Form von zerstäubten Tröpfchen ein.
Die Verbrennung ist daher unvollständig und es werden schädliche Verunreinigungen erzeugt.
Ein wichtiger Faktor bei der Bestimmung des Umwandlungswirkungsgrades
eines Flüssigbrennstoff-Brenners ist die Zerstäubung des Brennstoffes, da je feiner die Zerstäubung
ist, umso wirksamer ist der Umwandlungsprozeß. Im allgemeinen wird die Zerstäubung mit Hilfe von Dampf
oder Druckluft ausgeführt. Wie in dem Combustion Handbook, veröffentlicht von der North American Manufacturing Co.,
Cleveland, Ohio, beschrieben, ist es üblich, die Zerstäubungsströmungen als Hochdruckströmungen (über 0,35
kp/cm ) und als Niederdruckströmungen (in der Größen-Ordnung von 0,14 kp/cm ) zu klassifizieren.
Eine weitere Klassifizierung erfolgt nach der Natur des Mischprozesses, d.h., ob der Brennstoff und die Zerstäubungsstrahlen
intern oder extern gemischt werden. Eine interne Mischung bedingt gewöhnlich Hochdruckstrahlen,
während eine externe Mischung mit Niederdruck arbeitet.
Bei einem Brennstoffzerstäuber mit interner Mischung werden der Zerstäubungsluftstrom und der flüssige
Brennstoff in eine Mischkammer eingeführt, in der eine heftige Bewegung bei relativ hohen Geschwindigkeiten
erfolgt, um eine feine Zerstäubung des Gemisches zu bewirken. In einem System mit externer Mischung wird
der zu zerstäubende flüssige Brennstoff aus einer Düse ausgetragen und dann dem Zerstäubungsstrom ausgesetzt.
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Bei einem Zerstäuber ist es im allgemeinen erwünscht,
daß das Massenverhältnis von Zerstäubungsluft zu
flüssigem Brennstoff, d.h. das Verhältnis von Luft zu Brennstoff an der Düse, auf einem Minimum gehalten wird.
Da ferner eine Quelle für Druckluft oder einem anderen
Zerstäubungsmittel gewöhnlich in einem transportablen Zerstäubungssystein zur Verfügung steht, um große Zerstäubungsanlagen
zu vermeiden, sollten die Druckanforderungen an den Zerstäubungsstrom auf einem möglichst
niedrigen Niveau gehalten werden.
Beim Zerstäuben von Brennstoff besteht daher das Problem, daß man zwar das Verhältnis von luft zu Brennstoff an
der Düse optimieren und die Energieanforderungen niedrig halten kann, und zwar unter festen Betriebsbedingungen,
es eber schwierig ist, eine zufriedenstellende Zerstäubung über breite Einstellbereiche, d.h. über breite
Bereiche der Zurückstellung oder Zurückdrehung des Brenners, zu erhalten, bei einem Minimum an aufgenommener
Energie bei einer niedrigen Massenrate von Luft zu Flüssigkeit bei maximaler Kapazität.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Brenner der eingangs genannten Art zu schaffen, der
eine stabile, nichtverschmutzende blaue Flamme über einen breiten Betriebsbereich erzeugt.
Der Brenner soll eine hohe Leistungsfähigkeit haben, wobei ein Teil der heißen Verbrennungsgase, die in der
Verbrennungszone des Brenners erzeugt werden, umgewälzt
werden sollen, um den zerstäubten flüssigen Brennstoff, der in die Verbrennungszone eingeführt
wird, vorzuverdampfen, wobei ein geeignetes Maß an Heißgasumwälzung über den breiten Betriebsbereich
des Brenners aufrechterhalten werden soll, auch wenn
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"bei schwacher Feuerung die eintretende Verbrennungsluft
auf einen niederen Pegel liegt.
Der Brenner soll einfach aufgebaut sein und leistungsfähig und zuverlässig über seinen vollen Betriebsbereich
arbeiten und er soll mit niedrigen Kosten in Massenproduktion hergestellt werden können.
Ein sich selbst versorgender verschmutzungsfreier Brenner nach der Erfindung kann in weitem Umfang gewerblich
angewendet werden für alle Arten von Öfen und Heizungen oder Heizanlagen, ohne daß eine Verbrennungszone
in der Anlage erforderlich ist, wodurch deren Größe beträchtlich reduziert werden kann. Da die
Verbrennung praktisch vollständig innerhalb der Verbrennungszone des Brenners selbst erfolgt, gewährleistet
die thermische Expansion der Verbrennungsgase eine hohe Austrittsgeschwindigkeit, Diese Austrittsgeschwindigkeit gekuppelt mit nahezu stöchiometrischen
Flammentemperaturen sichert hohe Wärmeübertragungskoeffizienten.
Vorzugsweise ist ferner ein verbesserter Zerstäuber für flüssigen Brennstoff vorgesehen, in welchem der zu
zerstäubende Brennstoff in einer inneren Mischkammer Luftstrahlen mit hoher Geschwindigkeit ausgesetzt wird,
und zwar innerhalb des zentralen Kernes der Flüssigkeit und an deren Umfang, um eine gründliche und durchgehende
Zerstäubung der Flüssigkeit auch bei niedrigen Etrömungsmengen
und Drücken der Zerstäubungsluft zu erreichen.
Nach der Erfindung werden diese Ziele dadurch erreicht, daß der zerstäubte flüssige Brennstoff durch eine Zer-
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stäubungsdüse, in der er mit der Zerstäubungsluft gemischt wird, über eine Venburi-Düse in eine Verbrennungszone
eingeführt wird. Die Verbrennungsluft wird direkt in die Verbrennungszone eingeführt, wobei
ein Teil des heißen Verbrennungsgases über eine Rückführleitung in den Halsabschnitt der Venturi-Düse zurückgeführt
und darin durch den Strahleffekt oder Saugeffekt der eingeleiteten zerstäubten Flüssigkeit mitgezogen
wird, um die zerstäubte Flüssigkeit vorzuverdampfen und dadurch eine volle Verbrennung in der Verbrennungszone
zu gewährleisten. Die Umwälzung des heißen Verbrennungsgases arbeitet oder wirkt effektiv über einen
breiten Bereich der Zurückschaltung oder Zurückdrehung des Brenners auch bei schwacher Feuerung, bei der die
eintretende Verbrennungsluft auf einem niedrigen Niveau liegt.
Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der
Fig. 1 schematisch im Längsschnitt eine grundlegende Ausführungsform eines Brenners zeigt;
Fig. 2 zeigt eine erste Modifikation des Brenners; Fig. 3 zeigt eine zweite Modifikation des Brenners;
Fig. 4 zeigt eine dritte Modifikation des Brenners; Fig. 5 zeigt eine vierte Modifikation des Brenners;
Fig. 6 zeigt eine fünfte Modifikation des Brenners; Fig. 7 zeigt eine sechste Modifikation des Brenners;
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Pig..8 zeigt eine siebente Modifikation des Brenners;
Pig, 9 zeigt eine achte Modifikation des Brenners;
Pig.10 zeigt schematisch im Längsschnitt eine bevorzugte
Ausführungsform eines Zerstäubers für flüssigen Brennstoff;
Pig.11 zeigt eine vereinfachte Porm des Brennstoffzerstäub
ers.
Pig. 1 zeigt schematisch einen Brenner für flüssige
Brennstoffe mit blauer Plamme, wobei eine Vergasung vorgenommen wird und ein Teil des heißen Verbrennungsgases
umgewälzt wird, um eine vollständige Verbrennung über einen breiten Betriebsbereich zu erreichen.
Der Brenner hat ein zylindrisches äußeres Gehäuse TO,
das durch eine Zwischenwand 11 in einen vorderen oder
stromaufwärtigen Abschnitt und einen hinteren oder
stromabwärtigen Abschnitt unterteilt ist. Konzentrisch
in den vorderen Abschnitt des äußeren Gehäuses 10 ist ein inneres G-ehäuse 12 montiert, das darin eine zylindrische
Verbrennungszone 13 bildet. Der ringförmige Raum
zwischen dem inneren und dem äußeren G-ehäuse 10 und bildet eine Kammer 14 für die Zufuhr von Verbrennungsluft.
Das innere G-ehäuse 12 ist zu diesem Zweck mit einer in Umfang verlaufenden Gruppe von Öffnungen 15
versehen, aus denen Verbrennungsluftstrahlen rechtwinklig
zur Richtung des eintretenden vorverdampften flüssigen Brennstoffes austreten, wie durch die Pfeile
angezeigt ist. In der Praxis können die Luftstrahlen etwas geneigt sein, um die Umwälzung zu fördern.
Das äußere Gehäuse 10 ist mit einer hintuen Wand 16
versehen, die den hinteren Abschnitt dso"Brenners um-
eoi.l-1.3t. Darin l^ !*
und der Zwischenwand 11 eine Yenturi-Düse angeordnet
und gehalten, die von einem konvergierenden Einlaßabschnitt 17, einem verengtem Halsa"bschnitt 18
und einem divergierenden Diffusorabschnitt 19 gebildet wird, der sich in eine Verbrennungszone 13
öffnet. Ein Teil des in der Verbrennungszone 13 erzeugten
heißen Verbrennungsgases wird in den Halsabschnitt 18 der Venburi-Düse über Rückführleitungen
zurückgeführt.
Zentral an der rückwärtigen Wand 16 des äußeren Gehäuses 10 ist eine Zerstäubungsdüse 21 angeordnet und
gehalten, der flüssiger Brennstoff über eine Einlaßweitung 22 zugeführt wird. Der nicht benutzte Teil des
Brennstoffes wird über eine Überlaufleitung 23 an den
Brennstoffvorrat zurückgeleitet. Der Düse 21 wird ferner
über eine Einlaßöffnung 24 ein Zerstäubungsluftstrom
zugeführt. Der konische Einlaßabschnitt 17 der Venturi-Düse kann mit Öffnungen 25 versehen sein, um
eine kleine Menge der Verbrennungsluft in den Einlaßabschnitt
einzuführen zur Vermischung mit der zerstäubten Flüssigkeit, die in die Venturi-Düse eingespritzt
wird.
Vom hinteren Abschnitt des äußeren Gehäuses 10 steht quer ein Eingangsrohr 26 ab, durch das Verbrennungsluft
in den Bereich, der die Venturi-Düse umgibt, eingeleitet wird, wobei die Verbrennungsluft in die
Luftzufuhrkammer 14 über Öffnungen 27 in der Zwischenwand 11 eingedrückt wird. Der Strömungsweg der Verbrennungsluft
vom Eingangsrohr 26 ist durch Pfeile angezeigt.
Im Betrieb wird luft-zerstäubter flüssiger Brennstoff
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über die Zerstäubungsdüse 21 in den konvergierenden Einlaßabschnitt der Venturi-Düse eingespritzt und mit
hoher Geschwindigkeit durch den verengten Halsbereich geführt. Der zerstäubte Brennstoff wird dann durch den
Diffusorabschnitt 19'geführt und breitet sich dort aus, ehe er in die Verbrennungszone 13 eintritt, in der er
gezündet wird. Ein Teil des entstehenden Verbrennungsgases wird aus der Verbrennungszone zurück zum Halsabschnitt
21 der Venturi-Düse über Leitungen 20 zum Zwecke der Umwälzung zurückgeleitet.
Im Halsabschnitt 18 der Venturi-Düse erzeugt der zerstäubte flüssige Brennstoff, der aus der Düse 21 austritt,
einen Strahleffekt oder einen Saugeffekt, der einen Druckabfall zur Folge hat und eine Mitführung
oder Mitreißung oder Umwälzung der heißen Verbrennungsgase bewirkt, die vom Ausgang der Rückführleitungen 20
mitgenommen werden. Auf diese Weise wird eine Vorverdampfung des zerstäubten Brennstoffes erreicht, ehe
die Mischung in die Verbrennungszone in der Austrittsebene
19A des Diffusorabschnitts 19 eintritt.
Der Halsabschnitt 18 der Venturi-Düse, in welchem die umgewälzten heißen Verbrennungsgase mitgerissen werden,
bildet somit eine Mischzone zur Vorverdampfung des zerstäubten Brennstoffes, wobei die Rate oder Stärke der
Mitführung in dieser Zone durch die Strömungsrate oder Strömungsmenge durch die Düse 24 gesteuert wird, ferner
durch deren axiale Position, das Flächenverhältnis der Düse zum Halsabschnitt der Venturi-Düse sowie durch die
verfügbare Druckdifferenz im Diffusor und durch die Abmessungen der Umwälzkanäle. Nach Beendigung des Verbrennungsprozesses
wird das Verbrennungsgas aus dem
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Brenner an der Ausgengsebene 12A des inneren Gehäuses
ausgetragen.
Der Brenner nach Pig. 1 gewährleistet eine hochwirksame
Verbrennung über einen weiten Rückdrehbereich, wobei also der Brenner mehr oder weniger zurückgedreht ist, eine blaue Flamme, bietet einen ■verschmutzungsfreien
Betrieb unter allen Betriebsbedingungen, wobei durch die Umwälzung des heißen Verbrennungsgases
eine Vorverdampfung des zerstäubten Brennstoffes über den gesamten Betriebsbereich beibehalten
wird.
Bei bekannten Brennern, in denen das Verbrennungsgas umgewälzt wird, wird der Verbrennungsluftstrom stromaufwärts
in Richtung zur Verbrennungszone durch die Venturi-Büse
gerichtet, während bei der vorliegenden Erfindung diese
Luft direkt in die Verbrennungszone eingeführt wird, und die Strahlwirkung wird von dem luft-zerstäubten Brennstoff
abgeleitet, der aus der Strahldüse in die Venturi-Düse strömt.
Obwohl der Verbrennungsgasdruck, der durch den gezündeten
Brennstoff in der Verbrennungszone erzeugt wird, sowohl stromaufwärtige als auch stromabwärtige Komponenten
hat, die Momente oder Schubkräfte erzeugen, ist bei den bisherigen Brennern die stromabwärtige
Komponente mehr oder weniger ausgeglichen durch die Gegenkraft des stromaufwärts gerichteten Verbrennungsluftstromes.
Bei der vorliegenden Anordnung ist eine solche Gegenkraft nicht vorgesehen und ein beträchtlicher
Rückdruck wird erzeugt, der einen Teil des heißen Verbrennungsgases in die Rückführleitungen
treibt. Dieser Rückdruck ist weniger wesentlich am
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unteren Ende des Betriebsbereiches, wenn die Rate oder Menge der Verbrennungsluft, die in die Verbrennungszone
eingeführt wird, sich auf ihrem unteren Wert befindet, aber der Strahl- oder Saugeffekt der Düse am unteren Ende
des Bereiches reicht aus, um eine gute Rückführung der heißen Verbrennungsgase zu gewährleisten.
Bei der vorliegenden Anordnung wird ferner bei schwacher
Feuerung innerhalb des Betriebsbereiches das Massenverhältnis von Luft zu Brennstoff in der Düse hochgehalten,
vorzugsweise über 10:1. Dies gewährleistet eine ausgezeichnete Zerstäubung und eine gute ' Versorgung mit
mitgerissenem heißem Verbrennungsgas zur Förderung der
Vorverdampfung des zerstäubten Brennstoffes.
Bei starker Feuerung ist das Verhältnis von Luft zu Brennstoff in der Düse niedrig, annähernd etwa 1,5 bis 1, abhängig
von dem Speisedruck. Trotzdem ist aber unter diesen Bedingungen die Umwälzung des Verbrennungsgases völlig
ausreichend, um eine Vorverdampfung des zerstäubten Öles zu bewirken, da die Zunahme der BrennstoffStrömungsrate
oder Strömungsmenge die Saugwirkung der Zerstäubungsdüse erhöht.
Durch die vorliegende Anordnung wird auch ein besseres Diffusor-Verhalten erreicht, da die G-eschwindigkeiten in
den Kanälen niedrig sind und da die Umwälzung an der Austrittsebene eingeleitet wird, ist die Strömungsstabilität höher.
Erste Modifikation des Brenners
In einigen Beispielen kann es erwünscht sein, sowohl einen gasförmigen als auch einen flüssigen Kohlenwasserst off «Brennst off zu verwenden. Der erfindungsgemäße
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Brenner kann auch für gasförmige Brennstoffe verwendet
werden gemäß der Modifikation nach Mg. 2. In dieser Ausführungsform wird gasförmiger Brennstoff
durch ein Einlaßrohr 28 zu einem Verfceilerring 29 geführt, der eine kreisförmige Gruppe von
Strahlöffnungen 30 "besitzt, um den gasförmigen Brennstoff in den Halsabschnibt 18 der Venturi-Düse
einzuführen, um eine Mischung mit dem zerstäubten flüssigen Brennstoff zu "bewirken, der durch eine
Düse 31 austritt, die koaxial innerhalb des Ringes 29 angeordnet ist.
Die Mischung aus gasförmigem Brennstoff und zerstäubtem flüssigen Brennstoff strömt dann durch
die Venturi-Düse in die Verbrennungszone, aus der
ein Teil des heißen Gases in der oben beschriebenen Weise umgewälzt wird, um den luft-zerstäubten flüssigen
Brennstoff vorzuverdampfen. Da eine Vorverdampfung des gasförmigen Brennstoffs bei der Ausführungsform
nach Pig. 2 nicht erforderlich ist, kann die Stärke der Heißgasumwälzung und Mitführung
reduziert werden entsprechend den Strahlwirkungen, die anhand von Pig. 1 beschrieben wurden,
in der Praxis kann diese Ausführungsform auch nur mit Gas betrieben werden.
Wie oben ausgeführt, hängt die Stärke oder Menge der Mitführung in der Mischzone innerhalb des Halsabschnittes
18 der Venturi-Düse von mehreren Paktoren ab einschließlich der axialen Position der Düse relativ
zu dem Halaabschnitt. In der Anordnung nach Pig. 3 ist die Düse 32, die zentral an der hinteren
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Wand 16 des äußeren Gehäuses angeordnet ist, axial
bezüglich des Haisahschnittes 18 verschiebbar oder verstellbar, so daß die Düse auf den Halsabschnitt
zu oder von ihm wegbewegt und verstellt werden kann, wodurch eine Modulierung der Verbrennungsgas-Umwälzungs-Menge
ermöglicht wird.
Bei der Ausführungsfarm nach Fig· 3 wird die Düse 32
mit flüssigem Brennstoff und Zerstäubungsluft über einen Verteiler 33 gespeist, innerhalb welchem sie
verschiebbar montiert ist. Der flüssige Brennstoff wird dem Verteiler 33 über eine Brennstoffspeiseleitung
34 zugeführt, wobei überschüssiger Brennstoff über eine Überlaufleitung 35 zum Vorrat zurückgeleibet
wird. Die Zerstäubungsluft wird dem Verteiler 33 über eine Luftspeiseleitung 36 zugeführt. Bei dieser modifizierten
Ausführungsform kann man somit die Position der Düse 32 relativ zur Venturi-Düse axial einstellen,
um die Strömungsmenge des umgewälzten heißen Verbrennungsgas es zu variieren.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 wird der luft-zerstäubte
flüssige Brennstoff in eine Verbrennungszone über eine Gruppe von mehreren Venturi-Modulen zugeführt,
von denen nur zwei (die Module 38 und 39) innerhalb des hinteren Abschnittes des äußeren Gehäuses gezeigt sind.
Jedes Venturi-Modul ist praktisch gleich der Venturi-Düse
nach Fig» 1 und es umfaßt die erforderlichen Rückführleitungen,
durch die das heiße Verbrennungsgas aus der Verbrennungszone in den verengten Halsabschnitt
zurüekgeleitet wird, um den zerstäubten flüssigen Brennstoff in der oben beschriebenen Weise vorzuverdampfen.
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Diese Ausführungsform mit mehreren Venturi-Düsen und
modularem Aufbau vergrößert die Kapazität des Brenners. In dieser Ausführungsform sind die Yenturi-Module um
eine zentrale Wabe 40 angeordnet, die in die Verbrennungszone 57 vorsteht und mit Öffnungen am Umfang versehen
ist, um Verbrennungsluft in diese Zone einzuführen. Die Verbrennungsluft tritt somit in die Verbrennungszone
ein und zwar nicht nur durch die Luftzufuhrkammer 14 zwischen dem inneren und äußeren Gehäuse
10, 11, sondern auch über die zentrale Habe DerVorteil dieser Anordnung liegt darin, daß der vorverdampfte
flüssige Brennstoff, der aus dem Diffusorabschnitt der verschiedenen Venturi-Module austritt, in
der Verbrennungszone durch Verbrennungsluft abgefangen
oder aufgefangen wird, die aus allen Eichtungen kommt, statt nur aus der Kammer 14.
Mit dieser Ausführungsform mit mehreren Venturi-Düsen und mehreren Injektionsstellen zum Einführen des zerstäubten
Brennstoffes kann man bestimmte Brennstoffinjektoren
intermittierend betreiben unter Verwendung einer gemeinsamen Quelle für Verbrennungsluft.
In den Ausführungsformen nach den Pig. 1 bis 4 führen die Rückführleitungen 20 das heiße Verbrennungsgas
zum Halsabschnitt 18 der Venturi-Düse direkt durch Öffnungen in diesen Abschnitt ein. Eine leistungsfähigere
Rückführanordnung ist in Fig. 5 gezeigt, in welcher der Halsabschnitt 18 durch einen ringförmigen
Mantel 41 umgeben ist, um eine gemeinsame Verteilungskammer zu bilden, mit der die Auslässe eller Rückführ-
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leitungen 20 verbunden sind. Der Halsabschnitb 18
hat in Umfangsrichtung ein Gruppe von Löchern 42
für die Zufuhr des heißen Verlorennungsgases auf
den Verteiler, das von den Rückführleitungen kommt.
Bei der Anordnung nach den Fig. 1 bis 5 werden die
gesamten umgewälzten heißen VerTorennungsgase in den
Halsabschnitt 18 der Venturi-Düse eingeleitet. Zur Steigerung der Umwälzung und zur Verbesserung der
Arbeit des Diffusorabschnittes 19 der Venturi-Düse
zeigt Fig. 6 eine modifizierte Ausführungsform, in der eine axiale Abstufung der Rückführleitungen für
die Umwälzung vorgenommen wurde.
Dies wird erreicht durch eine erste Rückführleitung 20,
die das heiße Verbrennungsgas in den Halsabschnitt richtet zur Vorverdampfung der zerstäubten Flüssigkeit, die durch diesen strömt sowie eine zweite Rückführleitung
20% die das heiße Verbrennungsgas in den Diffusorabschnitt 19 der Venturi-Düse einleitet,
um dadurch eine vollständige Vergasung des Brennstoffes zu bewirken, ehe dieser an der Diffusoraustrittsebene
19A in die Verbrennungszone eintritt.
Sechste Brennermodifikation
In der Ausführungsform nach Fig. 1 wird Sie relativ kalte Verbrennungsluft durch d©s Einlaßrohr 26 eing|L©itet,
das an dem hinteren Abschnitt des'G-ehausss
des Brenners sngnschlosson lot» In oinigon Fällen kann
©s erxtfünsGht sein, dieso kolto Verbrennungsluft mit
warmem Gos zu mischon, dos von der Abgasleitung entnommen
wird, öio außon mit dem Brennor gekoppalt ist.
09840/0910 ORIGINAL INSPECTED
Hierzu wird, wie Fig- 7 zeigt, das Luftrohr 2C an
seiner Verbindung mit dem äußeren Gehäuse 10 mit einem Venturi-Durchgang 43 ausgestattet und das Abgas
wird in diesen Venturi-Kanal über ein Steuerventil 44 am Einlaßrohr 45 eingeführt. Der Venturi-Kanal
im Luftrohr 26 dient somit dazu, das Abgas in dieses hereinzuholen.
In der Grundausführung des Brenners nach Pig. 1 wird eine Venturi-Düse verwendet, die in dem hinteren Abschnitt
des äußeren Gehäuses 10 angeordnet ist und eine Mehrzahl von Rückführleitungen führen heißes Verbrennungsgas
in den Halsabschnitt der Venturi-Düse. Mit der Ausführiingsform
nach der Pig. 8 ist anstelle von mehreren Rückführleitungen die Venturi-Düse, die aus Einlaß-,
Hals- und Auslaßabschnitten 17,18 und 19 besteht, aus einem hitsefesten Material hergestellt. Diese Venturi-Düse
ist von einer Rückführkammer 56 umgeben, die aus einem inneren Hilfsgehäuse 47 gebildet ist, das konzentrisch
im hinteren Abschnitt des äußeren Gehäuses 10 angeordnet ist. Die Rückführkammer 46 steht in Verbindung
mit der Verbrennungszone 13 über eine Öffnung in der Zwischenwand 11, die das äußere Gehäuse teilt.
In dieser modifizierten Ausführungsform bildet der Raum zwischen dem äußeren Gehäuse 10 und dem inneren Hilfsgehäuse
47 eine Hilfs-Luftzufuhrkammer 49, die eintretende
Verbrennungsluft aus der Einlaßleitung 16 aufnimmt und diese Luft der Haupt-Luft^ufuhrkammer
über Öffnungen 27 in der Zwischenwand 11 zuführt. Das innere Gehäuse 4-7, das durch das umgewälzte heiße Verbrennungsgas
erwärmt wird, wird durch den Strom der
Verbrennungsluft, Si® diese Wärm© abführt, gekühlt»
H09i40/0918
Der Aufbau äes Brenners wird dadurch vereinfacht, in jeder anderen Hinsicht arbeitet er jedoch in
derselben Weise wie der Brenner nach Pig. 1, bei der das heiße Verbrennungsgas zum Hals 18 der Venturi-Düse
zurückgeführt und durch die Saugwirkung in diese hineingezogen und mitgerissen wird, die durch den Austritt
des zerstäubten flüssigen Brennstoffes aus der Düse 24 hervorgerufen wird.
Die Brenner nach den Fig. 1 bis 8 arbeiten über einen
breiten Betriebsbereich und eignen sich insbesondere als Brenner mit hoher Kapazität für industrielle Zwecke.
In den meisten kommerziellen und häuslichen Anlagen besteht die Forderung nach einem Brenner mit niedriger
Kapazität, der in Ein-Aus-Weise arbeitet, gesteuert beispielsweise durch einen Thermostaten im Haus, so daß
der Brenner entweder mit seiner normalen Kapazität arbeitet oder vollständig abgeschaltet ist.
Bei solchen Anlagen mit niedriger Kapazität spielen die Probleme beim Zurückdrehen des Brennerbetriebes
keine Rolle. Fig. 9 zeigt einen Brenner mit niedriger Kapazität, der einen niedrigen äußeren Systemrückdruck
hat und die Strahlwirkung der Zerstäubungsdüse 24 in der in Fig. 1 beschriebenen Weise ausnutzt.
Der zerstäubte Brennstoff wird durch eine Venturi-Düse geführt, die im hinteren Abschnitt des äußeren Gehäuses
10 angeordnet ist. In. diesem Beispiel ist jedoch das
innere Gehäuse 12 nicht mit Öffnungen versehen, um die Verbrennungsluft in die Verbrennungszone 13 zu
führen., noch wird die erforderliche Verbrennungsluft von dem üblichen Sekundärgebläse od.dgl. erhalten.
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Statt, dessen wird verbrennungsluft aus der Umgebungsluft, die das äußere Gehäuse 10 umgibt, eingeführt
und diese Luft strömt durch eine geeignete Regeleinrichtung 50, die außen an diesem Gehäuse angeordnet
ist.
Die eingeleitete Luft strömt in die Luftzufuhrkammer
und von dort tritt sie durch eine Öffnung 27 in der
Wan ei 11 in der durch Pfeile angezeigten Richtung in
eine üückführkammer 51 ein, die die Venturi-Düse umgibt,
die im hinteren Abschnitt des Brenners angeordnet ist. Ein Teil des heißen Verbrennungsgases aus der Verbrennungszone
13 wird der Rückführkammer 51 über Öffnungen 52 in der Wand 11 zugeleitet,
domit wird in die Rückführkammer' 51 sowohl heißes Verbrennungsgas
aus der Verbrennungszone 13 und Verbrennungsluft
aus der Luftzufuhrkammer 14 zugeführt, wobei
diese Luft durch die Wärmeübertragungseigenschaften des äußeren Gehäuses 10 gekühlt wird. Dieses Gemisch aus
heißem Verbrennungsgas und Verbrennungsluft wird in den
Halsabschnitt 18 in der Venturi-Düse über Löcher in diesen eingesaugt infolge der Saug- oder Strahlwirkung der
Düse 24, wobei der zerstäubte Brennstoff durch dieses umgewälzte heiße Gas vorverdampft wird.
Nachfolgend wird der Luft zerstäuber beschrieben.
Pig. 10 zeigt eine Zerstäuberdüse für einen flüssigen Brennstoff mit einem inneren Verteiler zur Erzeugung
einer Luftschubwirkung auf den inneren Kern und auf den Außenumfang des flüssigen Brennstoffes, der zerstäubt
werden soll, ehe er in die Venturi-Düse des Brenners eingespritzt wird. Dieser Zerstäuber ist,
- 20 809840/0919
obwohl er eine bevorzugte Ausführungsform einer Zerstäuberdüse
für Brenner nach der Erfindung darstellt, in seiner praktischen Anwendung nicht auf Brenner
dieser Art "beschränkt, sondern kann mit anderen Brennern verwendet werden, "bei denen ein hoher Zerstäubungsgrad
erwünscht ist.
Der Zerstäuber hat ein zylindrisches Gehäuse 53 mit einer mit Innengewinde versehenen Längsbohrung. Eine
Kupplung 54 für die Zerstäubungsluft ist in das Gehäuse
eingeschraubt und erstreckt sich axial von dessem hinteren Ende aus. In dem G-ehäuse 53 ist ferner
ein zylindrischer Luftverteiler 56 eingeschraubt und
durch eine Kontermutter 55 arretiert. Das vordere Ende
53A des Gehäuses 53 ist mit einem Außengewinde versehen, um die Montage der Düse und die Einstellung
ihrer axialen Position zu erleichtern, beispielsweise an der hinteren Wand 16 des Brenners nach Fig. 1. Die
eingestellte Position der Düse wird durch eine Mutter 57 fixiert und arretiert. Vom vorderen Ende des Gehäuses
53 erstreckt sich ein konischer Ansatz 58 nach vorn, der einen reduzierten Durchmesser hat und aus
dem das Gemisch aus zerstäubtem Brennstoff und Luft austritt.
Innerhalb des Gehäuses 53 ist ein ringförmiger Kanal ausgebildet, der einen Verteiler für den zugeführten
flüssigen Brennstoff bildet und den Luftverteiler 56 umgibt. Dieser Verteiler führt Brennstoff über radiale
Kanäle 60 zu einem längsverlaufenden zentralen Luftkanal 56A, der in dem Luftverteiler ausgebildet ist.
In diesem ist ferner eine kreisförmige Gruppe von sekundären Luftkanälen 56B ausgebildet, die den zentralen
Luftkanal umgeben. Die längsverlaufenden Luftkanäle
56B dienen der Zuführung von Zerstäubungsluft
- 21 809840/0919
in eine zweite iiU ft kammer 61, die durGh. den Raum innerhalb
des G-ehiluses 53 zwischen dem vorderen Ende des
Luf tvertellers 56 und dem vorderen iinde des Gehäuses
gebildet ist.
Der flüssige Brennstoff wird dem Brennstoffverteiler 59
über eine Zuführeinrichtung 62 zugeführt, der einen seitlichen
üjrilaS 63 "besitzt, der an eine Brennstoffspeisequelle
angeschlossen ist, und die ferner einen axialen Auslaß CA aufweist, mit dem eine Überlaufleitung verbunden
ist, um überschüssigen Brennstoff zum Vorrat zurückzuführen.
Im Betrieb wird flüssiger Brennstoff, der dem Verteiler zugeführt und durch die radialen Brennstoffkanäle 60 in
den zentralen Luftkanal 5^A im Luftverteiler eingeleitet
wird, an der Wand dieses Luftkanales zerstäubt infolge
der turbulenten Wechselwirkung des eintretenden Brennstoffes und der vorwärtsströmenden Luft.
Die Mischung aus Brennstoff und Luft tritt am Ausgang des zentralen Luftkanals 56A aus und wird in eine zentrale
Mischzone 65 geführt, die in dem konischen Raum zwischen dem Austritt aus diesem Kanal und der Klassieröffnung 66 in Flucht mit diesem gebildet ist. Durch die
öffnung wird der zerstäubte Brennstoff in eine sich nach auswärts erweiternde zentrale Bohrung CT eingeleitet,
die im Ansatz 58 des G-ehäuses ausgebildet ist. In der Mischzone 65 wird der Randbereich oder Umfängstereich
des zerstäubten Brennstoffstromes, der aus dem zentralen Kanal 56A austritt, der turbulenten Kraft der
Luft in der zweiten Luftkammer 61 ausgesetzt, die diesen zentralen Strom umgibt.
Die Außengrenze oder der Außenbereich des Brennstoff-Luftgemisches,
das aus dem Austritt des zentralen Kanales
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5 SA austritt, wird somit der zweiten Zerstäubungsluft ausgesetzt und wird dadurch weiter zerstäubt,
so daß eine interne und eine externe' Zerstäubung in dem Gehäuse 53 vorgenommen wird. Der zerstäubte
flüssige Brennstoff, der durch die öffnung 66 und durch die sich erweiternde Bohrung 67 im Abschnitt
58 strömt, tritt aus diesem Abschnitt an der öffnung 68 aus, die eine scharfe Kante hat, wodurch eine
Strömungsdiskontinuität erzeugt wird, die die Turbulenz und die weitere Zerstäubung erhöht.
Pig. 11 zeigt eine vereinfachte Ausführungsform der Düse, die im wesentlichen nach denselben Prinzipien
wie die Düse nach Pig. 10 arbeitet. Anstatt jedoch ein 'Gehäuse zu verwenden, das bearbeitet oder anderweitig
hergestellt werden muß, um einen Brennstoffverteiler und eine zweite Luftkammer zu schaffen, ist
der Luftverteiler 56' bei dieser Ausführungsform so geformt, daß er einen ringförmigen Verteiler 59' bildet,
dem Brennstoff über die Zufuhreinrichtung 62 zugeführt wird, wobei der Brennstoff dem zentralen
Luftkanal 56A über radiale Kanäle 60 zugeleitet wird, wie in der Ausführungsform nach Fig. 10. Die sekundäre
Luftkammer 61 zwischen dem Luftverteiler und dem vorderen Ende des Gehäuses wird durch eineAussparung
und und einen Ansatz 69 gebildet.
Eine Arret jsmutter wird nicht verwendet, weil der Luftverteiler
bei dieser Ausführungsform durch das Kupplungsstück 54 am Platz gehalten ist, dessen vorderes
Ende zum Anschlag am hinteren Ende des Verteilers gebracht werden kann. Eine Abdichtung des
Verteilers wird durch O-Ringe 70 erreicht, die den Verteiler an jeder Seite des Brennstoffverteilerkanales
59' umschließen.
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- 23 -
riodif ikationen der "beschriebenen Ausführungsformen
sind möglich. Beispielsweise kann bei dem Zerstäuber
nach Fig. 10 anstatt einen festen Zusammenhang zwischen dem Luftverteiler 60 und dem Abschnitt
Z'Q zu verwenden,- der Abstand zwischen diesen verstellbar
gehalten werden? um die durch die Düse strömende !"enge des Brennstoff-Luft-Gemisches zu verändern.
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L e e i s e i t e
Claims (12)
- PatentansprücheBrenner für flüssige Brennstoffe, mit im wesentlichen vollständiger "Verbrennung zur Urzeugung einer nicht verschmutzenden blauen Flamme, gekennzeichnet durch ein äußeres Gehäuse mit einem hinteren Abschnitt und einem vorderen Abschnitt, wobei der vordere Abschnitt eine Verbrennungszone hat, in der ein heißes Verbrennungsgas erzeugt wird; eine Venturi-Düse, die im hinteren Abschnitt angeordnet ist und einen Einlaßabschnitt, einen verengten Halsabschnitt und einen l)iffusor-Auslaßabschnitt hat, der sich in die Verbrennungszone öffnet; eine Rückführleitung in dem hinteren Abschnitt, die die Verbrennungszone mit dem Halsabschnitt verbindet, um einen Teil des heißen Verbrennungsgases dem Halsabschnitt zuzuführen;Einrichtungen zum Einspritzen eines luft-zerstäubten flüssigen Brennstoffs mit ausreichendem Schub in den Einlaßabschnitt der Venturi-Düse in deren axialer Richtung, um eine Strahl- oder Saugwirkung zu erzeugen, um diesen Teil des heißen Verbrennungsgases aus der Rückführleitung in den Halsabschnitt mitzureissen, um den zerstäubten Brennstoff vorzuverdampfen, um eine volle Verbrennung in der Verbrennungszone zu erreichen;ferner durch eine Quelle für Verbrennungsluft und Einrichtungen, die mit dieser Quelle verbunden sind, um im wesentlichen die gesamte Verbrennungsluft direkt in die Verbrennungszona in eineRichtung einzuführen, die bezüglich der axialen Richtung geneigt ist, um mit dem zerstäubten Brennstoff zu reagieren, um das heiße Verbrennungsgas in der Verbrennungs~ zone zu erzeugen und um einen Rückdruck in der- 25 09840/091 %OHO»·* INSPECTEDRückführleitung su erzeugen, um die Saugwirkung zu steigern.
- 2. Brenner nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein inneres G-ehäuse, das konzentrisch im. äußeren Gehäuse angeordnet ist, um in dem Raum zwischen ihnen eine Luftzufuhrkammer für Verbrennungsluft zu bilden, wobei das innere G-ehäuse mit öffnungen versehen ist, um die Verbrennungsluft der Yerbrennungszuzuführen.
- J). Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der hintere und der vordere Abschnitt durch eine Zwischenwand im äußeren Gehäuse begrenzt sind und daß die Verbrennungsluft aus dem Vorrat in einen Bereich eingeführt wird, der die Venturi-Dü&e' im hinteren Abschnitt umgibt und von dort aus zur Luftzufuhrkammer durch Öffnungen in der Zwischenwand.
- 4. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführleitung durch wenigstens eine Rohrleitung gebildet wird, die im hinteren Abschnitt angeordnet ist und sich zwischen der Verbrennungszone und einer öffnung im Halsabschnitt der Venturi-Düse erstreckt.
- 5« Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Einlaßabschnitt der Venturi-Düse eine Öffnung vorgesehen ist, um eine relativ kleine Menge an Verbrennungsluft aus diesem Bereich in die Venturi-Düse einzuführen.- 26 809840/0919I/O ί.Μ:·: - - ■ -
- 6. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichneb, daß der Zerstäuber aus einer Düse besteht, die einen Eingang für flüssigen Brennstoff und einen Eingang für Zerstäubungsluft aufweist, wobei die einbretende flüssigkeit und die Luft im Innern der Düse gemischt werden, um den luft-zerstäubten flüssigen Brennstoff zu bilden.
- 7. Brenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse von einem. Ring umgeben ist, der Straulöffnungen besitzt, aus denen ein gasförmiger Brennstoff ausgetrieben wird zur Mischung mit dem zerstäubten flüssigen Brennstoff,
- 8. Brenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse axial relativ zum Einlaßabschnitt der Venturi-Düse verschiebbar ist, um die Saugwirkung einzustellen.
- 9. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse innerhalb eines Verteilers angeordnet ist, dem der flüssige Brennsboff und die Zerstäubungsluft zugeführt werden.
- 10. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführleitung durch eine Vielzahl von Rohrleitungen gebildet ist, von denen jede in einem Verteiler endigt, der Öffnungen in dem Halsabschnitt umgibt.
- 11. Brenner nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Einrichtungen, um der Verbrennungsluft, die in die Verbrennungszone eingeführt wird, Abgas zuzugeben, das von einer Abgasleitung außerhalb des Brenners abgenommen wird.- 27 809840/0919BAD ORIGINAL•I..
- 12. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführleitung Einrichtungen aufweist, um einen Teil des heißen Verbrennungsgases, das aus der Verbrennungszone abgezogen wird, in den Diffusorabschnitt der Venturi-Düse einzuführen.13- Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von gleichen Venturi-Düsen im hinteren Abschnitt angeordnet sind, von denen jede mit Brennstoffeinspritzeinrichtungen zusammenwirkt, um eine Mehrzahlvon Strömen von vorverdampftem Brennstoff in die Verbrennungszone zu richten.14· Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Venturi-Düse im hinteren Abschnitt des äußeren Gehäuses von einem inneren Hilfsgehäuse umgeben ist, um eine Rückführkammer zu bilden, die in Verbindung mit der Verbrennungszone steht und an Öffnungen im Halsabschnitt der Venturi-Düse angeschlossen ist.809840/0910
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