DE2946028A1 - Geblaesebrenner zum verbrennen fluessiger kohlenwasserstoffe - Google Patents

Description

Gebläsebrenner zum Verbrennen flüssiger Kohlenwasserstoffe

Die Erfindung betrifft einen Gebläsebrenner, mit dem flüssige Kohlenwasserstoffe als Brennstoff in einer stabilen, blauen Flamme verbrannt werden, vorzugsweise zum Aufheizen von Flüssigkeiten, insbesondere in Warmwasser-Heizanlagen.

Üblicherweise befindet sich ein solcher Brenner am Verbrennungsende einer Brennkammer und weist ein zylindrisches Rohr auf, das an seinem Hinterende trichterartig erweitert sein kann. Der Brennstoff wird als Sprühstrahl in die Brennkammer hinein versprüht, und es wird unter einem gewissen Druck Luft durch das Rohr in die Brennkammer eingeblasen. Außerdem sind Abschirmungen in der Brennkammer vorhanden, um die herum ein Teil der Verbrennungsgase zum Hinterende des zylindrischen Rohres zurückgeführt werden.

Versuche an diesen zumindest teilweise erfolgreichen Bronnern haben gezeigt, daß er empfindlich auf die Brennstoffzusammensetzung und auf Veränderungen an der Sprühdüse reagiert, was zu zwei voneinander unabhängigen Erscheinungen führt. Zum einen bilden sich an der den Luftzustrom regulierenden Platte am Brennerhinterende Rußansammlungen, was u. U. zu einem Kurzschluß an den Zündelektroden und damit zu einer Sicherheitsabschaltung des Brenners führen kann. Zum zweiten erlosch die Flamme häufig wieder, insbesondere bei Kaltstarts. Letzteres spielt sich so ab, daß der Brenner startet, daß die Flamme während des Überganges vom Gelbzustand in den blauen Brennzustand erlischt und daß in einer sehr brennstoffangoreichterter. Umgebung dann erneut gezündet wird, was häufig zu explosionsartigen Verbrennungen und damit zur Gefahr (3er Beschädigung der Anlage führt.

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Die Rußablagerungen sind prinzipiell auf die Rückführung der Verbrennungsgase zurückzuführen, die einen hohen Anteil unverbrannter Kohlenwasserstoffe führen, und die Wirkung geringer Wirbelströme, welche Brennstoff in das zylindrische Rohr hineinziehen. Die Rezirkulation unverbrannter Kohlenwasserstoffe ist dann wieder zum Teil maßgebend für unkorrekten Strömungsverlauf der Verbrennungsluft im Anfangsflammenbereich, was zu einer stöchiometrisch hoch angereicherten Flammenkühlzone führt. In ähnlicher Weise wird der besonders hohe Anteil unverbrannter Kohlenwasserstoffe in dem zurückgeführten Gas zum Teil durch die öffnung zwischen der Abschirmung und dem Rohr hervorgerufen, durch die hindurch eine Rezirkulation von stöchiometrisch besonders hoch angereicherten Gasteilen aus diesem Flammenbereich möglich ist. Außerdem nimmt der Anteil unverbrannter Kohlenwasserstoffe besonders stark zu, wenn die Versprühung des Brennstoffes schlechter wird, was beispielsweise bei einer allmählichen Verschlechterung der Düse oder bei Nebenluft geschehen kann, oder wenn die aromatischen Anteile im Brennstoff zunehmen.

Einzelheiten über bekannte Gebläsebrenner können im übrigen den U.S.-Patentschriften 3 399 022, 3 545 902, 3 597 134 und 3 652 194 oder 3 741 166 entnommen werden.

Der erfindungsgemäße Gebläsebrenner zielt darauf ab, die vorstehend genannten Nachteile zu überwinden, weshalb er mit einem Diffusor ausgerüstet ist, der zwischen seinem Eintritts- und seinem Austrittsende einen verengten Abschnitt hat. Der von der Brennstoffdüse abgegebene Sprühstrahl ist auf das Austrittsende des Diffusors hin gerichtet. In Strömungsrichtung vor dem Eintrittsende des Diffusors wird Luft mit einem gewissen Druck in Richtung auf das Eintrittsende hin, das auch das Diffusor-Hinterende ist, geblasen. Das Diffusor-Vorderende oder auch Austrittsende ist in die Brennkammer hinein gerichtet, und in dieser sind Vorrichtungen enthalten, die einen RUckführungspfad für einen Teil der Verbrennungsgase aus der Brennkammer zum Diffusorhinterende hin bilden.

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Genauer gesagt befindet sich das Diffusor-Austrittsende im Brennbereich der Brennkammer, so daß der Bereich zwischen Diffusor und dem Abschnitt der Brennkammer, der den Diffusor umgibt, den Rückführungspfad bildet, während die Düse selbst innerhalb des Diffusors liegt, und zwar in Strömungsrichtung vor der Stelle seiner stärksten Verengung. Die unter Druck stehende Verbrennungsfrischluft wird vorzugsweise einfach durch ein Rohr in die Brennkammer hineingeleitet, das eine Endplatte aufweist, in der sich mehrere öffnungen befinden, die dem Diffusoreintrittsende gegenüberliegen, während der Luftstrom in das Rohr hinein geblasen wird. Der Brenner besitzt weiterhin ein Zündelektrodenpaar, die sich im Unterdruckbereich des Diffusors nahe der Brennstoffdüse jedoch außerhalb des von der Düse abgegebenen Sprühstrahls befinden.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist die Brennkammer einen Bereich mit verringertem Durchmesser am Brennkammerende, an dem die Verbrennung stattfindet, auf, und der Brenner befindet sich mit dem Eintrittsende des Diffusors in diesem Bereich, axial mit ihm ausgerichtet, während seine Austrittsöffnung in die Brennkammer hinein gerichtet ist. Für diesen Fall sind ringförmige Abschirmungen vorgesehen, die das Diffusor-Austrittsende umgeben und einen Abstand von den Brennkammerwänden einhalten, so daß dadurch ein Rezirkulationspfad gebildet wird, über den ein Teil der Verbrennungsgase dem Eintrittsende des Diffusors zugeleitet wird. Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der Diffusor zur Gänze stromab dieses Bereichs der Brennkammer mit verringertem Durchmesser angeordnet, so daß in diesem Fall die Abschirmungen unnötig sind und als Rezirkulationspfad die Zone zwischen Diffusor und Brennkammerwand dient.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Brenners wird auf der Austrittsseite des Diffusors in der Brennkammer eine stabile blaue Flamme erzeugt. Durch die erfindungsgemäße Brennerkonstruktion wird die Strömungsbahn der Verbrennungsluft so geändert, daß eine "innere" Verbrennungsgas-Rezirkulation

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nicht mehr stattfindet, und erhöht das stöchiometrische Verhältnis entlang der Flammenhüllfront, was seinerseits wieder den "unverbrannten Kohlenwasserstoffanteil an der Stelle vermindert, an der die Verbrennungsgase für die Rezirkulation abgezogen werden. Außerdem verringern die abgewandelten ElektrodenStellungen die Wahrscheinlichkeit, daß der Zündlichtbogen und der Strom der öltröpfchen sich gegenseitig beeinflussen, so daß dadurch keine Verwirbelungen oder Wirbelbahnen am Oiffusor-Austrittsende hervorgerufen werden können.

Es ist bekannt, daß die Zündgeschwindigkeit von Gasen am höchsten ist, wenn das stöchiometrische Verhältnis sich dem Nert "1" nähert, und mit der bekannten Konstruktion, die den größten Teil der Verbrennungsluft in die Mitte des Sprühkegels richtet, wird dieser günstige Wert der stöchiometrlschen Verteilung im Flammenhüllbereich stark unterschritten. Mit dem Diffusor dagegen erzielt man, daß mehr Luft in den Flammenhüllbereich gelangt, ohne daß der Luftanteil zu groß wird, was Selbstentzündung verursachen könnte, so daß der Stabilitätsbereich des Brenners verbessert ist. Die Verbesserung wird dadurch erzielt, daß aufgrund der Form des Diffusors ein Teil der Verbrennungsluft entlang der sanft gekrümmten Innenfläche strömt und sich dadurch die Luft gleichmäßiger über den gesamten Flammenbereich verteilt. Der Diffusor verringert auch die Geschwindigkeit des Gases in axialer Richtung, was einmal seiner Gestalt, zum anderen aber auch der größeren Durch^-tritts-Querschnittsfläche im Verhältnis zu der der bekannten zylindrischen Rohre zuzuschreiben ist. Das Ergebnis ist eine aerodynamisch festgelegte Flammfront aufgrund der verringerten Geschwindigkeit des Gases in axialer Richtung und eine erhöhte Flammgeschwindigkeit wegen der verbesserten Frischluftverteilung.

Der Diffusor vergrößert auch den Grenzwinkel zwischen Luft und Brennstoff in der Primärverbrennungszone, was zu einer schnelleren Brennstoffaufbereitung führt, wodurch wiederum die Tröpfchenverweildauer in der Primärzone abgekürzt und die räumliche Größe dieser Zone verringert wird.

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Zusammengefaßt wird also mit der Erfindung ein Brenner geschaffen, der in der Brennkammer eines Ofens oder Kersels flüssigen Kohlenwasserstoff-Brennstoff verb rennt und dabei eine stabile blaue Flamme hervorbringt. Der Brenner besitzt einen Diffusor mit einer Verengungsstelle zwischen seinen beiden Enden. Die Brennstoffdüse bildet einen Sprühstrahl, der auf das stromab liegende Austrittsende des Diffusors hin gerichtet ist, während mit Druck Verbrennungsluft vom Hinterende her auf den Diffusor geblasen wird. Der Diffusor ist auf die Brennkammer hin gerichtet, und ein Rückführungsoder Rezirkulationspfad leitet einen Teil der Verbrennungsgase zum stromauf liegenden Ende des Diffusors, wo diese Gase vom Luftstrom in den Diffusor hineingerissen werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung an einigen Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 im Längsschnitt eine vereinfachte Darstellung einer Brenneranordnung herkömmlicher Form;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners;

Fig. 3 eine Darstellung wie Fig. 2 von einem zweiten Ausführungsbeispiel;

Fig. 4 eine Draufsicht auf Düse und Elektrodenanordnung des Brenners; und

Fig. 5 die Düsen- und Elektrodenanordnung nach Fig. 4 in der Seitenansicht.

Der in der Fig. 1 mit 10 bezeichnete Brenner wird von einer Trägerplatte 12 in einer Brennkammer 14 gehalten, die durch eine zylindrische Wand gebildet wird. Der Brenner 10 besitzt ein Luftzuführrohr 18, das in die Platte 12 eingesetzt ist, die an einem zylindrischen Fortsatz 19 von gegenüber der Wand 16 vermindertem Durchmesser befestigt ist, wobei das Vorderende des zylindrischen Fortsatzes 19 mit dem Hinterende der Kammerwand 16 durch eine ringförmige Endplatte 20 miteinander verbunden sind.

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Der Brenner hat eine Brennstoffzuführleitung 22, die durch das Luftrohr 18 hindurch verläuft und aus einer Luftbemessungsplatte 24 hervorsteht, welche am Ende des Rohres 18 befestigt ist. Die Brennstoffleitung 22 ist von einer Düse 26 abgeschlossen, die einen Sprühstrahl aus feinen Brennstofftröpfchen in Richtung auf die Brennkammer 14 abgibt. Ein Paar von Elektrodenstäben erstreckt sich ebenfalls durch das Rohr 18 und die Endplatte 24 hindurch, und die Elektrodenspitzen nähern sich einander nahe der Sprühdüse 26, um den Brennstoffstrahl zu entzünden.

Es sei bemerkt, daß die Brennstoffdüse koaxial in der Brennkammer sitzt und von einem Rohrstutzen 28 umgeben ist, der an seinem dem Brenner zugewandten Hinterende 30 etwas erweitert ist, und daß die Luftbemessungsplatte 24 mehrere öffnungen 32 auf einem Kreisring besitzt. Schließlich ist in koaxialer Ausrichtung zur Brennkammer 14 darin eine scheibenringförmige Abschirmung 33 gehaltert, deren Mittelöffnung mit geringem Abstand das stromab liegende Ende des Hülsenrohres 28 umgibt.

Bei diesem Brenneraufbau wird ein Sprühstrahl von Brennstoff von der Düse 26 in die Brennkammer abgegeben, während aus den öffnungen 32 in der Platte 24 austretende Luftstrahlen in das Hinterende des HUlsenrohres 28 eintreten und sich mit dem Brennstoff-Sprühstrahl vermischen, so daß dann dieses Gemisch im Flammteil der Brennkammer 14 verbrennt. Ein Teil der Verbrennungsgase wird um die Abschirmung 33 herum gelenkt und kehrt zum Hinterende des Hülsenrohres 28 zurück, wo die Gase dann von dem Verbrennungsluftstrom aus den öffnungen 32 mitgerissen werden. Dieser Brenneraufbau gibt zu den an früherer Stelle aufgeführten Mängeln und Schwierigkeiten Anlass, welche mit den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen beseitigt werden. Die Anordnung nach Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel, bei welchem die Brennkammer im wesentlichen so gestaltet ist, wie in Fig. 1 gezeigt, nämlich mit ihrer Wand 16 und dem Ansatzstutzen 19, der Tragplatte 12 und der Ringwand 20. Das Brennergehäuse 34 ist mit Bolzen lösbar

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an der Tragplatte 12 befestigt, so daß der Brenner leicht ein- und ausgebaut werden kann.

Das Gehäuse 34 enthält in einem unteren Abschnitt 36 ein Gebläse 38, das über geeignete Ansaugöffnungen in bekannter Weise Luft ansaugt, wenn es von einem (nicht dargestellten) Elektromotor in Drehung versetzt wird, der außerdem auch die Brennstoffpumpe antreibt. Der obere Abschnitt 40 des Gehäuses 34 ist im wesentlichen rohrförmig mit einem durch Scharnier verbundenen Deckel 42, auf dem der Zündtransformator 44 sitzt, und einem Befestigungsflansch 46 zum Anbringen des Brenners an der Tragplatte 12 ausgebildet. Der Rohrabschnitt 40 tritt durch die Tragplatte 12 hindurch, wie das Rohr 18 in Fig. 1, und endet in einer Luftregulierplatte 41 mit öffnungen 43 auf einem Umfangskreis. Brennstoff wird in üblicher Weise durch die Brennstoffleitung 48 im Luftrohrabschnitt 40 zu einer aus der Luftregulierplatte 41 vorstehenden Düse 50 geleitet.

Durch keramische Isolierdurchführungen 62 hindurch erstrecken sich Elektrodenstäbe 60 durch die Platte 41 und berühren mit ihren Kontakten 66 Hochspannungsklenunen 68 des Zündtransformators 44 bei geschlossener Deckelplatte 42.

Ein Diffusor 70 mit Zuströmöffnung am Hinterende 72 und Abgabeöffnung am Vorderende 74 sowie einem verengtem Mittelbereich^ 76 besitzt in Strömungsrichtung gekrümmte Wände. Der Krümmungsradius der Schnittlinie der Wand in einer Durchmesserebene beträgt etwa 110 mm, während der Durchmesser des Diffusors an seinen Enden etwa 75 mm beträgt. Gehaltert wird der Diffusor durch in der Zeichnung nicht dargestellte Halterungen, die sich beispielsweise zwischen seinem Hinterende und dem Brennerrohr 40 erstrecken.

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In der Brennkammer ist außerdem eine scheibenringförmige Abschirmung 78 angeordnet, die sowohl von der Brennkammerwand 16 als auch von der Ringwand 20 einen Abstand hat und das Vorderende 74 des Diffusors umgibt. Die Abschirmung 78 bildet gemeinsam mit der Brennkammerwand 16 und der Ringplatte 20 einen Rückführpfad, durch den ein Teil der Verbrennungsgase aus der Brennkammer zum Diffusoreintrittsende zurückgeführt werden, wo sie durch die aus den öffnungen 43 ausströmende Verbrennungsluft in den Diffusor hineingerissen werden.

Im Betrieb wird der mit Druck zugeführte Brennstoff aus der Düse 50 kegelförmig abgesprüht, so daß er in Form von Tröpfchen in die Brennkammer gelangt, während mit Druck Luft vom Gebläse 38 durch das Gehäuserohr 40 aus den Öffnung»i43 in das Diffusor-Hinterende eingeblasen wird, die sich dann mit den Brennstofftröpfchen vermischt. Nach Zündung dieses Gemisches durch die Zündelektroden 60 wird ein Teil der verbrannten Gase zum Hinterende des Diffusors zurückgeleitet, wie dies durch Pfeile in Fig. 2 angedeutet ist. Der mit einer derartigen Rückführung erzielte Vorteil ist dem Fachmann bekannt und in der U.S.-PS 3 741 166 erläutert. Bei den bekannten Konstruktion wie denen gemäß Fig. 1 hat das Hülsenrohr 28 vom Ende des Brennerrohres 18 einen Abstand, wodurch eine Hinterenden-Weite von etwa 9,5 mm erzielt wird, während bei dem erfindungsgemäßen Diffusor durch Erweiterung des Hinterendes auf etwa 16 mm eine höhere Rezirkulationsrate erzielt wird, während die axiale Geschwindigkeit der Luft bzw. des brennbaren Gemisches durch den Diffusor verringert und die Temperatur im Primärflammenbereich erhöht wird, was beides dazu beiträgt, den Stabilitätsbereich des Brenners zu erweitern. Der Diffusor hat außerdem die Wirkung, daß der Ausbreitungswinkel zwischen Luft und Brenn stoff im Primärbrennbereich vergrößert wird, so daß schneller ein brauchbares Gemisch zubereitet wird und die Verweilzeit der Brennstofftröpfchen in der Primärzone abnimmt, was zur Folge hat, daß die räumliche Größe dieser Primärzone abnimmt.

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In der Fig. 3 ist wiederum die Brennkammer 14 dargestellt, und auch die Einrichtungen zur Luft- und Brennstoffzuführung sowie die Zündeinrichtung sind gegenüber der Darstellung der Fig. 2 unverändert. Man sieht jedoch, daß das Brennerrohr sich weiter in die Brennkammer hinein erstreckt als beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2, so daß die Luftbemessungsplatte nahezu mit der ringförmigen Endplatte 20 der Brennkammer in einer Ebene liegt. Außerdem ist die Wand des Diffusors stärker gekrümmt, so daß die Erzeugende des Diffusorringes einen Krümmungsradius von etwa 38 mm hat, während der Durchmesser der hinteren und vorderen Öffnungsfläche etwa 1OO mm beträgt. Eine Abschirmwand ist außerdem nicht mehr vorhanden.

Es sei noch hinzugefügt, daß die Luftbemessungsplatte 41 gegenüber derjenigen aus Fig. 2 insofern verändert ist, als die aus den öffnungen 43 austretenden Luftstrahlen einen geringeren Drallwinkel haben. Dieser Winkel wird gebildet zwischen einer durch die Düsenöffnung gehenden Ebene und der Mittellinie des jeweiligen Luftstrahls bei einem Minimalstrahlverhältnis L/D von 0,60. Richtig gewählte Drallwinkel verbessern die Brennerstabilität, da sie die Transportgeschwindigkeiten im Brennprozeß verbessern. Optimale Drallwinkel sind nötig, da ein zu großer Drallwinkel die Rezirkulationsrate vermindert, was sich negativ auf den Verbrennungsvorgang auswirkt. Mit der erfindungsgemäßen Konstruktion ist es möglich, den Drallwinkel von etwa 20° bei herkömmlichen Brennern auf etwa 5° herabzusetzen, was auf die verbesserte Verteilung und Durchmischung der Brenngase in der Brennkammer zurückzuführen ist. Außerdem ist wegen der Diffusorgestaltung in Form eines Venturi-Rohres kein Erfordernis vorhanden, die Luftstrahlen aus der Luftbemessungsplatte 41 konvergierend austreten zu lassen.

Das AusfUhrungsbeispiel nach Fig. 3 bringt alle Vorteile des Brenners aus Fig. 2 und gibt die Möglichkeit, den Abschirmring wegzulassen, weil der größere Diffusor das Verbrennungsgas-

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Strömungsbild verändert und dadurch die rückgeführten Gase kühl genug sind, daß trotz günstiger Rezirkulationsmengen Selbstzündung der Brennstofftröpfchen verhindert ist.

Bei beiden Ausführungsbeispielen sind die Zündelektroden 60 in der in den Figuren 4 und 5 wiedergegebenen Anordnung angebracht. Sie haben den üblichen Abstand von 3,2 nun voneinander, wie es die Fig. 4 zeigt, und haben auch einen Abstand von 3,2 mm zur Düsenspitze, so daß sie vom Sprühstrahl zurück in einem Bereich im Diffusor mit niedrigem Druck verlagert sind.

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Claims (7)

1. 32 682

   BLUERAY SYSTEMS, INC.,
   Mineola, New York, U.S.A.

   Gebläsebrenner zum Verbrennen flüssiger Kohlenwasserstoffe

   PATENTANSPRÜCHE

   Gebläsebrenner zum Verbrennen flüssiger Kohlenwasseroffe als Brennstoff mit blauer Flamme innerhalb einer Brennkammer mit einer Brennstoffdüse, die den Brennstoff über eine Leitung zugeführt erhält und ihn als Sprühstrahl abgibt, mit einer wenigstens das Düsenvorderende mit Abstand umgebender. Hülse, mit einem Gebläse, dessen Verbrennungsluftstrom um die Düse herum in die hintere Hülsenöffnung hineingerichtet ist, mit einer Zündeinrichtung für den Brennstoff-Sprühstrahl und mit Einrichtungen in der Brennkammer, die für einen Teil der Verbrennungsgase einen Rückkopplungspfad zum Hülseneintrittsende bilden, wo sie vom Verbrennungsluftstrom mitgerissen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (70) als Diffusor mit verengtem Mittelteil ausgebildet ist und daß der Brenner mit Ausrichtung in die Brennkammer (14) hinein rr.it dem Eintrittsende des Diffusors (70) zusammenwirkt.
2. 2. Gebläsebrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Düseneintrittsende innerhalb der Brennkammer (14) befindet., so daß der Bereich zwischen Diffusor (70) und dem

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   diesen umgebenden Brennkammerabschnitt den Rückkopplungspfad bildet.
3. 3. Gebläsebrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Brennstoffdüse (50) innerhalb des Diffusors

   (70) befindet, daß die Brennkammerwand (16) den Diffusor (70) mit Abstand umgibt und sich im Bereich des Brennkammer-Hinterendes in einem Stutzen (19) mit kleinerem Querschnitt fortsetzt, in den das Diffusor-Hinterende im wesentlichen koaxial hineinragt, und das eine Abschirmung (78) umgibt und einen Abstand zur Brennkammerwandung einhält, mit der sie den Rückkopplungspfad bildet.
4. 4. Gebläsebrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Brennstoffdüse (50) innerhalb des Diffusors

   (70) befindet und daß die Brennkammerwand (16) den Diffusor mit Abstand umgibt und mit diesem den Rückkopplungspfad für einen Teil der Verbrennungsgase zum Diffusorhinterende bildet.
5. 5. Gebläsebrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Brennstoffdüse (50) im wesentlichen innerhalb des Diffusors (70) und in Strömungsrichtung vor seiner engsten Stelle befindet.
6. 6. Gebläsebrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündeinrichtung aus einem Paar von Elektroden (60) besteht, welche außerhalb des Sprühstrahls nahe der Düse (50) im Diffusor-Unterdruckbereich liegen.
7. 7. Gebläsebrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich zur Zuführung des Verbrennungs-Frischluftstroms ein Rohr (40) in die Brennkammer hineinerstreckt, das von einer Platte (41) abgeschlossen ist, in der sich mehrere Öffnungen (43) befinden, die dem Diffusor-Hinterende (72) gegenüberstehen.

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