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Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner, insbe-
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sondere öl- oder Gasbrenner, mit einem eine Querschnittserweiterung
aufweisenden Gehäuseteil, in dem eine Einrichtung, insbesondere Düse zur Zufuhr
des Brennstoffes oder des brennbaren Gemisches und ggf. eine Zufuhreinrichtung für
Verbrennungsluft angeordnet sind, wobei das Gehäuseteil in seinem erweiterten Bereich
ein den Flammbereich aufnehmendes Flammrohr bildet. Die Erfindung läßt sich bei
Brennern anwenden, die mit flüssigen und/ oder gasförmigen Brennstoffen arbeiten.
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Ein Vergasungsölbrenner der im Oberbegriff des Patentanspruches genannten
Art ist aus der DE-OS 27 00 671 bekannt.
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Bei derartigen Vergasungsölbrennern wird angestrebt, daß das zur Verbrennung
Mmmende öl möglichst vollkommen vergast ist, bevor es zur Verbrennung kommt. Die
Verbrennung zeigt dann eine blaue Flamme. Man kann vorteilhaft mit extrem geringem
Luftüberschuß arbeiten, so daß es zu einer nahezu stöchiometrischen Verbrennung
kommt. Da die Verbrennung mit einem sehr geringen Luftüberschuß arbeitet, wird eine
sehr heiße Flamme erzielt. Die im Brennstoff enthaltende Energie wird optimal ausgenutzt
und die Vorteile der Wärmeübertragung bei hohen Temperaturen werden voll ausgeschöpft.
Die Verbrennung ist somit energiesparend, weitgehend rußfrei und schadstoffarm.
Zur Erhöhung der Betriebssicherheit werden gemäß DE-OS 27 00 671 einige empierisch
ermittelte geometrische Relationen zwischen den Durchmessern und Längen der einzelnen
Bauteile vorgeschlagen. Derartige Vergasungsölbrenner besitzen jedoch den Nachteil
einer starken Geräuschemission, die durch die Ausbildung des Kessels in welchem
der Brenner eingebaut wird, nur bedingt gemindert wird. Der störende Lärm bei der
Verbrennung wird in den Heizungsraum und durch den Schornstein abgestrahlt. Außerdem
zeigt sich hin und wieder
- je nach Einbauverhältnissen - bei Gasbrennern
und ölbrennern eine unangenehme Neigung zu niederfrequenten Schwingungen, die auch
als Pulsationen bezeichnet werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, bei Brennern, insbesondere öl- oder
Gasbrennern, der eingangs beschriebenen Art die Geräuschemission wesentlich herabzusetzen.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß in der Wandung des
Flammrohres, welches auch die Außenwandung des Brenners sein kann, eine Vielzahl
von der akustischen Entkopplung des Flammbereiches dienenden öffnungen vorgesehen
sind und daß im Flammrohr ein Flammenstabilisator im Flammbereich angeordnet ist.
Wesentlich it, daß beide aufgeführten Maßnahmen kumulativ angewendet werden, denn
überraschenderweise zeigt weder die akustische Entkopplung allein noch die Flammenstabilisierung
allen den gewünschten Effekt der Geräuschminderung in dem angestrebten Ausmaß; erst
die Kombination beider Maßnahmen führt zum Erfolg der Lärmdämpfung in der Größenordnung
von 5,5 dB bzw. 5 dB (A) bei einem ölbrenner gemäß DE-OS 27 00 671. Dabei ist es
wichtig, zunächst einmal den Gemischbildungsbereich von dem Flammbereich akustisch
zu trennen. Die Gemischbildung zwischen Brennstoff und Luft findet im wesentlichen
im Bereich zwischen der Düse, der Blendenöffnung und im Mischrohr statt. Am freien
Ende des Mischrohres findet eine Erweiterung der Strömung auf dem Querschnitt des
Flammrohres statt. Im unmittelbaren Anschluß an diese Erweiterung der Strömung findet
die akustische Entkopplung statt, indem die Wandung des Flammrohres mit einer Vielzahl
von öffnungen versehen ist, durch die möglichst ein kleiner Teil des Brennstoff-Luftgemisches
langsam austreten und sich von der Hauptströmung absondern soll. Damit wird der
instationären
Strömung im Flammrohr Energie entzogen, was sich im
Sinne einer Geräuschm}nderung bemerkbar macht. Die verbleibende Hauptströmung im
Flammbereich wird durch den dem Mischrohr nachgeschalteten Flammenstabilisator aufgefangen,
geführt und stabil ortsfest gerichtet, so daß damit die Geräuschentwicklung in diesem
Bereich erheblich reduziert wird. Der destabilisierende, also schwingungsfördernde,
Effekt der Flamme im Flammbereich, der durch die Energiefreisetzung entsteht, wird
also abgebaut.
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Dies geschieht durch die akustische Entkopplung des Flammbereiches
von dem Gemischbildungsbereich, um den Flammbereich handhaben zu können. Die zur
akustischen Entkopplung vorgesehenen öffnungen sollen zweckmäßig klein und durchströmt
sein, um hier eine Schallabsorption durch Strömungsablösung zu erreichen. Die Stabilisierungswirkung
der Verbrennung durch die Schallabsorption durch Strömungsablösung ist an sich bereits
bekannt, siehe D. Bechert: "On the absorption of sound by vorticity shedding, demonstrated
with a jet flor. American Institute of Aeronautics and Astronautics, NewYork, Paper
Nr. 79-0575 (1979).
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Dieser Effekt eignet sich speziell zur Schalldämpfung bei niedrigen
Frequenzen, wie sie bei einem Ol- und Gasbrenner hauptsächlich auftreten. Eine solche
Strömungsablösung tritt z.B. an Düsen, am freien Ende des Mischrohres und an durchströmten
gelochten Wänden auf. Zu einer wirkungsvollen Absorption von Schall durch eine abgelöste
Strömung gelangt man aber nur, wenn man die Strouhalzahl St ~ f D/U0
der
Strömung genügend klein hält. Die Strouhalzahl St ist die dimensionslos gemachte
Frequenz f, elso die Frequenz f, die z.B. im Verbrennungsgeräusch enthalten ist,
mit dem Durchmesser D der durchströmten Offnungen multipliziert und dividiert durch
die Strömungsgeschwindigkeit U0. Eine wesentliche Schallabsorption ist zu erwarten,
wenn die Strouhalzahl St wesentlich kleiner als 1 ist. Dies kann durch geringen
Durchmesser der durchströmten öffnungen erreicht werden.
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Die öffnungen im Flammbereich sind vorteilhaft mit Abstand zu dem
Ende eines Gemischbildungsbereiches, insbesondere Mischrohres, angeordnet, wobei
der Flammenstabilisator erst in Strömungsrichtung nach diesen öffnungen im Flammrohr
eingbaut ist, um zunächst nach der Erweiterung der Strömung am Ende des Mischrohres
über die öffnungen im Flammrohr Energie aus der instationären Strömung herauszunehmen
und die so reduzierte Hauptströmung dann richten zu können. Dabei sind zweckmäßig
die geometrischen Relationen zwischen den Durchmessern und Längen des Flammrohres,
des Mischrohres und des Flammenstabilisators so gewählt, daß ein Teil des Brennstoff-Luftgemisches
durch die öffnungen im Flammrohr nach außen strömt und dort brennt. Die geometrischen
Relationen lassen sich an sich durch entsprechende Versuchsreihen einfach feststellen.
Dabei ist jedoch darauf zu achten, daß zwecks Erreichung einer Strouhalzahl wesentlich
kleiner als 1 die öffnungen einen kleinen Durchmesser aufweisen. Die Strömungsgeschwindigkeit
kann nicht besonders groß gewählt werden, da von der Hauptströmung andererseits
ein kleiner Teil abgezweigt werden soll. Die öffnungen in der Wandung des Flammrohres
sind zweckmäßig über einen axialen Bereich
insbesondere reihenweise
verteilt angeordnet, um ein Feld und nicht nur eine einzige Reihe zu schaffen, welches
der akustischen Entkopplung dient.
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Der Flammenstabilisator besteht aus einzelnen, im Flammbereich in
den Flammweg gestellten Einbauten zur Verringerung des Durchflußquerschnittes bzw.
der Erzeugung einer Strömungsablösung. Er kann im einzelnen sehr verschieden artige
Formgebung aufweisen, wobei seine Einzelteile lediglich dem beschriebenen Zweck
der Verringerung des Durchflußquerschnittes und der Erzeugung einer Strömungsablösung
dienen müssen, so daß die Flammen im Flammbereich stabilisiert gerichtet werden.
Der Flammenstabilisator kann bepielsweise aus einem Gitter von Stäben aus warmfestem
Metall, Keramik od.dgl. bestehen. Er kann auch ring- und scheibenförmige Gestalt
besitzen oder blendenähnliche oder lochplattenähnliche Konfiguration aufweisen.
Der Flammenstabilisator kann sich auch über einen axialen Bereich erstrecken, um
so die angestrebte stabilisierende Führung günstig zu beeinflussen.
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Die vorstehend beschriebenen Maßnahmen zur Geräuschminderung können
selbst'verständlich auch in Kombination mit anderen Maßnahmen zur Geräuschminderung
angewendet werden, wobei dann eine noch größere Reduzierung der Geräuschemission
erreicht wird. Beispielsweise können zusätzlich in der Luft- und/oder Gasführung
vor der Bildung des Brennstoff-Luft-Gemisches zwecks Verbesserung der aerodynamischen
Zu strömung Siebe und/ oder feuerfestes poröses oder wollähnliches Material oder
Schüttgut vorgesehen sein. Zur Geräuschminderung im Bereich der GemischbSdung kann
das Mischrohr zusätzlich Durchbrechungen aufweisen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt
und werden im folgenden weiter beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 einen schematisierten
Vertikalschnitt durch einen Vergasungsölbrenner, Fig. 2 einen Schnitt gemäß der
Linie II-II in Fig. 1 und Fig. 3 eine ähnliche Schnittdarstellung wie Fig. 2 mit
einem Flammenstabilisator in einer anderen Ausführungsform.
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Der Brenner 1 weist ein weitgehend geschlossen ausgebildetes Gehäuseteil
2 auf, in dem in üblicher Weise die Düse 3 angeordnet ist, die am Ende des ölzuführrohres
4 sitzt. In das ölzuführrohr 4 wird das öl über eine ölpumpe 5 eingespeist, die
von einem Motor 6 angetrieben wird, der gleichzeitig einen Gebläserotor 7 antreibt.
Von der ölpumpe 5 führt eine Leitung 8 zunächst zu einem handbetätigbaren Ventil
9, dann zu einem elektromagnetisch betätigbaren Absperrorgan 10 und schließlich
zum ölzuführungsrohr 4 mit der Diese 3. Die Verbrennungsluft wird über den Gebläserotor
7 in der Leitung 11 zunächst zu einem Drosselventil 12, dessen Luftklappe 13 über
einen Motor 14 verstellbar ist, gefördert und gelangt sodann in das Gehäuseteil
2. Die auf dem ölzuführungsrohr 4 angeordnete Halterung 15 hält zugleich ein Zündelektrodenpaar
16, das über einen Zündtransformator 17 versorgt wird. Weiterhin ist ein Ionisationsindikator
34 mit Hilfe der Halterung 15 gelagert, der an ein Steuergerät 18 zur Flammenüberwachung
angeschlossen ist.
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Das Gehäuseteil 2 ist auf der Seite, die durch die Ausströmrichtuny
der Düse 3 bestimmt ist, von einer Trennwand 19 abgeschlossen, in der mindestens
eine Blendenöffnung 20 koaxial zur Achse der Düse 3 angeordnet ist.
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Statt der einen Blendenöffnung 20 kann der einzige Durchtrittsquerschnitt
für Brennstoff einerseits und Luft andererseits auch von einer Vielzahl oder Mehrzahl
von Durchbrechungen gebildet sein, die ebenso wie die einzige Blendenöffnung 20
in den Bereich eines ebenfalls koaxial angeordneten Mischrohres 21 führen. Das Mischrohr
21 ist entweder durch axiale Arme 22 oder durch radial angeordnete Arme im Flammrohr
23 aufgehängt, wobei es an seinem der Trennwand 19 zugekehrten Ende mit Einströmöffnungen
für die Rezirkulation von Verbrennungsgasen gemäß den Pfeilen 24 versehen ist. Das
Mischrohr 21 selbst besitzt in seiner Wandung, vorzugsweise im Anschluß an den seinem
freien in Strömungsrichtung weisenden Ende 25, eine Vielzahl von Durchbrechungen
26, die über den Umfang und den axialen Bereich verteilt angeordnet sind. Die Gemischbildung
findet im wesentlichen im Gemischbildungsbereich 27 im Mischrohr statt und breitet
sich noch etwas über das freie Ende 25 des Mischrohres 21 aus. Selbstverständlich
befinden sich die geometrischen Bedingungen, also insbesondere die Durchmesserabmessungen
und und die Längenabmessungen zwischen den Einzelteilen, insbesondere dem Flammrohr
23, dem Mischrohr 21 und der Blendenöffnung 20 in einem für die stöchiometrische
Verbrennung günstigen Verhältnis.
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An den Gemischbildungsbereich 27 schließt sich der Flammbereich 28
an, also der Bereich, in welchem das gasförmige Brenr stoff-Luftgemisch brennt.
Die Strömung wird zunächst am Ende 25 des Mischrohres 21 freigegeben und erweitert
sich, so daß sie im Flammbereich 28 in die Zone von einer Vielzahl
von
öffnungen 29 gerät, die in der Wandung des Flammrohres 23 angeordnet sind. Das Flammrohr
23 kann zugleich auch die äußere Begrenzungswandung des Brenners 1 sein und verschiedenartige
Gestalt aufweisen. Außer der dargestellten zylindrischen Gestalt kommt eine konische
Ausbildung oder eine andere die Strömung beeinflussende Form in Frage. Wichtig ist,
daß die öffnungen 29 zwecks Minimierung der Strouhalzahl klein ausgebildet sind,
wobei sie über einen axialen Bereich angeordnet werden, der im Abstand vom freien
Ende 25 des Mischrohres 21 angeordnet ist, damit sich die Strömung bis dorthin genügend
aufgeweitet hat und so in Kontakt zu den öffnungen 29 treten kann. Die öffnungen
29 dienen der akustischen Entkopplung des Flammbereiches 28 von dem Gemischbildungsbereich
27. Sie werden von einem geringen Teil des Brennstoff-Luftgemisches nach außen durchströmt,
wobei das Gemisch abbrennt. Hierdurch wird Energie aus der instationären Strömung
herausgenommen, was sich im Sinne einer Geräuschminderung bemerkbar macht. Allerdings
ist diese Maßnahme für sich allein betrachtet im Sinne der Geräuschminderung vergleichsweise
wenig wirksam. Wichtig ist die Kombination der akustischen Entkopplung mit einer
Stabilisierung und Richtung der Hauptströmung durch den nachgeschalteten Flammenstabilisator
30. Auch der Flammenstabilisator 30 besitzt allein nur eine geringfügige Lärmdämpfungswirkung.
Die öffnungen 29 und der Flammenstabilisator 30 ergeben jedoch zusammen bei der
in Fig. 1 gezeigten Konfiguration eine Lärmdämpfung von 5,5 dB bzw. 5 dB (A). Ein
wesentlicher Vorteil ist in der bedeutenden Erhöhung der Verbrennungsstabilität
zu sehen. Niederfrequente Verbrennungsschwingungen (Pulsationen) werden völlig eliminiert,
wie Versuche gezeigt haben.
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Der Flammenstabilisator 30 kann an sich verschieden Formgebung
aufweisen,
wie die beiden Ausführungsbeispiele der Fig. 2 und 3 zeigen. Gemäß Fig. 2 besteht
der Flammenstabilisator 30 aus einer Reihe von parallel zueinander, also beispielsweise
senkrecht angeordneten Stäben 31 aus warmfestem Metall oder Keramik. In den sich
in Strömungsrichtung an den Flammenstabilisator 30 anschließenden Bereich des Flammbereichs
28 ist ein nahezu konstantes Flammenbild erkennbar. Bei der Ausführungsform gemäß
Fig. 3 besteht der Flammenstabilisator 30 aus einem oder mehreren hintereinander
angeordneten Lochblechen 32 mit einer Vielzahl von verteilt angeordneten Löchern
33.
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Es versteht sich, daß die akustische Entkopplung mit Hilfe der öffnungen
29 und die Stabilisierung der Strömung mit Hilfe des Flammenstabilisators 30 für
sich allein bei den verschieden en Brennern anwendbar ist. Werden zusätzlich noch
Maßnahmen zur Geräuschminderung in der Zone des Gemischbildungsbereiches 27 angewendet,
beispielsweise die Durchbrechungen 26 im Mischrohr 21, dann wird zusammen ein noch
höherer Schalldämpfungswert von etwa 8,5 dB bzw. 8 dB (A) erreicht, der durch eine
aerodynamisch verbesserte Verbrennungsluftzuführung, z.B. durch die Einschaltung
eines Siebes oder die Einlagerung von feuerfester Wolle in der Luftzuführung auf
10,5 dB bzw. 8,5 dB (A) yesteigert werden kann.
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