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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft eine Brennerdüseneinheit zur Verbrennung eines
Gas-Luft-Gemisches, bestehend aus einem mit einem Hauptflammenkanal und einer Anzahl
an dem Hauptflammenkanal angeschlossener und ihn kreisförmig umgebender Halteflammenkanäle
versehenen Düsenkörper sowie aus einem den Düsenkörper einschließenden gleichaxialen
Düsenmantel. Angezündet bilden die Halteflammen einen möglichst ungebrochenen und
gleichförmigen Kreis um die Hauptflamme. Ihr Zweck ist es, die Hauptflamme zu stabilisieren
und eine unbeabsichtigte Löschung zu verhindern.
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Solche Brennerdüseneinheiten sind an sich allgemein bekannt. Meist
verlaufen die Halteflammenkanäle parallel zum Hauptflammenkanal; die Halteflammen
werden gespeist aus Querkanälen am Hauptflammenkanal. Die Stabilität der Halteflammen
ist von dem Grad der Vermischung von Gas und Luft abhängig. Um eine ausreichende
Vermischung sicherzustellen, muß das. durch die Halteflammenkanäle ausströmende
Gas-Luft-Gemisch in Turbulenz gebracht werden. Bisher bedurfte es hierzu eines relativ
großen Verwirbelungsraumes r, der wegen der meist kleinen Durchmesser der Gesamtdüsenbrenner
nur durch eine entsprechend große Länge zustande gebracht werden konnte Brennerdüsen
dieser bekannten Art weisen daher eine erhebliche Baulänge auf, die bei der Verwendung
oft unvorteilhaft ist.
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Trotz der langen Verwirbelungsräume war der in den bekannten Brennerdüsen
erreichbare Durchmischungsgrad des Gas-Luft-Gemisches bisher ungenügend, um die
gewünschte Flammenstabilität zu erreichen. Noch am günstigsten arbeiten diejenigen
Brennerdüsen, deren Halteflammenkanäle eng und in großer Zahl über dem Verwirbelungsraum
angeordnet sind, weil wegen des Staues eine gewisse Turbulenz im Verwirbelungsraum
auftritt.
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In der Fachwelt ist es bekannt, daß die Flammenstabilität durch Verwendung
eines zwischen Düse und Flamme angeordneten Staukörpers optimal gestaltet werden
kann, indem vor dem Staukörper Flammengase in einer Wirbelbewegung zurückgeworfen
werden und immer wieder aufs Neue zünden. Bisher war es aber wegen der geringen
Ausmaße der Brennerdüsen nicht möglich, diese Erkenntnis für die Ausgestaltung von
Halteflammen zu nutzen.
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Schließlich hat man bisher die Brennerdüsen mit Hilfe eines Schraubendrehers
in ihre Halterungen ein- und aus geschraubt. Nach einiger Zeit wirkt die große Hitze
in der Welse auf die Schraubenverbindung ein, daß diese "£estbrennt" und schwer
zu lösen ist. An einem Schraubendreher kann man nur ein beschränktes Drehmoment
einsetzen, ohne die Kerbe oder sogar den Schraubendreher selbst zu beschädigen und
allenfalls einen etwa vorhandenen Schutzbelag zu zerstören. Es ist daher die Aufbringung
und insbesondere das Ausschrauben von Brennerdüsen ein erhebliches technisches Problem.
Die Schwierigkeit am Einschrauben wird dadurch noch erhöht, wenn der Düsenkörper
tief im Düsenmantel angeordnet ist, und man beim Einschrauben den Düsenkörper nur
mit dem Schraubendreher festhalten kann. Zudem wirkt der an den Hauptflammenaustritt
angeordnete Schraubenschlitz störend auf die Flammenbildung.
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Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, eine Brennerdüseneinheit
zu schaffen, deren Halteflamme optimal stabil ist und zuverlässig einen ungebrochenen
gleichmäßigen Kreis um die Hauptflamme bildet. Diese Eigenschaft soll bei einer
kurzen und gedrungenen Bauweise erreicht werden0 Schließlich soll das Einschrauben
und insbesondere das Ausschrauben der Brennerdüseneinheit aus ihrer Halterung mit
einem Schraubenschlüssel erfolgen, an welchem ein großes Drehmoment einwirken kann,
ohne Verformungen und Beschädigungen zur Folge zu haben.
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Die Lösung dieser Erfindungsaufgabe wird durch die Maßnahmen erreicht,
die in den vorstehenden Ansprüchen beschrieben sind.
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Anhand der Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt und erläutert.
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Es zeigen: Figur 1 einen mit erfindungsgemäßen Brennerdüseneinheiten
ausgerüsteten Anwärmbrenner für rotierendes Rohrmaterial, in einer Draufsicht, Figur
2 eine erfindungsgemäße Brennerdüseneinheit, vergrößert, in einem Längsschnitt,
Figur 3 eine einfachere Ausführungsform der Brennerdüseneinheit Figur 2, teilweise
im Schnitt,.
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Figur 4 die Brennerdüseneinheit in einer Draufsicht und Figur 5 eine
vergrößerte Teilansicht der Brennerdüseneinheit Figur 2 mit schematischen Darstellungen
der Hauptflamme und der Turbulenzen-an der Zuleitung zu der Halteflamme.
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Die auf den Figuren ersichtlichen Bezugsziffern zeigen an 1 Düsenmantel
der Brennerdüseneinheit 2 Düsenkörper, vom Düsenmantel eingehüllt 3 Gewinde am Düsenkörper
2 4 4 Halterung zur Aufnahme und Befestigung der Brennerdüseneinheit 1,2 5,6 Konusflächen
(Anlageflächen) am Düsenmantel 1 und Düsenkörper 2 7 Hauptflammenkanal 71 Verjüngung
des Hauptflammenkanals 7 8 Halteflammenkanäle 9 konsolenartige Schrägfläche (ringförmig)
an Rundumausnehmung 10 10 Rundumausnehmung am Düsenkörper 2 (Verwirbelungsraum?
11 Sechskantkopf am Düsenkörper 2 .12 Rundumnut am Sechskantkopf 11 121 Stufe an
der Rundumnut 12 13 Ring 14 Raum zwischen Sechskantkopf 11 und Rand des Düsenmantels
1 15 ringförmiger Spalt zwischen Ring 13 und Innenwand des Düsenmantels 1 16 Bördelung
17 ringförmiger Einstich am Sechskantkopf 11
18 Turbulenzen im Verwirbelungsraum
10 (schematisch) 19 Rückströmungswirbel in und außerhalb des Düsenmantels 1 20 Hauptflamme
21 Gasgemischhauptstrahl für die Hauptflamme 20 Die Brennerdüseneinheit Figur 2
ist aus einem Düsenmantel 1 und einem in diesen eingesteckten Düsenkörper 2 zusammengesetzt.
Der Düsenkörper 2 weist an seinem Endteil ein Gewinde 3 auf, mit welchem er in ein
entsprechendes Gewinde der jeweiligen Halterung (Figur 1) eingeschraubt wird. Durch
das Einschrauben legen sich die Konusflächen 5 des Düsenmantels 1 auf die entsprechenden
Konusflächen 6 des Düsenkörpers 2 an und dichtet die Verbindung ab.
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Längsaxial durch den Düsenkörper 2 erstreckt sich ein Hauptflammenkanal
7, von welchem aus vier schräggerichtete Halteflammenkanäle 8 an die ringförmige
konsolenartige Schrägfläche 9 einer am Umfang des Düsenkörpers 2 eingearbeitete¢Rundumausnehmung
10 führen.
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Die Rundumausnehmung Figur 2 weist einen trapezförmigen Querschnitt
auf. Der Hauptflammenkanal 7 besitzt gasaustrittseitig eine Verjüngung 71.
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An dem Düsenkörper 2 ist ein Sechskantkopf 11 ausgebildet, vgl. Figur
4. Der Sechskantkopf 11 besetzt an seiner Unterseite eine Rundumnut 12, die in der
Ausführungsform Figur 2 eine Stufe 121 aufweist. Diese
Rundumnut
12 nimmt einen Ring 13 auf, der mittels Erwärmung aufgekrümpft ist. In der Ausführungsform
Figur 2 ist an der Innenseite des Ringes 13 eine der Stufe 121 der Rundumnut 12
entsprechende Stufe eingearbeitet. Die Längsachsen der sich unter einem spitzen
Winkel von der Längsachse des Hauptflammenkanals 7 weg erstreckenden Hilfsflammenkanäle
8 sind etwa auf die Mitte des Ringes 13 gerichtet. Dies ist der Grund, daß der Ring
13 nicht unmittelbar am Korpus des Düsenkörpers 2 ausgebildet sein kann, sondern
nachträglich angebracht sein muß : sonst wäre es fertigungstechnisch nicht möglich,
die schräggestellten Halteflammenkanäle 8 einzubohren. Der von dem Düsenmantel 1
eingeschlossene freie Raum 14 über dem Sechskantkopf 11, also der Abstand Sechskantkopf-Düsenmantelrand,
ist unter Berücksichtigung der Parameter Gemischbeschaffenheit, Strömungsgeschwindigkeit
und Druck empirisch festzustellen.
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Der Umfang des Ringes 13 ist durch einen engen ringförmigen Spalt
15 von der Innenwand des Düsenmantels 1 getrennt.
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Die Brennerdüseneinheit funktioniert wie folgt : das Gasgemisch strömt
gleichzeitig durch den Hauptflammenkanal 7 und die vier Halteflammenkanäle 8 in
den Raum 14 und von dort ins Freie. Das aus den Halteflammenkanälen 8 in den von
der Rundumausnehmung 10 gebildeten ringförmigen Raum einströmende Gasgemisch wird
hier verwirbelt. Aufgrund der Enge des Spaltes 15 entsteht gegenüber der Strömung
im Hauptflammenkanal 7 ein Druckanstieg und eine Strömungsverzögerung; der Ring
13 wirkt als Staukörper. Nach FRITSCH (??Flammenstabilität??, ÖL + GR 10/1965 s.
1320 und BRUNKLAUS "Industrieofen-
und Brennerbau", Vulkanverlag
Essen, 5. 121 f) wirkt der Staukörper als Flammenstabilisator; die Stabilität einer
Flamme wächst linear mit der Dimension des Staukörpers. Das hierbei günstigste Verhältnis
zwischen der Fläche des ringförmigen Spaltes 15 und der ringförmigen Aufprallfläche
(Außenkante Ring-Umfang Düsenkörper am Boden der Rundumausnehmung 10) ist etwa 1:3.
Wie eng man den Spalt 15 gestalten kann, ohne den Durchfluß zu sehr zu drosseln,
hängt u.a.
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von der Art des Gasgemisches und von der Strömungsgeschwindigkeit
(des Strömungsdruckes) ab.
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Die in dem von der Rundumausnehmung gebildeten ringförmigen Verwirbelungsraum
10 entstehende Turbulenzen bringen eine weitere homogenisierende Vermischung des
nicht-stöchiometrischen Gasgemisches und verteilen unter Einfluß des gestiegenen
Druckes das Gemisch gleichmäßig im Verwirbelungsraum. Aus dem Spalt 15 tritt eine
überall druckgleiche, jedoch Rückströmungen bildende Gemischmenge, die angezündet
eine gleichmäßige, rundum zusammenhängende zylindermantelförmige Halteflamme nähren,
welche die Hauptflamme einhüllt und zuverlässig stabilisiert.
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Figur 3 zeigt eine fertigungstechnisch einfachere Ausführungsform
der Brennerdüseneinheit. Der technische Unterschied besteht darin, daß der Ring
13 durch Bördelung 16 an den Sechskantkopf 11 befestigt ist. Ferner ist der Querschnitt
der Rundumausnehmung (10) anders (als Vieleck) gestaltet. Die Erstellung der Bördelung
16 wird von einem ringförmigen Einstich 17 erleichtert, der zugleich das Flächenmaß
der für die Wirksamkeit maßgebenden Gesamtringfläche Ringaußenkante-Umfanq
Düsenkörper
vergrößert und den Staukörpereffekt noch unterstreicht.
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Auf Figur 5 ist die Wirkungsweise beider Ausführungsformen schematisch
dargestellt. Die Symbole 18 deuten die im Verwirbelungsraum entstehenden Turbulenzen
an.
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Die immer noch in Schwingungen befindliche Gasmischung drängt durch
den ringförmigen Spalt 15 in den Verbrennungsraum und bildet hier einen Ring von
Rückströmungen 19, indem die Gesamtringfläche der Unterseite des Ringes 13 zusammen
mit der ringförmigen Oberseite der Rundumausnehmung 10 als Staukörper wirkt.
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Die Rückströmungswirbel 19 setzen sich außerhalb des von dem Düsenmantel
1 eingefaßten Wirbel fest und bilden dort im Flammenbereich eine ununterbrochene
Nachzündung der Hauptflamme 20, nachdem der Gasgemischhauptstrahl 21 aus der Brennerdüse
herausgetreten ist.
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Es wird unterstrichen, daß es sich bei der Darstellung der Turbulenzen
und der Rückströmungen um Symbole handelt, die den erfindungsgemäßen Vorgang lediglich
andeuten sollen. Ob z.B. die Rückströmungen den Gasstrom der Hauptflamme schneiden
- wie auf Figur 5 gezeigt -oder nicht, wird hier nicht zur Diskussion gestellt.
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Die Art und der Umfang der Turbulenzen und auch der Rückströmung hängen
von mehreren Parametern ab : Strömungsgeschwindigkeit, Druck, Zusammensetzung und
Natur des Gasgemisches, Gestalt des Verwirbelungsraumes 10 und relative Weite des
ringförmigen Spaltes 15.
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Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht, daß die Brennerdüseneinheit
mit einem den Sechskantkopf umgreifenden Schraubenschlüssel ein- und abgeschraubt
wird. Diese Tatsache bringt-mehrere Vorteile. Die Brenndüseneinheiten sind schwer
aus zus chrauben, wenn sie längere Zeit hindurch großer Hitze ausgesetzt waren;
mit dem Schraubenschlüssel kann man wesentlich größere Drehmomente einsetzen, ohne
das Material oder dessen Schutzschicht zu verletzen, was bei dem bisher üblichen
Ausschrauben mit dem Schraubenzieher nur sehr begrenzt möglich war. Obwohl der Sechskantkopf
eine räumlich bessere Gestalt aufweist, kann man ggfl. auch einen Vierkantkopf verwenden
(Dreikantkopf ist weniger günstig). Ein wesentlicher Vorteil am Sechskantkopf bzw.
Vierkantkopf besteht darin, daß die Flamme an einer glattrandigen Öffnung gebildet
wird; der bei einem Schraubenkopf unerläßliche Schraubenschlitz stört die Flammenbildung.
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