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Die
Erfindung betrifft atmosphärische
Gasbrenner und bezieht sich insbesondere auf Verbesserungen hinsichtlich
der Flammenstabilität
bei Gasbrennern.
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Atmosphärische Gasbrenner
werden üblicherweise
in Haushaltskochgeräten
als Oberflächeneinheiten
eingesetzt. Ein signifikanter Faktor beim Betriebsverhalten von
Gasbrennern liegt in der Fähigkeit,
Luftstromstörungen
in der Umgebung, wie Zugerscheinungen in Räumen, schnelle Bewegung von
Schranktüren
und am häufigsten
eine Schnellbetätigung
der Backofen-(Bratrohr)tür
ertragen zu können.
Die Betätigung
der Bratrohrtür
ist besonders störend,
weil schnelle Öffnungs-
und Schließbewegungen
der Bratrohrtür
in dem Bratrohrraum Unter- bzw. Überdruckbedingungen
erzeugen. Da das Abzugsrohr, durch das Verbrennungsprodukte aus
dem Bratrohr abgezogen werden, in seiner Größe so bemessen ist, dass die
jeweils gewünschte
Bratrohrtemperatur aufrecht erhalten wird und da es in der Regel nicht
im Stande ist, einen ausreichenden Luftstrom zur Wiederherstellung
des Gleichgewichts zu liefern, strömt eine große Luftmenge durch oder um
die Gasbrenner herum.
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Dieser
Luftschwall um die Gasbrenner herum ist schädlich für die Flammenstabilität der Brenner
und kann zum Erlöschen
der Flammen führen. Dieses
Flammenstabilitätsproblem
ist insbesondere bei abgedichteten Gasbrennereinrichtungen evident, wo
es von dem Fehlen einer Öffnung
in der Kochmuldenoberfläche
rings um den Sockel des jeweiligen Brenners herrührt, um zu vermeiden, dass
ausgelaufenes Kochgut in den Bereich unter der Kochmulde eintritt.
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Die
inhärente
Ursache dieser Flammeninstabilität
liegt in dem niederen Druckabfall, der durch die Brenneröffnungen
eines typischen Kochherds durchströmenden Brennstoff-Luftmischung.
Wenngleich dem Brennstoff genügend
Druck zur Verfügung
steht, wird die Druckenergie dazu verwendet, Brennstoff auf die
für die
primäre
Luftmitnahme erforderliche hohe Injektionsgeschwindigkeit zu beschleunigen. Von
diesem Druck wird verhältnismäßig wenig
bei den Brenneröffnungen
zurückgewonnen.
Ein niedriger Druckabfall an den Öffnungen erlaubt es aber Druckstörungen,
die sich in der Umgebung ausbreiten, leicht durch die Öffnungen
durchzutreten, wobei sie kurzzeitig die Flamme zu dem Brennerkopf
hin ziehen und eine thermische Abschreckung und Auslöschung hervorrufen.
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Ein
zusätzliches
Problem liegt darin, dass schnelle Verstellungen der Brennstoffzuführung zu einem
Gasbrenner von einer hohen Brennerzustromsrate zu einer niedrigen
Brennerzustromsrate häufig
zu einer Flammenlöschung
führen,
wenn der Impuls der mitgenommen Luft in den Brenner hinein noch
vorhanden ist, obwohl der Brennstoff bereits zurückgenommen worden ist, was
zu einem vorübergehenden
Abfall des Brennstoff-Luftverhältnisses
führt, der
eine Auslöschung
auslöst.
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Einige
handelsübliche
Gasbrenner verwenden spezielle Expansionskammern bei dem Versuch das
Stabilitätsverhalten
zu verbessern. Diese Expansionskammern sollen Strömungsstörungen abdämpfen bevor
die Störungen
jeweils eine stabil brennende Flamme erreichen. Typischerweise wird
versucht diese Dämpfung
durch Benutzung einer verhältnismäßig großflächigen Expansion
zwischen einem Expansionskammereinlass und einem Expansionskammerauslass
zu erreichen, wobei typischerweise eine Expansion um einen Faktor
von ca. 10 statt findet. Dementsprechend sollte die Geschwindigkeit
einer in den Brennerhals eintretenden Strömungsstörung um einen Faktor von etwa
10 vor Erreichen der jeweiligen stabil brennenden Flamme verkleinert
werden, um dadurch die Wahrscheinlichkeit einer Flammenauslöschung herabzusetzen.
Eine großflächige Expansion
und Störungsdämpfung sind
aber bei gebräuchlichen
Hauptbrenneröffnungen
typischerweise nicht vorhanden, was gebräuchliche Hauptbrenneröffnungen,
insbesondere bei niederen Brennerzustromsraten für Flammenabriss anfällig macht.
Die Stabilität
bei kleiner Flamme wird in der Regel mit Vergrößerung des Flächenexpansionsverhältnisses verbessert.
Wenn aber ein Expansionskammereinlass zu klein bemessen ist, kann
das in eine Expansionskammer eintretende Gas nicht mehr ausreichend
sein, an der Brenneröffnung
der Expansionskammer eine stabile Flamme zu unterhalten.
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Handelsübliche Gasbrenner,
wie sie etwa dem US-Patent Nr. 5,133,658 und dem US Patent Nr. 4,757,801,
die beide auf Le Monnier De Gouville et al lauten, zu entnehmen
sind, verwenden eine Expansionskammer, um die Flammenstabilität zu erhöhen. Die
Gasbrenner von de Gouville weisen vor einer Anzahl Hauptbrenneröffnungen
ein Plenum auf. Ein Expansionskammereinlass liegt in dem Plenum
anschließend
an die Hauptflammenöffnungen.
Wenn eine negative Druckstörung
einläuft,
z.B. Unterdruck, der von dem Öffnen
der Backofentür
herrührt,
werden der Druckabfall und die Strömungsgeschwindigkeit an den
Hauptbrenneröffnungen
vorübergehend abgesenkt,
was eine unerwünschte
Auslöschung
der Hauptbrennerflammen hervorruft. Die Expansionskammerflamme ist
aber wegen des im Vorstehenden beschriebenen Dämpfungseffekts weniger anfällig gegen
Auslöschung.
Wenngleich solche Gasbrenner, die eine Expansionskammer aufweisen,
ein etwas verbessertes Stabili tätsverhalten
bei Einstellungen auf kleine Flamme aufweisen, rufen aber Strömungen weiterhin
eine unerwünschte
Auslöschung
hervor. Darüberhinaus
weisen diese Expansionskammern bei höheren Brennerzustromsraten übermäßig große Flammen
auf. Handelsübliche
Gasbrenner, wie sie etwa in dem US Patent Nr. 5,800,159 von James
Maughan beschrieben sind, überwinden
das Problem übermäßig großer Flammen
durch die Verwendung einer Stabilitätskammer, die gegen Herunterregeln
unempfindlich ist. Die Stabilitätskammerflammen
sind aber unterschiedlich von Flammen aus den anderen Öffnungen
und geben dem Brenner ein unsymmetrisches Flammenerscheinungsbild.
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Das
US Patent Nr. 6,146,132 schafft einen Gasbrenner, der mit einer
Stützflamme
ausgerüstet ist,
um eine konstante Zündquelle
für den
Hauptbrenner zur Verfügung
zu stellen.
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Demgemäß besteht
ein Bedürfnis
nach einem verbesserten atmosphärischen
Gasbrenner, der insbesondere während
niedriger Brennerzustromsraten Luftstromstörungen besser aushalten kann.
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Gemäß der Erfindung
ist eine Gasbrennereinrichtung zur Verbindung mit einer Gasquelle
geschaffen, wobei die Gasbrennereinrichtung enthält: Einen Brennerkörper mit
einer Seitenwand und einer rohrförmigen
Hauptgasleitung, wobei die rohrförmige Hauptgasleitung
einen Einlass und einen Auslass aufweist; mehrere primäre Brenneröffnungen,
die an der Seitenwand derart angeordnet sind, dass sie mit dem Auslass
von der rohrförmigen
Hauptgasleitung in Verbindung stehen; eine Oberfläche, die
von der Gasbrennerseitenwand neben den primären Brenneröffnungen ausgeht; und wenigstens
einen Stabilitätskanal,
der anschließend
an den Ausgang wenigstens einer der genannten primären Brenneröffnungen
so angeordnet ist, dass er aus der Brennereinrichtung eine Versorgung
mit Gas und heißen
Produkten einholt, um die primären
Brenneröffnungen nach
einem Flammenabriss wieder zu zünden.
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Ausführungsformen
der Erfindung werden nun anhand von Beispielen unter Bezugnahme
auf die nachfolgende Zeichnung beschrieben, in der:
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1 eine
perspektivische Explosionsdarstellung einer erfindungsgemäßen Gasbrennereinrichtung
ist;
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2 eine
teilweise, längs
der Linie 2-2 der 1 geschnittene Schnittdarstellung
gemäß der Erfindung
ist;
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3 eine
teilweise Schnittdarstellung in einer Seitenansicht und einer Draufsicht
einer Gasbrennereinrichtung gemäß der Erfindung
ist;
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4 eine
teilweise Schnittdarstellung in einer Seiten- und einer Draufsicht einer Gasbrennereinrichtung
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ist;
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5 eine
teilweise Schnittdarstellung in einer Seitenansicht und einer Draufsicht
einer Gasbrennereinrichtung gemäß einer
Ausführungsform der
Erfindung ist;
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6 eine
teilweise Schnittdarstellung in einer Seitenansicht und einer Draufsicht
einer Gasbrennereinheit, gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ist; und
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7 eine
teilweise Schnittdarstellung in einer Seitenansicht und einer Draufsicht
einer Gasbrennereinrichtung gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung ist.
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Eine
atmosphärische
Gasbrennereinrichtung 10 weist einen Brennerkörper 12 mit
einem kegelstumpfförmigen
massiven Basisteil 14 und einer zylindrischen Seitenwand 16 (1)
auf, die sich axial vom Umfang des Basisteils 14 weg erstreckt,
wie dies bei den illustrativen Ausführungsformen nach den 1 und 2 veranschaulicht
ist. Eine Hauptgasleitung 18 mit einem Einlassbereich 19 und
einem Brennerhalsbereich 20 ist zur Außenseite des Brennerkörpers 12 hin
offen und begrenzt einen Kanal, der sich axial durch das Zentrum
des Brennerkörpers 12 erstreckt,
um einen Brennstoff-/Luftgemischweg „A" (2) zu der
Brennereinrichtung 10 zu schaffen. So wie er hier verwendet
ist, bezieht sich der Ausdruck „Gas" auf ein brennbares Gas oder eine gasförmige Brennstoffmischung.
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Die
Brennereinrichtung 10 ist in an sich bekannter weise auf
einer Trägeroberfläche 21 (1) eines
Gaskochgeräts
etwa einer Kochmulde oder eines Herdes angeordnet. Auf die Oberseite
des Brennerkörpers 12 ist
eine Brennerkappe 22 aufgesetzt, die mit diesem eine ringförmige Hauptbrennstoffkammer 24 und
einen ringförmigen
Diffusorbereich 25 (2) begrenzt.
Ein toroidförmiges
Oberteil 27 des Brennerkörpers 12, das sich
unmittelbar an den Brennerhals 20 anschließt, begrenzt
zusammen mit der Kappe 22 den dazwischen liegenden ringförmigen Diffusorbereich 25.
Die Kappe 22 kann an der Seitenwand 16 (1)
unlösbar
befestigt sein, sie kann aber auch einfach auf die Seitenwand 16 leicht abnehmbar
aufgesetzt sein. Wenngleich hier eine Bren nertype beschrieben und
veranschaulicht ist, so ist die vorliegende Erfindung doch auf andere
Brenner anwendbar, etwa gestanzte Aluminiumbrenner oder Brenner
mit getrennt montierten Brenneröffnugen.
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Die
ringförmige
Hauptbrennstoffkammer 24 ist durch eine Außenfläche 28,
eine toroidförmige obere
Fläche 27 der
Seitenwand 16, eine obere Fläche 30 (2)
des Basisteils 14 und eine Kappe 22 begrenzt.
In der Seitenwand 16 (1) des Brennerkörpers 12 sind
mehrere primäre
Brenneröffnungen 32 derart
angeordnet, dass sich ein eine Fluidverbindung mit der Hauptbrennstoffkammer 24 ermöglichender
Weg ergibt, wobei jede primäre
Brenneröffnung 32 dazu
eingerichtet ist, eine jeweilige Hauptflamme 33 (2)
zu unterhalten. Die primären Brenneröffnungen 32 sind
typischerweise aber nicht notwendigerweise gleichmäßig rings
um die Seitenwand 16 verteilt. So wie er hier verwendet
wird, bezieht sich der Ausdruck „Öffnung" auf eine Öffnung beliebiger Gestalt von
der aus eine Flamme unterhalten werden kann.
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Eine
Gaszufuhrleitung 36 (2) weist
eine an einem Ende angeordnete Kupplung 38 auf, die zum
Anschluss an eine Gasquelle 40 über ein Ventil 22 (das
in 2 schematisch angedeutet ist) dient. Das Ventil 42 wird
in an sich bekannter Weise über
einen zugehörigen
Steuerknopf an dem Gaskochgerät gesteuert,
um den Gasstrom von der Gasquelle 40 zu der Gaszuführleitung 36 zu
regulieren. Das andere Ende der Gaszuführleitung 36 ist mit
einer Einspritz-(Injektions)Öffnung 44 versehen.
Die Einspritzöffnung 44 fluchtet
mit der Hauptgasleitung 18, derart, dass von der Einspritzöffnung 44 austretender Brennstoff
und mitgerissene Luft der Hauptbrennstoffkammer 24 über die
Hauptgasleitung 18 längs des
Weges „A" der 2 zugeführt werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in der Kappe 22, wie in
den 3 bis 7 dargestellt, ein Stabilitätskanal 100 ausgebildet.
Die Kappe 22 weist einen äußeren Abschnitt anschließend an
die primären
Brenneröffnungen 32 auf.
Beispielsweise bei einem kreisförmigen Brennerkopf
ist der Stabilitätskanal
ringförmig
gestaltet, wie dies in den 3, 4 dargestellt
ist. Der Stabilitätskanal 100 wirkt
als Vorratsbereich für
eine Menge Gas und heißer
Verbrennungsprodukte. Die Primärflammen 33 (2)
transportieren Brennstoff und unverbrannte Verbrennungsprodukte
zu dem Stabilitätskanal 100,
wo sie in dem Stabilitätskanal 100 in
einem Wirbelströmungsmuster
gespeichert werden. Wenngleich der Stabilitätskanal 100 so dargestellt
und beschrieben ist, dass er in der Kappe 22 angeordnet
ist, so bedeutet dies keine Beschränkung auf die Verwendung eines
Stabilitätskanals 100 in
der Kappe 22. Tatsächlich
kann der Stabilitätskanal
in einer an sich beliebigen Zahl von Konfigurationen angeordnet
sein, einschließlich
der, dass er in einem Außenflanschabschnitt
der Brennereinrichtung 10 angeordnet ist, die auf der Seitenwand 16 vorgesehen
ist, oder dergleichen mehr.
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Wenn
ein Flammenabriss auftritt und die Primärflammen 33 ausgeblasen
werden, vermischt sich Luft mit dem in dem Stabilitätskanal 100 eingeschlossenem
Brennstoff und unterhält
eine Flammenfront in dem Stabilitätskanal 100. Wenn
die Brennstoff-Luftmischung für
die Primärflammen 33 innerhalb
einer kurzen Zeitspanne von typischerweise 5 bis 10 ms von Neuem
auf den Stabilitätskanal 100 aufprallt, zünden entweder
die Flamme in dem Stabilitätskanal 100 oder
die heißen
eingeschlossenen Produkte von Neuem den aus den primären Brenneröffnungen 32 austretenden
Brennstoff.
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Die
Gestalt des Querschnitts des Stabilitätskanals 100 kann
bspw. ähnlich
einem Halbkreis (3, 5) gekrümmt oder ähnlich einem
rechteckigen Kanal mit einem (5) oder
mehreren (6) Segmenten sein. Das Volumen
des Stabilitätskanals 100 ist
groß genug,
um einen für
einen kurzen Flammenabriss an den primären Brenneröffnungen 32 ausreichenden
Vorrat an Gas und heißen Produkten
zu halten. Die Öffnung 104 des
Stabilitätskanals
ist größenmäßig so bemessen,
dass sie groß genug
ist, um eine ausreichende Gasmenge von den primären Brennöffnungen 32 aufzunehmen
und klein genug ist, um die Wirkungen auf die Brenneröffnungen
zu lokalisieren.
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Die
Kanalöffnung 104 weist
typischerweise ein Längenmaß von ein
bis drei primären
Brenneröffnungsweiten 108 (1)
auf. Die Höhe 105 des
Stabilitätskanals
liegt vorzugsweise zwischen einer halben Kanalöffnung 104 und einer
Kanalöffnung 104. Dieser
Bereich von Kanalabmessungsverhältnissen wird
deshalb bevorzugt, weil er einen großen Wirbel am Hohlraumeingang
unterstützt,
während
die notwendige Kappendicke so klein wie möglich gehalten ist. 6 veranschaulicht
einen Verbundhohlraum. Die jeweils empfohlene Kanalöffnung 104 und
-höhe 105 des
Primärkanals
sind die gleichen wie bei 5. Die sekundäre Kanalweite 106 liegt
zwischen einer Hälfte
und zwei Drittel der primären
Kanalhöhe 105.
Die sekundäre
Kanalweite 107 liegt vorzugsweise zwischen der Hälfte der
sekundären
Kanalöffnung 106 und
einer sekundären
Kanalöffnung 106.
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Im
Betrieb wird ein Steuerknopf an dem Gaskochgerät, das der jeweils gewünschten
Gasbrennereinrichtung 10 entspricht, betätigt, wodurch
das Ventil 42 (2) veranlasst wird, Brennstoff
in die Gaszufuhrleitung 36 einzulas sen. Der Brennstoff
wird von der Injektionsöffnung 44 abgegeben
und zum Unterhalt der Verbrennung wird Primärluft mitgerissen. Das Brennstoff-/Luftgemisch
tritt in den Eingangsbereich 19 der Hauptgasleitung 18 ein
und strömt
längs des
Weges „A" zu dem Brennerhals 20,
durch den ringförmigen
Diffusorabschnitt 25 zu der Hauptbrennstoffkammer 24,
wobei die Hauptbrennstoffkammer 24 das Brennstoff-Luftgemisch
den primären
Brenneröffnungen 32 zur
Verbrennung in den Hauptflammen 33 zuführt.
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Wird
der Steuerknopf in eine einem hohen Zustrom entsprechende Stellung überführt, steigt
der Brennstoff-/Luftzustrom in die Hauptgasleitung 18 und
entsprechend in die Hauptbrennstoffkammer 24 an, womit
größere Flammen
an den primären
Brenneröffnungen 32 erzeugt
werden, wodurch die gewünschten
größeren Kochflammen
zustande gebracht werden. Während
des Betriebs bei höheren Brennerzustromraten
ist die Brennereinrichtung 10 wegen der hohen Geschwindigkeit
und des Impulses des aus den primären Brenneröffnungen 32 austretenden
Brennstoffs gegen Stabilitätsprobleme
verhältnismäßig immun.
Trotzdem bleibt der Stabilitätskanal 100 in
Funktion. Das Stabilitätskanal 100 ist
mit unverbranntem Brennstoff und heißen Produkten von den primären Brenneröffnungen 32 angefüllt. Die
Sekundärverbrennung
am Eingang in den Stabilitätskanal 100 ist
auf den Bereich begrenzt, der den Spalten zwischen den primären Brennerflammen 33 entspricht,
falls solche Spalte vorhanden sind. Der Rest des Stabilitätskanals 100 hält einen
Vorrat unreagierten Gases und heißer Produkte zurück, weil
kein sekundärer
atmosphärischer
Sauerstoff in diesen Bereich eindiffundieren kann.
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Wenn
der Steuerknopf in eine Stellung verstellt wird, die einem niedrigen
Zustrom entspricht, nimmt der Brennstoff-/Luftzustrom in die Hauptgasleitung 18 und
entsprechend in die Hauptbrennstoffkammer 24 ab, womit
kleinere Hauptflammen 32 an den primären Brenneröffnungen 32 erzeugt
werden, die die gewünschten
kleineren Kochflammen ergeben. Unter diesen Umständen erhält der Stabilitätskanal 100 weiterhin
unverbrannten Brennstoff und heiße Produkte von den primären Brenneröffnungen 32.
Die sekundäre
Verbrennungsflammenfront nähert
sich dem Eingang des Stabilitätskanals 100,
liegt aber nicht in dem Stabilitätskanal 100,
möglicherweise
ausgenommen in den Spalten zwischen den Flämmchen der primären Öffnungen.
Sekundärer
atmosphärischer
Sauerstoff kann nicht in alle Bereiche des Stabilitätskanals 100 eindiffundieren,
weil die Kanalwände
und die aus den primären
Brenneröffnungen 32 austretende
Strömung
den Zutritt beschränken.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind mehrere Stabilitätskammern 200 in der
Kappe 22 angeordnet wie dies in 7 dargestellt
ist. Die Kappe 22 weist einen äußeren Abschnitt 102 auf,
der sich von der Seitenwand 16 aus radial erstreckt. Jede
der Stabilitätskammern 200 ist in
dem äußeren Abschnitt 102 anschließend an
die jeweilige Brenneröffnung 32 oder
den jeweiligen Satz primärer
Brenneröffnungen 32 angeordnet.
Die Stabilitätskammern 200 wirken
als eine Reihe von Vorratsbereichen für jeweils eine Gasmenge und
eine Menge heißer
Verbrennungsprodukte. Das Zusammenwirken mit an einer jeweiligen
Stabilitätskammer 200 vorbeilaufenden
Primärflammen
(2) erzeugt in der Stabilitätskammer ein Wirbelströmungsmuster, das
eine kleine Menge Gas und heißer
Verbrennungsprodukte darin einschließt.
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Wenn
ein Flammenabriss auftritt und Primärflammen 33 ausgeblasen
werden, vermischt sich Luft mit dem in der Sta bilitätskammer 200 eingeschlossenen
Brennstoff und unterhält
eine Flammenfront in der jeweiligen Stabilitätskammer 200. Wenn
das Brennstoff/Luftgemisch für
die Primärflammen 33 innerhalb
einer kurzen Zeitspanne von typischerweise 5 bis 10 ms von Neuem
auf die Stabilitätskammer 200 aufprallt,
zünden
entweder die Flamme in der Stabilitätskammer 200 oder
die eingeschlossenen heißen
Produkten den aus den primären
Brenneröffnungen 32 austretenden
Brennstoff von Neuem.