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Die Erfindung betrifft einen Brenner für gasförmigen
Brennstoff mit einstellbarem Brennstoff-Strom, mit einer Mischkammer
zum Mischen des Brennstoffs mit einem Oxidationsgas, einer
Brennkammer zum Verbrennen des in der Mischkammer gebildeten
Gasgemisches, und einer Trennwand zwischen der Mischkammer und
der Brennkammer, wobei die Trennwand mit einem Brennersatz und
mit durchgehenden Kanälen zur Leitung des Gasgemisches aus der
Mischkammer zum Brennersatz versehen ist.
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Das Verbrennen eines Gasgemisches verursacht akustische
Vibrationen, die im Fall der üblichen Brennerausbildungen
verstärkt werden und zu einer Resonanz im Brennersystem führen
können. Aus der DE-A-4014217 ist ein Brenner des im einleitenden
Absatz beschriebenen Typs bekannt, bei welchem Mittel verwendet
werden, um die Resonanz des Brenners zu vermeiden. Das Auftreten
einer Resonanz wird vermieden, indem gewährleistet wird, daß die
Frequenzen, mit welchen einzelne Flammen des Brenners in
Resonanz treten können, verschieden sind. Insbesondere wird dies
dadurch erreicht, daß die Ausströmöffnungen in einem
unregelmäßigen Muster angeordnet werden oder daß die Öffnungen mit
einem Bund mit unterschiedlichen Abmessungen versehen werden.
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Die Flammen an den verschiedenen Öffnungen haben daher nicht
nur ihre eigene Resonanzfrequenz, sondern auch ihr eigenes
Verbrennungsverhalten.
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Folglich werden, wenn der Brenner moduliert wird, einige
Teile des Brenners bereits in den optimalen Bereich kommen
können, während dies bei anderen Teilen noch nicht der Fall ist.
Dies kann den Modulationsgrad des Brenners in unerwünschtem
Ausmaß einschränken.
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Das Ziel der Erfindung ist es, einen Brenner des im
einleitenden Absatz angegebenen Typs vorzusehen, bei welchem diese
Nachteile vermieden werden.
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Dieses Ziel wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß
alle Kanäle in ein und derselben Ebene an der der Mischkammer
zugewandten Seite der Trennwand beginnen, und in ein und
derselben Ebene an der der Brennkammer zugewandten Seite der
Trennwand enden, wobei jeder Kanal eine Wegzeit für Schallwellen hat
und mindestens ein Kanal mit einer kürzesten Wegzeit und
mindestens ein Kanal mit einer von der kürzesten Wegzeit
verschiedenen längsten Wegzeit vorhanden ist, wobei die Wegzeiten zwischen
der längsten und der kürzesten Wegzeit gestreut sind.
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Die Unterschiede in der Wegzeit führen zu
Phasenunterschieden in den Resonanzen der einzelnen Kanäle. Diese gegenseitigen
Phasenunterschiede verhindern eine positive Interferenz zwischen
den Resonanzen der einzelnen Kanäle, und es kommt sogar zu einer
zerstörenden Interferenz mit dem Ergebnis, daß die Resonanzen
einander dämpfen. Dies ergibt eine wesentliche Verringerung des
im Brenner erzeugten Lärmpegels. Dieser günstige Effekt tritt
unabhängig von der Gas-Durchflußmenge durch die Kanäle auf, so
daß der Querschnitt der Kanäle beliebig gewählt werden kann, was
vorteilhaft ist, weil die Verteilung der Strömung über den
Brenner somit optimiert werden kann.
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Gleichmäßig gestreute Unterschiede sollten so aufgefaßt
werden, daß sie bedeuten, daß die Wegzeiten im Bereich zwischen der
längsten und der kürzesten Wegzeit so verteilt sind, daß das
Intervall zwischen einer Wegzeit und der nächstlängeren Wegzeit
über den gesamten Bereich das gleiche oder praktisch das gleiche
ist, beispielsweise innerhalb 10%. Dies ist besonder wichtig,
wenn nur eine geringe Anzahl von Kanälen, beispielsweise bis zu
15, im Brenner vorhanden ist. Im Falle einer größeren Anzahl,
beispielsweise über 20, kann die Streuung der Wegzeiten im
erwähnten Bereich willkürlich gewählt werden. Statistisch
betrachtet kann bei solchen Anzahlen erwartet werden, daß der
Dämpfungseffekt dem einer einheitlichen Verteilung entspricht. Bei
diesen Anzahlen ist es auch annehmbar, daß mehrere Kanäle im
Brenner dieselbe Wegzeit haben.
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Obiges soll aureichend gewährleisten, daß für jede erzeugte
Schallwelle, die mit einer bestimmten Phase aus einer der
Ausströmöffnungen austritt, eine entsprechende Welle in der
entgegengesetzten Phase erzeugt wird. Damit dies erreicht wird,
genügt es, wenn der Unterschied zwischen der längsten und der
kürzesten Wegzeit zumindest annähernd gleich einer Periode der in
Frage stehenden Welle ist. Es sei hier erwähnt, daß die
Unterschiede in der Wegzeit einer ganzen Zahl von Perioden die Phase
der Welle an der Ausströmöffnung nicht beeinflussen. Folglich
sollte die erforderliche Gleichförmigkeit der Streuung der
Wegzeiten auch in bezug auf die Wegzeiten beurteilt werden, nachdem
diese auf den Bereich zwischen 0 und 1 Periode durch Subtraktion
der größtmöglichen Anzahl ganzer Perioden von der tatsächlichen
Wegzeit reduziert worden sind.
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Vom Bau- und Konstruktions-Gesichtspunkt aus ist es
vorteilhaft, wenn die Kanäle alle in einer Ebene beginnen und auch in
einer Ebene enden, so daß die Unterschiede in der Wegzeit nur in
den Kanälen selbst eingeführt werden.
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Es ist aus der WO-A-92/17737 bekannt, Kanäle verschiedener
Länge anzuwenden, indem die Dicke der Trennwand variiert wird.
Diese Längenunterschiede bringen jedoch keine Ünterschiede in
der Wegzeit für Schallwellen mit sich. Dies deshalb, weil,
soweit die Wegzeit der Schallwellen betroffen ist, es keinen
Unterschied ausmacht, ob sich die Wellen durch einen Kanal bewegen
oder sich über eine gewisse Strecke durch einen offenen Raum
bewegen, wenn diese Strecke gleich der Länge des Abschnitts ist,
der von diesem Kanal durch eine Ausnehmung in der Trennwand
weggeschnitten wird, wie es bei der Ausbildung in der WO-A-
92/17737 der Fall ist.
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Das Prinzip der Erfindung kann auch bei einem Brenner dieses
Typs angewendet werden, bei welchem die Dicke der Trennwand
variiert. Dann sollte darauf geachtet werden, daß sichergestellt
wird, daß die Unterschiede in der Wegzeit zwischen den Kanälen
nicht mit den Unterschieden in der Wegzeit zusammenfallen, die
sich direkt aus den Längenunterschieden ergeben, die aus den
Änderungen der Wanddicke resultieren. Dies kann mit geraden,
durchgehend offenen Kanälen nicht erreicht werden.
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Aus der US-A-4 737 102 ist es bekannt, Kanäle mit
verschiedenen Durchmessern zu verwenden. Dies führt nicht zu
irgendwelchen Unterschieden in der Wegzeit von Schallwellen, sondern nur
zu Unterschieden im Widerstand für das hindurchströmende
Verbrennungsgemisch. Dies hat zur Folge, daß Flammen verschiedener
Größe auf dem Brennersatz gebildet werden. Da Flammen von
unterschiedlicher Größe verschiedene Frequenzen auslösen, kann auch
auf diesem Weg die Resonanz des Brenners verhindert werden. Ein
Nachteil einer solchen Gestaltung ist jedoch, daß optimale
Frequenz-Unterschiede nur in einem engen Modulationsbereich
erreichbar sind. Wenn der Brenner stärker- oder schwächergestellt
wird, werden die Unterschiede in der Größe der Flammen und somit
die Unterschiede in den erzeugten Frequenzen geringer, was zur
Gefahr einer Resonanz führt. Dieses selbe Prinzip wird als
Alternative in der WO-A-92/17737 angewandt, wiederum in
Verbindung
mit einer variierenden Dicke der Trennwand. Auch in diesem
Fall entstehen keine Unterschiede in der Wegzeit für
Schallwellen.
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Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der
folgenden Beschreibung deutlich, wobei auf das beigefügte
Zeichnungsblatt bezug genommen wird. Auf diesem zeigt Fig. 1
schematisch eine Querschnitt durch eine Trennwand zwischen einer
Mischkammer und einer Brennkammer gemäß der Erfindung.
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Fig. 1 zeigt eine Trennwand 1, die zwischen einer
schematisch mit 2 angedeuteten Mischkammer und einer schematisch mit 3
angedeuteten Brennkammer verwendet werden kann. Von der
Brennkammer in Richtung Mischkammer gesehen weist die Trennwand
nacheinander einen Brennersatz 4, in welchem eine große Anzahl
kleiner Löcher vorgesehen ist, an welchem die tatsächliche
Verbrennung stattfindet, eine Anzahl von nebeneinander befindlichen
Kammern 5, die jede einige der Löcher im Brennersatz mit dem zu
verbrennenden Gasgemisch speisen und zwischen welchen kein
Druckgefälle besteht, und eine Schicht aus Füllmaterial 6 auf.
Der Brennersatz 4 überdeckt die Kammern 5 auf der Seite der
Brennkammer.
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Im Brennersatz kann im Prinzip jedes bekannte
Brennersatzmaterial verwendet werden, so lange zwischen dem Brennersatz und
den Kammern eine Abdichtung vorgesehen ist, so daß das
Gasgemisch in die Brennkammer nur durch die Löcher im Brennersatz
eintreten kann.
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Jede der Kammern 5 ist mit der Mischkammer 2 über mindestens
einen Kanal 7 verbunden, welcher durch das Füllmaterial 6
hindurchläuft und in die Kammer in einer Ausströmöffnung 8 mündet.
Alle Kanäle sollten in derselben Ebene auf der Seite der
Mischkammer 2 enden. Die Kanäle können vorzugsweise als rohrförmige
Hohlräume im Füllmaterial ausgebildet sein, wenn letzteres ein
formstabiles Material, beispielsweise ein Keramikmaterial oder
Gips, ist. Die Kanäle können beispielsweise auch als kleine
Metallrohre ausgebildet sein, mit welchen dann zusätzlich zu den
oben angeführten Materialien auch Luft als Füllmaterial
verwendet werden kann.
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Die Unterschiede in der Wegzeit für Schallwellen werden
hauptsächlich durch Unterschiede in der Weglänge für das
Gasgemisch in den einzelnen Kanälen von der Mischkammer zur
Brennkammer eingeführt. Diese Weglängenunterschiede können durch
geeignete Auswahl der Geometrie der Kanäle eingeführt werden.
Bei der einfachsten Ausführungsform weisen die einzelnen Kanäle
unterschiedliche Längen auf, wobei sowohl gerade als auch
bogenförmige Kanäle möglich sind. Unterschiede in den Weglängen
können auch durch das gestaffelte Vorsehen von Leitflächen an
gegenüberliegenden Wänden in den Kanälen geschaffen werden, so daß
das Gasgemisch gezwungen wird, in einem Zick-Zack-Muster zu
strömen. Durch Variieren der Anzahl und Größe der Leitflächen
für die einzelnen Kanäle können die erwünschten Unterschiede in
der Wegzeit erreicht werden, selbst wenn die Kanäle die gleiche
Länge aufweisen. Bei einer weiteren Ausführungsform sind die
Kanäle labyrinthartig mit Leitflächen versehen. Bei einer weiteren
zweckmäßigen Ausführungsform bestehen das gesamte Füllmaterial
und die Kanäle aus porösem Material, in welchem die Kanäle durch
die Poren in diesem Material gebildet werden. Durch das Vorsehen
örtlicher Unterschiede in der Anzahl, Größe und Form der Poren
kann die Wegzeit des Gasgemisches über die Brenneroberfläche
variiert werden.
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Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform unterscheiden
sich die Kanäle in ihrer Länge und sind auf verschiedene Weisen
gebogen. In diesem Fall können alle Ausströmsöffnungen gleich
groß sein, so daß Unterschiede im Verbrennungsverhalten
vermieden werden. Der kleinste Unterschied in der Weglänge zwischen
dem längsten und dem kürzesten Kanal ist durch die zu
unterdrückende Frequenz bestimmt, mit welcher die gewünschte
Phasenverschiebung auftreten können muß. Die oben erwähnte Frequenz
hängt von den Abmessungen der Brenner und der Zusammensetzung
des Gasgemisches ab und ist experimentell leicht bestimmbar,
indem Lärmmessungen an einem betriebsfähigen Brenner, bei dem
keine Unterschiede in der Wegzeit für Schallwellen eingeführt
worden sind, durchgeführt werden, beispielsweise indem einfach
ein Brennersatz zwischen einer Mischkammer und einer Brennkammer
placiert wird. Es wird erwähnt, daß die Größe der Brennkammer
wenig oder gar keinen Einfluß auf die Höhe der Resonanzfrequenz
hat. Bei den meisten der üblicherweise verwendeten Brenner liegt
die Resonanzfrequenz für den relevanten Erregungsmechanismus,
nämlich die Verbrennung des Gasgemisches, zwischen 300 und
1600 Hz.
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Vorzugsweise treten alle Phasen zwischen 0 und 2π auf. In
diesem Fall ist für eine Welle mit irgendeiner willkürlich
angenommenen Phase auch eine Welle in der entgegengesetzten Phase
vorhanden, so daß die beiden Wellen, je nach ihrer Amplitude,
einander gegenseitig mehr oder weniger aufheben. Der oben
erwähnte geringste Unterschied in der Weglänge sollte zu diesem
Zweck wenigstens 1 Wellenlänge betragen. Vorzugsweise sind die
Unterschiede in der Weglänge der anderen Kanäle in bezug auf den
kürzesten Kanal gleichmäßig gestreut zwischen 0 und dem
Längenunterschied zwischen dem längsten und dem kürzesten Kanal. Die
Phasenunterschiede sind dann ebenfalls gleichmäßig gestreut, und
es kommt zu einer maximalen Zerstörungsinterferenz, wodurch eine
maximale Dämpfung der möglichen Resonanz bewirkt wird.
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Überraschenderweise wurde festgestellt, daß bei einem
Brenner, bei welchem der größte Längenunterschied zwischen dem
kürzesten und dem längsten Kanal etwa 1/2 einer Wellenlänge oder
sogar weniger beträgt, eine fast vollständige Dämpfung der
Resonanz statfindet, trotz der Tatsache, daß in diesem Fall
mindestens die Hälfte aller möglichen Phasen zwischen 0 und 2π
fehlt. Für Frequenzen von annähernd 1000 Hz erwies sich
beispielsweise ein maximaler Längenunterschied von etwa 12-16 cm
als zufriedenstellend für eine Verringerung des Lärmpegels der
Resonanz um mindestens 30 dB. Wenn dieser maximale
Längenunterschied zu gering ist, insbesondere kleiner als 1/4 einer
Wellenlänge ist, treten die erwünschten Dämpfungsphänomene nur in
nicht zufriedenstellendem Ausmaß ein. Aus diesem Grund beträgt
der Längenunterschied zwischen dem Kanal mit der längsten
Wegzeit und dem Kanal mit der kürzesten Wegzeit zwischen 1/4 und
1/2 einer Wellenlänge einer Schallwelle mit der zu
unterdrückenden Frequenz.
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Es ist besonders wichtig, daß der Strömungswiderstand, der
durch die verschiedenen Kanäle dem zu verbrennenden Gasgemisch
entgegengesetzt wird, im wesentlichen gleich ist. Dies kann
dadurch erreicht werden, daß die Widerstandsunterschiede, die
durch die Unterschiede in der Weglänge für das Gasgemisch in den
verschiedenen Kanälen entstehen, kompensiert werden, indem die
Kanalabmessungen, abgesehen von jenen, die die oben erwähnte
Weglänge beeinflussen, für die verschiedenen Kanäle verschieden
gestaltet werden. Vorzugsweise wird zu diesem Zweck der
Querschnitt
der Kanäle verschieden gemacht. Falls erforderlich, kann
sich dieser Querschnitt bei jedem Kanal über die Länge dieses
Kanals ändern.
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Die Erfindung wird anhand des folgenden Beispiels erläutert.
Beispiel I
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Ein Brenner des in Fig. 1 gezeigten Typs, bei welchem der
Brennersatz 1 cm dick ist, und der etwa 100 Ausströmöffnungen
hat, die zusammen 20% der Oberfläche des Brennersatzes
ausmachen, in welchem aber die Kanäle und das Füllmaterial fehlen,
wird zwischen einer Brennkammer und einer Mischkammer mit einer
Tiefe von 5 cm installiert. Das erhaltene Brennersystem wird für
die Verbrennung eines Erdgas-Luft-Gemisches verwendet. Das
Schallspektrum an der Außenwand wird gemessen. Dieses Spektrum
zeigt eine Spitze bei etwa 1050 Hz. Die entsprechende
Wellenlänge für Schallwellen ist 32,3 cm. Der an der Außenwand der
Brennkammer gemessene Lärmpegel beträgt 100 dB.
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Der beschriebene Brenner wird modifiziert, um einen
erfindungsgemäßen Brenner zu schaffen, indem zwischen dem Brennersatz
und der Mischkammer eine Trennschicht eingebaut wird, die aus
einer Schicht von 4 cm besteht, in welcher 10 Aluminiumrohre
verlaufen, die jeweils in einer Ausströmöffnung münden. Die
Luftschicht wird von der Mischkammer in einer gasdichten
Anordnung mittels einer Aluminiumplatte getrennt, in welche die
Kanäle münden, so daß das Erdgas-Luft-Gemisch den Brennersatz nur
über die Kanäle erreichen kann. Der Unterschied zwischen dem
kürzesten und dem längsten Kanal beträgt 13 cm, was einem
0,4fachen der Wellenlänge entspricht. Die Längen der anderen Kanäle
liegen zwischen jenen des kürzesten und des längsten Kanals,
wobei der Längenunterschied zwischen jedem Kanal und dem
nächstlängeren im Durchschnitt 1,3 cm beträgt. Wenn das oben erwähnte
Erdgas-Luft-Gemisch unter denselben Bedingungen wie beim
nichtmodifizierten Brenner verbrannt wird, beträgt der Lärmpegel 40
dB. Dies entspricht einer Verringerung des Lärmpegels um 60 dB
als Ergebnis des Vorhandenseins der Kanäle mit unterschiedlichen
Wegzeiten für die Schallwellen im Brenner.