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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungsvorrichtung,
in der ein Brennstoffeinspritzabschnitt von einem gasdurchlässigen Festkörper aus
rückwärts (stromauf
vom Festkörper, wenn
in der Luftströmungsrichtung
gesehen) angeordnet ist, sowie auf eine mit der Verbrennungsvorrichtung
versehene thermische Anlage.
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In
einem herkömmlichen
Brenner (zum Beispiel WO 95/15462,
EP
0 657 696 ) ist ein Brennstoffeinspritzabschnitt so angeordnet,
dass er einer Verbrennungskammer zugewandt ist. Im Ergebnis erfolgt
die Verbrennung nahe dem Brennstoffeinspritzabschnitt des Brenners,
so dass die Temperatur des Brennstoffeinspritzabschnitts hoch ist.
Insbesondere befindet sich in Brennern vom Typ der regenerativen Verbrennung
der Brennstoffeinspritzabschnitt bei einer sehr hohen Temperatur,
da sich der Brennstoffeinspritzabschnitt von einem Wärmespeicherelement aus
vorwärts
(auf der Seite der Verbrennungskammer) befindet.
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Ferner
offenbart die Japanische Gebrauchsmuster-Offenlegung SHO 62-118
925 als speziellen Fall ein Strahlungsrohr, in dem eine Brennstoffeinspritzdüse von einem
Wärmespeicherelement
aus rückwärts so angeordnet
ist, dass die Spitze der Düse
das Wärmespeicherelement
berührt.
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Die
oben beschriebenen, herkömmlichen Vorrichtungen
weisen aber die folgenden Probleme auf:
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Bei
dem Brenner, bei dem der Brennstoffeinspritzabschnitt der Verbrennungskammer
zugewandt ist, verkürzt
sich die Lebensdauer des Brenners, da sich der Brennstoffeinspritzabschnitt
bei einer hohen Temperatur befindet. Wenn der Brennstoffeinspritzabschnitt
aus einem hitzebeständigen
Werkstoff besteht, erhöht
sich der Preis, und die maschinelle Bearbeitung ist erschwert. Des
Weiteren unterliegt der Brenneraufbau verschiedenen Beschränkungen,
weil ein Hochtemperaturteil nicht mit einem komplizierten Mechanismus
versehen werden kann.
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Bei
dem Brenner, in dem der Brennstoffeinspritzabschnitt vom Wärmespeicherelement
aus rückwärts angeordnet
ist, wie in der Japanischen Gebrauchsmuster-Offenlegung SHO 62-118
925, wurde ausgeführten
Versuchen zufolge beobachtet, dass wegen ungenügender Durchmischung von Brennstoff
und Luft keine Flamme gebildet wurde.
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Wenn
der Brennstoffeinspritzabschnitt in einem gewissen Abstand vom Wärmespeicherelement angeordnet
wurde, um Brennstoff und Luft vorzumischen, entzündete sich das Brennstoff-Luft-Gemisch von
selbst, wenn Abgas durch das Wärmespeicherelement
strömte,
um es auf eine hohe Temperatur aufzuheizen, und verbrannte innerhalb
des Wärmespeicherelements,
so dass dieses schmolz. Daher konnte der Brenner, bei dem sich der
Brennstoffeinspritzabschnitt vom Wärmespeicherelement aus rückwärts befand,
nicht wirklich verwendet werden.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Verbrennungsvorrichtung
zur Verfügung zu
stellen, bei der ein Brennstoffeinspritzabschnitt in einem Bereich
verhältnismässig niedriger
Temperatur der Vorrichtung angeordnet werden kann.
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Eine
Verbrennungsvorrichtung oder thermische Anlage gemäss vorliegender
Erfindung besitzt die folgenden Strukturen:
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Die
Verbrennungsvorrichtung, die mit zumindest einem Brenner versehen
ist, schliesst einen gasdurchlässigen
Festkörper
in sich ein. Eine Brennstoffeinspritzdüse ist rückwärts vom gasdurchlässigen Festkörper (stromauf
vom gasdurchlässigen
Festkörper,
wenn in der Luftströmungsrichtung
gesehen) angeordnet. Eine Vormischzone zur Vorvermischung von Brennstoff
und Verbrennungsluft ist zwischen dem am weitesten strömungsabwärts gelegenen
Abschnitt des gasdurchlässigen
Festkörpers
und der Brennstoffeinspritzdüse
vorgesehen.
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In
einer solchen Verbrennungsvorrichtung wird die Lebensdauer eines
Mechanismus, der die Brennstoffeinspritzdüse einschliesst, verbessert,
da diese Düse
auf einer Rückseite
des gasdurchlässigen
Festkörpers
angeordnet ist, d. h. in einem Bereich der Vorrichtung mit verhältnismässig niedriger Temperatur.
Des Weiteren kann der mechanische Teil maschinell bearbeitet werden,
da er nicht aus hitzebeständigem
Werkstoff hergestellt werden muss. Durch Verwendung eines gasdurchlässigen Festkörpers vom
Gleichrichtertyp ist es ferner möglich,
eine stabile Flamme mit laminarer Grenzflächendiffusion zu bilden, wodurch
eine stabile, träge
Verbrennung erreicht wird. Durch die träge Verbrennung können eine
Unterdrückung
der NOx-Erzeugung, eine Verlängerung
der Flamme, eine Abflachung des Wärmeflusses, die Verhinderung
lokaler Überhitzung
des Ofens, eine Verbesserung der Lebensdauer des Ofens, die Bildung
einer hellen Flamme und eine Verbesserung der strahlenden Wärmeübertragungseigenschaften
erreicht werden.
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Die
obigen und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden klarer ersichtlich und leichter verständlich aus
der folgenden eingehenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung,
in der:
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1 eine
Querschnittsansicht einer ersten Verbrennungsvorrichtung ist;
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2 ist
eine Querschnittsansicht einer zweiten Verbrennungsvorrichtung;
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3 ist
eine Querschnittsansicht einer dritten Verbrennungsvorrichtung;
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4 ist
eine Querschnittsansicht einer vierten Verbrennungsvorrichtung;
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5 ist
eine Querschnittsansicht einer fünften
Verbrennungsvorrichtung;
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6 ist
eine Querschnittsansicht einer sechsten Verbrennungsvorrichtung;
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7 ist
eine Aufrissansicht der sechsten Verbrennungsvorrichtung;
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8 ist
eine Querschnittsansicht einer siebenten Verbrennungsvorrichtung;
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9 ist
eine Querschnittsansicht einer achten Verbrennungsvorrichtung, wobei
die Vorrichtung eine Einlassöffnung
hoher Geschwindigkeit besitzt;
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10 ist
eine Querschnittsansicht der achten Verbrennungsvorrichtung, wobei
die Vorrichtung eine Wirbel erzeugende Einlassöffnung besitzt;
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11 ist
eine Querschnittsansicht der achten Verbrennungsvorrichtung, wobei
die Vorrichtung eine Einlassöffnung
mit niedrigem Druckverlust besitzt;
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12 ist
eine Querschnittsansicht einer neunten Verbrennungsvorrichtung;
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13 ist
eine Querschnittsansicht einer zehnten Verbrennungsvorrichtung;
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14 ist
eine Querschnittsansicht einer elften Verbrennungsvorrichtung;
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15 ist
eine Seitenrissansicht der elften Verbrennungsvorrichtung;
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16 ist
eine Querschnittsansicht einer zwölften Verbrennungsvorrichtung;
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17 ist
eine Seitenrissansicht der zwölften
Verbrennungsvorrichtung;
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18 ist
eine Querschnittsansicht einer dreizehnten Verbrennungsvorrichtung;
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19 ist
eine Querschnittsansicht einer vierzehnten Verbrennungsvorrichtung;
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20 ist
eine Querschnittsansicht einer fünfzehnten
Verbrennungsvorrichtung;
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21 ist
eine Seitenrissansicht der fünfzehnten
Verbrennungsvorrichtung;
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22 ist
eine Querschnittsansicht einer Verbrennungsvorrichtung gemäss einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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23 ist
eine Seitenrissansicht einer Verbrennungsvorrichtung gemäss der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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24 ist
eine Querschnittsansicht einer Verbrennungsvorrichtung gemäss einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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25 ist
eine Querschnittsansicht einer sechzehnten Verbrennungsvorrichtung;
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26 ist
eine Aufriss-Vorderansicht der sechzehnten Verbrennungsvorrichtung
eines Wabentyps;
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27 ist
eine Querschnittsansicht einer siebzehnten Verbrennungsvorrichtung.
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Teile,
die allen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung gemein oder ähnlich sind, werden bei allen
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung durchwegs mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet.
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Zuerst
werden Teile, die allen Verbrennungsvorrichtungen gemein oder ähnlich sind,
unter Bezugnahme beispielsweise auf 1 erklärt.
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Wie
in 1 veranschaulicht, ist eine Verbrennungsvorrichtung
mit zumindest einem Brenner 1 versehen. Die Vorrichtung
einschliesslich des Brenners 1 enthält einen Gasdurchlass 2,
einen gasdurchlässigen
Festkörper 3,
der im Gasdurchlass 2 angeordnet ist, sowie eine Brennstoffeinspritzdüse (Brennstoffzufuhrdüse) 4.
Der gasdurchlässige
Festkörper 3 besitzt
ein erstes Ende und ein zweites, entgegengesetztes Ende sowie eine
erste Seite und eine zweite, gegenüberliegende Seite, die dem
ersten bzw. dem zweiten Ende entsprechen. Von der ersten Seite her
tritt Verbrennungsluft 5 in den Festkörper 3 ein, an der
zweiten Seite wird die Flamme 7 gebildet. Die Brennstoffeinspritzdüse 4 ist
an der ersten Seite des Festkörpers 3 angeordnet.
Eine Vormischzone 8 zur Vorvermischung von Brennstoff 6 und
Verbrennungsluft 5 ist zwischen dem ersten Ende des Festkörpers 3 und
der Brennstoffeinspritzdüse 4 ausgebildet.
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Die
Brennstoffeinspritzdüse 4 tritt
durch ein Gehäuse 9 hindurch
und liefert von der ersten Seite des Festkörpers 3 aus Brennstoff 6 zum
Festkörper 3.
Ein Gemisch aus Brennstoff und Verbrennungsluft wird durch eine
Zündvorrichtung
(in 1 nicht gezeigt, und aus einem hitzebeständigen Metall
oder einer elektrisch leitenden Keramik bestehend) gezündet, so
dass eine Flamme 7 an der zweiten oder Vorderseite des
Festkörpers 3 gebildet
wird.
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In
Verbrennungsvorrichtungen der oben beschriebenen Strukturen ist
die Lebensdauer der Vorrichtung einschliesslich des Brenners 1 verbessert, und
der Freiraum für
die Auslegung in einer Hochtemperaturumgebung ist ebenfalls verbessert,
weil der mecha nische Teil einschliesslich der Brennstoffeinspritzdüse 4 in
einem Bereich der Vorrichtung von verhältnismässig niedriger Temperatur angeordnet ist.
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In 1 kann
der Festkörper 3 der
Verbrennungsvorrichtung einschliesslich des Brenners 1 vom Gleichrichtertyp
oder vom Diffusionstyp sein. 1 zeigt,
dass der Festkörper 3 aus
einem Werkstoff des Diffusionstyps hergestellt ist. In Fällen, in
denen der Festkörper 3 vom
Diffusionstyp ist, schliesst die Vormischzone 8 einen zwischen
dem Festkörper 3 und der
Brennstoffeinspritzdüse 4 definierten
Raum ein.
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In
Fällen,
in denen der Festkörper 3 vom
Diffusionstyp ist, vermischt sich der Brennstoff 6, während er
innerhalb des Festkörpers 3 strömt, mit
Luft und diffundiert über
den gesamten Querschnitt des Festkörpers 3 hinweg. Im
Ergebnis bildet sich die Flamme 7 an der gesamten Vorderseite
des stromabwärtigen
Endes des Festkörpers 3.
Da der Brennstoff und die Verbrennungsluft, die eine niedrige Temperatur
besitzen, innerhalb des Festkörpers 3 strömen, bleibt
der Festkörper 3 bei
einer verhältnismässig niedrigen
Temperatur, und zwar mit Ausnahme des am weitesten strömungsabwärts gelegenen
Teils des Festkörpers 3,
der durch Strahlung erwärmt
wird, so dass es möglich
ist, den Werkstoff für
den Festkörper 3 frei
auszuwählen.
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In 2 ist
der gasdurchlässige
Festkörper 3 der
Vorrichtung einschliesslich des Brenners 1 vom Gleichrichtertyp.
In diesem Beispiel ist ein Festkörper des
Gleichrichtertyps als ein Festkörper
definiert, der eine Anzahl von im Wesentlichen voneinander unabhängigen Durchlässen enthält, die
sich axial erstrecken und die Strömung der Verbrennungsluft gerade richten,
während
diese innerhalb des Festkörpers 3 strömt.
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Der
Festkörper
vom Gleichrichtertyp kann jede Struktur besitzen, solange diese
eine Anzahl sich axial erstreckender Durchlässe hat. Zum Beispiel kann
der Festkörper
des Gleichrichtertyps eine Wabenstruktur, die Struktur eines Bündels fester
Stäbe mit
einer Anzahl von Durchlässen
zwischen den Stäben,
die Struktur eines Bündels
von Röhren,
jede mit einem kleinen Durchmesser, eine Struktur, die entsteht,
wenn gewellte und flache Platten abwechselnd übereinandergelegt werden, oder
eine Struktur aufweisen, die entsteht, wenn eine gewellte Platte und
eine flache Platte übereinandergelegt
und die übereinandergelegten
Platten dann zu einer Rolle aufgewickelt werden. Der Festkörper kann
aus jedem Werkstoff gefertigt werden, solange dieser die erforderliche
Hitzebeständigkeit,
Stossfestigkeit und chemische Beständigkeit besitzt. Zum Beispiel
wird der Festkörper
aus Keramik oder aus einem Metall hergestellt.
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Um
den Festkörper 3 leicht
zu formen und die in ihm entstehenden Wärmespannungen zu verringern,
kann er in seiner Axialrichtung wie auch in seiner Radialrichtung
in eine Mehrzahl von Sektionen unterteilt werden.
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In
Fällen,
in denen der Festkörper 3 vom Gleichrichtertyp
ist, vermischt sich der Brennstoff mit der Verbrennungsluft in einem
peripheren Bereich der Brennstoffströmung, wenn der Brennstoff in
die Vormischzone 8 einströmt und dann in den gasdurchlässigen Festkörper 3 eintritt.
Im Festkörper 3 strömen die
Brennstoffströmung,
die Strömung
des Gemischs um die Brennstoffströmung herum sowie die Luftströmung um
die Strömung
des Gemischs herum unabhängig
voneinander und ohne sich miteinander zu vermischen, und strömen dann
aus dem strömungsabwärtigen Ende
des Festkörpers
in Gestalt einer laminaren zylindrischen Strömung heraus. Unmittelbar nach
seinem Herausströmen
aus dem Festkörper 3 wird
das Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisch durch eine (in 2 nicht
gezeigte) Zündvorrichtung
gezündet.
Die Brenngasströmung
diffundiert träge
zur zylindrischen Verbrennungsgasgemischschicht, um sich mit dieser
zu vermischen, so dass eine träge
Selbstverbrennung erfolgt, die zur Bildung einer sich allmählich ausbreitenden
Flamme führt.
Da die Verbrennung träge
erfolgt, ist die Flamme in der Axialrichtung langgestreckt, so dass
der Brennstoff in der verlängerten
Verbrennung vollständiger
verbrannt wird. In der Verbrennung in Gestalt einer laminaren zylindrischen
Strömung
verbrennt der durch Zersetzung des Brennstoffs gebildete Wasserstoff selektiv,
ehe der Kohlenstoff verbrennt, und der verbleibende Kohlenstoff
bildet eine langgestreckte, hell leuchtende Flamme (von gelber Farbe),
wenn träge verbrennend.
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Wegen
der trägen
Verbrennung wird die Erzeugung von NOx (Stickstoffoxiden)
unterdrückt,
so dass die Menge von NOx, die in den aus
der Verbrennungsvorrichtung zur Atmosphäre ausgestossenen Verbrennungsgasen
enthalten ist, herabgesetzt ist. Dies bedeutet, dass die Verbrennung
sauber und umweltfreundlich ist. Durch die träge Verbrennung und die Schaffung
einer zylindrischen Luftschicht niedriger Temperatur, die die brennende
zylindrische Gemischschicht umgibt, wird des Weiteren verhindert, dass
ein Teil der Vorrichtung (Ofen oder Rohr) in Nachbarschaft zum strömungsabwärtigen Ende
des Festkörpers
lokal überhitzt
wird, wodurch die Lebensdauer der Vorrichtung verbessert wird. Weiter wird
wegen der trägen
Verbrennung und langgestreckten Flamme die Wärmeströmung in der Axialrichtung der
Vorrichtung flach, so dass die Erwärmung einheitlich ist und die
Innentemperatur des Ofens oder des Rohres in allen Teilen des Ofens
oder Rohres bis zu einer erlaubten Grenze gesteigert werden kann,
was zu einer Verbesserung der Wärmeübertragungsleistung
führt.
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In 3 ist
der gasdurchlässige
Festkörper 3 vom
Gleichrichtertyp, und die Vormischzone 8 ist innerhalb
des gasdurchlässigen
Festkörpers 3 ausgebildet.
In der Verbrennungsvorrichtung der 3 ist eine
weitere Vormischzone 8A zwischen dem strömungsaufwärtigen Ende
des Festkörpers 3 und
der Brennstoffeinspritzdüse 4 ausgebildet.
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Auf
Grund dieser Struktur werden ein Anteil des Brenngases 6 und
ein Anteil der Verbrennungsluft 5 miteinander in der Vormischzone 8 vorvermischt,
um ein Gemisch zu bilden. Im Ergebnis bildet sich strömungsabwärts vom
Festkörper 3 eine
laminare zylindrische Strömung
mit der Brenngasschicht 10, der Vorgemischschicht 11 ausserhalb
der Schicht 10 und der Luftschicht 12 ausserhalb
der Schicht 11. Wenn die Vorgemischschicht 11 gezündet wird,
erfolgt die Verbrennung wie in der zweiten Verbrennungsvorrichtung
erklärt.
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In
der vierten Verbrennungsvorrichtung, wie in 4 veranschaulicht,
ist der gasdurchlässige Festkörper 3 vom
Gleichrichtertyp, und die Vormischzone 8' ist von einem gasdurchlässigen Typ,
der durch einen gasdurchlässigen
Festkörper
(mit einer Dicke t) vom Diffusionstyp gebildet wird, der zwischen
dem strömungsaufwärtigen Ende
des gasdurchlässigen
Festkörpers 3 und
der Spitze der Brennstoffeinspritzdüse 4 angeordnet ist.
Die Spitze der Brennstoffeinspritzdüse 4 kann mit dem
gasdurchlässigen
Festkörper
vom Diffusionstyp in Berührung
stehen.
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Auf
Grund dieser Struktur werden ein Anteil des Brenngases 6 und
ein Anteil der Verbrennungsluft 5 miteinander in der Vormischzone 8' vorvermischt,
um ein Gemisch zu bilden. Im Ergebnis bildet sich strömungsabwärts vom
Festkörper 3 eine
laminare zylindrische Strömung
mit der Brenngasschicht 10, der Vorgemischschicht 11 ausserhalb
der Schicht 10 und der Luftschicht 12 ausserhalb
der Schicht 11. Wenn die Vorgemischschicht 11 gezündet wird,
erfolgt die Verbrennung wie in der zweiten Verbrennungsvorrichtung
erklärt.
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In
der fünften
Verbrennungsvorrichtung, wie in 5 veranschaulicht,
ist der gasdurchlässige Festkörper 3 vom
Gleichrichtertyp, und die Vormischzone 8 schliesst einen
Raum (mit einer Dicke t) ein, der zwischen dem strömungsaufwärtigen Ende
des gasdurchlässigen
Festkörpers 3 und
der Spitze der Brennstoffeinspritzdüse 4 definiert ist.
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Obwohl 5 die
Brennstoffeinspritzdüse
in Gestalt eines Rohres veranschaulicht, kann die Gestalt der Düse variieren.
In diesem Beispiel sind die Dicke der Wandung des Rohrendes, dessen
Durchmesser und die Konfiguration Faktoren für die Steuerung der Vorgemischeigenschaften.
Wenn die Rohrwandung dick ist, wird in der Nähe des Rohrendes Turbulenz
erzeugt, so dass die Vorvermischung befördert wird. Wenn der Unterschied
zwischen den Geschwindigkeiten der Luft und des Brennstoffs vergrössert wird,
indem der Rohrdurchmesser verändert wird,
wird die an der Grenze zwischen der Luftschicht und der Brennstoffschicht
erzeugte Turbulenz stark, so dass die Vorvermischung befördert wird.
Die Vorvermischung wird weiter befördert, indem des Weiteren am
Rohrende eine Endplatte vorgesehen und in der Endplatte eine Mehrzahl
von Löchern
ausgebildet wird oder indem ein Loch an einer Seite des Rohres gebildet
wird.
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Auf
Grund dieser Struktur vermischen sich ein Anteil des Brenngases 6 und
ein Anteil der Verbrennungsluft 5 miteinander in der Vormischzone 8, um
ein Gemisch zu bilden. Im Ergebnis bildet sich strömungsabwärts vom
Festkörper 3 eine
laminare zylindrische Strömung
mit der Brenngasschicht 10, der Vorgemischschicht 11 ausserhalb
der Schicht 10 und der Luftschicht 12 ausserhalb
der Schicht 11. Wenn die Vorgemischschicht 11 gezündet wird,
erfolgt die Verbrennung wie in der zweiten Verbrennungsvorrichtung
erklärt.
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In
der sechsten Verbrennungsvorrichtung, wie in 6 und 7 veranschaulicht,
umfasst die Verbrennungsvorrichtung einschliesslich des Brenners 1 weiter
ein Gehäuse 9,
das den gasdurchlässigen
Festkörper 3 in
sich hält,
einen Luftsammler 13, der an das Gehäuse 9 angeschlossen
ist und einen Teil des Gasdurchlasses 2 darin definiert,
eine Zündvorrichtung 14 sowie
einen Detektor 15 zur Erkennung einer Flamme. Der gasdurchlässige Festkörper 3,
die Brennstoffeinspritzdüse 4,
das Gehäuse 9,
die Zündvorrichtung 14 und
der Flammendetektor 15 sind zu einem Paket zusammengefasst.
Dieses Paket ist lösbar
mit dem Ofen (oder dem Rohr) verbunden.
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Was
die Zündvorrichtung 14 betrifft,
so ist es möglich,
das Gemisch zu zünden,
indem eine elektrische Entladung zwischen dem Gehäuse 9,
das elektrisch leitend ist, und einem Zündstab 16 gebildet wird,
der in den gasdurchlässigen
Festkörper 3 eindringt.
Den Flammendetektor 15 betreffend, ist es ferner möglich, eine
Flamme zu erkennen, indem ein Flammenstab verwendet wird, der in
den gasdurchlässigen
Festkörper 3 eindringt,
oder indem in Fällen, in
denen Licht den Festkörper 3 durchdringen
kann, ein optischer Flammendetektor verwendet wird.
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Auf
Grund der paketartigen Struktur ist es leicht, den Brenner vom Ofen
oder Rohr abzunehmen und zu warten.
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In
der siebenten Verbrennungsvorrichtung, wie in 8 veranschaulicht,
umfasst die mit dem Brenner 1 ausgerüstete Verbrennungsvorrichtung weiter
einen Hauptluftzufuhrdurchlass 2A für die Zufuhr der Hauptverbrennungsluft 5A sowie
einen Zündluftzufuhrdurchlass 2B für die Zufuhr
der Verbrennungszündluft 5B.
Die Summe der Mengen von Hauptluft 5A und Zündluft 5B ergibt
die Menge von Verbrennungsluft. Der Zündluftzufuhrdurchlass 2B und
der Hauptluftzufuhrdurchlass 2A sind voneinander unabhängig. Die
Brennstoffeinspritzdüse 4,
die innerhalb des Zündluftzufuhrdurchlasses 2B angeordnet
ist, steht mit dem gasdurchlässigen
Festkörper 3 darin
in Berührung.
Die Spitze der Brennstoffeinspritzdüse 4 ist von der Oberfläche des
Festkörpers,
durch die die Verbrennungsluft in den Festkörper 3 eintritt, so
beabstandet, dass ein Raum, der zwischen der Spitze der Brennstoffeinspritzdüse 4 und
dieser Oberfläche
des Festkörpers
definiert wird, die Vormischzone 8 definiert.
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Um
die Brennstoffeinspritzdüse 4 innerhalb des
Zündluftzufuhrdurchlasses 2B stabil
zu halten, sind die beiden Rohre (das Rohr, das den Zündluftzufuhrdurchlass 2B darin
definiert, und die Brennstoffeinspritzdüse 4) so miteinander
nuten- oder zahngekoppelt, dass Luft durch den Kopplungsbereich
hindurchgelassen wird, obwohl die Haltestruktur nicht auf diese
Kopplungsstruktur beschränkt
ist. Die Spitze des Rohres, das den Zündluftzufuhrdurchlass darin
definiert, berührt
den Festkörper 3,
damit der Bereich, in dem die Zündluft
strömt,
deutlich von dem Bereich abgegrenzt wird, in dem die Hauptluft in
den gasdurchlässigen
Festkörper 3 einströmt. Wenn
erforderlich, kann eine Dichtung zwischen die Spitze des Rohres
und den Festkörper
eingesetzt werden, oder die Spitze des Rohres, das den Zündluftzufuhrdurchlass
darin definiert, kann in einen Zwischenabschnitt des gasdurchlässigen Festkörpers vom Gleichrichtertyp
eingesetzt werden.
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Durch
Trennung des Zündluftströmungsbereichs
vom Hauptluftströmungsbereich
wird, wenn die Vorrichtung für
einen Brenner eines regenerativen Verbrennungssystems verwendet
wird (bei dem, wenn das Abgas durch den gasdurchlässigen Festkörper 3 strömt, der
Festkörper
die Wärme
des Abgases speichert, und wenn die Verbrennungsluft durch den Festkörper strömt, dieser
die Wärme,
die er gespeichert hat, an die Luft abgibt), im Festkörper eine zylindrische
Zone niedriger Temperatur gebildet, die einen Kernbereich umgibt,
in dem der Brennstoff und das Brennstoff-Luft-Gemisch strömen, wodurch
der Kernbereich von einem peripheren Bereich getrennt wird, der
durch das durch den peripheren Bereich strömende Abgas auf eine Temperatur
von über
etwa 700°C
erwärmt
wird. Im Ergebnis kann verhindert werden, dass der Brennstoff und
das Brennstoff-Luft-Gemisch so brennen, dass der Festkörper 3 schmilzt.
Auf Grund dieser Struktur zur Trennung des Zündluftströmungsbereiches vom Hauptluftströmungsbereich
wird es praktisch möglich,
die Vorrichtung für
einen regenerativen Verbrennungsbrenner einzusetzen.
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In
der achten Verbrennungsvorrichtung, wie in 9, 10 und 11 veranschaulicht,
umfasst die mit dem Brenner 1 ausgerüstete Vorrichtung weiter ein
eine Öffnung
definierendes Element 18A, 18B oder 18C,
das an der Flammenbildungsseite des gasdurchlässigen Festkörpers 3 angeordnet
ist.
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Das
eine Öffnung
definierende Element 18A der 9 hat einen
in seinem Querschnitt verengten Ausgang, um die Gasgeschwindigkeit
zu erhöhen. Diese Öffnung kann
Hochgeschwindigkeitsöffnung genannt
werden. Das eine Öffnung
definierende Element 18B der 10 enthält eine
Schaufel zur Erzeugung einer Wirbelströmung. Das eine Öffnung definierende
Element 18C ist in der Gestalt eines Venturis ausgebildet
und wird eine Öffnung
niedrigen Druckverlusts genannt.
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Durch
die Wahl der Art der Öffnung
wird eine wünschenswerte
Strömungseigenschaft
der Öffnung erhalten.
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In
der neunten Verbrennungsvorrichtung, wie in 12 veranschaulicht,
enthält
die mit dem Brenner 1 ausgerüstete Vorrichtung ein Gehäuse 9, das
den gasdurchlässigen
Festkörper 3 beherbergt. Das
Gehäuse 9 enthält einen
eine Öffnung
definierenden Abschnitt 9A, um eine Öffnung der wünschenswerten
Konfiguration zu bilden. Zumindest ein Teil des Gehäuses 9 (in
der gezeigten Ausführungsform
das ganze Gehäuse)
besteht aus hitzebeständigem
Werkstoff. Der eine Öffnung
definierende Abschnitt 9A ist eine Hochgeschwindigkeitsöffnung mit einem
in seinem Durchmesser verengten Ausgang. Der hitzebeständige Werkstoff
ist zum Beispiel Keramik. In diesem Beispiel kann ein örtlicher
leitender Abschnitt (Zündstab),
der an der strömungsabwärtigen Seite
des Luftdurchlasses angeordnet werden soll, aus hitzebeständigem Metall
bestehen, oder das ganze Gehäuse
kann aus Keramik gefertigt werden, indem elektrisch leitfähige Keramikwerkstoffe
verwendet werden, so dass das Gehäuse eine höhere Temperatur aushalten kann.
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Wenn
das Gehäuse 9 aus
hitzebeständigem Werkstoff
besteht und im Ofen angeordnet wird, kann die Hitzebeständigkeit
der Verbrennungsvorrichtung verbessert werden.
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In
der zehnten Verbrennungsvorrichtung, wie in 13 veranschaulicht,
umfasst der Brenner 1 ein Gehäuse 9, das den gasdurchlässigen Festkörper 3 darin
hält. Im
Gehäuse 9 ist
eine Gaseinlassöffnung 20 ausgebildet,
damit Verbrennungsgase auf Grund eines Unterdrucks, der innerhalb
des Gehäuses 9 durch
die vom strömungsabwärtigen Ende
des gasdurchlässigen
Festkörpers 3 ausgestossene
Luft erzeugt wird, durch die Öffnung 20 zur
Verbrennungsluft innerhalb des Gehäuses 9 hindurchgehen.
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Auf
Grund dieser Struktur vermischen sich die Verbrennungsluft und das
Abgas im Ofen miteinander, so dass die Verbrennung träge verläuft und
die Erzeugung von NOx unterdrückt wird.
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Indem
weiter sowohl die Gaseinlassöffnung 20 als
auch die Hochgeschwindigkeitsöffnung
verwendet werden, erfolgt selbst in der Flammenbildungszone ein
starker Selbstrücklauf
des Abgases im Ofen, so dass die Erzeugung von NOx weiter
unterdrückt
wird.
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In
der elften Verbrennungsvorrichtung, wie in 14 und 15 veranschaulicht,
umfasst die mit dem Brenner 1 ausgerüstete Vorrichtung weiter einen
Hauptluftzufuhrdurchlass 2A für die Zufuhr der Hauptverbrennungsluft 5A sowie
einen Zündluftzufuhrdurchlass 2B für die Zufuhr
der Verbrennungszündluft 5B.
Der Zündluftzufuhrdurchlass 2B und
der Hauptluftzufuhrdurchlass 2A sind voneinander unabhängig. Die
Brennstoffeinspritzdüse 4 ist
innerhalb des Zündluftzufuhrdurchlasses 2B angeordnet.
Eine Spitze des Rohres, das den Zündluftzufuhrdurchlass 2B definiert,
steht mit dem gasdurchlässigen
Festkörper 3 in
Berührung.
Die Spitze der Brennstoffeinspritzdüse 4 ist von der Oberfläche des
Festkörpers, durch
die die Verbrennungsluft in den Festkörper 3 eintritt, so
beabstandet, dass ein Raum, der zwischen der Spitze der Brennstoffeinspritzdüse 4 und
dieser Oberfläche
des Festkörpers
definiert wird, die Vormischzone 8 definiert.
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Das
Verhältnis
des von der Brennstoffeinspritzdüse 4 zugeführten Brennstoffs 6 zu
der vom Hauptluftzufuhrdurchlass 2A und vom Zündluftzufuhrdurchlass 2B zugeführten Verbrennungsluft
ist absichtlich so gewählt,
dass ein Brennstoffüberschuss
vorliegt.
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Die
Vorrichtung enthält
weiter einen dritten Luftdurchlass 2C, um Verbrennungsluft
unabhängig vom
Hauptluftdurchlass 2A und vom Zündluftdurchlass 2B zu
einem [Bereich] strömungsabwärts vom gasdurchlässigen Festkörper zu
liefern.
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Der
Brenner 1 ist ein Multiport-Brenner mit einer zentralen Öffnung sowie
einer Mehrzahl von die zentrale Öffnung
umgebenden Öffnungen.
Die umgebenden Öffnungen
bilden den dritten Luftdurchlass 2C. Luft kann durch einen
durch die Zündflammenströmung erzeugten
Unterdruck, durch ein einen Saugventilator nutzendes natürliches
Luftzufuhrsystem oder durch ein Gebläse zur zwangsweisen Verbrennungsluftzufuhr
durch den Durchlass 2C zugeführt werden.
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Durch
die oben beschriebene Struktur wirkt, indem die Verbrennung absichtlich
unter der Bedingung eines Brennstoffüberschusses erfolgt, die Brennstoffzone
als eine Zündflamme,
und der überschüssige Brennstoff
bildet durch Zusammenwirken mit der durch den dritten Luftzufuhrdurchlass 2C gelieferten
Luft eine Hauptflamme.
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In
der zwölften
Verbrennungsvorrichtung, wie in 16 und 17 veranschaulicht,
umfasst die mit dem Brenner 1 ausgerüstete Vorrichtung weiter einen
Hauptluftzufuhrdurchlass 2A für die Zufuhr der Hauptverbrennungsluft 5A sowie
einen Zündluftzufuhrdurchlass 2B für die Zufuhr
der Verbrennungszündluft 5B.
Der Zündluftzufuhrdurchlass 2B und
der Hauptluftzufuhrdurchlass 2A sind voneinander unabhängig. Die
Brennstoffeinspritzdüse 4 ist
innerhalb des Zündluftzufuhrdurchlasses 2B angeordnet.
Eine Spitze des Rohres, das den Zündluftzufuhrdurchlass 2B definiert,
steht mit dem gasdurchlässigen
Festkörper 3 in
Berührung.
Die Spitze der Brennstoffeinspritzdüse 4 ist von der Oberfläche des
Festkörpers, durch
die die Verbrennungsluft in den Festkörper 3 eintritt, so
beabstandet, dass ein Raum, der zwischen der Spitze der Brennstoffeinspritzdüse 4 und
dieser Oberfläche
des Festkörpers
definiert wird, die Vormischzone 8 definiert.
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Das
Verhältnis
des von der Brennstoffeinspritzdüse 4 zugeführten Brennstoffs 6 zu
der vom Hauptluftzufuhrdurchlass 2A und vom Zündluftzufuhrdurchlass 2B zugeführten Verbrennungsluft
ist absichtlich so gewählt,
dass ein Luftüberschuss
vorliegt.
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Die
Vorrichtung enthält
weiter einen zweiten Brennstoffdurchlass 4A, um unabhängig von
der Brennstoffeinspritzdüse 4 sekundären Brennstoff 6A (der
entweder die gleiche Art von Brennstoff wie der von der Brennstoffeinspritzdüse 4 zugeführte Brennstoff
oder eine andere Art von Brennstoff oder aber ein geeignet zerstäubter flüssiger oder
pulverförmiger
Brennstoff sein kann) zu einem [Bereich] strömungsabwärts vom gasdurchlässigen Festkörper zu liefern.
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Durch
die oben beschriebene Struktur wirkt, indem die Verbrennung absichtlich
unter der Bedingung eines Luftüberschusses
erfolgt, die Brennstoffzone als eine Zünd flamme, und überschüssige Luft bildet
durch Zusammenwirken mit dem durch den zweiten Brennstoffzufuhrdurchlass 4A gelieferten Brennstoff
eine Hauptflamme.
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In
der dreizehnten Verbrennungsvorrichtung, wie in 18 veranschaulicht,
sind zwei Brenner 1 vorgesehen, die die gleiche Struktur
besitzen, wie in der siebenten Verbrennungsvorrichtung erklärt. Die zwei
Brenner sind gepaart und stehen in einer derartigen wechselseitigen
Beziehung, dass, wenn in einem der beiden Brenner Verbrennung erfolgt,
die Verbrennung im anderen der beiden Brenner angehalten wird, und
dass Abgas durch den Brenner mit angehaltener Verbrennung läuft, wodurch
die Wärme des
Abgases in einem gasdurchlässigen
Festkörper 3 des
Brenners mit angehaltener Verbrennung gespeichert wird, während Verbrennungsluft
durch den Brenner mit laufender Verbrennung läuft, wodurch an die Verbrennungsluft
die Wärme
freigesetzt wird, die ein gasdurchlässiger Festkörper 3 des
Brenners mit laufender Verbrennung gespeichert hatte. Ein Umschaltmechanismus 21 zum
Vertauschen von Luftzufuhr und Abgasabfuhr steht ausserhalb der
beiden Brenner 1 zur Verfügung. Der Umschaltmechanismus
ist zum Beispiel ein Vierwege-Ventil. Zwei einander gegenüberliegende Öffnungen
des Ventils sind mit den entsprechenden Luftzufuhröffnungen
der beiden Brenner 1 verbunden, während eine der verbleibenden
zwei Öffnungen
mit einer Luftquelle, die andere der verbleibenden zwei Öffnungen
mit einem Absaugventilator verbunden ist.
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Durch
diese Struktur bilden die beiden Brenner 1 ein Doppelbrennersystem
vom Typ der regenerativen Verbrennungsumschaltung. Der gasdurchlässige Festkörper 3 im
System ist vom Gleichrichtertyp und wirkt als ein Wärmespeicherelement.
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Durch
die oben beschriebene Struktur werden die gleiche Wirkung und der
gleiche Vorteil erhalten, wie in der zweiten Verbrennungsvorrichtung
erklärt.
Genauer erfolgt träge
Verbrennung innerhalb der zylindrischen Abgasschicht. Wegen der
laminaren Strömung
ist die Flamme axial gestreckt, und Verbrennung ist träge. Des
Weiteren ist die Flamme hell leuchtend, was nur bei der Verbrennung
von Kohlenstoff vorkommt.
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Wegen
der trägen
Verbrennung wird die Erzeugung von NOx unterdrückt, so
dass die Menge von NOx, die in den aus der
Verbrennungsvorrichtung zur Atmosphäre ausgestossenen Verbrennungsgasen
enthalten ist, herabgesetzt ist. Dies bedeutet, dass die Verbrennung
sauber und umweltfreundlich ist. Durch die träge Verbrennung und die Schaffung einer
zylindrischen Luftschicht niedriger Temperatur, die die brennende
zylindrische Gemischschicht umgibt, wird des Weiteren verhindert,
dass ein Teil der Vorrich tung in Nachbarschaft zum strömungsabwärtigen Ende
des Festkörpers
lokal überhitzt
wird, wodurch die Lebensdauer der Vorrichtung verbessert wird. Weiter
wird wegen der trägen
Verbrennung und langgestreckten Flamme die Wärmeströmung in der Axialrichtung der
Vorrichtung flach, so dass die Erwärmung einheitlich ist und die
Innentemperatur des Ofens oder des Rohres in allen Teilen des Ofens
oder Rohres bis zu einer erlaubten Grenze gesteigert werden kann,
was zu einer Verbesserung der Wärmeübertragungsleistung
führt.
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Des
Weiteren werden die gleiche Wirkung und der gleiche Vorteil erzielt,
wie in der siebenten Verbrennungsvorrichtung erklärt. Insbesondere
wird durch Trennung des Zündluftströmungsbereichs
vom Hauptluftströmungsbereich,
wenn die Vorrichtung für einen
Brenner eines regenerativen Verbrennungssystems verwendet wird,
im Festkörper
eine zylindrische Zone niedriger Temperatur gebildet, die einen Kernbereich
umgibt, in dem der Brennstoff und das Brennstoff-Luft-Gemisch strömen, wodurch
der Kernbereich von einem peripheren Bereich getrennt wird, der
durch das durch den peripheren Bereich strömende Abgas auf eine Temperatur
von über
etwa 700°C
erwärmt
wird. Im Ergebnis kann verhindert werden, dass der Brennstoff und
das Brennstoff-Luft-Gemisch so brennen, dass der Festkörper 3 schmilzt.
Auf Grund dieser Struktur zur Trennung des Zündluftströmungsbereiches vom Hauptluftströmungsbereich
wird es praktisch möglich,
die Vorrichtung für
einen regenerativen Verbrennungsbrenner (einschliesslich eines Strahlungsrohrbrenners)
einzusetzen.
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In
der vierzehnten Verbrennungsvorrichtung, wie in 19 veranschaulicht,
ist zwischen den beiden Brennern 1 der dreizehnten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ein Verbindungskanal 22 vorgesehen,
um es einem Teil des Abgases zu ermöglichen, von einem Brenner
mit angehaltener Verbrennung zu einem Brenner mit laufender Verbrennung
zurückzuströmen. Die
Gasrückströmung erfolgt,
indem ein Unterdruck genutzt wird, der um den gasdurchlässigen Festkörper 3 herum
erzeugt und durch die aus dem strömungsabwärtigen Ende des Festkörpers ausströmende Luft
induziert wird.
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Auf
Grund dieser Struktur strömt
ein Teil der Verbrennungsgase im Ofen oder Rohr zum Brenner zurück, um sich
mit der Verbrennungsluft zu vermischen und dadurch die Verbrennung
noch träger
zu machen.
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In
der fünfzehnten
Verbrennungsvorrichtung, wie in 20 und 21 veranschaulicht,
enthält
jeder der Brenner 1 der in der dreizehnten Verbrennungsvorrichtung beschriebenen
Vorrichtung einen Multiport-Brenner mit mehreren (zum Beispiel sieben) Öffnungen 23.
Jede Öffnung 23 ist
in einem Block 24 von hexagonalem Querschnitt aus hitzebeständigem Material
ausgebildet. Der gasdurchlässige Festkörper 3 ist
in allen Öffnungen
angeordnet, während
die Brennstoffeinspritzdüse 4 nur
im Bereich einiger oder eines aus der Mehrzahl von Öffnungen (zum
Beispiel nur der zentralen Öffnung)
vorgesehen ist.
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Auf
Grund dieser Struktur ist durch die Kombination einer Mehrzahl der
hexagonalen Blöcke 24 aus
hitzebeständigem
Material eine Vergrösserung zu
einem verhältnismässig grossen
System möglich. Durch
Anbringen eines Rohres 25 im Luftsammler ist es ferner
möglich,
die Luftströmung
in allen Öffnungen
einheitlich zu gestalten.
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Bei
einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wie sie in 22 und 23 veranschaulicht
wird, ist die Vorrichtung mit einem einzelnen Brenner 1 versehen.
Der Einzelbrenner enthält
Multiport-Brenner mit einer Mehrzahl von (zum Beispiel sieben) Öffnungen 23.
Jede Öffnung 23 ist im
Block 24 von hexagonalem Querschnitt aus hitzebeständigem Material
ausgebildet. Der gasdurchlässige
Festkörper 3 ist
in jeder der Mehrzahl von Öffnungen 23 des
Einzelbrenners 1 angeordnet. Die Brennstoffeinspritzdüse 4 ist
in zumindest einer, jedoch nicht in allen der Mehrzahl von Öffnungen 23 des
Einzelbrenners 1 angeordnet. Die Brennstoffeinspritzdüse 4 ist
zum Beispiel nur im zentralen Block angeordnet. Die Öffnungen
des Einzelbrenners 1 sind mit Ausnahme der zumindest einen Öffnung,
in der die Brennstoffeinspritzdüse 4 angeordnet
ist, durch eine Trennwand 28 in zwei Gruppen 26 und 27 eingeteilt,
die miteinander so in Wechselbeziehung stehen, dass, wenn Verbrennungsluft
durch die Öffnungen
einer der beiden Gruppen strömt,
Abgas durch die Öffnungen
der anderen der beiden Gruppen strömt. Ausserdem veranlassen die Öffnungen der
anderen Gruppe, dass Abgas durchläuft, wodurch die Wärme des
Abgases in einem gasdurchlässigen
Festkörper 3 in
jeder der Öffnungen
der anderen Gruppe gespeichert wird, während die Öffnungen der ersten Gruppe
der beiden Brenner veranlassen, dass Verbrennungsluft durchläuft, wodurch
der Verbrennungsluft die Wärme
abgegeben wird, die der gasdurchlässige Festkörper 3 jeder der Öffnungen der
ersten der beiden Gruppen gespeichert hatte.
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Die
Verbrennungsvorrichtung enthält
weiter einen Umschaltmechanismus (nicht gezeigt, aber dem Umschaltmechanismus 21 der 18 ähnlich), um
die Luftzufuhr zu und die Abgasabfuhr von den beiden Gruppen 26 und 27 zu
vertauschen. Der Umschaltmechanismus ist ausserhalb des Einzelbrenners 1 vorgesehen.
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Diese
Struktur bildet einen Multiport-Einzelbrenner mit regenerativer
Verbrennung vom Typ der wechselweisen Umschaltung.
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Auf
Grund dieser Struktur liegt die Absaugöffnung in Nachbarschaft zu
den Auslassöffnungen für Verbrennungsluft,
so dass eine stärkere
Rückführung des
Abgases zur Verbrennungsluft im Ofen erfolgt als in herkömmlichen,
gepaarten Brennern für die
regenerative Verbrennung. Im Ergebnis ist die Erzeugung von NOx stärker
unterdrückt.
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Bei
einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wie sie in 24 veranschaulicht
wird, ist die Vorrichtung mit einem einzelnen Brenner 1 versehen.
Der Einzelbrenner enthält
einen Multiport-Brenner mit einer Mehrzahl von (zum Beispiel sieben) Öffnungen 23.
Jede Öffnung 23 ist
im Block 24 von hexagonalem Querschnitt aus hitzebeständigem Material
ausgebildet. Der gasdurchlässige Festkörper 3 ist
in jeder der Mehrzahl von Öffnungen 23 des
Einzelbrenners 1 angeordnet. Die Brennstoffeinspritzdüse 4 ist
in zumindest einer, jedoch nicht in allen der Mehrzahl von Öffnungen 23 des
Einzelbrenners 1 angeordnet. Die Brennstoffeinspritzdüse 4 ist zum
Beispiel nur im zentralen Block angeordnet.
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Die Öffnungen
des Einzelbrenners 1 sind mit Ausnahme der zumindest einen Öffnung,
in der die Brennstoffeinspritzdüse 4 angeordnet
ist, in zwei Gruppen 29 und 30 eingeteilt, die
miteinander so in Wechselbeziehung stehen, dass, wenn Verbrennnungsluft
durch die Öffnungen
einer der beiden Gruppen strömt,
Abgas durch die Öffnungen
der anderen der beiden Gruppen strömt, so dass die Öffnungen
in der anderen Gruppe veranlassen, dass Abgas durchläuft, wodurch
die Wärme
des Abgases in einem gasdurchlässigen
Festkörper 3 in
jeder der Öffnungen der
anderen Gruppe gespeichert wird, während die Öffnungen der ersten Gruppe
der beiden Brenner veranlassen, dass Verbrennungsluft durchläuft, wodurch
der Verbrennungsluft die Wärme
abgegeben wird, die der gasdurchlässige Festkörper 3 jeder der Öffnungen
der ersten der beiden Gruppen gespeichert hatte.
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Die
Verbrennungsvorrichtung enthält
weiter einen Umschaltmechanismus 31 vom rotierenden Typ,
um die Luftzufuhr zu und die Abgasabfuhr von den beiden Gruppen 29 und 30 zu
vertauschen. Der Umschaltmechanismus 31 ist innerhalb des
Einzelbrenners 1 angeordnet.
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Diese
Struktur bildet einen Multiport-Einzelbrenner mit regenerativer
Verbrennung vom Typ der rotierenden Umschaltung.
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Auf
Grund dieser Struktur liegt die Absaugöffnung in Nachbarschaft zu
den Auslassöffnungen für Verbrennungsluft,
so dass eine stärkere
Rückführung des
Abgases zur Verbrennungsluft im Ofen erfolgt als in herkömmlichen,
gepaarten Brennern für die
regenerative Verbrennung. Im Ergebnis ist die Erzeugung von NOx stärker
unterdrückt.
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In
der sechzehnten Verbrennungsvorrichtung, wie in 25 veranschaulicht,
ist die Verbrennungsvorrichtung mit zwei Brennern 1 versehen.
Einer der beiden Brenner ist an dem einen Ende eines Strahlungsrohrs 32 angeordnet
und definiert darin eine Verbrennungskammer, während der andere der beiden
Brenner am anderen Ende des Strahlungsrohrs 32 angeordnet
ist.
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Die
zwei Brenner 1 stehen in einer derartigen wechselseitigen
Beziehung, dass, wenn in einem der beiden Brenner Verbrennung erfolgt,
die Verbrennung im anderen der beiden Brenner angehalten wird, und
dass Abgas durch den Brenner mit angehaltener Verbrennung läuft, wodurch
die Wärme
des Abgases in einem gasdurchlässigen
Festkörper 3 des
Brenners mit angehaltener Verbrennung gespeichert wird, während Verbrennungsluft
durch den Brenner mit laufender Verbrennung läuft, wodurch an die Verbrennungsluft
die Wärme
freigesetzt wird, die der gasdurchlässige Festkörper 3 des Brenners
mit laufender Verbrennung gespeichert hatte. Die beiden Brenner
enthalten weiter einen Umschaltmechanismus 21 zum Vertauschen
der an die beiden Brenner angeschlossenen Luftzufuhr und Abgasabfuhr.
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Die
mit dem Brenner 1 ausgestattete Verbrennungsvorrichtung
enthält
weiter, wie in der siebenten Verbrennungsvorrichtung beschrieben,
einen Hauptluftzufuhrdurchlass 2A für die Zufuhr der Hauptverbrennungsluft 5A sowie
einen Zündluftzufuhrdurchlass 2B für die Zufuhr
der Verbrennungszündluft 5B.
Der Zündluftzufuhrdurchlass 2B und
der Hauptluftzufuhrdurchlass 2A sind voneinander unabhängig. Die
Brennstoffeinspritzdüse 4 ist
innerhalb des Zündluftzufuhrdurchlasses 2B angeordnet.
Eine Spitze des Rohres, das den Zündluftzufuhrdurchlass 2B definiert,
steht mit dem gasdurchlässigen
Festkörper 3 in
Berührung.
Die Spitze der Brennstoffeinspritzdüse 4 ist von der Oberfläche des
Festkörpers, durch
die die Verbrennungsluft in den Festkörper 3 eintritt, so
beabstandet, dass ein Raum, der zwischen der Spitze der Brennstoffeinspritzdüse 4 und
dieser Oberfläche des
Festkörpers
definiert wird, die Vormischzone 8 definiert. Der gasdurchlässige Festkörper 3 ist
vom Gleichrichtertyp.
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Die
oben beschriebene Struktur bildet einen Strahlungsrohrbrenner mit
regenerativer Verbrennung vom Typ der wechselweisen Umschaltung.
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Das
Material des Strahlungsrohrs 32 kann jedes Material sein,
solange es hitze- und stossfest sowie stabil gegenüber Chemikalien
ist, zum Beispiel Metalle und Keramikwerkstoffe. Das Strahlungsrohr kann
eine Konfiguration in Gestalt eines Buchstabens U, I oder W haben
oder spiralförmig
sein. Die Gestalt des Querschnitts des Strahlungsrohres 32 kann
kreisrund, oval oder rechteckig sein. Des Weiteren ist das Rohr
nicht auf eine Röhre
beschränkt, sondern
kann ein Kanal sein, der durch Unterteilung des Inneren eines Kastens
gebildet wird, wie in 26 gezeigt.
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Verfahren
der Verbrennungsluftzufuhr können
vom Typ der Lufteinspeisung sein, wobei eine Luftquelle mit einer
Luftzufuhröffnung
eines Umschaltmechanismus (eines Vierwege-Ventils) 21 verbunden
wird, oder vom Typ der Luftansaugung, wobei ein Saugventilator mit
einer Gasauslassöffnung des
Umschaltmechanismus verbunden wird.
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25 veranschaulicht
einen Fall, bei dem ein Vierwege-Ventil als Umschaltmechanismus 21 verwendet
wird. Zwei einander gegenüberliegende Öffnungen
des Vierwege-Ventils sind mit den Luftzufuhröffnungen der beiden Brenner
verbunden. Eine der verbleibenden zwei Öffnungen ist mit einer Luftquelle,
die andere der verbleibenden Öffnungen
mit einem Absaugventilator verbunden.
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Auf
Grund der oben beschriebenen Struktur werden die gleiche Wirkung
und der gleiche Vorteil erzielt, wie in der zweiten Verbrennungsvorrichtung erklärt. Insbesondere
erfolgt die Verbrennung träge, und
die Flamme ist in der Axialrichtung gestreckt. Bei der Verbrennung
ist die Flamme hell leuchtend und gestreckt.
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Wegen
der trägen
Verbrennung wird die Erzeugung von NOx unterdrückt, so
dass die Menge von NOx, die in den aus der
Verbrennungsvorrichtung zur Atmosphäre ausgestossenen Verbrennungsgasen
enthalten ist, herabgesetzt ist. Dies bedeutet, dass die Verbrennung
sauber und umweltfreundlich ist. Durch die träge Verbrennung und die Schaffung einer
zylindrischen Luftschicht niedriger Temperatur, die die brennende
zylindrische Gemischschicht umgibt, wird des Weiteren verhindert,
dass ein Teil des Rohres in Nachbarschaft zum strömungsabwärtigen Ende
des Festkörpers
lokal überhitzt
wird, wodurch die Lebensdauer des Rohres verbessert wird. Weiter wird
wegen der trägen
Ver brennung und gestreckten Flamme die Wärmeströmung in der Axialrichtung des Rohres 32 flach,
so dass die Erwärmung
einheitlich ist und die Innentemperatur des Rohres 32 in
allen Teilen des Rohres bis zu einer erlaubten Grenze gesteigert
werden kann, was zu einer Verbesserung der Wärmeübertragungsleistung fuhrt.
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Des
Weiteren werden die gleiche Wirkung und der gleiche Vorteil erzielt,
wie in der siebenten Verbrennungsvorrichtung beschrieben. Insbesondere
wird durch Trennung des Zündluftströmungsbereichs
vom Hauptluftströmungsbereich
im Festkörper eine
zylindrische Zone niedriger Temperatur gebildet, die einen Kernbereich
umgibt, in dem der Brennstoff und das Brennstoff-Luft-Gemisch strömen, wodurch der
Kernbereich von einem peripheren Bereich getrennt wird, der durch
das durch den peripheren Bereich strömende Abgas auf eine Temperatur
von über etwa
700°C erwärmt wird.
Im Ergebnis kann verhindert werden, dass der Brennstoff und das
Brennstoff-Luft-Gemisch so brennen dass der Festkörper 3 schmilzt.
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Bei
der siebzehnten Verbrennungsvorrichtung, wie sie in 27 veranschaulicht
wird, ist die Verbrennungsvorrichtung wie in der sechzehnten Verbrennungsvorrichtung
mit zwei Brennern versehen. Ein Verbindungskanal 22 ist
zwischen den beiden Brennern 1 vorgesehen, der es einem
Teil des Abgases ermöglicht,
von einem Brenner mit angehaltener Verbrennung zu einem Brenner
mit laufender Verbrennung zurückzuströmen. Die
Gasrückströmung erfolgt,
indem ein Unterdruck genutzt wird, der um den gasdurchlässigen Festkörper 3 herum
erzeugt wird, wenn er durch die aus dem strömungsabwärtigen Ende des Festkörpers ausströmende Luft induziert
wird.
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Auf
Grund dieser Struktur wird ein Teil des Verbrennungsgases im Strahlungsrohr
zum Brenner 1 zurückgeführt, um
sich mit der Verbrennungsluft zu vermischen, so dass die Verbrennung
träge ist.
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Die
mit dem Brenner 1 gemäss
der dreizehnten bis fünfzehnten
Verbrennungsvorrichtung sowie gemäss der ersten und zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ausgerüstete Vorrichtung wird an verschiedene
Arten von Öfen 100 (siehe 18),
einen Kessel und chemische Reaktionsbehälter oder -gefässe angeschlossen,
um thermische Anlagen 200 des direkt beheizten Typs zu
bilden.
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Die
mit dem Brenner 1 gemäss
der sechzehnten und siebzehnten Verbrennungsvorrichtung ausgerüstete Vorrichtung
wird an verschiedene Arten von Öfen 100 (siehe
-
25),
einen Kessel und chemische Reaktionsbehälter oder -gefässe angeschlossen,
um thermische Anlagen 201 des indirekt beheizten Typs zu bilden.
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Zu
den oben beschriebenen, verschiedenen Arten von Öfen 100 gehören unter
anderem ein Schmelzofen, ein Sinterofen, ein Vorwärmeofen,
ein Tiefofen, ein Schmiedeofen, ein Heizofen, ein Glühofen, ein
Lösungsglühofen, ein
Ofen für
Metallüberzüge, ein
Trockenofen, ein Heissbearbeitungsofen, ein Heizofen für das Abschrecken,
ein Temperofen, ein Oxidations- und Reduktionsofen, ein Schachtofen, ein
Backofen, ein Röstofen,
ein Warmhalteofen für geschmolzenes
Metall, ein Vorherd, ein Tiegelofen, ein Homogenisierofen, ein Alterungsofen,
ein Reaktionsofen, ein Destillierofen, ein trockener Vorheizofen für Giesspfannen,
ein Vorwärmofen
für Gussformen, ein
Normalisierofen, ein Lötofen,
ein Aufkohlungsofen, ein Lacktrockenofen, ein Warmhalteofen, ein
Nitrierofen, ein Salzbadofen, ein Glasschmelzofen, Kessel wie diejenigen
für Stromerzeugung,
Verbrennungsöfen
einschliesslich eines Müllverbrennungsofens
sowie ein Heisswasserversorgungsgerät.
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Der
vorliegenden Erfindung zufolge werden die folgenden technischen
Vorteile erlangt:
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Erstens
kann, da die Brennstoffeinspritzdüse vom gasdurchlässigen Festkörper aus
rückwärts angeordnet
ist, der mechanische Teil einschliesslich der Brennstoffeinspritzdüse in einem
Bereich der Vorrichtung mit niedriger Temperatur angeordnet werden.
Im Ergebnis wird die Lebensdauer der Vorrichtung verbessert.
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Zweitens
erfolgt in Fällen,
wenn der gasdurchlässige
Festkörper
vom Gleichrichtertyp ist, eine laminare Verbrennung. Im Ergebnis
ist die Verbrennung träge,
und die Flamme wird verlängert. Weiter
wird die Erzeugung von NOx unterdrückt, und die
Temperaturverteilung ist flach, so dass eine lokale Überhitzung
des Ofens oder Rohres verhindert und der Wärmeübertragungswirkungsgrad verbessert wird.
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Drittens
bildet sich in Fällen
mit Vormischzonen eine zylindrische Gemischschicht vor dem strömungsabwärtigen Ende
des gasdurchlässigen
Festkörpers,
eine laminare Grenzschichtverbrennung erfolgt und die Zündung verläuft glatt.
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Viertens
ist es in Fällen,
in denen die Elemente zu einem Paket zusammengefügt sind, leicht, die Vorrichtung
an den Ofen oder das Rohr anzukoppeln oder davon abzukoppeln.
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Fünftens wird
in Fällen,
in denen der Hauptluftdurchlass und der Zündluftdurchlass voneinander unabhängig sind,
ein zylindrischer Zündluftströmungsbereich
mit niedriger Temperatur um den Brenngasströmungsbereich herum gebildet.
Im Ergebnis wird der Brenngasströmungsbereich
durch die Zündluftströmung vom
heissen Abgas getrennt, so dass eine Selbstentzündung des Brennstoffs und des
Brennstoff-Luft-Gemischs und ein Schmelzen des gasdurchlässigen Festkörpers verhindert
werden.
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Sechstens
kann eine erwünschte
Konfiguration der Öffnung
ausgewählt
werden.
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Siebentens
wird die Lebensdauer der Vorrichtung verbessert, indem das Gehäuse aus
hitzebeständigem
Werkstoff hergestellt wird.
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Achtens
wird die Erzeugung von NOx unterdrückt, indem
ein Anteil des Abgases im Kreis geführt wird.
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Neuntens
kann die Vorrichtung selbst auf grosse Anlagen angewendet werden,
indem eine Multiport-Struktur gewählt wird.