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Rückschlagsicherer Injektor-Schweiß- und Schneidbrenner für den Betrieb
mit einem Brenngas-Sauerstoff-Gemisch Die Erfindung betrifft einen Injektor-Schweiß-und
Schneidbrenner für den Betrieb mit einem Brenngas-Sauerstoff-Gemisch, bei dem einerseits
keine Flammenrückschläge auftreten können und bei dem gleichzeitig ein Rücktritt
von Sauerstoff in die Brenngasleitung bei einer Verstopfung der Brenneraustrittsöffnung
oder bei Undichtigkeit zwischen Mischdüse und Sauerstoffzuleitung mit Sicherheit
vermieden wird.
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Es sind bereits zahlreiche Vorschläge zur Konstruktion eines derartigen
Sicherheitsinjektorbrenners gemacht worden. Es sind hierbei auch einige Verbesserungen
gegenüber den früheren Konstruktionen erzielt worden. Jedoch ist es bisher nicht
gelungen, einen in jeder Hinsicht zuverlässigen Injektorbrenner zu schaffen. In
an sich richtiger Erkenntnis, daß Flammenrückschläge in erster Linie durch Erhöhung
der Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Brenners verhindert werden könnten, hat
man verschiedene Lösungen hierfür vorgeschlagen. Durch Erhöhung des Sauerstoffdruckes
allein kann ein Rückschlagen der Flamme nicht verhindert werden. Es muß vor allem
darauf geachtet werden, daß die Zündgeschwindigkeit des Sauerstoff-Brenngas-Gemisches
kleiner ist als die Geschwindigkeit des ausströmenden Gasgemisches. Sonst können
Flammenrückschläge mit all ihren unangenehmen Folgen bis zur Wasservorlage des Gasentwicklers
und, falls dieser nicht vorschriftsmäßig gefüllt ist, bis zum Gaserzeuger selbst
entstehen.
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Ein weiterer Nachteil haftete den bisher bekannten Anordnungen an,
der darin besteht, daß bei Verstopfung der Brennerspitze der unter hohem Druck stehende
Sauerstoff in die Brenngasleitung übertreten kann und hier ein hochexplosives Gasgemisch
erzeugt,-
das bei erneuter Zündung der Schweiß- und Schneidflamme Unfälle schwerster Art zur
Folge hat. Ebenfalls kann bei den bisher bekannten Anordnungen Sauerstoff in die
Brenngasleitung übertreten, wenn der Schweiß- oder Schneideinsatz zufällig nicht
fest und gasdicht mit dem Brennerhandgriff bzw. mit den getrennten Zuleitungen für
Sauerstoff und Brenngas verbunden ist, so daß der Sauerstoff, anstatt den Weg durch
die enge Sauerstoffdruckdüse zu wählen, den bequemeren Weg sucht und in die Brenngasleitung
übertritt. Auch hier tritt notwendigerweise ein hochexplosives Gasgemisch in der
Brenngasleitung auf.
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Diese den bekannten Schweiß- und Schneidbrennern anhaftenden Nachteile
werden gemäß der Erfindung in einwandfreier und betriebssicherer Weise dadurch behoben,
daß der mit der engen Sauerstoffzuleitung bzw. mit der engen Sauerstoffdruckdüse
unmittelbar verbundene, an seinem Eintrittsende eine konisch erweiterte Bohrung
aufweisende Injektor, in der Strömungsrichtung des Gasgemisches gesehen, in mehreren
nach außen hin jeweils erweiterten, zylindrischen Stufen abgesetzt ist, denen das
Brenngas aus der Brenngasleitung mittels Saugwirkung jeweils durch mehrere, den
einzelnen Injektorstufen getrennt zugeordnete und, in Strömungsrichtung des Gasgemisches
gesehen, schräg angeordnete Bohrungen zugeführt wird, daß ferner der infolge Verstopfung
der Brennerspitze und/oder infolge von Undichtigkeit zwischen der Sauerstoffzuleitung
und dem anschließenden Injektorunterteil austretende Sauerstoff durch schräg nach
außen angeordnete Bohrungen ins Freie abgeleitet wird, und daß an der Übergangsstelle
von der vorletzten zur letzten Injektorstufe ins Freie führende, schräg zur Strömungsrichtung
des Gasgemisches angeordnete Luftansaugkanäle vorgesehen sind. Durch diese erfindungsgemäße
Anordnung werden folgende Vorteile erreicht: i. Durch die mehrstufige Anordnung
des Injektors wird einem etwa sich bildenden Rückstau des Brenngasgemisches entgegengewirkt
und eine beträchtliche Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Mischdüse
erzielt.
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z. Durch die Zuführung des Brenligases in mehreren Stufen des Injektors
wird eine weitere Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemisches innerhalb
der Mischdüse erzielt.
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3. Dadurch, daß der letzten Injektorstufe zusätzliche atmosphärische
Luft zugeführt wird, wird einerseits eine Ersparnis an Flaschensauerstoff von etwa
io°/o und anderseits eine Erhöhung der Austrittsgeschwindigkeit an der Brennerspitze
erreicht. Durch diese drei Maßnahmen wird im Endergebnis erzielt, daß ein Rückstau
oder Flammenrückschlag des Brenngasgemisches nicht mehr eintreten kann, da die Strömungsgeschwindigkeit
des Gasgemisches innerhalb des Brenners größer ist als die Zündgeschwindigkeit.
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d. Dadurch, daß die Sauerstoffzuleitung enger ist als die konisch
erweiterte Bohrung am Eintrittsende des Injektors, wird erreicht,daß selbst bei
Undichtigkeit zwischen dem Injektorunterteil und dem Brennerhandgriff der größte
Teil des aus der Sauerstoffzuleitung ausströmenden Sauerstoffes doch durch die Sauerstoffdüse
des Injektors strömt und somit eine Saugwirkung auf das Brenngas ausübt. Durch besondere
nach außen führende Bohrungen im Injektorunterteil, die bis zu der Verbindungsstelle
zwischen Brennerhandgriff und Injektorunterteil geführt sind, werden die infolge
Undichtigkeit an dieser Stelle langsam austretenden geringen Mengen Sauerstoff nach
außen abgeleitet und können daher nicht in die Brenngasleitung übertreten und dort
ein Knallgasgemisch erzeugen.
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5. Durch die bereits unter Ziffer 3 erwähnten Luftansaugkanäle wird
ferner zusätzlich erreicht, daß bei einer Verstopfung der Brennerspitze das Gasgemisch
seitlich ins Freie ausströmen kann, so daß keine Gefahr der Bildung eines Knallgasgemisches
in der Brenngasleitung besteht.
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Durch diese erfindungsgemäßen Maßnahmen wird ein völlig rückschlag-
und explosionsfreier Injektorbrenner geschaffen, der allen Anforderungen der Praxis
gewachsen ist.
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Wie die praktische Erprobung gezeigt hat, ist es zweckmäßig, die den
einzelnen Injektorstufen zugeordneten Bohrungen für die Ansaugung des Brenngases
in den einzelnen Stufen gegeneinander versetzt anzuordnen und derart zu bemessen,
daß in jeder Stufe etwa die gleiche :Menge des Brenngases angesaugt wird, d. h.
bei einem zweistufigen Injektor in jeder Stufe etwa die Hälfte des insgesamt benötigten
Brenngases usw.
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Um dem bei einer Undichtigkeit zwischen der Sauerstoffzuleitung und
dein Injektorunterteil entweichenden Sauerstoff einen bequemen Weg ins Freie zu
schaffen, ist es vorteilhaft, den Querschnitt der den entweichenden Sauerstoff ins
Freie ableitenden Kanäle größer als den Querschnitt der Zuführungsbohrung im Brennerhandgriff
zu wählen.
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Insbesondere aus fertigungstechnischen Gründen ist es zweckmäßig,
die :Mischdüse bzw. den Injektor in zwei getrennten Teilen zu fertigen, wobei das
'\tischdüsenunterteil die Sauerstoffdruckdüse und den mehrstufigen Injektor aufweist,
während das konisch nach außen erweiterte Mischdüsenoberteil in das zur Brennerspitze
führende zylindrische Mischrohr eingesetzt und mit diesem zusammen mit dem Mischdüsenunterteil
fest verschraubt ist.
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Dieses das Anschlußstiick des Brennerhandgriffes saugend umfassende
i\Iischdüseiiunterteil ist durch eineÜberwurfinutter mit dein dieZuleitungskanäle
für den Sauerstoff und das Brenngas aufweisenden Brennerhandgriff unter Zwischenfügung
einer an sich bekannten Dichtung fest verschraubt, so daß das 1lischdüsenutiterteil
fest gegen seinen Sitz im Brennerhandgriff gepreßt wird.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird vorgeschlagen, daß
der Gesamtquerschnitt der bereits obenerwähnten Luftansaugkanäle mindestens das
o,dfache des Querschnittes der Austrittsöffnung am Brennerinundstück beträgt. Hierdurch
wird erreicht, daß bei einer Verstopfung des
Brennermundstiickes
die Saugwirkung des Sauerstoffstromes so groß ist, daß das Brenngas noch mitgerissen
wird, daß aber keinesfalls Sauerstoff in die Brenngasleitung eindringen kann.
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Die erfindungsgemäße Anordnung kann beim Schweißbrenner wie auch beim
Schneidbrenner verwendet werden. Bei einer Verwendung als Schweißbrenner weist die
insbesondere aus Kupfer bestehende Breimerspitze bekanntlich eine, in der Strömungsrichtung
des Brenngasgemisches gesehen, konisch verjüngte Bohrung auf, die in eine zylindrische
Brenneraustrittsöffnung von kleinem Querschnitt übergeht.
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Bei einer Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung als Schneidbrenner
werden der Sauerstoff und das Brenngas in an sich bekannter Weise getrennt dem eigentlichen
Schneidkopf zugeführt. Der Injektor ist hierbei der gleiche wie bei der Verwendung
der erfindungsgemäßen Anordnung als Schweißbrenner. Das Brenngasgemisch, Sauerstoff-Acetylen,
strömt durch den Injektor und durch eine Zuleitung zum Schneidkopf, wo es durch
eine, in der Strömungsrichtung des Brenngasgemisches gesehen, konisch verjüngte
Bohrung, die also genau wie beim Schweißbrenner ausgebildet ist, dem Ringraum der
Heizdüse des Schneidbrenners zugeführt wird. Der Schneidsauerstoff wird durch ein
zweites Rohr und durch eine zylindrische Bohrung im Schneidkopf der zentrisch zum
Ringraum angeordneten Schneiddüse zugeführt, die an ihrer Austrittsöffnung verengt
ist.
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An Stelle einer zentrischen Anordnung von Heiz-und Schneiddüse kann
auch eine Nacheinander-oder Hintereinanderanordnung dieser beiden Düsen gewählt
werden. Hierzu wird lediglich nach Entfernung der konzentrischen Heizdüse eine kürzere
Schneiddüse eingesetzt, so daß das Brenngasgemisch durch die konisch verjüngte Bohrung
im Schneidkopf und der Sauerstoff durch die daneben angeordnete kurze Schneiddüse
ausströmen.
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Zur Erläuterung der Erfindung und ihrer Wirkungsweise ist in der Zeichnung
eine der möglichen Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes dargestellt, und
es bedeutet Fig. i einen Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Injektor-Schweißbrenner,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Schneidkopf der erfindungsgemäßen Anordnung
mit konzentrisch angeordneter Heiz- und Sehneiddüse.
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F ig. 3 einen Längsschnitt durch den Schneidkopf mit hintereinander
angeordneter Heiz- undSchneiddüse.
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Bei dem in Fig. i gezeigten Längsschnitt des erfindungsgemäßen Schweißbrenners
strömt der Sauerstoff unter hohem Druck durch die enge Bohrung i des Brennerhandgriffes
in den Injektorunterteil 22, der an seinem Eintrittsende eine konisch erweiterte
Bohrung 2 aufweist. Durch die anschließende enge Bohrung der Sauerstoffdruckdüse
25 gelangt der Sauerstoff zu den hintereinander angeordneten zylindrischen Injektorstufen
3, 8, 9, die, in der Strömungsrichtung gesehen, nach außen hin erweitert stufenförmig
abgesetzt sind. Das Brenngas, z. B. Acetylen, gelangt durch die Bohrung q. des Brennerhandgriffes
in einen ringförmigen Raum 27, der durch die schräg angeordneten Bohrungen 5, 6
mit den beiden ersten Injektorstufen 3, 8 in Verbindung steht. Infolge der Saugwirkung
des durch die Bohrung i zugeführten Sauerstoffes wird das Brenngas aus dem Ringraum
27 mitgerissen und den beiden Stufen 3, 8 des Injektors getrennt zugeführt. Eine
fest angezogene Überwurfmutter 24 preßt das Injektorunterteil 22 unter Zwischenfügung
einer elastischen Dichtung 23 fest gegen seinen Sitz im Brennerhandgriff. Die unmittelbar
ins Freie führenden Bohrungen 7, deren Querschnitt wesentlich größer ist als der
Querschnitt der Sauerstoffzuleitung i, dienen zur Ableitung von Sauerstoff, der
evtl. bei einer Undichtigkeit zwischen der Sauerstoffzuleitung i und dem Injektorunterteil22
austreten könnte. Diese Bohrungen 7 sind so angeordnet, daß sie keine Verbindung
mit denAnsaugbohrungen 5, 6 für das Brenngas besitzen.
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Nunmehr gelangt das Brenngasgemisch in die erweiterte dritte Injektorstufe
9, die mittels der schrägen Bohrungen io unmittelbar mit der umgebenden Luft in
Verbindung steht. Infolge der hier ebenfalls auftretenden Saugwirkung wird dem bereits
vorhandenen Brenngasgemisch noch zusätzlich atmosphärische Luft zugesetzt. Die Menge
dieser Luftbeimischung beträgt etwa io °/o, so daß eine nicht unbeträchtliche Ersparnis
an Flaschensauerstoff sich ergibt. Der Gesamtquerschnitt dieser Luftansaugbohrungen
io beträgt mindestens das o,4fache der Brenneraustrittsöffnung 13, so daß bei einer
Verstopfung der Brenneraustrittsöffnung 13 das Gasgemisch durch diese Bohrungen
io ins Freie gelangen kann und dennoch eine hinreichende Saugwirkung des Sauerstoffstromes
vorhanden ist, durch die das Brenngas durch die Bohrungen 5, 6 angesaugt wird, ohne
daß wegen des sonst auftretenden Rückstaues Sauerstoff in die Brenngasleitung eindringen
kann.
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Das konisch nach außen erweiterte Injektoroberteil i i, das in das
zur Brennerspitze 13 führende zylindrische Mischrohr 12 eingesetzt ist, ist mit
diesem zusammen mit dem Injektorunterteil 22 fest verschraubt. An dem äußeren Ende
des zylindrischen Mischrohres 12 ist die aus Kupfer bestehende Brennerspitze 13
befestigt, die, wie in Fig. i gezeigt, als Schweißbrenner mit einer nach außen konisch
verjüngten Bohrung versehen ist und die in eine zylindrische Brenneraustrittsöffnung
von kleinem Querschnitt übergeht.
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Die erfindungsgemäße Anordnung kann auch unter Beibehaltung des vorstehend
beschriebenen mehrstufigen Injektors auch als Schneidbrenner verwendet werden. Hierbei
tritt lediglich an Stelle des Schweißkopfes 13 nach Fig. i ein Schneidkopf 26 gemäß
Fig. 2 bzw. gemäß Fig. 3.
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Bei dem in Fig. 2 gezeigten Schneidkopf 26 wird das Brenngasgemisch
über den Injektor 22, 11, 12 und das Zuführungsrohr 14 durch eine konisch verjüngte
Bohrung 15 im Schneidkopf 26 der Heizdüse 16 zugeführt, die in den Ringraum 18 übergeht.
Der
Schneidsauerstoff wird aus der Vorratsflasche in üblicher Weise entnommen und mittels
des Zuführungsrohres i9 der zentrisch zum Ringraum 18 angeordneten Schneiddüse 17
zugeführt.
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An Stelle einer konzentrischen Anordnung von Heiz- und Schneiddüse
können diese beiden Düsen auch gemäß Fig.3, in der Schneidrichtung gesehen, hintereinander
angeordnet sein. Der Schneidkopf 26 ist hierbei der gleiche wie bei der Anordnung
gemäß Fig. 2. Es wird lediglich die konzentrische Heizdüse 16 entfernt und an Stelle
der Schneiddüse 17 eine kurze Schneiddüse 20 in den Schneidkopf 26 eingeschraubt.
Zur Schonung des Gewindes am Ende des Schneidkopfes 26 wird nach Entfernung der
Heizdüse 16 ein Schutzring 21 aufgeschraubt. Die Zuführung des Brenngasgemisches
erfolgt durch die Zuführungsleitung 14, während die Zuführung des Schneidsauerstoffes
durch die Leitung i9 erfolgt.