-
Schwingbrenner, insbesondere für Heizungen Die Erfindung betrifft
eine Verbesserung an Schwingbrennern, deren Brennkammer einen durch die Verbrennung
auf Glühtemperatur gehaltenen Zündkörper enthält.
-
Schwingbrenner bestehen bekanntlich aus einer Brennkammer, welche
mit einem ventillos angeschlossenen Abgasrohr (sogenannten Schwingrohr) einen akustischen
Resonator bildet, der durch periodisch innerhalb der Brennkammer erzeugte Verpuffungen
in seiner Eigenfrequenz erregt wird;. Der zwischen den einzelnen Verpuffungen durch
den Schwingungsvorgang in derBrennkammer erzeugte Unterdruck wird hierbei dazu benutzt,
um über ein Rüc'kschlagventil jeweils in den Verbrennungspausen frisches Brenngemisch
anzusaugen; es ist in diesem Zusammenhang bereits bekannt, zwischen der Brennkammer
und dem Rüc'kschlagventil einen kurzen Kanal vorzusehen, der das Ventil aus der
unmittelbaren Nähe der heißen Brennzone herausrückt und den Eingangshals der Brennkammer
bildet.
-
Für den zuverlässigen Betrieb jedes Schwingbrenners ist es von entscheidender
Bedeutung, daß die aufeinanderfolgenden Verpuffungen im Tritt mit der akustischen
Schwingung phasenrichtig gezündet werden. In rohrförmigen Schwingbrennern mit relativ
großem Rohrdurchmesser, wie man sie als Rückstoßantrieb verwendet, tritt diese phasenrichtige
Wiederzündung bei richtiger Bemessung des Rohres von selbst ein, was man z. B. durch
den Rücklauf einer Kompressionswelle innerhalb des Rohres zu erklären versucht hat.
Bei Schwingbrennern mit relativ weiter Brennkammer und engem Schwingrohr, wie sie
heute insbesondere für Heizgeräte bevorzugt werden, wind, die Bremsung und Kühlung
,der schwingenden Gassäule an den
Rohrwandungen so stark, daß sich
:dies; Art der Selbstzündung nicht mehr verwenden läßt. Bei solchen Brennern sieht
man daher heute einen Zündkörper in der Brennkammer vor, der (nach beliebig herbeigeführter
Zündung der ersten Verpuffungen) durch den periodischen Verbrennungsvorgang selbst
glühend gehalten wird und dann die weiteren Zündungen nach Art einer Glühkerze bewirkt.
-
Eingehende Untersuchungen haben gezeigt, daß die phasenrichtige Zündung
der periodischen Verpuffungen sehr stark vom Zündverzug und damit vom Aufbereitungsgrad
des Brenngemisches abhängt; letzteren kann man bekanntlich durch Vorwärmung des
Brenngemisches verbessern.
-
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß an einen Zündkörper der
genannten Art von der Verbrennung wesentlich größere Wärmemengen abgegeben werden,
als es für seine Warmhaltung bedarf. Die Erfindung besteht in dem Vorschlag, diesen
Wärmeüberschuß dem einströmenden Frischgemisch entgegenzuleiten und letzteres hierdurch
schon vor dem Eintritt in die Brennkammer thermisch aufzubereiten.
-
Gemäß der Erfindung wird der genannte Zündkörper daher wärmeleitend
mit einem Wärmeübertragungselement, im folgenden Wärmeübertrager genannt; verbunden,
das derart durch die Gemischeinlaßstelle in den Verbrennungsraum hineinragt, -däß
das einströmende Frischgas vorgewärmt wird. Der Wärmeübertrager wird dabei so bemessen
undso weit in den Brennraum eingeführt, däß der Zündkörper eine Temperatur von etwa
6oo bis iooo° C annimmt.
-
Die Länge und die Stellung dieses Wärmeübertragers muß hierbei natürlich
der jeweiligen Gestalt des Einlaßhalses und der Brennkammer sowie der durch die
Lage des Auspuffkanals bestimmten Wärmeverteilung innerhalb der Brennkammer und
der `erbrennungswärrne des Brenngemisches angepaßt werden. Sie läßt sich aber jeweils
durch wenige Versuche rasch festlegen. Die Wirkung des Wärmeübertragers besteht
darin, daß er bei jeder Verpuffung Wärme aufnimmt und die hauptsächlich an der Spitze
aufgenommene Wärme durch Wärmeleitung nach seiner Basis hin abfließt und hierbei
weitgehend an das während der Ansaugphase einström°nde, frische Brenngemisch abgegeben
wird. Das somit an einer heißen Oberfläche von in Strömungsrichtung zunehmender
Temperatur entlang strömende Brenngemisch unterliegt hierbei einer Vorreaktion,
welche seine Zündfähigkeit wesentlich erhöht. Gleichzeitig wird es aber durch thermische
Expansion nach der Außenwand des Einlaßhalses gedrängt, und es entsteht in der unmittelbaren
Umgebung der heißen Spitze deshalb ein gasverdünnter Raum, in dem das Gemisch wegen
unzureichender Gasdichte trotz der hohn Spitzentemperatur nicht zur Zündung kommt.
Diese zweite Wirkung ist besonders wichtig und läßt sich noch steigern, wenn man
in der Strömungsrichtung vor der heißen Spitze einen Schirm bzw. einen Wirbelkörper
am Wärmeübertrager vorsieht. Sobald nun aber die zurückschwingenden Auspuffgase
wieder in die Brennkaminer eintreten, verdichten sie das durch Vorreaktion hoch
zündfähig gewordene frische Brenngemisch und können es bei richtig gewählten Strömungsverhältnissen
sogar in der unmittelbaren Umgebung der heißen Spitze des Wärmeübertragers zusammenballen.
Auf diesem Wege wird dann die Zündung des Brenngemisches mit absoluter Sicherheit
und in genau richtiger Phasenlage durch einwandfreie Rückkopplung in einem voll
vorreagierten und daher gut zündbaren Gemisch eingeleitet, so daß die aufeinanderfolgenden
Verpuffungen den Charakter einer stabilen ungedämpften Schwingung annehmen, deren
Periodenzähl automatisch allen thermisch oder sonstwie bedingten Schwankungen der
Resonanzfrequenz des akustischen Resonators folgt und deren Amplitude dahzr durch
solche Einflüsse nicht merklich geändert wird.
-
Die Erfindung sei an einigen Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnungen
andeutungsweise veranschaulicht, von diesen zeigt Abb. i den Längsschnitt durch
:ein erfindungsgemäßes Schwingbrennerg:rät, Abb. a eine weitere Ausführungsform
des Wärmeübertragers in einem Brennraum von besonders angepaßter Form, Abb.3 eine
Ausführungsform mit anheizbarem Wärmeübertrager, Abb.4 einen gleichzeitig als Glühkerze
für :die Erstzündung wirkenden Wärmeübertrager, Abb. 5 den teilweisen Schnitt durch
eine bevorzugte Ausführungsfarm von Einlaßhals und Brennkammer.
-
Das in Abb. i dargestellte Gerät besteht aus der Brennkammer z mit,dem
als Lufteinlaß dienenden, durch ein Rückschlagventil z abgeschlossenen Einlaßhals
3, der Brennstoffdüse q: und dem ventillos an die Brennkammer i angeschlossenen
Abgasrohr 5. Abgasrohr 5 und Brennkammer i stellen bei solcher Anordnung offenbar
einen Helmholtzschen Resonator mit definierter Resonanzfrequenz dar. Man bemißt
diese zweckmäßig auf etwa 50 bis Zoo Hz.
-
Nachdem die Brennkammer i mittels einer (nicht gezeichneten) kleinen
Handpumpe od..dgl. erstmalig mit Brenngemisch gefüllt ist, erzeugt man die erste
Verpuffung mittels der Zündkerze 6. Bei dieser Verpuffung schließt sich das Rückschlagventil
?. Gleichzeitig werden die Brenngase durch das Abgasrohr 5 hinausgetrieben. Infolge
ihrer :@Tass;nträgheit schwingt hierbei -der im Abgasrohr nach rechts hin beschleunigte
Gaspfropfen so weit aus, daß in der Brennkammer i schließlich ein Unterdruck entsteht,
so daß das Rückschlagventil a sich wieder öffnet und gleichzeitig Frischluft über
dieses Rückschlagventil sowie Brennstoff über die Düse 4. angesaugt wird. Das so
:entstehende frische Brenngemisch strömt also durch den Einlaßhals 3 in die Brennkammer
ein. Gleichzeitig übt der Unterdruck in der Brennkammer aber auch einen Sog auf
die Abgasleitung 5 aus, so daß der im Abgasrohr restlich verbliebene Gaspfropfen
zurückzuschwingen
beginnt, und zwar auf Grund seiner Massenträgheit
mit steigender Geschwindigkeit. Die Periode dieses Schwingungsvorganges ist durch
die Eigenfrequenz des Resonators aus der Brennkammer i und Abgasrohr 5 bestimmt.
Zu iseiner Aufrechterhaltung müssen nunm:hr in richtiger Phase die nächsten Verpuffungen
erfolgen. Diese nächsten Zündungen und alle weiteren werden nun nach der Erfindung
nicht mehr durch die Zündkerze 6, sondern, durch den Wärmeübertrager 7 eingeleitet,
der aus einem frei stehend innerhalb des Einlaßhalses 3 zweckmäßig angeordneten
:Kupferstift mit eingesetzter Nickel,drahtspitze 8 besteht. Diese kann vorn eine
kleine Schleife oder Kugel tragen. Schon bei den ersten Verpuffungen erwärmt sich
die Spitze 8 auf 6oo bis iooo° C und führt dabei dem ebenfalls durch .die Verbrennung
erhitzten Stab 7 zusätzlich einen fortlaufenden Strom von Wärme zu, welchen dieser
an das einströmende frische Brenngemisch abgibt, so daß dieses bereits auf dem Wege
zur Brennhammer einer Vorwärmung unterworfen wird. Gleichzeitig wird das Brenngemisch
hierbei durch thermische Expansion in Richtung der gestrichelt dargestellten Pfeile
nach der Außenwand des Ansaughalses 3 und der Brennkammer i abgedrängt, so daß in
der unmittelbaren Umgebung der glühenden Spitze 8 ein gasverdünnter Raum entsteht,
dessen Gemischdichte nicht zur Zündung ausreicht. Strömen jedoch nun während der
anschließenden Kompressionsphase die zurückschwingenden Auspuffgase in Richtung
der ausgezogenen Pfeil.° wieder in die Brennkammer ein, so drücken sie das frische
Brenngemisch in der dargestellten Weise zurück und ballen es. sogar ein der unmittelbaren
Umgebung der glühenden Spitze 8 zusammen, so daß es nunmehr, genau im richtigen
Moment und bei voller Reaktionshereitscha.ft, zur Zündung des nächsten Verpuffungsvorganges
kommt.
-
Die beschriebene Wirkung läßt sich offenbar noch verbessern, wenn
an dem Wärmeübertrager 7a gemäß Abb. 2 ein Schirm 9 und/oder Wirbelflächen io vorgesehen
werden, welche das in Richtung des Pfeiles A einströmende Brenngemisch vor der Spitze
8 durch Strömung oder Drall nach außen ablenken. Weiterhin wird die Ballung des
Brenngemisches um den Zündkörper 8, welche beim Wiedereinströmen der zurückschwingenden
Abgase entst:hen soll, offensichtlich verbessert, wenn man der Brennkammer ia gemäß
Abb. 2 die Gestalt einer ringförmig eingeschnürten Birne gibt und dadurch für das
frische Brenngemisch gewissermaßen eine Wälzkammer schafft, in der dieses denZündkörper
8 zunächst im Bogen umströmt, um dann durch die Abgase in seine unmittelbare Umgebung
gedrängt zu werden.
-
Um die Vorwärmung des einströmenden frischen Brenngemisches ausreichend
intensiv zu gestalten, müssen von dem Wärmeübertrager 7 ziemlich erhebliche Wärmemengen,
insli--sondere bei schweren Heizölen, an das einströmnede Frischgas abgegeben werden.
Es hat sich deshalb als zweckmäßig erwiesen, den Einlaßhals 3a gemäß Abb. 3 ein
Stück weit frei stehend in die Brennkammer i hineinragen zu lassen, so .daß auch
seine Wandaungen sich erhitzen. Hierdurch wird die Steilheit des Temperaturabfalls
am Wärmeübertrager vor allem unmittelbar hinter der Spitze wesentlich vermindert
und mit den erhitzten Wandungsteilen des Einlaßhalses eine zusätzliche größere Wärmeübertragungsfläche
für die Intensivierung der Vorwärmung geschaffen. Diese kann hierdurch so gefördert
werden, daß man den zwischen Ventil 2 und Schirm 9 liegenden Teil des Wärmeübertragers
7 ganz oder teilweise fortzulassen und den Wärmeübertrager an einem quer durch den
'Einlaßhals gelegten Steg zu befestigen vermag.
-
In Abb. 3 ist der Wärmeübertrager 7b als rohrförmiger, vorn geschlossener
Hohlkörper gezeichnet. Hierdurch wird einerseits seine Wärmekapazität herabgesetzt,
so d@aß er rascher aufheizt, sowie andererseits die Wärme an der Oberfläche zusammengehalten
und die Möglichkeit geschaffen, ihn nach Art eines Glühkopfes i i vor Inbetriebnahme
d--s Gerätes zur Erzielung des Startes von innen aufzuheizen. Zweckmäßig wird hierbei
die erwähnte Spitze i i nach innen gestülpt. Zur Vergrößerung der Wärmeübertragungsflächen
sind die Wandungen dieses Rohres 7b in der Längsrichtung gewellt, und zwar am besten
in der dargestellten Weise mit gewendelten Rillen, so daß die Rillen gleichzeitig
als Wirbelkörper wirken.
-
Ebenso kann man dien in die Brennkammer hineinragenden Einlaßhals
3a rippenförmig gewellte Wandungen geben oder ihn mit innenliegend--n Rippen versehen,
um die Wärmeübertragung auf das Gemisch und damit den Umfang der eintretendien Vorreaktion
zu erhöhen. Dem gleichen Zweck kann auch eine zusätzliche elektrische Beheizung
des Einlaß@hals,es 3a, Abb. 3, dienen.
-
Als besonders zweckmäßig hat es sich aber erwiesen, den Wärmeübertrager
8 mit der Zündkerze 6, welche man zu diesem Zwecke als Glühkurze .ausbildet, in
einem Konstruktionselement zu vereinigen. Das perspektivische Bild eines solchen
Konstruktionselements zeigt Abb. 4,1 Der metallische Tragstift 15 trägt auf dem
Isolierkopf 16 den Glühdraht 17, dessen eine Zuleitung er selbst bildet. Die andere
Zuleitung wird von dem Widerstandsdraht r8 gebildet, welcher den Tragstift 15 spiralig
umgibt und dadurch gleichzeitig als Wirbelkörper (entsprechend den Flügelflächen
io in Abb: 2) wirkt. Der Isolierkopf 16 wirkt im Sinne des Schirmes 9 (vgl. Abb.
2) und verhindert daher ein direktes Aufströmen des frischen Brenngemisches auf
den Zündkörper 17. Durch die dargestellte Vereinigung von Glühkerze und Wärmeübertrager
erreicht man offenbar, daß sich der Wärmeübertrager gleich von der ersten, durch
seine elektrische Aufheizung herbeigeführten Zündung ab auf der endgültigen Betriebstemperatur
befindet. Gleichzeitig wirdi die Störung der Strömungsvorgänge in der Brennkammer
beseitigt, welche eine in üblicher Weise seitlich angebrachte Zündkerze 6 (vgl:Abb.
r) unvermeidlich hervorruft.
-
Die entsch-eidende Wirkung der erfindungsgemäßen Anordnung besteht
also offenbar date
daß das frische Brenngemisch zunächst sorgsam
in gewisser Entfernung von der durch geeignete Stellung zur Brennkammer i glühend
gehaltenen Spitze 8, 17 des Wärmeübertragers vorbeigeführt, dabei gut vorreagiert
und dann von d:n zurückschwingenden Abgasen durch Rückstauung in der unmittelbaren
Umgebung dieses Zündkörpers 7usammengedrängt wird. Diese Wirkung wird in besonders
günstiger Weise erzielt, wenn man den Einlaßhals 3a gemäß !Abb. ; in einen Sack
der Brennkammer i münden läßt und dieAbgasleitung5 derart an die Brennkammer anschließt,
daß die zurückschwingenden Abgase das Frischas gemäß den eingezeichzieten Pfeilen
in diesem' Sack zusammendrängen bzw. in Richtung auf die Spitze 17 des @-@'ärmeübertragers
15 zurückstauen. Gleic@hzeitig wird bei dieser Anordnung der Einlaßhals 3a durch
die an ihm entlang strömenden Verbrennungsgase so warm gehalten, daß es in seinem
Innern zu besonders intensiver Vorwärmung kommt. Dieser 1liiifluß auf die Zündsicherheit
läßt sich noch steigern, wenn man den frei stehend in den Brennraum i h-ineirnragenden
Einlaßhals 3" mit einer Anzahl feiner Bohrungen i9 ausrüstet, durch welche
ein Teil der zurückschwingenden Abgase in den F.indaßhals 311 eindringen kann. Diese
heizen dann den relativ kalten Unterteil des Einlaßhalses 3a zusätzlich auf und:
drängen gleichzeitig auch in der Einlaßrichtung das Brenngemisch zusammen, so daß
dieses von beiden Seiten her in der unmittelbaren Umgebung der glühenden Spitze
17 zusammengeballt und hierdurch mit Sicherheit im phasenrichtigen Moment gezündet
wird.