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Brenner für gasförmige Brennstoffe
Die Erfindung betrifft einen Brenner für gasförmige Brennstoffe mit einem Brennerkopf mit einer
Abdeckplatte und im Mantel parallel zur Erzeugenden angeordneten Gasaustrittsschlitzen.
Die bekannten Brenner dieser Art gewährleisten die Stabilität der Flammen nur mangelhaft oder nur durch komplizierte Einrichtungen.
Die Stabilität der Flammen eines Brenners hängt von zwei gegensätzlichen Erscheinungen ab. So kann die Flamme zurückschlagen, wenn die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Flamme im Luft-GasGemisch wesentlich höher ist als die Austrittsgeschwindigkeit des Gemisches am Brennerkopf, wodurch die Flamme am Gasstrom hinaufsteigt, oder es kann die Flamme abreissen oder sich ablösen, wenn die Austrittsgeschwindigkeit des Gasgemisches höher ist als die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Flamme, wobei das Abreissen vorzugsweise im empfindlichsten Teil der Flamme, z. B. in einem Bereich massiver Sekundärluftzufuhr erfolgt.
Durch diese beiden in reiner Form auftretenden Erscheinungen entstehen infolge der mangelhaften Arbeitsweise der Brenner Wärmeverluste, Explosionsgefahr bei unzeitiger Wiederzündung, Beschädigungen des Materials und die Bildung gesundheitsschädlicher oder störender Verbrennungsrückstände (z. B. Kohlenoxyd oder Russ).
Bei einem bekannten Brenner dient eine unterhalb der Flammen vorgesehene Abdeckplatte zum Formen der Flammen, indem diese auf die Platte gelenkt werden. Die Platte schützt wohl auch die Flammen in einem gewissen Mass vor der zuströmenden Sekundärluft, aber die Wirkung der Flammenführung durch Turbulenz wird nur bei grossen ausströmenden Gasmengen erreicht, d. h. die Flammen können nicht sehr kurz sein und der Brenner ist bei kleiner Ausströmmenge nicht stabil, wenn er mit einem Gas mit kleiner Verbrennungsgeschwindigkeit, z. B. Naturgas, versorgt wird. Die Stabilität der Flammen eines andern Brenners wird durch einen besonderen Flammenring aufrecht erhalten, der auch die Sekundärluft von den Wurzeln der Flammen abhält.
Der Brenner weist einen Ring auf mit einer unteren Reihe Bohrungen und einer oberen Reihe Langschlitz, wobei im Abstand vor den Bohrungen eine ringförmige Leiste angeordnet ist. Das aus den Bohrungen strömende Gas-Luftgemisch bildet zwischen dem Ring und der Leiste den vertikal aufwärts gerichteten Flammenring, der das aus den Langschlitzen strömende GasLuftgemisch dauernd zündet. Bei einem weiteren Brenner ist zur Bildung kleiner Flammen im Innern des Brenners vor den Schlitzen ein Schulterring angeordnet, der das einen geringen Druck aufweisende GasLuftgemisch in den oberen Bereich der Schlitze ablenkt. Dieser Schulterring ist in einem solchen Abstand von den Schlitzen vorgesehen, dass kein wirksames Energiegefälle entstehen kann.
Der Bereich dieses Brenners ist sehr wenig veränderbar, die Geschwindigkeit des Gasaustrittes durch die Schlitze kraftmässig sehr schwach und der Schulterring spielt keine Rolle bei der Stabilisierung der Flamme.
Die Erfindung zielt darauf ab, einen Brenner zu schaffen, der die Stabilität der Flammen sichert.
Sie ist insbesondere auf Brenner mit atmosphärischer Induktion anwendbar, die der Reihe nach an verschiedene gasförmige Brennstoffe oder verschiedene Gasdrücke angepasst werden sollen.
Die Erfindung besteht im Wesen darin, dass die Schlitze mit konstanter Breite und Hohe, aber von unten nach oben abnehmender Tiefe bzw. bei gleicher Tiefe mit beim Gaseintritt in den unteren Schlitzbereich angeordneten Widerstandskörpern ausgebildet sind und eine im wesentlichen waagrecht vorsprin- gende Abdeckleiste in Höhe des unteren Schlitzbereiches zur Lenkung der Sekundär luft vorgesehen ist.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann anschliessend an die waagrecht vorspringende Leiste eine lotrecht verlaufende Randleiste vorgesehen sein, die den Gasaustrittsschlitzen nur auf einem kleinen
Bruchteil der Höhe dieser Schlitze gegenübersteht und mit der Flamme nicht in Berührung kommt.
Bei dem erfindungsgemässenBrenner wird ein bedeutender Unterschied in der Austrittsgeschwindigkeit des Gasgemisches bei den einzelnen Gasstrahlen erzielt, wobei die Sekundärluft auf jene Brennerzone auftritt, wo die Austrittsgeschwindigkeit des Gases am geringsten ist. Die Abdeckleiste verhindert ein un- gestümes Aufeinanderprallen zwischen Sekundärluft und Flamme in dem Bereich, wo sie am empfindlich- sten ist. Durch die von unten nach oben abnehmende Tiefe der Schlitze unterliegen die Gasgemischstrah- len beimDurchgang durch die Schütze unterschiedlichen Energieverlusten je nach der Höhe, in der sie die
Schlitze passieren. Der Energieverlust ist am grössten am Boden des Schlitzes, so dass die Austrittsge- schwindigkeit des Gases dort am geringsten, ist.
Gerade an dieser Stelle aber erfolgt das Auftreffen der Se- kundärluft und daher neigt diese nicht dazu, die Flammenstabilität zu stören.
Die waagrechte Abdeckleiste umschliesst den Brennerkopf gerade in Höhe des unteren Randes der
Schlitze, so dass die Sekundärluft die Flammenbasis nicht ungestüm angreift und allmählich in diese ein- dringt, wodurch die Stabilität der Flamme nicht beeinträchtigt wird.
Die Kombination der Konstruktionsmerkmale, die Ausbildung der Schlitze und der Abdeckleiste be- wirkt eine Verbesserung der Stabilität, die wesentlich grösser ist als die Summe der Verbesserungen, die man durch getrennte Anwendung dieser Merkmale erreichen könnte, wie die Erfahrung gezeigt hat. Bei dem erfindungsgemässen Brenner, wurde nach Erreichen des Betriebszustandes, d. h. sobald der Brenner seine stationäre Temperatur erreicht hatte, im Verhältnis zu einem Brenner, der keine Abdeckleiste aufweist, eine Verbesserung festgestellt, bei der die Wärmeabgabe in cal pro Stunde pro cm2 des Gasaustrittsquerschnittes des Brenners 1620 - 3090 übersteigt.
Da die Abdeckleiste die Flammenstabilität verstärkt, ist es möglich, die Wärmeabgabe sehr weit zu treiben, bevor eine Ablösung der Flammezu bemerken ist. Bei dem erfindungsgemässen Brenner wird bei noch nicht heissem Brenner, wenn also seine Teile noch ungefähr die Temperatur der Umgebung haben, eine über 2000 cal/cm2 liegende Wärmeabgabe erzielt, d. h. praktisch das Doppelte von dem, was man ohne Abdeckleiste erreichen würde.
Der erfindungsgemässe Brenner gewährleistet nicht nur eine sehr grosse Stabilität der Flamme auch in sehr niedrigen Bereichen, wie z. B. bei einem Druckunterschied von 2 mm Wassersäule zwischen dem Eintritt in den Brenner und dem Austritt aus demselben, sondern auch eine hygienische Arbeitsweise unabhängig von der gewünschten Wärmeleistung, der Natur des verwendeten Gases und vom Gasdruck, eine grosse Anpassungsfähigkeit an die verschiedenen verwendbaren gasförmigen Brennstoffe und schliesslich eine maximale Energieabgabe auf Grund der Möglichkeit, die Flammenfront in Anpassung an den zu beheizenden Gegenstand entsprechend zu formen.
Infolge seines besonderen Aufbaues kann man einen sehr robusten Brenner konstruieren, der eine grosse Geschmeidigkeit in seiner Arbeitsweise und eine grosse Flammenstabilität'aufweist. Die Formen dieser Brenner können je nach den verschiedenen zu lösenden Heizproblemen gestaltet werden und die Brenner können überdies mit Gasen verschiedenster Eigenschaften gespeist werden, wobei sich ihre Leistung je nach dem verwendeten Gas nur wenig ändert.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Fig. 1 zeigt einen Brenner schematisch im Aufriss, Fig. 2 ist ein teilweiser Schnitt nach Linie II-II in Fig. 1 in vergrössertem Massstab, die Fig. 3 und 4 sind der Fig. 2 analoge Darstellungen zweier weiterer Ausführungsformen, Fig. 5 eine Ausführungsform des Brenners mit einem Widerstandskörper vor jeder Austrittsöffnung, Fig. 6 ist ein teilweiser Schnitt nach Linie VI-VI in Fig. 5 und die Fig. 7 und 8 zeigen im Aufriss zwei weitere Brennerausführungen.
Der in Fig. 1 dargestellte Brenner, ein sogenannter"Pfeifenbrenner", weist einen Gaszuführungskörper 1 auf, auf dem ein von. einer Platte 3 abgeschlossener Aufsatz 2 zur Verteilung des Gasgemisches sitzt. Der Aufsatz 2 zur Verteilung des Gasgemisches ist aussen kegelstumpfförmig und innen zylindrisch ausgebildet (s. auch Fig. 2). Seine Wand wird von radialen Schlitzen 4 durchsetzt, deren Breite und Höhe konstant ist, deren Tiefe aber von unten nach oben zufolge der schrägen Ausbildung der kegelstumpfförmigen Aussenseite des Aufsatzes 2 abnimmt.
In der Höhe der unteren Ränder der Schlitze 4 ist eine waagrecht vorspringende, den Aufsatz umschliessende Abdeckleiste 6 vorgesehen, die die Sekundärluft von der Flammenbasis abhält. Die Wirkung der Abdeckleiste 6 kann noch durch eine praktisch lotrechte Randleiste 8 (s. Fig. 4) vergrössert werden, die den Schlitzen 4 gegenüberliegt und eine geringere Höhe besitzt als die Schlitze.
Man kann beispielsweise den Schlitzen eine Höhe von 6 mm, eine Breite von 1, 5 mm, eine Tiefe im obersten Teil von 2 mm und der Aussenfläche des Aufsatzes einen Neigungswinkel von 450 geben, wo-
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bei die Breite der Abdeckleiste 6 etwa 4 mm und die Höhe der Randleiste etwa 2 mm beträgt.
Mit diesen angegebenen Abmessungen überschreitet man bereits 4000 cal/cm2 bei einem Brenner, dessen Teile noch kalt sind bzw. dieTemperatur der Umgebung haben. Damit wird die zulässige Wärmeabgabe nochmals verdoppelt.
In Fig. 3 ist ein Aufsatz 7 dargestellt, der eine abgeänderte Form aufweist. Er ist aussen durch eine zylindrische Fläche 11 und innen durch eine kegelstumpfförmige nach oben sich erweiternde Fläche 12 begrenzt.
Es konnte festgestellt werden, dass, abgesehen von experimentellen Abweichungen, die Neigung der Austrittsfläche des Brenners ein vernachlässigbarer Faktor ist, wenn die Basis der Flamme durch eine Abschirmung gegen die Wirkung der aufsteigenden Sekundärluftströme geschützt ist. In Zahlen ausgedrückt schwankt die Wärmeabgabe beim Abreissen, wenn sich der Winkel a in Fig. 2 von 40 bis 45 und dann bis 500 ändert, von 2090 bis 2120, um für einen Winkel von 900 auf 1960 abzusinken.
Da die Richtung der Austrittsfläche die Gesamtform der Brennflamme bestimmt, kann man diese Form abwandeln, ohne unter Berücksichtigung der Stabilitätsbedingungen bezüglich der Wärmeleistung des Brenners viel zu verlieren, und diese Eigentümlichkeit gestattet es, die Flamme der erfindungsgemä- ssen Brenner zu formen.
Auf diese Weise kann man z. B. leicht erfindungsgemässe Brenner herstellen, welche die in Fig. 7 für einen Grillbrenner dargestellte Ausführung 16 (die Flamme ist bei 20 dargestellt und bestreicht die Vorsprünge 21 der Strahlplatte) oder die durch 17 in Fig. 8 für einen Waschmaschinenbrenner dargestellte Ausführung zeigen.
Es genügt, die Brennerschlitze so auszurichten und anzuordnen, dass eine zweckmässige Verteilung der Gasaustrittsgeschwindigkeiten und eine zweckmässige Lage der Ebene der Brenneraustrittsfläche erzielt wird, damit die Flamme in die geeignete Richtung gelenkt wird.
Die Grösse der an der Basis der Schlitze angeordneten Abdeckleiste spielt eine grosse Rolle beim Wi- dentand der Flamme gegen das Abreissen. Jedoch wird der Stabilitätsgewinn bei Vergrösserung der Breite dieser Abdeckleiste durch eine störende sekundäre Erscheinung schnell vernichtet, u. zw. durch mangelnde Luftzuführung an der Basis der Flamme. Theoretisch könnte man, da die Flamme auch noch bei höherer Wärmeabgabe stabil bleibt, die geometrischen Abmessungen des Brenners im Verhältnis verkleinern.
Aber der Energiegewinn ist insbesondere bei mit Naturgas gespeisten Brennern, die nicht mit Ansaugung der gesamten Luft arbeiten, im Vergleich zum Leistungsverlust zu gering, die Verbrennung kann aufhören, hygienisch zu sein, und man gewinnt nichts mehr oberhalb einer Breite der Abdeckleiste von etwa 4 bis 5 mm.
Der Rand der Abdeckleiste hat, solange er nicht die Luftzuführung beeinträchtigt und nicht in die Flamme selbst hineinreicht, eine konstante Wirkung. Es ist aber notwendig, dass er durchlaufend ist und das bedingt, dass seine Höhe für übliche Brenner bei industrieller Herstellung im Bereich von 2 mm gehalten wird.
Die Breite der Schlitze ist ein wichtiger Faktor hinsichtlich der Stabilität der Flammen. Wenn die Breite der Schlitze zunimmt wachsen auch das Belüftungsverhältnis, überdies alle entsprechenden Grö- ssen und ebenso auch die Stabilität der Flamme gegen das Abreissen.
Es wächst jedoch in gleicher Weise die Neigung der Flammen zum Zurückschlagen und im Falle von Brennern, die entweder mit Stadtgas oder Naturgas gespeist werden können, stellt eine Schlitzbreite von l, 5 mm unter den üblichen Anwendungsbedingungen dieser beiden Gase ein annehmbares Kompromiss dar.
Das Volumen der in Strömungsrichtung vor den Schlitzen liegenden Brennerkammer ist ohne Einfluss auf die Stabilität der Flammen gegen Abreissen oder ZurUckschlagen, vorausgesetzt, dass sich ein homogenes Luft-Gas-Gemisch bilden konnte.
Man stellt fest, dass innerhalb eines grossen Bereiches der Betriebsbedingungen eines einzelnen Brenners iie Flammenfront stabil bleibt, wodurch eine konstante Wärmeleistung erhalten werden kann, ohne die Eigenschaften der Flamme zu beeinträchtigen. Man kann die Richtung dieser Flammenfront beeinflussen, indem man von detTatsache Gebrauch macht, dass für die Schlitze der Art, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind, die charakteristischen Eigenschaften des Brenners sich mit der Richtung der Austrittsfläche des Bren- ilers nur wenig verändern.
Man kann Unterschiede im Energieverlust in verschiedener Höhe der Gasaustrittsöffnungen auch durch mdere Mittel als durch Variation der Schlitzbreite erzielen, u. zw. mit Hilfe von Widerstandskorpern, s. B. Widerstandskörpern in Form von Spitzen 18, wie sie in den Fig. 5 und 6 dargestellt sind, wobei diese Widerstandskörper imInnern des Aufsatzes zur Gasverteilung vor dem Einlass in die Schlitze 19 angeordnet
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sind, die bei diesem Beispiel konstante Breite aufweisen.
Vorzugsweise kann jedoch der einfacheren Herstellung wegen das System der Widerstandskörper in Kranzfonn hinter den Schlitzen angebracht sein.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen beschränkt, die nur als Beispiele angegeben wurden, und man kann zahlreiche dem Fachmann zugängliche Abänderung vornehmen, ohne dadurch den Bereich der Erfindung zu verlassen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Brenner für gasförmige Brennstoffe mit einem Brennerkopf mit einer Abdeckplatte und im Mantel parallel zur Erzeugenden angeordneten Gasaustrittsschlitzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze mit konstanter Breite und Höhe, aber von unten nach oben abnehmender Tiefe bzw. bei gleicher Tiefe mit beim Gaseintritt in den unteren Schlitzbereich angeordneten Widerstandskörpern ausgebildet sind und eine im wesentlichen waagrecht vorspringendeAbdeckleiste in Höhe des unteren Schlitzbereiches zur Lenkung der Sekundärluft vorgesehen ist.