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Hintergrund
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Die Verbrennungstechnik befasst sich mit einer kontrollierten Verbrennung und hat bezüglich der Verhüttung von Metallen, der Zubereitung von Nahrungsmitteln, der Beheizung von Gebäuden sowie des Einsatzes von Verbrennungskraftmaschinen hinsichtlich der umweltfreundlichen und energieeffizienten Weiterentwicklung dieser Technologien ein großes Zukunftspotential. Hinzu kommt, dass die Entwicklung im Bereich der optimalen Wärmeausnutzung beispielsweise durch fortschrittliche Isolations- und Dammmaterialien sowie der wachsende Einsatz von Brennwerttechnik die geforderten Bedingungen an die moderne Brennertechnik stark beeinflussen. Somit gewinnen neue Technologien unter Berücksichtigung einer kundenorientierten Produktgestaltung hinsichtlich der Entwicklung von kompakten Bauformen und mobilen Anlagen im kleinen Leistungsbereich eine große Bedeutung. Für die Umwandlung chemischer Energie in Wärmeenergie werden je nach Einsatzgebiet technische Brenner verwendet, die mittels unterschiedlicher Konstruktionsmerkmale besonderen Anforderungen durch die Variation der Verbrennungsgeschwindigkeit, der Flammenform und der Flammenlänge angepasst werden können. Moderne Brenner werden heutzutage mit einer Abgasrückführung zur Verringerung der Stickoxide und zur Flammenstabilisierung betrieben, jedoch liegt der großflächige Einsatz noch aus Kostengründen überwiegend bei dem Betrieb von sogenannten Gelbbrennern. Da die chemischen Prozesse in der Verbrennungstechnik nur schwer beeinflussbar sind, ist eine Optimierung von Brennersystemen anhand der konstruktiven Umgestaltung von einzelnen Baugruppen wie der Mischeinrichtung zielführend.
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Bei einer Verbrennung findet eine Reihe von chemischen Reaktionen statt, die als Reduktions-Oxidations-Reaktionen bezeichnet werden. Diese Gruppe der Reaktionen beinhaltet sowohl langsame (Rosten von Stahl) als auch schnelle Reaktionen (Explosionen). Bei typischen Verbrennungsvorgängen wird Wärme und Licht in Form einer Flamme freigesetzt, deren eigentliche leuchtende Flammenfront eine dünne Schicht ist, in der ein Großteil der Reaktionen abläuft (Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid). Innerhalb der Flammenfront kommt es zu einem sprunghaften Temperaturanstieg und somit zur raschen Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit. Da die Oxidation von Kohlenmonoxid eine sehr langsame Reaktion ist und auch außerhalb der Flammenfront stattfindet, kommt es erst weit hinter der Flammenfront zur vollständigen Umwandlung von Kohlendioxid.
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Das Flammenbild einer Verbrennung wird stark von den Bedingungen des Strömungsfeldes beeinflusst, so dass bei laminaren Strömungen eine Flamme mit gleichförmiger Hülle gebildet wird und es bei turbulenter Strömung zu Abrissen einzelner Flammenwirbel kommt, bei der sich die Hülle beginnt, unregelmäßig zu falten. Somit kommt es bei hochturbulenten Strömungen aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit zur Bildung extrem kleiner Wirbelstrukturen, die mit bloßem Auge nicht mehr erkennbar sind und trotz der schnellen und unterschiedlichen Verbrennungsvorgänge einer laminaren Flamme ähneln. Die Vorraussetzung für die Zündfähigkeit ist das Brennstoff-Luft-Verhältnis, die Zündtemperatur und die Art der Mischung, wobei die Geschwindigkeit der Gemischbildung ausschlaggebend für die Flammenlänge und Strahleigenschaft ist.
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Die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Flammenfront ist neben der Temperatur und der Strömungsform von der Gaszusammensetzung sowie vom Gas-Luftgemisch abhängig und ist der wichtigste Parameter für die Beschreibung der Flammenstabilität bei turbulenten Bedingungen. Sie wird bestimmt durch die Gleichgewichtbedingung zwischen der Strömungs- und der Flammengeschwindigkeit. Die Flammenfront entsteht an der Grenze zwischen den Brennstoffpartikeln und der Verbrennungsluft. Somit lässt sich daraus schließen, dass bei einer turbulenten Strömung die Grenzflächen aufgrund der intensiven Vermischung deutlich größer sind und dadurch eine kleinere Brennkammer für eine vollständige Verbrennung benötigt wird.
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Die Aufgabe bei der Entwicklung von Brennern besteht im Wesentlichen darin, für einen Brenner die Flammenstabilität im gewünschten Bereich sicherzustellen, um eine gleichmäßige Wärmeverteilung in den Bauteilen der Brenner zu gewährleisten und letztendlich durch thermische Spannungen hervorgerufene Werkstoffzerstörungen zu vermeiden. Die Aufgaben einer Weiterentwicklung bestehen darüber hinaus darin, die beschriebene Flammenstabilität bei einer deutlich verkürzten Flammenfront zu erreichen und somit einen Brenner mit niedrigem Wärme-Leistungsbereich für den Einsatz in kompakten, kleinen Brennkammern zu schaffen, der es durch seinen Aufbau ermöglicht, eine nahezu vollständige Verbrennung mit niedrigen Emissionswerten und einer energieeffizienten Betriebsweise zu erzielen.
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Stand der Technik
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Es sind verschiedene Verfahren aus der Brennertechnik bekannt, die durch unterschiedliche Bauformen eine möglichst vollständige Verbrennung mit geringen Emissionswerten anstreben und durch gezielte Maßnahmen eine Stabilisierung der Flamme bewirken. Jedoch existiert kein Verfahren, bei dem die technologischen Vorteile sich auf die Bildung einer stabilen und kurzen Flamme für den Einsatz in kleinen Brennkammern und zusammenfassend für kompakte Heizsysteme erstrecken. Ein Großteil der bekannten Brennertechnologien befasst sich gezielt mit der Minimierung von Stickoxiden bei einer stabilen Flamme durch eine Abgasrückführung. Bei diesen Verfahren ist allerdings ein Flammrohr zwingend erforderlich, was allerdings mit einer kompakten Bauweise nicht korrespondiert.
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Eine derartige Brennertechnologie ist aus dem Patent
EP 0 655 580 B1 bekannt und besteht aus einer Mischeinrichtung, die ein Mischrohr mit stirnseitiger Durchlassöffnung und eine koaxial angeordnete ringförmige Stauscheibe mit zylindrischer Mantelfläche, deren Abschlussrand in Ebene der Mischrohrdurchgangsöffnung liegt, umfasst. Die Stauscheibe ist bodenseitig mit Schlitzen und darüber liegenden Leitblechen für die Gemischbildung versehen und hat entlang ihrer zylindrischen Mantelfläche weitere schlitzförmige Durchbrechungen für die Zufuhr von Verbrennungsluft und zur Flammenstabilisierung. Zwischen der Stauscheibe und dem Mischrohr ist eine endseitig konisch verlaufende Lufthülse angeordnet und an seiner Mündung fest mit der Stauscheibe verbunden, so dass der gesamte Luftstrom über das Mischrohr zugeführt und an der freiliegenden Kante der Lufthülse aufgeteilt wird, wo anschließend ein Teil der Verbrennungsluft durch die Schlitze an der Mantelfläche der Stauscheibe strömt. Hinter der Stauscheibe bildet sich eine gelbe Kernbrandzone mit Luftunterschuss, in der 70% bis 90% der Öltröpfchen aufgrund der kinetischen Energie unverbrannt in die Vergasungszone gelangen und dort einerseits durch rezirkulierende Abgase vergast und anderseits durch außerhalb der Lufthülse strömende Luft mit Sauerstoff angereichert werden. Somit entsteht im Flammrohr und darüber hinaus eine Hauptflammenzone mit blau brennender Flamme und niedrigen Emissionswerten. Eine Reduzierung der Flammenausbreitung ist bei dieser konstruktiven Gestaltung aufgrund des hohen Luftbedarfs für die vollständige Vergasung nicht möglich. Weiterhin ist für die erhöhte Luftzufuhr über den äußeren Ringspalt einerseits ein leistungsstarkes Gebläse erforderlich und anderseits wird die quer über die Schlitze zugeführte Luft mit verringertem Druck in die Kernbrandzone eingeblasen, so dass eine Flammenstabilisierung nur geringfügig vorliegt. Die dargestellte Bau- und Funktionsweise beeinflusst die Flammenform in keiner Weise und ist nur in Kombination mit einem Flammrohr als Rezirkulationsbrenner einsetzbar.
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Das Patent
DE 28 21 932 C2 betrifft eine Mischeinrichtung der eingangs genannten Art und ist für den Einsatz zur Verbrennung von flüssigen Kohlenwasserstoffen geeignet. Das Verfahren zielt darauf ab, unabhängig vom Feuerraum und mit Hilfe eines Flammrohres eine von Anfang an blau brennende und rußfreie Flamme zu erreichen. Der Aufbau der Mischeinrichtung umfasst dabei einen Düsenstock, der koaxial in einer am hinteren Ende geschlossenen Kammer derart angeordnet ist, dass die Verbrennungsluft an dieser Stelle nur durch einen kleinen Ringspalt und ohne Stauscheibe entlang der Brennstoffdüse zugeführt wird. Die Kammer besitzt am düsenseitigen Ausgang eine konisch verlaufende Mantelfläche, die in verschiedenen Ausführungsbeispielen entweder mit Löchern oder Schlitzen ausgestattet ist, um ein durch die Injektionswirkung hervorgerufenes Ansaugen von rezirkulierenden Abgasen und zusätzlicher Verbrennungsluft zu gewährleisten. Die angesaugte Verbrennungsluft wird über einen ringförmigen Auslass in Form eines Spaltes zugeführt, der von einem umgebenden zylindrischen Gebläseluftführungsrohr gebildet wird. Die gesamte Einheit wird umschlossen von einen äußeren Flammrohr, das ein inneres Rezirkulationsrohr umfasst. Das Verfahren sieht vor, dass ein besseres Ausbrandverhalten infolge der Rückführung und eine intensive Vermischung von der Verbrennungsluft und dem Brennstoffnebel durch hohe Strömungsgeschwindigkeiten am Ringspalt vorliegen, so dass von einer stabilen und ruhigen Flamme profitiert werden kann. Jedoch ist hierbei der Brenner nur in Kombination mit einem Flammrohr als Rezirkulationsbrenner einsetzbar. Die Beeinflussung der Flammenform und die Anpassungsfähigkeit an kleine Leistungsbereiche in kleinen Brennkammern sind aufgrund der konstruktiven Gestaltung nicht gegeben.
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Die Patentschrift
DE 27 12 564 C2 offenbart eine Mischeinrichtung für Brenner mit kleinen bis großen Brennstoffdurchsatzmengen, die aus einem ausschwenkbaren Halter und einem damit verbundenen Luftführungsrohr besteht. Das Luftführungsrohr ist axial verschiebbar und somit an verschiedene Luftführungsdurchsätze bei wechselnden Leistungsbereichen anpassbar. Das Luftführungsrohr bildet an seiner Mündung durch einen hohlzylindrischen Innenmantel eine Vorkammer, die in Strömungsrichtung durch eine mit Schlitzen versehene Stauscheibe begrenzt ist. Vor der Stauscheibe ist ein konischer Hohlkörper angeordnet, der den Düsenstock umfasst und am hinteren Ende geschlossen ist. Die gesamte Verbrennungsluft strömt durch das Luftführungsrohr und wird an der Stauscheibe getrennt, wobei der Großteil durch die Schlitze und kreisförmige Öffnung der Stauscheibe in die Vorkammer dingt und mit dem Brennstoff ein Gemisch bildet. Die restliche Verbrennungsluft strömt durch einen kleinen Ringspalt an der Außenseite der Stauscheibe und durch Radialbohrungen an dem hohlzylindrischen Innenmantel nahe der Luftführungsrohrmündung. An den Radialbohrungen herrscht ein geringer Druck, der lediglich zu einer zusätzlichen Sauerstoffanreicherung der Flamme und nur geringfügig zu einer Einflussnahme auf die Flammenform und -stabilität führt, die Flammenfront wird dabei nicht verkürzt.
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Eine Stabilisierung der Flamme mittels der Beeinflussung von Luftströmen durch geometrisch begünstigte Bauteilgestaltung der Mischeinrichtung wird in
DE 195 19 696 A1 offenbart. Bei dieser Erfindung kommt es innerhalb der Mischeinrichtung gezielt zur Aufteilung des Gebläseluftstroms in drei Strömungskomponenten, die durch ihre Variation eine Anpassung an unterschiedliche Brennerleistungen bei geringem Schadstoffausstoß erlauben. Eine topfförmige Stauscheibe mit radialen Drallschlitzen ist in einem Flammenrohr so angeordnet, dass sie durch schräge Führungsstege axial verschiebbar ist und am Außenumfang einen Ringspalt mit dem Flammenrohr bildet. Der austrittseitige Rand des Flammenrohres ist konisch in einen Winkel von etwa 30° bis 50° nach innen gezogen, dass die durch den Ringspalt strömende Verbrennungsluft in eine laminare Strömung geführt werden kann und somit keine Verwirbelungen mit den Folgen von Russablagerungen an der Stauscheibe verursacht. Die laminare Strömung bewirkt zudem, dass die Verbrennungsgase durch eine äußere Rezirkulation in der Brennkammer die Flammenfront kühlen und dadurch die Bildungstemperatur von Stickoxiden reduzieren. Eine Stabilisierung der Flamme wird dabei zwar mit einer Einschnürung durch die nach innen geleiteten Luftströme erreicht, allerdings ist eine Rückströmung und somit eine Verkürzung der Flamme nicht gegeben. Weiterhin ist die Leistungsanpassung durch Veränderung der Luftströme und der Strömungsquerschnitte nur mit großem Aufwand in der Justierung der Bauteile möglich, die besondere Fachkenntnisse und eine Systemoptimierung vor Inbetriebnahmen nach Wartungsarbeiten voraussetzt und Gefahr für Einstellungsfehler in sich bürgt.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, durch geeignete konstruktive Maßnahmen an den Komponenten der Mischeinrichtung die Flammenbildung derart zu beeinflussen, dass die Flammenfront infolge eines gezielten Strömungsverlaufes durch eine Rückströmung im Bereich einer sogenannten Vorkammer gehalten wird und dabei so stark verdreht wird, dass sich eine stabile und stark verkürzte energieeffiziente Flamme dauerhaft einstellt.
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Beschreibung der Erfindung
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Im folgenden Abschnitt wird die Funktionsweise der Erfindung anhand der Abbildung detailliert beschrieben. Die 1 zeigt eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Mischeinrichtung mit einem angedeuteten Brennergehäuse und einem inneren Strömungsverlauf der zugeführten Verbrennungsluft sowie die besondere Flammenbildung mit einer schwebend gehaltenen Flamme in der Vorkammer der Mischeinrichtung. Lediglich im Zentrum der Mischeinrichtung kann die Flamme austreten und ihre Gesamtlänge ist sie erheblich kürzer als bei konventionellen Lösungen. Weiterhin wird aus dieser Abbildung die konstruktive Gestaltung der Düsenstock- und Stauscheibenjustierung im Gehäuse ersichtlich.
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Das Ausführungsbeispiel in 1 verdeutlicht anhand des Brenneraufbaus die Funktionsweise der Mischeinrichtung mit der Beschreibung der einzelnen Komponenten. Die Erfindung basiert dabei auf einen Brenner mit herkömmlichen Komponenten für die Zufuhr des Brennstoffs über eine Brennstoffpumpe und die Zufuhr der Verbrennungsluft über ein Gebläse. Diese Baugruppen sind direkt mit dem Brennergehäuse 15 verbunden und in der Abbildung nicht dargestellt. Die Besonderheit der Erfindung erstreckt sich auf die Mischeinrichtung und insbesondere auf die energieeffiziente Flammenbildung infolge der Strömungsverhältnisse im und an der Mündung des Stammrohres 3. Das Stammrohr 3 ist luftdicht mit dem Brennergehäuse 15 formschlüssig verbunden und weist gehäuseseitig eine zylindrische Mantelfläche auf, die stromaufwärts in eine konische Form übergeht. Durch ein geeignetes Herstellungsverfahren wird erreicht, dass die konische Stammrohrmündung nicht senkrecht zur Strömungsrichtung abschließt, sondern eine für die Funktion erhebliche Schnürkante 11 aufweist. Diese so genannte Schnürkante 11 bietet einerseits innenseitig eine als Auflagefläche dienende Ringfläche und beeinflusst anderseits durch die überstehende Kante stark den Strömungsverlauf der zugeführten Verbrennungsluft sowie die Flammenbildung in der Hauptverbrennungszone 16. Erfindungsgemäß liegt an der inneren Auflagefläche des Stammrohrs 3 bzw. an der Schnürkante 11 eine topfförmige Stauscheibe 12 luftdicht an und wird in der dargestellten Position durch die Luftführungsstege 21 der Düsenstockhalterung 1 fixiert. Die Düsenstockhalterung 1 umfasst koaxial den Düsenstock 4 mit der vorderseitig angeordneten Düse 9 und ist durch den besonderen Aufbau der Mischeinrichtung axial beweglich gelagert. Durch diese Bauweise erübrigt sich für alle mit dem Düsenstock 4 verbundenen Bauteile ein Freiheitsgrad, der axiale Bewegung zulässt und auch funktionsmäßig einen bedeutenden Zweck erfüllt. Der Düsenstock 4 umfasst am gehäuseseitigen Ende einen fest verbundenen Spannwinkel 5 für die Verstellung bzw. Justierung des Düsenstocks 4. Zwischen dem hinteren Gehäuseteil 15b des Brenners und des verstellbaren Spannwinkels 5 ist eine Druckfeder 6 koaxial zum Düsenstock 4 angeordnet, so dass der Düsenstock 4 mittels der Federkraft und ohne fremde Betätigung in eine vordere Endlage gedrückt wird. Diese Endlage wird erreicht, indem die Federkraft über die Düsenstockhalterung 1 an die Bodenseite 13 der Stauscheibe 12 übertragen wird und die Mantelfläche 14 der Stauscheibe 12 dadurch eine Anpresskraft auf die innere ringförmige Auflagefläche der Schnürkante 11 ausübt. Die Anpresskraft der Druckfeder 6 ist vorzugsweise so groß, dass zwischen der Ringfläche der Stauscheibe 12 und der ringförmige Auflagefläche der Schnürkante 11 durch die hohe Ebenheit der Kontaktflächen kein Luftspalt entsteht und somit eine definierte Positionierung der Stauscheibe 12 vorliegt. Unter Aufbringung einer axialen Druckkraft entgegengesetzt der Federkraft kann die Stauscheibe 12 zusammen mit dem Düsenstock 4 für Montage- und Wartungsarbeiten an der Mischeinrichtung in die hintere Endlage gebracht werden, wodurch bei jedem Austausch bzw. Modifikation der Stauscheibe 12 oder der Düse 9 eine automatische Justierung in die richtige Position unter geringem Aufwand durchgeführt werden kann. Damit während dieser Arbeiten kein Verkanten mit der hohen Wahrscheinlichkeit einer Deformierung der Bauteile auftritt, sind an der Innenfläche der konisch verlaufenden Stammrohrmündung mindestens drei Führungsrippen 17 für eine gleichmäßige axiale Bewegung der Stauscheibe 12 vorgesehen. Mit Hilfe der beschriebenen Federjustierung wurde bei der Erfindung eine schraubenlose Düsenstockverstellung ermöglicht, bei der eine versehentliche Verstellung ausgeschlossen werden kann und somit fehlerfreie Wartungsarbeiten deutlich vereinfacht werden können. Jedoch besteht der wesentliche Vorteil in der Weiterentwicklung der Erfindung, der sich aus der konstruktiven Gestaltung dieser Federjustierung ergibt und zum Ausgleich von thermischen Spannungen infolge einer übermäßig starken Erwärmung an den Bauteilen der Mischeinrichtung genutzt werden kann. Die Reduzierung von thermischen Spannungen beeinflusst sehr stark die Lebensdauer der einzelnen Bauteile und ist bei der vorliegenden Erfindung von großer Bedeutung, da sich die Hauptverbrennungszone 16 mit hohen Verbrennungstemperaturen aufgrund der besonderen Funktionsweise zur Erfüllung einer kurzen und stabilen Flamme sich konstruktionsbedingt überwiegend innerhalb der topfförmigen Stauscheibe 12 befindet. Der Aufbau der Stauscheibe 12 weist mittig eine Kreisöffnung 18 für die Versprühung des Brennstoffs über die Düse auf und besitzt vorzugsweise sechs in Strömungsrichtung winklig angeordnete Radialschlitze 19, die eine gezielte Zufuhr und Verdrallung der Verbrennungsluft bewirken. Erfindungsgemäß besitzt die topfförmige Stauscheibe 12 senkrecht zu ihrer Mantelfläche 14 in einer oder mehrerer Ebenen Radialbohrungen 20, die in ihrer Anzahl und Größe an die Leistungsfähigkeit der Mischeinrichtung für einen optimalen Betrieb angepasst werden müssen. Im Ausführungsbeispiel der 1 sind 24 Radialbohrungen in Mitte der Stauscheibe 12 aufgeführt. Die gesamte Verbrennungsluft wird mittels eines Brennergebläses der Mischeinrichtung zugeführt und strömt durch das Stammrohr 3, wo es beim Erreichen der Düsenstockhalterung 1 durch die längs der Strömungsrichtung angeordneten Luftführungsstege 21 ansatzweise zur Aufteilung des Luftstroms kommt und sich eine nahezu laminare Strömung 22 vor der Stauscheibe 12 einstellt. Beim anschließenden Erreichen der Stauscheibe 12 kommt es zu einer konstruktionsbedingten Aufteilung der Luftströme in eine primäre 23 durch die Radialschlitze 19 und kreisförmige Öffnung 18 dringende Verbrennungsluft und in eine sekundäre 24 durch die Radialbohrungen 20 in der Mantelfläche 14 strömende Verbrennungsluft. Die Zufuhr der primären Verbrennungsluft 23 erfolgt in Strömungsrichtung, wird durch die winklig angeordneten Radialschlitze 19 verwirbelt und durch die Umströmung des mittig versprühten Brennstoffs homogen mit den feinen Brennstofftröpfchen vermischt, so dass es beim Zündvorgang zunächst zur Bildung einer unterstöchiometrischen Primärverbrennungszone kommt. Die anschließende vollständige Verbrennung erfolgt durch den senkrecht zur Strömungsrichtung verlaufenden sekundären Luftstrom 24 über die Radialbohrungen 20 und der damit verbundenen zusätzlichen Sauerstoffanreicherung des entzündeten Gemisches. Der maßgebende Aspekt der Erfindung nach dem Hauptanspruch 1 ist allerdings auf die Flammenbildung infolge des Zusammenwirkens dieser strömungstechnisch gestalteten Konstruktionsmerkmale zurückzuführen. Die Flammenform und -stabilität sind sehr stark abhängig von den Strömungsverhältnissen vor und nach der Flammenbildung und erlauben somit eine gezielte Anpassung der Flamme an die geforderten Gegebenheiten des jeweiligen Einsatzbereichs. Die Funktion einer Stauscheibe 12 hinsichtlich der Flammenstabilisierung basiert auf der grundlegenden konstruktiven Gestaltung der Mischeinrichtung und wird bei dieser Erfindung für die Weiterentwicklung vorausgesetzt. Bei der Luftzufuhr über die Radialschlitze 19 und kreisförmig Öffnung 18 der topfförmigen Stauscheibe 12 kommt es auf der Ausströmseite zur Entstehung eines Gebietes mit verzögerter Strömungsgeschwindigkeit und einer damit zusammenhängenden Rückströmzone. Die sekundäre, über die Radialbohrungen 20 kontinuierlich zugeführte Verbrennungsluft 24 bewirkt durch die gleichmäßige Zufuhr über die ganze Mantelfläche 14 der Stauscheibe 12 unter Vernachlässigung des primär zugeführten Luftstroms 23 die Bildung einer ringförmigen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung angeordneten Luftwand, die in Zusammenwirken mit der Rückströmzone der Stauscheibe 12 eine nahezu geschlossene Vorkammer für die Hauptverbrennungszone 16 der Mischeinrichtung bildet. Eine für die Funktion maßgebende Gestaltung ist die Schnürkante 11 des Stammrohres 13, die den Effekt einer Rückströmung der Verbrennungsgase in die Hauptverbrennungszone 16 ermöglicht und gleichzeitig die stabilisierende Wirkung der Flamme durch eine Einschnürung der Flammenwurzel bewirkt. Trifft der primäre Luftstrom 24 in der Hauptströmungsrichtung auf die ringförmige Luftwand des sekundären Luftstroms 24, so kommt es zur Umlenkung dieses Luftstroms bzw. der Luftwand und neben einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit aufgrund der Querschnittsverkleinerung zu einer Vereinigung der Luftströme. Der gebündelte Luftstrom 25 wird anschließend am Außenumfang der Strömung durch den Strömungsverlauf der Schnürkante 11 um 90° nach innen umgelenkt, wodurch die Rückströmung bei gefolgter kontinuierlicher Nachströmung stark begünstigt wird und somit der Großteil der Verbrennung in der Vorkammer und der sogenannten Hauptverbrennungszone 16 geschieht. Dabei kommt es zur Einschnürung der Flamme, so dass die Flammenwurzel in der Hauptverbrennungszone schwebend gehalten wird. Zusammen mit dem Dralleffekt der Stauscheibe 12 werden die versprühten Brennstofftröpfchen innerhalb der Vorkammer stark in Rotation versetzt und haben durch den Rückströmeffekt mehr Zeit zum Verbrennen. Es kommt somit zu einer Verlängerung der Verweildauer des Brennstoffs in dem Flammenbereich, wodurch die Erhöhung des Wärmeertrags aus dem Brennstoff bewirkt wird. Zusammenfassend wird durch den Effekt der Rückströmung neben der Flammenstabilisierung durch die Einschnürung eine nahezu vollständige Verbrennung ohne Rußbildung und geringem Schadstoffaustoß ermöglicht. Da die Verbrennung, wie bereits erwähnt, überwiegend in der Vorkammer aufgrund der Rückströmung ihre Hauptverbrennungszone 16 hat, ist die Entstehung von hohen Temperaturen in diesen Bereich und an den Komponenten der Mischeinrichtung ersichtlich. Vorzugsweise liegen die Temperaturen an der Stauscheibe 12 in einer Großenordnung, bei der von dem Effekt einer Selbstreinigung profitiert werden kann. Somit ist selbst nach dauerhafter Betriebszeit keine Verzunderung bzw. rußförmige Verunreinigung an der Materialoberfläche zu vermerken. Gleichzeitig werden thermische Spannungen mit Hilfe der beschriebenen federkraftbeaufschlagten Düsenstockjustierung reduziert, so dass Bauteil- und Materialzerstörungen minimiert bzw. verhindert werden können. Aus dieser Weiterentwicklung der Erfindung resultieren die starke Beeinflussung der Flammenform- und stabilität und eine deutlich verkürzte sowie stark in sich verdrehte Flamme, dessen Flammenwurzel schwebend in der Vorkammer gehalten wird.
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Aufgrund der genannten Vorteile bei der Flammenbildung erübrigt sich bei dem erfindungsgemäßen Brenner das Flammrohr und es ist vorzugsweise der Einbau in kleinen Brennkammern und insbesondere der Einsatz im kleinen Leistungsbereich bei starker Geräuschminderung möglich.
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Experimentelle Durchführung
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Eine Abgrenzung der erfindungsgemäßen Mischeinrichtung zu Stand der Technik hinsichtlich der Bildung einer stabilen und verkürzten gelben Flamme mit einer starken Reduzierung des Schadstoffausstoßes konnte mittels durchgeführter Messungen belegt werden. Dabei konnten mit einem Brenner des beschriebenen Aufbaus unerwartet geringe Emissionswerte bezüglich des Kohlenmonoxidausstoßen nachgewiesen werden, die in der gemessenen Größenordnung für herkömmliche Gelbbrenner im Leistungsbereich von 15 kW und einem Kohlenmonoxidausstoß von 20 ppm bis 30 ppm unüblich sind. Bei den experimentellen Versuchen wurden die Emissionswerte für verschiedene Leistungsbereiche bestimmt, indem der Pumpendruck des Brenners innerhalb des technisch möglichen Einsatzbereichs der eingesetzten Düse zwischen 7,5 bar und 16 bar variiert wurde und der Kohlendioxidwert des Abgases durch Variation des Gebläsedrucks im Bereich von 6 mbar bis 12 mbar durchgehend konstant im optimalen Bereich von 12% gehalten wurde. Durch die Kombination des erfindungsgemäßen Brenners und der zum Zeitpunkt der Versuchsreihen kleinsten am Markt verfügbaren Düse für fluide Brennstoffe konnte ein energetisch kleiner Betriebsbereich hinsichtlich der zugeführten Wärmeleistung von 9,5 kW bis 14 kW erzielt werden. Die dabei entstandene Flammenbildung und Abgaswerte waren gleichbleibend gut. Es kann davon ausgegangen werden, dass zukünftig Düsen mit kleineren Durchsatzmengen verfügbar sein werden und sich der beschriebene Brenner mit weitaus kleinerer zugeführter Wärmeleistung betreiben lässt. Vergleichsweise konnte unabhängig von der Wärmeleistung der Kohlenmonoxidwert im dauerhaften Betrieb auf ein Niveau von 3 ppm gebracht werden, auf dem erst Brenner mit blaubrennender Flamme durch eine Abgasrückführung und hohem Gebläsedruck von 16 mbar bis 26 mbar im entsprechenden Leistungsbereich ihre konstruktionsbedingten Vorteile aufzeigen. Dieser Kohlenmonoxidwert konnte über die gesamte Leistungsspanne hinweg annährend konstant gemessen werden. Der Brenner wurde in einem kompakten Heizkessel betrieben, der für den jeweiligen Leistungsbereich des Brenners vorgesehen ist und einen nur für kurze Flammen geeigneten Brennraum aufweist. Im Gegensatz zu herkömmlichen Brennern im kleinsten Leistungsbereich lieferte somit der dargestellte Brenner eine schadstofffreie Verbrennung und erlaubt darüber hinaus die effektive Nutzung der zugeführten Wärmeleistung in der Brennkammer, die durch leistungsabhängige, geringe Abgastemperaturen zwischen 190°C bei 9,5 kW und 255°C bei 14 kW gekennzeichnet ist. Somit konnte weitestgehend die optimale Nutzung des erfindungsgemäßen Brenners in Kombination mit einer kleinen Brennkammer belegt werden. Die vorteilhafte Gestaltung der Erfindung erlaubt somit neben den Einsatz des Brenners in kleinen, kompakten Heizungssystemen einen energieeffizienten Betrieb mit minimalem Schadstoffausstoß und hoher Materialeffizienz wegen der Vermeidung der durch die Reaktion mit Sauerstoff verursachte Korrosion von Metallen infolge des geringen Restsauerstoffgehalts der Rauchgase durch die nahezu vollständige Verbrennung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0655580 B1 [0007]
- DE 2821932 C2 [0008]
- DE 2712564 C2 [0009]
- DE 19519696 A1 [0010]
