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Brenner Die Erfindung betrifft Brenner für flüssige und gasförmige
Brennstoffe.
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Für die Hersteller von mit Brennern ausgestatteten Apparaten wäre
es zweckmäßig, einen Brennertyp zu haben, der die Verbrennung der verschiedensten
Brennstoffe in Brennern von gleicher Konstruktion, gleicher Größe und mit gleicher
Wärmeleistung ermöglicht. Insbesondere wäre ein Gasbrenner von Vorteil, der ohne
Veränderung sowohl schnell als auch langsam brennende Gase, z.B. Methan und Wasserstoff,
verbrennen kann.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Brenner für flüssige und £gasförmige
Brennstoffe, der eine Vielzahl von Verbrennungsluftrohren enthält, durch die Verbrennungsluft
einer Verbrennungszone zugeführt werden kann, und die durch eine Brennstoffkammer
geführt sind, die in abwechselnd aufeinander folgende a) ungepackte oder ungefüllte
Brennstoffräume, die dem Strom des Brennstoffs durch den Brenner geringen Widerstand
bieten, und
b) gepackte oder gefüllte Brennstoffräume, in denen
die Füllung den Brennstoffstrom zur Verbrennungszone regelt, unterteilt ist, wobei
der erste dieser Brennstoffräume (nachstehend als "Brennstoffeintrittsraumtr bezeichnet)
ungepackt oder ungefüllt ist und mit einer Brennstoffversorgung verbunden werden
kann, und der letzte dieser Brennstoffräume (nachstehend als "Brennstoffaustrittsraum"
bezeichnet) gepackt ist und mit der Verbrennungszone in Verbindung steht, wodurch
während des Betriebs des Brenners Zuluft durch die Verbrennungsluftrohre in die
Verbrennungszone strömt, wo sie mit dem Brennstoff reagiert, der durch die Aufeinanderfolge
von ungepackten und gepackten Räumen und schließlich in die Verbrennungszone strömt.
Der Brenner enthält vorzugsweise zwei Brennstoffräume, nämlich den Brennstoffeintrittsraum
und den Brennstoffaustrittsraum.
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Unter Die Packung oder Füllung hat als
zweckmäßig eine Platte, die sich durch die Brennstoffkammer erstreckt und Träger
den Durchgang des Brennstoffs gestattet. Als
ten eignen sich beispielsweise Drahtnetze, perforierte Bleche und Bleche, in denen
ringförmige Brennstoffdurchgänge um die Verbrennungsluftrohre vorgesehen sind. In
gewissen Fällen kann die Packung genügend mechanischen Zusammenhalt haben, um die
Verwendung einer Platte überflüssig zu machen.
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Als Verbrennungsluftrohre sind zylindrische Rohre besonders gut geeignet.
Am zweckmäßigsten werden die Verbrennungslultrohre so angeordnet, daß ihre Achsen
parallel verlaufen.
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Die Strömung des Brennstoffs aus einem Brenner der vorstehend beschriebenen
Art pflegt in gleicher Richtung wie die Strömung der Luft aus den Verbrennungsluftrohren
zu erfolgen. Hierdurch wird eine einwandfreie Verbrennung erzielt.
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Wenn jedoch sehr hohe Strömungsgeschwindigkeiten des Brennstoffs erforderlich
sind, kann eine bessere Verbrennung erreicht werden, wenn die Brennstoffströmung
in die aus den Verbrennungsluftrohren ausströmende BuSt abgelenkt wird. Wenn dies
erforderlich ist, kann der Brenner mit einem Ablenkblech versehen werden, das über
dem Brennstoffaustrittsraum vorgesehen ist.
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Die folgenden beiden Konstruktionen sind besonders gut für die Verwendung
am Eintrittsende der Verbrennungsluftrohre geeignet: Konstruktion A Die Verbrennungsluftrohre
sind gas- und flüssigkeitsdicht in Löcher in einer Platte der Bufteintrittszone
eingesetzt, die eine Wand des Brennstoffeintrittsraums bildet0 Konstruktion B Die
Verbrennung sluftrohre haben einen anpassung sfähigen mehreckigen Querschnitt, z,B.
in Form von gleichseitigen Dreiecken, Quadraten oder regelmäßigen Sechsecken, und
die Wände der Mehrecke sind gas- und flüssigkeitsdicht aneinander befestigt.
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Im Falle von Brennern für gasförmige Brennstoffe bieten die gepackten
Brennstoffräume der Brennstoff strömung einen verhältnismäßig hohen Widerstand (
dies setzt voraus, daß keine Kanäle von niedrigem Widerstand beispielsweise um die
Verbrennungsluftrohre gelassen werden), und die Kombination von niedrigem und hohem
Widerstand begünstigt eine gleichmäßige Brennstoffverteilung. Die Packung besteht
vorzugsweise aus einem porösen Material, z.B.
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einem feinteiligen luaterial, beispielsweise einem Pulver, dessen
Deilchengröße und Teilchendichte so gewählt sind, daß der erforderliche hohe Widerstand
gegenüber der Brennstoff strömung erzielt wird. Die Teilchen können miteinander
verbunden werden, beispielsweise durch Drucksintern,
Sintern unter
Hitzeeinwirkung, Verwendung eines Bindemittels oder eine beliebige Kombination dieser
Maßnahmen Die Erfindung umfaßt ferner einen für gasförmige Brennstoffe vorgesehenen
Brenner der vorstehend beschriebenen Art, der außerdem mit einer oder mehreren im
Brennstoffaustrittsraum endenden Leitungen für Zündflammen versehen ist, die so
bemessen sind, daß sie während des Gebrauchs genügend Brennstoff für die Unterhaltung
einer Zündflamme zur erneuten Zündung zuführen.
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Die Zündflammenleitung oder, wenn mehrere Zündflammenleitungen verwendet
werden, jede Zündflammenleitung endet in der Nahe der Grenze zwischen dem Brennstoffaustrittsraum
und der benachbarten ungepackten Zone.
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Für die Herstellung eines Brenners ist es zweckmäßig, daß die Zündflammenleitung
oder, wenn mehrere Zündflammenleitungen verwendet werden, jede Zündf lammenle itung
in der Nähe der Kante des Brenners endet. Wenn ein Zündflammenrohr in der Mitte
des Brenners enden soll, kann sie durch eine ungepackte Zone geführt werden, vorausgesetzt,
daß sie in der gepackten Austrittszone endet.
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Im Falle von Brennern für flüssige Brennstoffe (bei denen ein hoher
Widerstand gegenüber der Brennstoffströmung nicht wichtig ist) überträgt die Packung
im Brennstoffaustrittsraum den Brennstoff durch Oberflächenspannung (d.h. die Packung
entwickelt eine Dochtwirkung). Es ist zweckmäßig, zwischen zwei Mechanismen der
Brennstoffübertragung zu unterscheiden. Beim ersten Mechanismus bildet die Packung
(die nicht porös. zu sein braucht)Ssnäle von Kapillargröße, beispielsweise zwischen
verschiedenen Pakkungselementen und/oder zwischen der Packung und den Verbrennungsluftrohren.
Beim zweiten Mechanismus ist die Pakkung porös, und der Brennstofftransport wird
in der Weise erreicht, in der ein Schwamm Wasser aufsaugt. Beide Mechanismen können
gleichzeitig wirksam sein. Bezüglich
des Brennstofftransports sind
alle Packungen, die sich für Brenner für gasförmige Brennstoffe eignen, auch für
den Brennstoffaustrittsraum von Brennern für flüssige Brennstoffe geeignet.
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Verbesserter Betrieb wird jedoch erreicht, wenn die Pakkung im Brennstoffaustrittsraum
zum Wärmeübergang auf den Brennstoff beiträgt und hierdurch die Verdampfung des
Brennstoffs in die Verbrennungszone verbessert. Es ist somit zweckmäßig, nicht-feinteilige
Packungen oder feinteilige Packungen mit gutem Wärmekontakt zwischen den Teilchen
zu verwenden, z.B. solche>(die vorstehend im Zusammenhang mit Gasbrennern genannt
wurden), in denen die Teilchen beispielsweise durch Drucksintern, Sintern unter
Hitzeeinwirkung oder Verwendung eines Bindemittels miteinander verbunden sind.
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Zur Erzielung optimaler Leistung der vorstehend beschriebenen Brenner
sind die Querschnittsfläche und die Dichte der Anordnung der Verbrennungsluftrohre
besonders wichtig.
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Die Querschnittsfläche der Verbrennungsluftrohre beeinflußt ihren
Widerstand gegen die Luftströmung. Durch eine Verkleinerung dieser Fläche wird der
Widerstand erhöht.
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Die Dichte der Anordnung bestimmt die Längen der Diffusionswege, wobei
kurze Wege die Vermischung von Brennstoff und Sauerstoff begünstigen. Die Querschnittsfläche
ist ferner insofern wichtig, als sie die Zahl der Rohre begrenzt, die in eine gegebene
Fläche eingesetzt werden können. ES wurde festgestellt, daß optimale Abmessungen
gewöhnlich erreicht werden, wenn die Bohrung jedes Verbrennungsluftrohres an der
Stelle, in der es sich in die Verbrennungszone öffnet, 0,01 bis 1,0 cm2 beträgt
und die Bohrungen der Rohre weinigstens 2fi0/o, insbesondere wenigstens 50C/4 der
Oberfläche des der Verbrennungszone benachbarten Brennstoffaustrittsraums ausmachen.
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Die Erfindung umfaßt Verbrennungsapparate, die einen oder mehrere
Brenner der oben beschriebenen Art tbaiten-,- z.B.
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einen Brenner, der in eine Verbrennungskammer eingesetzt ist, die
mit einem Kamin verbunden werden kann.
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Als erstes Beispiel eines solchen Verbrennungsapparates sei eine Vorrichtung
genannt, die zum Erhitzen eines Mediums, z.B. eines Zentralheizungsboilers vorgesehen
ist, der außerdem einen Wärmeaustauscher aufweist, der so angeordnet ist, daß er
heiße Gase aufnimmt, wenn der Verbrennungsapparat in Betrieb ist.
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Als zweites Beispiel sei ein Verbrennungsapparat für Strahlungswärme
genannt, der mit einem Element aus Keramikstoff versehen ist, das in der Verbrennungszone
so angeordnet ist, daß das Element wahrend des Betriebs der Vorrichtung durch die
Verbrennung erhitzt wird. Diese Eombination eignet sich besonders gut für Ofenkonstruktionen,
d.h. die Strahlungselementebilden Seiten und/oder den Boden und/oder die Oberseite
des 1'Heizraums11. (Es ist natürlich zweckmäßig, den "Heizraum" in drei Dimensionen
mit Strahlungselementen zu umgeben, jedoch ist es notwendig, eine Öffnung für die
Rauchgase und eine Tür vorzusehen0 Die Tür könnte gegebenenfalls die Form von beweglichen
Kombinationen aus Brenner und Elementen haben.) Die Erfindung wird nachstehend anhand
der schematischen Abbildungen beschrieben.
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Fig. 1 zeigt perspektivisch teilweise aufgeschnitten einen Brenner
gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erz in dung.
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Fig. 2 ist ein waagerechter Schnitt durch den in Fig. 1 dargestellten
Brenner.
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Fig. 3 ist ein senkrechter Schnitt durch den in Fig. 1 dargestellten
Brenner.
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Fig. 4 ist eine Draufsicht auf einen Brenner mit Zündflammenleitungen,
die in der Nähe des Brennerrandes enden.
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Fig. 5 ist ein senkrechter Schnitt durch den in Fig. 4 dargestellten
Brenner.
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Fig. 6 ist eine Draufsicht auf einen Brenner, bei dem die Zündflammenleitungen
in der Mitte des Brenners enden.
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Fig. 7 ist ein senkrechter Schnitt durch den in Fig. 6 dargestellten
Brenner.
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Fig. 8 ist ein senkrechter Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Brenner
für flüssigen Brennstoff.
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Fig. 9 ist ein Schnitt durch einen in einem Wassererhitzer installierten
Brenner der in Fig. 1 bis 8 dargestellten Konstruktion.
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Der in Fig. 1 bis 3 dargestellte Brenner ist ein Gasbrenner mit einer
Brennstoffkammer 10, durch die eine Vielzahl von Verbrennungsluftrohren 11 geführt
ist. Die Brennstoffkammer ist in einen Brennstoffeintrittsraum 12 und einen Brennstoffaustrittsraum
13 unterteilt, der zur Erhöhung des Widerstandes gegen die Strömung mit einem Pulver
(dessen ist unter-Teilchen nicht aneinander gebunden sind) gefüllt/. Als
lage für diese Füllung dient eine Trennwand 14. Jedes Verbrennungsluftrohr 11 ist
durch ein Loch in der Trennwand 14 geführt, und das Loch ist so bemessen, daß ein
ringförmiger Brennstoffkanal 15 rings um jedes Verbrennungsluftrohr gebildet wird.
Diese Anordnungen sind am deutlichsten in Fig. 1 und 2 zu erkennen. Fig. 3 zeigt
ferner, daß die Verbrennungsluftrohre gas- und flüssigkeitsdicht in runde Löcher
in einer Platte 16 der BuSteintrittszone eingesetzt sind.
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Beim Betrieb des Brenners gelangt der Brennstoff durch die Brennstoffzuführungsleitung
17 in den Brennstoffeintrittsraum 12 und strömt durch die Zwischenräume zwischen
den Verbrennunff sluftrobren 11. Vom vBrennstoffeintrittsraum 12
strömt
der Brennstoff durch den gefüllten Brennstoffaustrittsraum 13 in die Verbrennungszone.
Da die Packung oder Füllung der Strömung des Brenngases einen verhältnismäßig hohen
Widerstand und der Zwischenraum des Brennstoffein trittsraums 12 einen verhältnismäßig
niedrigen Widerstand bietet, begünstigt die Konstruktion eine gleichmäßige Brennstoffzufuhr
in die Verbrennungszone.
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Ein Brenner des vorstehend beschriebenen Type wurde im Laboratorium
unter einem 20,3 ¢m-Eamin erprobt, wobei in getrennten Versuchen Methan und Stadtgas
als Brennstoffe verwendet wurden. (Stadtgas hat eine unterschiedliche Zues sammensetzung,
jedoch enthält immer einen wesentlichen Wasserstoffanteil von gewöhnlich über 50
Vol.-%.) Der Brenner enthielt 38 Verbrennungsluftrohre 11 von 4,72 mm Außendurchmesser
und 4,445 mm Innendurchmesser mit einem dreieckigen Zwischenraum von 0,55 mm zwischen
den Mittelpunkten. Der Brenner hatte eine Baugröße von 45,? x 25,4mm und eine Tiefe
von 19,05 mm. Im Abstand von 9,5 mm von der Verbrennungszone war er mit einer Trennwand
14 versehen.
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Jedes Verbrennungsrohr war durch ein Loch in der Trennwand geführt.'
Die Löcher (ausgenommen die Löcher am Rand) hatten einen Durchmesser von 5 mm, d.h.
es war ein Ringraum von 0,15 mm vorhanden, wenn die Löcher gl.eichmaßig waren.
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Die Löcher am Rand hatten einen Durchmesser von 4,8 mm, d.h. einen
Ringraum von 0,04 mm bei gleichmäßiger Ausführung. Diese Beschränkung an den Rändern
beseitigte eine Neigung zur fetten Verbrennung an den Rändern der Verbrennungszone
Der Raum zwischen der Trennwand uns der Verbrennungszone war mit geschmolzenem Aluminiumoxyd
gefüllt, das zu einem Pulver gemahlen war, das eine solche Teilchengröße hatte,
das es ein Sieb einer Maschenweite von bis 1 mm passierte.
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Der Brenner war zwar für die Verbrennung von gasförmigen Brennstoffen
ausgebildet, jedoch konnte er auch Kerosin verbrennen (unter einem 43,2 cm -Kamin).
Die folgenden
maximalen Wärmeleistungen (d.h. ohne Flammen, die
sich im Falle von Methan und Stadtgas vom Brenner entfernten) wurden erreicht: Brennstoff
Druckabfall, mm WS Wärmelistung, kcal/m²/Stunde Luft Brenastoff Methan 0,127 5,08
790.750 Stadtgas 0,127 17,8 898.725 Kerosin 0,254 - 790.750 Bei dem im Versuch verwendeten
Brenner war der Brennstoff austrittsraum 13 zur Verbrennungszone hin direkt offen,
und der Brennstoff strömte mit der Verbrennungsluft in einer Richtung. Es erwies
sich als möglich, die maximale Wärmeleistung, die mit Methan erzielt wurde, zu steigern,
indem ein Leitblech (in den Abbildungen nicht dargestellt) eingesetzt wurde, das
die Brennstoffströmung in die I;uftströmung ablenkte. Das Ablenkblech bestand aus
einer perforierten Platte, die die Oberseite des Brennstoff austrittsraums bedeckte
und die Verbrennungsluftrohre frei ließ. Wenn das Ablenkblech mit dem Brennstoffaustrittsraum
in Berunrung gebracht wurde, wurde die maximale Wärmeleistung mit Methan von 781.500
(siehe Tabelle) auf 976.875 kcal/m2/Stunde gesteigert.
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(Die Füllung bestand aus einem "rieselfähigen" Pulver, das jedoch
infolge der Form und Größe seiner Teilchen im Brennstoffaustrittsraum 13 blieb,
wenn der Brenner auf die Seite gestellt wurde. Es ist möglich, daß durch die Hitze
der Flamme eine teilweise Sinterung durch Hitze eintritt, wodurch eine besondere
mechanische Stabilität erzeugt wird.) Der in Fig. 4 und 5 dargestellte Brenner ist
dem in Fig. 1 bis 3 dargestellten Brenner ähnlich, jedoch war er außerdem mit einer
Zündflammenleitung 18 versehen, die sich gabelt und in Austritten 18a und 18b endet,
die am Rande der gepackten Austrittszone unmittelbar über der Trennwand 14
angeordnet
sind.
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Die Zündfiammendüsen liefern etwa 1 bis 3/o der maximal verbrauchten
Brenngasmenge. Wenn die Hauptbrennstoffzufuhr abgesperrt wird, strömt der Brennstoff
aus der Zündflammenleitung 18 nach oben durch den Brennstoffaustrittsraum 17 und
yerbrennt in der Verbrennungszone. Die Flamme liegt zwar an einem Rand der Verbrennungszone,
jedoch ermöglicht sie eine einwandfreie erneute Zündung,wenn die Hauptbrennstoffzufuhr
wieder geöffnet wird.
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Bei dem in Fig. 6 und 7 dargestellten Brenner sind zwei Zündflammenleitungen
18a und 18b unmittelbar unter der Trennwand 14 durch den Brennstoffeintrittsraum
13 geführt.
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In der Mitte des Brenners sind die Leitungen aufwärts gebogen, um
im Brennstoffaustrittsraum 12 unmittelbar über der Trennwand 14 zu enden.
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Die Zündflamme brennt in der gleichen Weise, wie im Zusammenhang in
Fig. 4 und 5 beschrieben, ermöglicht jedoch eine schnellere erneute Zündung. Dies
ist ein Vorteil bei Brennern mit einer großen Querschnittsfläche0 Die Zündflammen
in Brennern der in Fig. 5 bis 7 dargestellten Art brennen nicht in Kontakt mit feinen
Zündflammendüsen, so daß diese Düsen sich nicht durch Verrußen zusetzen können.
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Fig. 8 zeigt einen Brenner für flüssigen Brennstoff (shnlich dem in
Fig. 1 bis 3 dargestellten Brenner), der eine nicht poröse Füllung in Form von unglasierten
Keramikrohren 19 enthält, von denen jeweils eines um jedes Verbrennungsluftrohr
11 angeordnet ist und auf Vorsprüngen 20 ruht.
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(Fig. 8 zeigt die Anordnung für zwei benachbarte Rohre in der Ebene
ihrer Achsen.) Der Brenner enthielt 47 verbrennllngslurtrohre 11 mit e einem Außendurchmesser
von je 4,72 mm, einem Innendurchmesser von 4,445 mm und einer Höhe von 31,8 mm.
Die Rohre waren in
Dreiecksanordnung mit Abständen von 6,2 mm zwischen
den Mittelpunkten eingesetzt.
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Jedes Verbrennungsluftrohr 11 war mit einem unglasierten Keramikrohr
19 versehen, das einen Innendurchmesser von 4,98 mm, einen Außendurchmesser von
6,1 mm und eine Höhe von 25,4 mm hatte und auf einem Vorsprung 20 im Abstand von
6,35 mm vom Eintrittsende des Verbrennungsluftrohrs 11 ruhte. Hierdurch ergibt sich
ein Ringraum zwischen dem Verbrennungsluftrohr und dem Keramikrohr von 0,13 mm bei
gleichmäßiger Ausführung.
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Der Brenner wurde mit Kerosin als Brennstoff betrieben, das durch
einen auf 16 mm unter dem Überlauf eingestellten Standregler zugeführt wurde. Durch
die Kapillarwirkung stieg der Brennstoff zum oberen Ende der Verbrennungsluftrohre
ohne die Gefahr des ÜberLaufs. Die Wärmeleistung betrug 351.560 kcal/m2/Stunde (dergleiche
Brenner mit ausgebauten Keramikrohren hatte eine Wärmeleistung von 195.400 kcal/m2/Stunde
bei Einstellung des Brennstoffstandes auf 6 mm unter dem überlauf.) Fig. 9 stellt
einen Wassererhitzer dar; der sich für eine Zentralheizung eignet und mit einem
Brenner 30 der in Fig.
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1 bis 8 dargestellten Art versehen ist. Der Brenner 30 ist am Fuß
des Verbrennungsraums 31 installiert, der mit einem Kamin am Austritt 32 verbunden
ist. Während des Betriebs erhält der Brenner seine Verbrennungsluft aus dem Luftraum
33, und die durch die Verbrennung gebildeten heißen Gase strömen über eine Seite
des Wärmeauætauschers 34, der das durch die Rohre 35 und 36 umgewälzte Wasser erhitzt.
Der Brenner erhält seinen Brennstoff über einen Regler 37.
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Im Falle eines Gasreglers ist die Regelvorrichtung 37 ein Gleichdruckregler,
und die Wärmeleistung wird durch Unterbrechung der Gaszufuhr nach Bedarf geregelt.
Die in Fig. 4 bis 7 dargestellten Brenner sind mit Zündflammen versehen.
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Andernfalls ist eine Zünddüse 38 vorhanden.
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Im Falle eines Brenners für flüssige Brennstof kann die Regelvorrichtung
37 entweder ein Mengenregler oder Standregler sein, der die Brennstoffzufuhr nach
dem Wärmebedarf regelt.
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Die in den Beispielen. beschriebenen Brenner zeigten eine Verbrennung.mit
ruhiger blauer Flamme mit Hilfe eines DiffusionsmechanismusO In allen Fällen ragten
die Flammen um weniger als etwa 5 mm über den Brenner hinaus.