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Rohrförmiges Flammrohr für Ölbrenner
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Stand der Technik Als Mischeinrichtung eines Ölbrenners bezeichnet
man üblicherweise das Flammrohr und eine konzentrisch in diesem Flammrohr angeordnete,
kreisrunde, mit einer Bohrung und Schaufeln versehene Scheibe aus Metall. Diese
Scheibe wird in der Fachwelt Stauscheibe, Flammenscheibe oder Flammhalter genannt.
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Eine hinter der Stauscheibe befindliche Olzerstäuberdüse sorgt für
die mechanische Aufbereitung des Heizöles in feinste Tröpfchen zwecks Erzielung
einer möglichst großen Reaktionsfläche zum Sauerstoff der Verbrennungsluft. Der
Zerstäubungskegel, dessen Spitze mit dem Austritt aus der Dose korrespondiert, passiert
die mittlere Bohrung im Flammhalter und vermischt sich anschließend mit der in gleicher
Richtung im Flammrohr fließenden Verbrennungsluft. Je intensiver die Mischung Öltröpfchen-Luftsauerstoff
ist, desto besser sind die Verbrennungswerte und damit entsprechend die Nutzung
des Brennstoffes.
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Das in der DUse befindliche Heizöl wird in der Wirbelkammer der Düse
in starke Rotation versetzt. Das austretende Heizöl unterliegt zwei Geschwindigkeitskomponenten,
und zwar einer axialen und einer tangentialen Komponente. Diese beiden Komponenten
erzeugen eine Resultierende, die den Öffnungswinkel des Zerstäubungskegels bestimmt.
Im Endeffekt überwiegt die axiale Geschwindigkeitskomponente. Solange die tangentiale
Komponente wirksam ist und die Öltröpfchen im Zerstäubungskegel in einer rotierenden
Bewegung begriffen sind, unterliegen diese der Fliehkraft.
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Wenn man die Verteilung der Öltropfen innerhalb des Zerstäubungskegels
der Sprühdüse betrachtet, so stellt man fest, daß die Dichte der Tropfen in der
Randzone (Anzahl der Tropfen in einer Raumeinheit) wesentlich größer ist, als im
Kern des Kegels. Dies ist auf die durch die Rotation erzeugte Fliehkraft zurückzuführen,
so daß die Tröpfchen mit größerer Masse eher in den Randzonen zu finden sind. So
ist es auch erklärlich, daß in dieser Randzone die Wahrscheinlichkeit eines Zusammenstoßes
und anschließendem Konglomerieren zu einem großen Tropfen am höchsten ist.
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Verfolgt man die Flugstrecke eines Tropfens während des Brennerbetriebes,
also nach der Flammenbildung, so stellt man fest, daß der von der Flamme bestrahlte
Tropfen zunächst die leichten Bestandteile, also die leichten Kohlenwasserstoffe
aus Dampf bzw. zum Teil vergast. Der Prozeß erinnert an das schichtweise Schälen
einer Zwiebel. Weil der Kohlenstoff in den vergasten leichten Bestandteilen auch
in Gasform vorliegt, brennt dieser Teilnebel mit blauer, transparenter Flamme ab.
Der nichtstrahlende Charakter dieser Flamme ist unmittelbar nach dem Austritt aus
der Düse gut zu beobachten.
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Die stufenweise Fraktionierung führt dazu, daß der Kern des Tropfens
nunmehr ein in fester Form vorliegendes Kohlenstoffskelett ist, das beim Abbrennen
intensiv zu strahlen beginnt, wodurch sich die Flamme rot einfärbt.
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Wenn die Ausbrandstrecke (Flugstrecke) von der Flammenwurzel bis zur
Kesselrückwand ausreichend groß ist, verbrennt das Heizöl vollständig. Ist diese
Strecke dagegen zu kurz, prallt das glühende Kohlenstoffskelett des betreffenden
Rest-Öltropfens an die relativ kalte Rückwand der Brennkammer, die etwa eine Temperatur
von 80 bis 90 Grad Celsius aufweist, kühlt sich dort schlagartig ab und wird als
Ruß ausgetragen.
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Aus Gründen der wirtschaftlichen Fertigung werden die Kessel so kurz
wie möglich gehalten. Dies bedeutet, daß die gerade Ausbrandstrecke in keinem Fall
ausreicht. Deshalb hat man schon Flammhalter bzw. Stauscheiben mit Drallschaufeln
versehen, die einen Großteil der Verbrennungsluft in Rotation versetzen. Die in
dem Rotationsbereich der Luft befindlichen Tropfen nähern sich schraubenartig der
Rückwand des Kessels zu, wodurch eine wesentliche Verlängerungder Ausbrandstrecke
(die Ausbrandzeit ist konstant) erzielt wird.
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Aus den obigen Darlegungen ergibt sich, daß in der Randzone des Zerstäubungskegels
befindliche Öltröpfchen auf Grund ihres Volumens eine wesentlich längere Ausbrandstrecke
erfordern, als die dem Kern zugerichteten Öltröpfchen.
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Alle bisher bekannten Brenner- und Flammrohrkonstruktionen berücksichtigen
zu wenig die Tatsache, daß die Kegelrandzone besonders zu betrachten ist.
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Eine weitere Verlängerung der Flugstrecke wäre mit einem erhöhten
Aufwand an Energie verbunden, weil die Steigung der gewindeartig rotierenden Spirale
verkleinert werden muß.
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Hierzu sind höhere Austrittsgeschwindigkeiten an dem Flammhalter erforderlich,
d. h. höhere Pressungen der Luft vor dem Flammhalter. Dies bedeutet entsprechend
höhere Motorleistung oder Brennerleistung und ist mit entsprechenden Strömungsgeräuschen
verbunden.
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Zahlreiche Konstruktionen für Brennköpfe beschäftigen sich mit der
Rücksaugung eines Teils der heißen Verbrennungsgase in den Bereich, in dem der Sprühkegel
des Öl-Luft-Gemisches hinter dem Flammhalter gebildet wird. Aus der deutschen Patentanmeldung
P 22 08 574.1 ist ein Brennkopf mit einem Flammrohr, einem Düsenstock und einem
koaxial dazu angeordneten Flammhalter bekannt, wobei das Flammrohr in üblicher Weise
im
Bereich des Flammhalters düsenförmig verjüngt ist. In diesem Bereich ist der Flammrohrmund
als separates, aus Gußeisen bestehendes Bauteil mit relativ großer Wandstärke ausgebildet
und mit Spaltabstand zu dem übrigen Teil des Flammrohres angeordnet. Durch die EJektorwirkung
der im Flammrohr strömenden Primärluft werden heiße Gase durch den Spalt angesaugt
und in den Bereich des Sprühkegels des Öl-Luft-Gemisches gebracht. Auf diese Weise
erfolgt eine gewisse Vorwärmung dieses Öl-Luft-Gemisches und eine bessere Aufbereitung
desselben. Wegen der großen Wanddicke des gußeisernen Flammrohrmundes besteht indessen
die Gefahr, daß dieses Teil kühlend wirkt. Außerdem ist es als separates Bauteil
relativ kompliziert aufgebaut und kann nicht so preiswert gefertigt werden.
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Wesentlich kompliziertere Einrichtungen zum Rückführen von Verbrennungsgasen
in den Sprühkegel eines Brenners zeigen die DE-OSen 26 49 669 und 26 49 670, die
zwar für spezielle Anwendungsgebiete herzustellen sein mögen, aber für Brenner des
täglichen Bedarfs, insbesondere für Brenner kleinerer Heizleistungen wie sie in
privaten Haushaltungen zur Anwendung gelangen,nicht brauchbar sind.
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Aufgabe Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde,ein Flammrohr für
Rezirkulation von Heizgasen bei Brennern, insbesondere mit geringer Heizleistung,
zu schaffen, das extrem einfach aufgebaut sein soll und das den besonderen Gegebenheiten
in der Kegelrandzone eines Sprühstrahls besonders berücksichtigt.
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Lösung Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 wiedergegebenen Merkmale
gelöst.
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Einige Vorteile Dadurch, daß das Flammrohr und der Flammrohrmund
aus relativ dünnwandigem Blech mit vornehmlich gleicher Wanddicke hergestellt werden,
ergibt sich der Vorteil, daß der Flammrohrmund infolge der Rezirkulation heißer
Brenngase sehr heiß wird und während des Betriebes rotglühend werden kann. Die in
diesem Bereich befindlichen Öltröpfchen - auch wenn sie durch Konglomerieren voluminös
sind - werden durch Strahlung sehr rasch restlos-vergast, so daß auch bei sehr kurzen
Flugstrecken bis zur Kesselrückwand kein Auftreffen von unverbranntem Öl bzw. noch
glühende Kohlenstoffskelette befürchtet zu werden braucht. Vielmehr erfolgt schon
in diesem Bereich eine restlose Vergasung bzw. Verdampfung des Öls, was an der bläulich
brennenden Flamme unmittelbar hinter dem Flammhalter deutlich zu erkennen ist. Dadurch
ergibt sich insgesamt eine Mischeinrichtung, die mit großer Wirtschaftlichkeit arbeitet.
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Weiterhin ist die einfache konstruktive Gestaltung eines erfindungsgemäßen
Flammrohres mit Flammrohrmund von besonderem Vorteil. Beide Teile lassen sich einfach
durch Blech herstellen und können im Bedarfsfalle durch Blechlappen auf den gewünschten
Spaltabstand zueinander eingestellt werden. Besonders für Brenner mit geringen Heizleistungen
ist ein erfindungsgemäßes Flammrohr mit Vorteil anzuwenden.
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Im Rahmen des Erfindungsgedankens (Aufgabe und Lösung) liegen auch
Ausführungsformen, bei denen die Spaltweite - ggf.
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stufenlos - einstellbar ist. Dies kann dadurch erreicht werden, daß
entweder der Ringspalt in seiner Breite eingestellt wird, oder der Flammrohrmund
wird als austauschfähige Einheit hergestellt. Es ist aber auch möglich, Flammrohrmund
und den Grundkörper des Flammrohres starr miteinander auszubilden, beispielsweise
die Abstandshalter an diesen Teilen durch Schweißnähte zu verbinden, oder sie zu
verschrauben
oder zu vernieten.
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Weitere Ausführungsformen Eine extrem einfache Ausführungsform ist
in Anspruch 2 beschrieben, bei welcher die Abstandshalter als Blechlappen ausgebildet
sind. Blechlappen und das Flammrohr, also einschließlich Flammrohrmund, können aus
dem gleichen Werkstoff und aus dem Blech mit der gleichen Wanddicke hergestellt
werden.
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Die Ansprüche 3 und 4 beschreiben weitere vorteilhafte Ausführungsformen.
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In der Zeichnung ist die Erfindung - teils schematisch -an einem Ausführungsbeispiel
veranschaulicht. Es zeigen: Fig. 1 eine Mischeinrichtung mit einem erfindungsgemäßen
Flammrohr, und zwar schematisch im Längsschnitt, teils in der Ansicht; Fig. 2 ein
Flammrohr in der Seitenansicht und Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III - III
der Fig. 2.
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Das Bezugszeichen 1 bezeichnet einen Düsenstock, dem Heizöl über eine
Leitung 2 in üblicher Weise zugeführt wird. Mit 3 ist ein Flammhalter bezeichnet,
der über eine geeignete Haltevorrichtung 4 am Düsenstock befestigt ist. Dieser Flammhalter
3 besitzt eine zentrische Durchbrechung 5, durch welche der Sprüh- bzw. Zerstäubungskegel
6 der Öltröpfchen hindurchtritt.
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Wie die Fig. 1 erkennen läßt, sind Düsenstock 1, Leitung 2 und Flammhalter
3 koaxial zueinander zentrisch in einem Flammrohr 7 angeordnet. Dem Flammrohr 7
wird in üblicher
Weise in Richtung X Verbrennungsluft zugeführt,
die durch einen ringförmigen Schlitz 8 zwischen Flammhalter 3 und Flammrohr 7 hindurchströmt.
An dieser Stelle besitzt das Flammrohr 7 eine Verjüngung 9, so daß die in Richtung
X zugeführte Verbrennungsluft beschleunigt wird.
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Deutlich läßt insbesondere die Fig. 2 erkennen, daß das Flammrohr
7 aus den beiden Teilen -10 und 11 besteht, wobei letzteres den Flammrohrmund bildet
und den gleichen Außendurchmesser D wie das Teil 10 aufweist. Die beiden Teile 10
und 11 sind aus Blechabschnitten hergestellt und besitzen gleiche Wanddicke A. Im
übrigen wird für diese beiden Teile 10 und 11 ein verhältnismäßig dünnwandiges Blech
genommen.
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Fig. 2 läßt weiterhin erkennen, daß das Teil 11 - der Flammrohrmund
- mit Abstand B zum Teil 10 angeordnet ist. Dadurch entsteht zwischen diesen Teilen
ein schlitzförmiger Rückströmkanal 12, der durch drei über den Umfang gleichmäßig
verteilt angeordnete Abstandshalter 13, 14 und 15 in drei gleiche Teile unterbrochen
ist. Die Abstandshalter 13,bis 15 bestehen aus Blechlappen mit gleicher Wanddicke
wie die Teile 10 und 11 und verlaufen mit ihren Längsachsen parallel zur Längsachse
16 des Flammrohres 7. Bei dieser Ausführungsform sind die Abstandshalter 13 bis
15 durch Schweißnähte mit den Teilen 10 und 11 fest verbunden. Stattdessen können
z. B. aber auch Schraubbolzen verwendet werden, so daß der Abstand der Teile 10
und 11 veränderbar ist.
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Dadurch läßt sich die Schlitzbreite B entsprechend einstellen.
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Die zwischen Flammhalter 3 und Flammrohrverjüngung 9 erhöhte Strömungsgeschwindigkeit
der in Richtung X strömenden Verbrennungsluft hat einen Druckabfall an den offenen
Querschnitten des schlitzförmigen Rückströmungskanals 12 zur Folge. In diese Teile
des Rückströmungskanals 12 und am
Umfang des Zerstäubungskegels
6 strömen die in Richtung Y bzw. Z zurückgesaugten heißen Abgase der Flamme und
hüllen den Zerstäubungskegel ein. Dadurch, daß das Teil 11 wie das Teil 10 aus Blech
besteht, erfolgt eine intensive Aufheizung des Flammrohrmundes, die so weit gehen
kann, daß das Teil 11 sehr heiß bis glühend wird, wodurch eine vollständige Aufbereitung
und Vergasung bzw. Verbrennung bereits im Flammrohrmund 11 eintritt. Dadurch ergeben
sich erheblich kürzere Ausbrandzeiten und verkürzte Ausbrandstrecken des eingesprühten
Heizöls. Verwendet man noch dazu Flammhalter 3 mit Leitschaufeln, die die Verbrennungsluft
in Rotation versetzen, so ergibt sich eine spührbare, unter Umständen sogar erhebliche
Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades eines solchen Brenners.
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Die in den Ansprüchen und in der Beschreibung beschriebenen und in
der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebigen
Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
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In manchen Fällen kann die Ausführungsform gemäß Anspruch 5 vorteilhaft
sein, beispielsweise dann, wenn es auf hohe Maßgenauigkeit ankommt.