Brenneranlage mit pulsierender Verbrennung Die Erfindung bezieht sich auf eine Brenner anlage mit pulsierender Verbrennung, insbesondere für Wärmeaustauscher, vorzugsweise für Gaswasser heizer.
Die meisten der bisherigen Anlagen hatten den grossen Nachteil, dass sie für ihren Betrieb mecha nisch bewegte Rückschlagventile benötigten, welche ausserordentlich empfindlich und damit störungs anfällig waren. Ferner mussten die Ventile sorgfältig eingestellt werden, um das einwandfreie Arbeiten der Brenneranlage nicht in Frage zu stellen. Ausser dem musste darauf geachtet werden, dass der Raum, in welchem die Ventile angeordnet waren, möglichst kalt blieb, um zu verhindern, dass die Ventile einer besonderen Wärmebeanspruchung ausgesetzt waren.
Um mechanisch bewegte Ventile bei Vorrich tungen mit pulsierender Verbrennung zu vermeiden, ist schon versucht worden, aerodynamische Mittel zu verwenden. So ist eine Ausführung bekannt, bei der ein Ausströmen der Verpuffungsgase auf der An saugseite der Brennkammer dadurch verhindert wurde, dass ein Kompressor vorgeschaltet war, wel cher den erforderlichen Überdruck zum Verdäm- men der Einströmleitung hervorbrachte.
Die bisher vorgeschlagenen Lösungen für Vor richtungen mit pulsierender Verbrennung, welche mit einer einzigen Brennkammer arbeiteten und bei denen zum Absperren der Einströmieitung aero dynamische Mittel verwendet wurden, hatten den Nachteil, dass in jedem Fall ein grosser Verlust an Schwingungsenergie für den Ablauf des Prozesses auftrat.
Um diesen Mangel zu beheben, steht gemäss der Erfindung ein Ansaugglied der Brennkammer mit mindestens einem Reflexionshohlkörper in Verbin dung, welcher als Resonator wirkt. Diese Massnahme ermöglicht eine pulsierende Verbrennung ohne me- chanisch bewegte Ventile, bei welcher die Schwin gungsenergie - abgesehen von Reibungsverlusten erhalten bleibt, und zwar insbesondere dann, wenn nur mit einer einzigen Brennkammer gearbeitet wird. Da keine Rücksicht auf die Schwingfähigkeit von Ventilen genommen zu werden braucht, kann die Frequenz der Verpuffungswelle erhöht und damit können die Abmessungen der Anlage ver kleinert werden.
Ferner kann die Betriebssicherheit dadurch er heblich gesteigert werden, dass der Resonator so aus gebildet wird, dass ein Reflexionsimpuls eine pulsie rende Verbrennung, welche plötzlich aufgehört hat, sofort selbsttätig wieder in Gang setzt. Störungen bei der pulsierenden Verbrennung, welche bisher durch Schäden an den empfindlichen Ventilen oder durch deren fehlerhaftes Einstellen entstanden, kön nen jetzt überhaupt nicht mehr auftreten.
Als Reflexionshohlkörper wird vorteilhaft ein an dem einen Ende verschlossenes Rohr verwendet, derart, dass die Schwingungszahl der Verbrennung gleich der Grundschwingungszahl des Reflexions rohres oder einer Oberschwingungszahl davon ist. Hierbei sind der Reflexionshohlkörper und das An saugglied im wesentlichen gleichachsig angeordnet und an ihren einander zugekehrten Enden als ge- geneinandergerichtete Düsen ausgebildet, die zu sammen ein nach beiden Strömungsrichtungen wirk sames Venturirohr bilden, an dessen engster Stelle sich eine öffnung für den Einlass von Brennstoff bzw.
Verbrennungsluft bzw. eines Brennstoff-Luft- Gemisches befindet; ausser Düsen sind auch andere aerodynamische Mittel möglich. Es ist dabei zweck mässig, wenn der Brennstoff und die Verbrennungs luft durch getrennte Ansaugrohre zugeführt werden, an welche sich je ein Reflexionsrohr anschliesst. Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt, und zwar zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Brenner anlage mit pulsierender Verbrennung, die mit einer einzigen Brennkammer und zwei an ihren Enden ge schlossenen Reflexionsrohren arbeitet, Fig. 2 eine zweite Ausführungsform, Fig. 3 eine besondere Ausführung des Re flexionskörpers.
Gemäss Fig. 1 führt eine Gaszuleitung 1 zu einer Gasansaugstelle, nämlich einem Spalt 2, welcher zwischen zwei gegeneinandergerichteten Düsen 3 und 4 angeordnet ist. Hierbei stellt die Düse 3 das eine Ende eines Reflexionsrohres 5 dar, welches an seinem andern Ende 6 verschlossen ist, während die Düse 4 das eine Ende eines Gasansauggliedes 7 bil det, welches im wesentlichen gleichachsig zu dem Reflexionsglied 5 angeordnet und mit der Brenn- kammer 8 verbunden ist.
In gleicher Weise wie bei der Gasansaugstelle mündet für die Frischluft- zuführung ein Ansaugstutzen 9 in den Spalt 10 zwi schen zwei gegeneinander gerichteten Düsen 11 und 12, deren erste einem Reflexionsrohr 13 mit ver schlossenem Ende 14 und deren andere dem Frisch luftansaugglied 15 zugeordnet ist.
Das offene Ende des als Resonator wirkenden Reflexionsrohres 5 bzw. 13 kann anstatt als sich verjüngende Düse auch zylindrisch ausgebildet oder mit einem andern aerodynamischen Ventil ver sehen sein. Wichtig ist jedoch, dass der öffnungs- querschnitt am offenen Ende des Reflexionsrohres nicht grösser als der Querschnitt der gegenüberlie genden öffnung des Ansauggliedes ist. Ebenso ist der Hohlkörperresonator nicht auf die Ausbildung als ein rohrförmiges Glied beschränkt.
Der Resona- tor kann viehmehr nach einem kurzen zylindrischen Ansatzstück 3' auch als Kugel oder als ein über das Ansaugglied 7 gestülpter Hohlkörper 5' ausgebildet sein (Fig. 3).
Die Ansaugglieder 7 für Gas und 15 für Frisch luft weisen unmittelbar im Anschluss an die Brenn kammer 8 jeweils eine diffusorartige Erweiterung 16 bzw. 17 auf. Beide Ansaugglieder vereinigen sich an der engsten Stelle ihrer diffusorartigen Erweiterun gen zu einer gemeinsamen Zuleitung zu der eben falls diffusorartig erweiterten Brennkammer B. Die beiden Ansaugglieder 7 und 15 können aber mit ihren diffusorartigen Erweiterungen 16 und 17 jedes für sich getrennt in die Brennkammer 8 einmünden.
Weiterhin ist es auch möglich, nur ein einziges An saugglied zu verwenden, wobei in dem Spalt zwi schen den beiden gegeneinandergerichteten Düsen sowohl Gas als auch Frischluft angesaugt wird.
An die Brennkammer 8 schliesst sich ein zylin drisches Schwingrohr 18 für den Ausschub der heissen Verbrennungsgase an, welches von einem gleichachsig zu ihm angeordneten Schwingrohr-Re- flexionsglied 19 mit verschlossenem Ende 20 durch einen Spalt 21 getrennt ist, an welchen sich schliess lich die Auspuffleitung 22 anschliesst.
Fig. 2 unterscheidet sich von Fig. 1 darin, dass das Frischluft-Reflexionsglied 13 und das Schwing rohr-Reflexionsglied 19 der Fig. 1 zu einem Schwin- gungs-Reflexionsglied 23 miteinander verbunden sind und beide in offener Verbindung zueinander stehen.
Die in Fig. 1 und 2 dargestellten Anordnungen wirken wie folgt: Sobald in der Brennkammer 8 ein zündfähiges Gas-Luft-Gemisch vorhanden ist, wird dieses durch eine nicht gezeichnete Vorrichtung, z. B. eine Zünd flamme, zur Entzündung gebracht. Hierbei entsteht in der Brennkammer 8 eine Verpuffungswelle, wel che sich nach allen Seiten ausbreitet. Ein grosser Teil der Verbrennungsgase wird dabei in das Schwingrohr 18 ausgestossen; der übrige Teil dieser Gase wird jedoch in Richtung der Ansaugglieder 7, 15 strömen. Damit wird ein Schwingungsvorgang eingeleitet, der einen Dauerbetrieb der Anlage ge stattet.
Da die Ansaugglieder 7 und 15 durch ihre Länge die Frequenz beeinflussen, und zwar als Hals eines Helmholtzschen Resonators, schwingen die Gas säulen in den Ansauggliedern 7 und 15 zwischen Brennkammer 8 einerseits und den Ansaugstellen 2 und 10 anderseits mit einem Viertel der Wellenlänge, mit welcher die Anlage arbeitet. Hierbei müssen so wohl die Länge als auch der Durchmesser der bei den Ansaugglieder aufeinander abgestimmt sein, weil die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Schalles in Gas und Luft und auch die Gasdichten nicht gleich sind.
Weiterhin ist es wichtig, um einen sicheren Lauf der Brenneranlage zu gewährleisten, dass die Schwingungszahl der Gassäulen in den Reflexions rohren auf die Frequenz der Verbrennung abge stimmt ist, wobei diese Frequenz gleich der Grund schwingungszahl der Gassäule im Reflexionsrohr oder eine Oberschwingungszahl davon sein kann. Die Länge der Reflexionsrohre kann dabei ein Viertel der Wellenlänge betragen, mit welcher die Brenner anlage arbeitet, oder ein ungeradzahliges Mehrfaches davon, also drei Viertel Wellenlänge, fünf Viertel Wellenlänge usf.
In gleicher Weise wie durch die Ansaugglieder 7 und 15 wird auch durch das Schwingrohr 18 die Frequenz beeinflusst, da die Gassäule im Schwing rohr 18 von der Brennkammer 8 bis zum Spalt 21 ebenfalls mit einer Viertel Wellenlänge schwingt. Auch das Reflexionsrohr 19 des Schwingrohres 18 muss daher wie die Reflexionsrohre 5 und 13 der Ansaugglieder 7 und 15 auf die Frequenz der Bren- neranlage abgestimmt sein.
Man erhält auf diese Weise aus den Ansauggliedern 7 und 15 mit den zugehörigen Reflexionsrohren 5 und 13, der Brenn- kammer 8 und dem Schwingrohr 18 mit dem zuge ordneten Reflexionsrohr 19 ein geschlossenes Schwingungssystem, in welchem die Schwingungs- energie - abgesehen von Reibungsverlusten - er halten bleibt.
Bei dem Schwingungsvorgang, der durch die periodische Verpuffung angeregt wird, wird sich eine stehende Welle ausbilden, welche an der Ansaug stelle 2 bzw. 10 und an der Abströmstelle, also dem Spalt 21, einen Druckknotenpunkt und in der Brenn- kammer 8 und an den verschlossenen Enden 6, 14 und 20 der Reflexionsrohre 5, 13 und 19 einen Druckbauchpunkt aufweist. Die Geschwindigkeits welle weist bei einer derartigen Anordnung gegen über der Druckwelle eine Phasenverschiebung von 90 auf.
Es wird sich daher in der Brennkammer 8 und an den verschlossenen Enden 6, 14 und 20 der Reflexionsrohre 5, 13 und 19 ein Geschwindigkeits knotenpunkt und an den Ansaugstellen 2 und 10 sowie an der Abströmstelle 21 ein Geschwindigkeits- bauchpunkt ausbilden. Die grösste Geschwindigkeit wird also gerade an der Ansaugstelle und an der Abströmstelle auftreten, das heisst an Stellen, an wel chen Atmosphärendruck herrscht. An der Ansaub stelle 2 bzw. 10 entsteht somit ein kräftiger Unter druck, welcher zum Ansaugen von Frischluft und Frischgas zur Verfügung steht.
Es wird dabei jeweils dann, wenn die Geschwin digkeitswelle gegen die Brennkammer 8 gerichtet ist, Frischluft und Frischgas angesaugt, so dass in der Brennkammer 8 ein Gas-Luft-Gemisch entsteht, welches verpufft und damit den weiteren Betrieb er möglicht. Ein Ansaugen von Frischluft und Frisch gas in die Reflexionsrohre 5 und 13 findet nicht statt, da infolge des Druckanstieges im Diffusor des Reflexionsrohres 5 bzw. 13 der mittlere Druck im Reflexionsrohr höher ist als an der Ansaugstelle 2 bzw. 10.
Wenn die Länge der Reflexionsrohre nicht einem Viertel der Wellenlänge, sondern drei Vierteln der Wellenlänge entspricht, dann erhöht eine der artige Ausbildung die Sicherheit des Laufes der Brenneranlage bedeutend. Wenn dann nämlich die Verpuffung plötzlich aussetzt, dann wird durch die Reflexionswelle der vorherigen Verpuffung, welche infolge der grösseren Rohrlänge eine Periode später in der Brennkammer eintrifft, erneut ein Gas-Luft- Gemisch eingeführt, welches nach seiner Verpuf fung wiederum einen Unterdruck hervorruft und so mit ein weiteres Ansaugen von Frischgas und Frisch luft ermöglicht.
In Fig. 2 ist eine andere zweckmässige Ausfüh rungsform gezeigt, die in gleicher Weise wie die Vor richtung gemäss Fig. 1 arbeitet. Es sind lediglich die Enden des Frischluft-Reflexionsrohres und des aus- puffseitigen Schwingrohr-Reflexionsrohres, welche Enden Knotenpunkte der Geschwindigkeitswelle dar stellen, zusammengelegt, so dass anstelle der ver schlossenen Enden der Reflexionsrohre diese in offener Verbindung stehen können und dadurch mit dem Ansaugglied 15, der Brennkammer 8 und dem Schwingrohr 18 einen geschlossenen Schwingungs kreis bilden.
Auch ist es möglich, das Schwingrohr so zu ver längern, dass die Gassäule im Schwingrohr mit einer der ersten Oberschwingungen der Verbrennung schwingt; auf diese Weise kann die wärmeabgebende Oberfläche vergrössert werden, ohne dass an der Ab stimmung des Gerätes etwas zu ändern ist.
Gegebenenfalls können an das vorhandene Schwingungssystem in einem Druckknotenpunkt wei tere Schwingungssysteme oder weitere Reflexions rohre angeschlossen werden.
Die Erfindung ist nicht nur für den Heizbetrieb, sondern auch für den Kraftbetrieb auswertbar. So kann beispielsweise eine Turbine durch das aus der Auspuffleitung ausströmende Abgas beaufschlagt werden. Es kann dabei das Druckgefälle zwischen Ansaug- und Abströmstelle ausgenutzt werden.