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Brenneranlage für pulsierende Verbrennung, welche als Wärmequelle
für einen gasbeheizten Wassererhitzer dient Die Erfindung bezieht sich auf eine
Brenneranlage für pulsierende Verbrennung, welche als Wärmequelle für einen gasbeheizten
Wassererhitzer dient, bei welcher die Einlaßöffnungen von zwei im Gegentakt arbeitenden
Brennkammern, deren Auslaßöffnung getrennt von der Einlaßöffnung angeordnet ist,
durch ein rohrförmiges Schwingungskoppelglied verbunden sind, in welchem eine Einlaßöffnung
für die Zufuhr von Luft vorgesehen ist, wobei die Zufuhröffnung in dem Schwingungskoppelglied
zwischen zwei einander entgegengesetzt wirkenden aerodynamischen Rückstromdrosseln
angeordnet ist.
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Brenneranlagen mit pulsierender Verbrennung sind in vielfältiger Ausbildung
bekannt, welche sich z. B. durch die Form und die Anzahl der Brennkammern oder durch
die Art der Zufuhr des Brennstoff-Luft-Gemisches unterscheiden.
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Bei Brenneranlagen mit pulsierender Verbrennung werden neben mechanischen
auch aerodynamische Ventile verwendet. Um bei der Verwendung von aerodynamischen
Ventilen ein Ausströmen der Verbrennungsgase an der Ansaugseite der Brennkammer
zu verhindern, ist bei einer solchen bekannten Ausführungsform ein Kompressor vorgeschaltet
worden, welcher den erforderlichen überdruck zum Verdämmen in der Einlaßleitung
hervorbrachte. Außerdem ist eine Brenneranlage mit zwei im Gegentakt arbeitenden
Brennkammern bekannt, deren Einlaßöffnungen durch ein rohrförmiges Schwingungskoppelglied
verbunden sind. Dabei ist die Auslaßöffnung der Brennkammer getrennt von der Einlaßöffnung
angeordnet. Im Schwingungskoppelglied ist eine Einlaßöffnung für die Zufuhr von
Luft vorgesehen, und zwar derart, daß diese Zufuhröffnung zwischen zwei einander
entgegengesetzt wirkenden aerodynamischen Rückstromdrosseln angeordnet ist. Der
Brennstoff wird durch Einspritzen in die Brennkammern zugeführt. Dadurch ist es
kaum zu vermeiden, daß auch innerhalb des Schwingungskoppelgliedes für die Zufuhr
der Luft noch eine Verbrennung stattfindet und dieses dadurch einer großen Hitzeeinwirkung
ausgesetzt wird, so daß der Werkstoff für die Herstellung des Schwingungskoppelgliedes
der gleiche wie der der Brennkammer sein muß. Bei mit aerodynamischer Verdämmung
ausgerüsteten Brenneranlagen mit pulsierender Verbrennung ergab sich auch der Nachteil,
daß ein beträchtlicher Verlust an Schwingungsenergie für den Ablauf des Prozesses
in Kauf genonunen werden mußte.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Brenneranlage für pulsierende
Verbrennung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei welcher die vorstehend geschilderten,
allgemein bekannten Mängel behoben sind.
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Als Lösung dieser Aufgabe ist eine Brenneranlage der eingangs angeführten
Art gemäß Erfindung derart ausgebildet, daß außer dem der Luftzufuhr dienenden Schwingungskoppelglied
auch für die Zufuhr von Brenngas ein eigenes als Hals eines Helmholtzschen Resonators
ausgebildetes Schwingungskoppelglied vorgesehen ist.
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Durch die Anordnung von je einem Koppelglied für Luft- und Brennstoffzufuhr
kann eine einfache Anpassung der Brenneranlage beim Wechsel von einem Brennstoff
auf einen anderen mit zum ersten unterschiedlichen Heizwert dadurch erfolgen, daß
durch Änderung von Länge und/oder Durchmesser der Koppelglieder die Frequenz so
abgestimmt wird, daß diese der unterschiedlichen Dichte der geförderten Medien Rechnung
tragend immer ein Einströmen eines Brennstoff-Luft-Gemisches in die Brennkammern
bewirken, das ein zündfähiges Mischungsverhältnis aufweist.
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Ein Merkmal zur weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht darin,
daß jedes Schwingungskoppelglied zur jeweiligen Brennkammer hin ein konvergierendes
Zwischenstück aufweist und die Zwischenstücke an ihrer Engstelle in gemeinsame Zuleitungen
zur jeweiligen Brennkammer einmünden.
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Ferner ist vorgesehen, daß in der gemeinsamen Zuleitung zur jeweiligen
Brennkammer eine zur Atmosphäre hin offene Verbindungsöffnung geringen Durchmessers
vorgesehen ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch
dargestellt.
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Die Brenneranlage besteht aus zwei Brennkammern 10 und 11 mit daran
anschließenden Schwingrohren 12 und 13. Sowohl die Brennkammern als
auch
die Schwingrohre sind von Wassermänteln 14
umgeben, welche untereinander verbunden
sind und eine Kaltwasserzuleitung 15 und eine Warmwasserzapfleitung 16 aufweisen,
in die ein Zapfventil 17
eingebaut ist.
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Von einer Brenngaszuleitung 18 aus wird Zündgas zu einer Zünddüse
19 und Hauptgas zu einer allgemein mit der Bezugsziffer 20 bezeichneten
Gasarmatur geleitet, welche einerseits über eine Wassermangelsicherung
21 durch das zu den Wassermänteln 14 strömende Wasser gesteuert und
andererseits von den Brennkammern 10 und 11 aus beeinflußt wird.
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Von der Gasarmatur 20 aus führt eine Ansaugleitung
22 zu einem Schwingungskoppelglied 23 für die Zufuhr von Brenngas,
welches die beiden Brennkammern 10 und 11 miteinander verbindet. In der Mitte des
für die Zuführung von Brenngas bestimmten Schwingungskoppelgliedes 23, und zwar
an der Mündung der Ansaugleitung 22, sind zwei gegeneinander gerichtete Düsen
24 und 25 eingebaut, zwischen denen sich eine Ansaugöffnung 26 befindet.
Parallel zu dem Schwingungskoppelglied 23 für die Zufuhr von Brenngas ist
in gleicher Weise ein Schwingungskoppelglied 27 für die Zufuhr der Verbrennungsluft
angeordnet. Zwei gegeneinander gerichtete Düsen 28 und 29 münden in
einen gemeinsamen Luftansaugstutzen 31. Die Schwingungskoppelglieder 23 und
27 münden in die beiden Brennkammern 10 und 11 über stromab der Frischgase konvergierende
Zwischenstücke 32, 33 ein, wobei sie zu einer gemeinsamen Zuleitung nach der Engstelle
zusammengeführt sind. Die Brennkammern 10 und 11 erweitern sich diffusorartig
von der Ansaugseite aus und sind anschließend etwa halbkugelförmig ausgebildet.
Etwa an der Stelle ihres größten Querschnittes ist an jeder der beiden Brennkammern
10 und 11 eine Zündöffnung 34 vorgesehen. Die Zündöffnungen
der beiden Brennkammern liegen einander gegenüber. Etwa in Höhe der Zündöffnungen
34 münden in die Brennkammer 10 bzw. 11
kurze, rohrförmige Zuleitungen
35 bzw. 35', welche etwas aufgeweitete freie Enden haben, denen Düsen
36 bzw. 36' am Ende von Impulsgeberleitungen 37
bzw. 37' gegenüberliegen,
welche aus dem Gasraum der Gasarmatur 20 abzweigen.
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Wenn die Zündflamme brennt und das Warmwasserzapfventi117 geöffnet
wird, bewirkt der Wasserdruck über die Wassermangelsicherung 21 das Einströmen
von Brenngas in die Gasarmatur 20 und von dort in die Impulsgeberleitungen
37 und 37'. Über deren Düsen 36 und 36' wird das Brenngas unter gleichzeitigem
Ansaugen von Luft in das aufgeweitete Ende der Zuleitungen 35, 35' und damit
in die Brennkammern 10 und 11 eingeblasen, so daß jeweils ein zündfähiges
Brenngas-Luft-Gemisch in die Brennkammer gelangt. Dieses wird sodann in einer der
Brennkammern durch die Zündflamme über die Zündöffnung 34 zum Zünden gebracht.
Dabei entsteht z. B. in der Brennkammer 10 eine Verpuffungswelle, wobei ein
großer Teil der heißen Verbrennungsgase in das Schwingrohr 12 und der übrige
Teil in Richtung auf die Schwingungskoppelglieder 23 und 27 strömt. Dadurch wird
eine Schwingung angeregt, welche in die Brennkammer 11 ein Brennstoff-Luft-Gemisch
fördert und anschließend eine Verpuffung unterstützt. Zwischen der Verpuffung in
der Brennkammer 10 und der der Brennkammer 11 besteht einePhasenverschiebungvon
180°. Ein Schwingungskoppelglied, das den Hals eines Helmholtzschen Resonators darstellt,
schwingt zwischen Brennkammer und Ansaugöffnung mit einer Viertel Wellenlänge. Da
die Fortpflanzungsgeschwindigkeit von Schall infolge unterschiedlicher Dichte in
Brenngas und Luft nicht gleich sind, müssen Länge und Durchmesser der beiden Koppelglieder
so aufeinander abgestimmt sein, daß in die Brennkammern Brenngas und Luft in einem
zur Zündung günstigen Verhältnis gefördert werden.
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Da die Schwingungskoppelglieder 23 und 27 in die Ansaugstutzen
22, 31 einander gegenüberliegend einmünden, wird die Geschwindigkeit an der
Ansaugöffnung 26 bzw. 30 weiter erhöht. Gleichzeitig entsteht dabei
ein kräftiger Unterdruck, der zum Ansaugen von frischer Verbrennungsluft und frischem
Brenngas zur Verfügung steht. Es ensteht daher über die Ansaugleitung
22 auch in der Gasarmatur 20 ein Unterdruck, so daß Gas über die Ansaugleitung
22
zur Ansaugöffnung 26 strömen kann. Hört der Unterdruck an der Ansaugöffnung
26 auf, dann wird die Gaszufuhr wieder abgesperrt.
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Um einen sicheren Lauf der Brenneranlage zu gewährleisten, müssen
die Eingangsquerschnitte der Schwingungskoppelglieder 23 und 27 an
der Brennkammer zu dem Querschnitt der Schwingrohre 12
bzw. 13 in einem bestimmten
Verhältnis stehen; dieses Verhältnis beträgt etwa 1: 2; d. h., die Eingangsquerschnitte
der Schwingungskoppelglieder z. B. an der Brennkammer 10 dürfen etwa halb
so groß sein wie der Querschnitt des Schwingrohres 12.
Mit diesen Eingangsquerschnitten
könnte aber bei Schwingungskoppelgliedern mit gleichbleibendem Rohrquerschnitt nur
eine kleine Brenngas- und Luftmenge durch die Düsen 24, 28 bzw.
25, 29 angesaugt werden, die ja in ihrem kleinsten Querschnitt wesentlich
kleiner als die Eingangsquerschnitte an der Brennkammer ausgeführt sein müssen.
Die auf diese Weise angesaugte Verbrennungsluft- und Brenngasmenge würde aber nicht
ausreichen, um einen sicheren Betrieb aufrecht erhalten zu können. Um diesen Mangel
zu beheben, sind deshalb an den Schwingungskoppelgliedern die zu den Brennkammern
hin konvergierenden Zwischenstücke vorgesehen.
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An der engsten Stelle zwischen den Schwingungskoppelgliedern und den
Brennkammern ist noch eine Öffnung 38 bzw. 38' mit geringem Durchmesser
(etwa 1 bis 5 mm) angeordnet, welche eine sehr günstige Wirkung auf den Lauf und
besonders den Anlauf des Gerätes ergibt. Da die Öffnungen 38,38'
nur einen
geringen Durchmesser aufweisen, kann das austretende Abgas wieder durch die Ansaugöffnungen
eingesaugt werden.
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Die Schwingrohre 12 bzw. 13 schwingen ebenfalls mit
einer Viertel Wellenlänge, so daß auch an der Abströmstelle in die Auspuffleitung
ein Druckknotenpunkt vorhanden ist. Man erhält auf diese Weise aus den beiden Schwingungskoppelgliedern
23
und 27, den Brennkammern 10 und 11 und den zusammengeführten
Schwingrohren 12 und 13 einen geschlossenen Schwingungskreis, in dem
die Schwingungsenergie - abgesehen von Reibungsverlusten -erhalten bleibt.
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Bei der Verpuffung, beispielsweise in der Brennkammer 10, strömt
ein Teil der Abgase in Richtung der Schwingungskoppelglieder 23 und
27; dabei gelangt eine Abgasmenge V1 in die Schwingungskoppelglieder,
welche
die Frischgas- bzw. Frischluftmenge in den Schwingungskoppelgliedern verschiebt,
wobei gleichzeitig eine gleiche Menge V1 aus der Düse 24 bzw. 28 in die gegenüberliegende
Düse 25 bzw. 29
gefördert wird. Dabei aber wird wiederum gleichzeitig
eine Frischgas- und Frischluftmenge V2 durch die Düse 25 bzw. 29 eingesaugt.
So kann also zu gleicher Zeit nach der Verpuffung in der Brennkammer 10 in
die Brennkammer 11 eine Menge V1 -!- V2 einströmen, die dort in dem Augenblick
verpufft, in welchem Frischgas und Frischluft in die Brennkammer 10 angesaugt werden.
Der Vorgang wiederholt sich, d. h., die beiden Brennkammern arbeiten im Gegentakt.
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Durch die bei der Verpuffung entstehenden heißen Abgase werden die
Brennkammern 10 und 11 und die Schwingrohre 12 und 13 sehr stark erwärmt; damit
wird aber auch das Wasser in den Wassermänteln 14 erhitzt, so daß heißes Wasser
aus der Warmwasserzapfleitung 16 entnommen werden kann.
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Wird das Zapfventi117 geschlossen, dann hört das Strömen des Wassers
in der Kaltwasserzuleitung 15
auf. über die Wassermangelsicherung 21 und die
Gasarmatur 20 wird dadurch die Gaszufuhr abgesperrt. Die pulsierende Verbrennung
hört auf.