DE1240611B

DE1240611B - Burner system for pulsating combustion, which serves as a heat source for a gas-heated water heater

Info

Publication number: DE1240611B
Application number: DE1954I0009075
Authority: DE
Inventors: Ernst Reimers
Original assignee: Junkers and Co GmbH
Current assignee: Junkers and Co GmbH
Priority date: 1954-08-28
Filing date: 1954-08-28
Publication date: 1967-05-18

Description

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.Burner system for pulsating combustion, which is used as a heat source for a gas-fired water heater is used. The invention relates to a Burner system for pulsating combustion, which is used as a heat source for a gas-fired one Water heater is used, in which the inlet openings of two working in push-pull Combustion chambers, the outlet opening of which is arranged separately from the inlet opening, are connected by a tubular vibratory coupling member in which an inlet port is provided for the supply of air, wherein the supply opening in the vibration coupling member between two oppositely acting aerodynamic return flow throttles is arranged.

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.Burner systems with pulsating combustion are in various forms known which z. B. by the shape and number of combustion chambers or by differentiate between the type of supply of the fuel-air mixture.

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.In burner systems with pulsating combustion, in addition to mechanical also used aerodynamic valves. In order to use aerodynamic Valves allow the combustion gases to flow out on the suction side of the combustion chamber To prevent such a known embodiment, a compressor is connected upstream has been, which the required overpressure for damming in the inlet line spawned. There is also a burner system with two working in push-pull Combustion chambers known, the inlet openings of which through a tubular vibration coupling member are connected. The outlet opening of the combustion chamber is separate from the inlet opening arranged. In the vibrating coupling member is an inlet opening for the supply of Air provided, in such a way that this supply opening between two each other oppositely acting aerodynamic return flow throttles is arranged. Of the Fuel is injected into the combustion chambers. This is how it is can hardly be avoided that also within the vibratory coupling member for the supply combustion takes place in the air and this results in a great deal of heat is exposed, so that the material for the manufacture of the vibration coupling member must be the same as that of the combustion chamber. With aerodynamic insulation equipped burner systems with pulsating combustion also had the disadvantage that that a considerable loss of vibrational energy for the operation of the process had to be accepted into purchase.

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.The object of the invention is therefore to provide a burner system for pulsating To create combustion of the type mentioned at the beginning, in which the above-described, generally known defects have been corrected.

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.As a solution to this problem, a burner system is the one mentioned at the beginning Kind according to the invention designed in such a way that in addition to the vibration coupling member serving for the air supply also a separate neck of a Helmholtz resonator for the supply of fuel gas formed vibration coupling member is provided.

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.By arranging one coupling link each for air and fuel supply can be a simple adjustment of the burner system when changing from a fuel to another with a different calorific value from the first take place in that by changing the length and / or diameter of the coupling links the frequency so it is agreed that these take account of the different densities of the supported media always supporting an influx of a fuel-air mixture into the combustion chambers cause that has an ignitable mixture ratio.

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.A feature of the further development of the invention is that that each vibrating coupling element converges towards the respective combustion chamber Has intermediate piece and the intermediate pieces at their narrow point in common supply lines open to the respective combustion chamber.

Ferner ist vorgesehen, daß in der gemeinsamen Zuleitung zur jeweiligen Brennkammer eine zur Atmosphäre hin offene Verbindungsöffnung geringen Durchmessers vorgesehen ist.It is also provided that in the common supply line to the respective Combustion chamber has a small-diameter connection opening that is open to the atmosphere is provided.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt.An embodiment of the invention is shown schematically in the drawing shown.

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.The burner system consists of two combustion chambers 10 and 11 with attached oscillating tubes 12 and 13. Both the combustion chambers and the oscillating tubes are surrounded by water jackets 14 , which are connected to one another and have a cold water supply line 15 and a hot water tap line 16 , in which a nozzle 17 is installed is.

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.From a fuel gas supply line 18 , ignition gas is passed to an ignition nozzle 19 and main gas to a gas fitting generally designated by the reference number 20 , which is controlled by the water flowing to the water jackets 14 via a water shortage safety device 21 and is influenced by the combustion chambers 10 and 11 on the other hand .

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.A suction line 22 leads from the gas fitting 20 to a vibration coupling element 23 for the supply of fuel gas, which connects the two combustion chambers 10 and 11 to one another. In the middle of the vibration coupling member 23 intended for the supply of fuel gas, namely at the mouth of the suction line 22, two mutually directed nozzles 24 and 25 are installed, between which a suction opening 26 is located. In parallel to the vibration coupling member 23 for the supply of fuel gas, a vibration coupling member 27 for the supply of the combustion air is arranged in the same way. Two mutually directed nozzles 28 and 29 open into a common air intake port 31. The vibration coupling members 23 and 27 open into the two combustion chambers 10 and 11 via intermediate pieces 32, 33 converging downstream of the fresh gases, whereby they are brought together to a common feed line after the constriction. The combustion chambers 10 and 11 expand like a diffuser from the intake side and are then approximately hemispherical. An ignition opening 34 is provided on each of the two combustion chambers 10 and 11 approximately at the point of its largest cross section. The ignition openings of the two combustion chambers are opposite one another. Approximately at the level of the ignition openings 34 , short, tubular feed lines 35 and 35 'open into the combustion chamber 10 and 11 , respectively, which have slightly widened free ends, opposite which nozzles 36 and 36' at the end of pulse generator lines 37 and 37 ', which branch off from the gas space of the gas valve 20.

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.When the pilot flame burns and the hot water tap valve117 is opened, the water pressure causes fuel gas to flow into the gas fitting 20 via the low water safety device 21 and from there into the pulse generator lines 37 and 37 '. The fuel gas is blown into the widened end of the feed lines 35, 35 ' and thus into the combustion chambers 10 and 11 through their nozzles 36 and 36' , so that an ignitable mixture of fuel gas and air enters the combustion chamber. This is then caused to ignite in one of the combustion chambers by the pilot flame via the ignition opening 34. This creates z. B. in the combustion chamber 10 a deflagration wave, wherein a large part of the hot combustion gases in the oscillating tube 12 and the remaining part in the direction of the vibration coupling members 23 and 27 flows. As a result, a vibration is excited, which conveys a fuel-air mixture into the combustion chamber 11 and then supports deflagration. There is a phase shift of 180 ° between the deflagration in the combustion chamber 10 and that of the combustion chamber 11. A vibration coupling element, which represents the neck of a Helmholtz resonator, vibrates between the combustion chamber and the intake opening with a quarter wavelength. Since the propagation speed of sound due to different densities in fuel gas and air are not the same, the length and diameter of the two coupling elements must be coordinated so that fuel gas and air are fed into the combustion chambers in a ratio that is favorable for ignition.

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.Since the vibration coupling members 23 and 27 open into the intake ports 22, 31 opposite one another, the speed at the intake opening 26 and 30, respectively, is increased further. At the same time, a strong negative pressure is created, which is available to suck in fresh combustion air and fresh fuel gas. Therefore, it ensteht via the intake 22 in the gas valve 20, a negative pressure, so that gas can flow through the intake passage 22 to the suction port 26th If the negative pressure at the suction opening 26 ends, the gas supply is shut off again.

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.In order to ensure that the burner system runs reliably, the input cross-sections of the vibration coupling members 23 and 27 on the combustion chamber must have a certain ratio to the cross-section of the vibration pipes 12 and 13, respectively; this ratio is about 1: 2; that is, the input cross-sections of the vibration coupling members z. B. at the combustion chamber 10 may be about half as large as the cross-section of the oscillating tube 12. With these inlet cross-sections, however, only a small amount of fuel gas and air could be sucked in through the nozzles 24, 28 or 25, 29 in the case of vibration coupling elements with a constant tube cross-section, which, in their smallest cross-section, have to be made much smaller than the inlet cross-sections on the combustion chamber. However, the amount of combustion air and combustion gas sucked in in this way would not be sufficient to be able to maintain safe operation. In order to remedy this deficiency, the intermediate pieces which converge towards the combustion chambers are therefore provided on the vibration coupling members.

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.At the narrowest point between the vibration coupling members and the combustion chambers there is an opening 38 or 38 ' with a small diameter (about 1 to 5 mm), which has a very beneficial effect on the run and especially the start-up of the device. Since the openings 38, 38 ' only have a small diameter, the exhaust gas exiting can be sucked in again through the suction openings.

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.The oscillating pipes 12 and 13 also oscillate with a quarter wavelength, so that there is also a pressure junction at the outlet point into the exhaust line. In this way, a closed oscillation circuit is obtained from the two oscillation coupling members 23 and 27, the combustion chambers 10 and 11 and the combined oscillating tubes 12 and 13 , in which the oscillation energy - apart from friction losses - is retained.

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.When deflagration, for example in the combustion chamber 10, some of the exhaust gases flow in the direction of the vibration coupling members 23 and 27; an amount of exhaust gas V1 reaches the vibration coupling members, which shifts the fresh gas or fresh air volume in the vibration coupling members, while at the same time an equal amount V1 is conveyed from the nozzle 24 or 28 into the opposite nozzle 25 or 29. At the same time, however, a fresh gas and fresh air volume V2 is sucked in through the nozzle 25 and 29, respectively. Thus, at the same time after the deflagration in the combustion chamber 10, a quantity V1 -! - V2 can flow into the combustion chamber 11, which is deflagrated there at the moment when fresh gas and fresh air are sucked into the combustion chamber 10. The process is repeated, ie the two combustion chambers work in push-pull.

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.Due to the hot exhaust gases produced during the deflagration, the Combustion chambers 10 and 11 and the oscillating pipes 12 and 13 are very hot; in order to but also the water in the water jackets 14 is heated, so that hot water can be taken from the hot water tap 16.

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.If the Zapfventi117 is closed, then the flow of water in the cold water supply line 15 stops. The gas supply is thereby shut off via the low water protection device 21 and the gas valve 20. The pulsating combustion stops.

Claims

Claims: 1. Burner system for pulsating combustion, which serves as a heat source for a gas-heated water heater, in which the inlet openings of two combustion chambers working in push-pull, the outlet opening of which is arranged separately from the inlet opening, are connected by a tubular vibration coupling element in which an inlet opening for the supply of air is provided, the supply opening in the vibration coupling member being arranged between two oppositely acting aerodynamic return flow throttles, characterized in that in addition to the vibration coupling member (27) serving for the air supply, a separate neck of a Helmholtz resonator is also designed for the supply of fuel gas Vibration coupling member (23) is provided. z. Burner system according to claim 1, characterized in that each vibration coupling member (23, 27) has a converging intermediate piece (32, 33) towards the respective combustion chamber (10, 11) and the intermediate pieces (32, 33) at their narrow point in common feed lines to the respective Open into the combustion chamber (10, 11). 3. Burner system according to claim 2, characterized in that a connection opening (38) of small diameter open to the atmosphere is provided in the common feed line to the respective combustion chamber (10, 11). Documents considered: German Patent No. 916 446; Swiss patents Nos. 196 312, 129 081, 270 782; Austrian Patent No. 192 582; French Patent No. 412,478; VDI magazine, January 21, 1952, p. 81, November 1, 1952, p. 1005; Flugwelt magazine, volume IH, no.7, July 1951, image 3; Chaleur et Industrie, March 1948, pp. 74 to 76, Figs. 2 and 4.