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Die Erfindung bezieht sich auf eine Brenneranlage zum Verbrennen
einer brennbaren Mischung aus Luft und einem Fluidum, enthaltend:
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eine durch eine erste Platte und eine zweite Platte begrenzte Kammer,
wobei die besagten Platten flach ausgebildet, parallel, einander
gegenüberliegend und im Abstand voneinander angeordnet und mit Öffnungen versehen
sind, und wobei die Öffnungen in der ersten Platte den Öffnungen in der
zweiten Platte nicht gegenüberliegen;
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Mischungszufuhreinrichtungen zum Einführen der Mischung in die Kammer
durch die Öffnungen in der ersten Platte, so daß die Mischung die Kammer
durch die Öffnungen in der zweiten Platten verläßt, um außerhalb der Kammer
verbrannt zu werden.
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Eine Brenneranlage des obigen Tys ist in der GB-A-1133292
beschriebben. Bei dieser bekannten Brenneranlage ist eine isolierende Schicht von
wärmebeständigem oder feuerfestem Material innerhalb der genannten Kammer
gegen die erste Platte vorgesehen. Die isolierende Schicht hat durchgehende
Strömungsöffnungen, die an den Öffnungen der ersten Platte ausgerichtet
sind. Die Anordnung der Öffnungen in der isolierenden Schicht und der
Öffnungen in der zweiten Platte ist so vorgenommen, daß das Gemisch, das
durch die Öffnungen der isolierenden Schicht kommt, nicht in geraden Linien
zu den Öffnungen in der zweiten Platte passieren kann, sondern auf eine
solche Weise, daß eine Verteilung stattfindet. Mit anderen Worten wird bei
der bisher bekannten Brenneranlage ein Zurückschlagen der Flamme durch
einen relativ langen, gewundenen Gemischtransportweg zwischen einer sich
außerhalb der genannten Kammer befindenden Flamme und der Gemischzufuhr
verhindert. Bei der bekannten Brenneranlage wird vorzugsweise ein
zwischenliegender Raum zwischen der isolierenden Schicht und der zweiten Platte
übriggelassen. Jedoch erwähnt die Beschreibung keinen speziellen Abstand
oder Bereich von Abständen zwischen der isolierenden Schicht und der
zweiten Platte. Daher scheint es nur die Absicht zu sein, für eine
turbulente Strömung des Gemisches in der Kammer zu sorgen. Bei der bekannten
Brenneranlage wird der Gemischfluß vorzugsweise gesteuert, indem der
gesamte Durchflußquerschnitt der Öffnungen in der isolierenden Schicht
kleiner als in der zweiten Platte gemacht wird. Deshalb wird die zweite
Fläche eine größere gesamte freie Strömungsfläche haben, und folglich hat
das Gemisch, das aus der ersten Platte heraus entweicht, eine
vergleichsweise größere Strömungsgeschwindigkeit als das Gemisch, das zu der und
durch die zweite Platte fließt, um damit einen Flammenrückschlag verhindern
zu helfen.
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Die bisher bekannte Brenneranlage hat den Nachteil, daß er die
Isolierschicht umfaßt, in der Öffnungen in wohlbestimmten Positionen
gemacht werden müssen. Zusätzlich muß die Isolierschicht durch
wärmebeständige Mittel fest gegen die erste Platte befestigt sein, und dennoch
müssen die Öffnungen der Isolierschicht präzise an den Öffnungen der ersten
Platte ausgerichtet sein. Folglich wird die Herstellung der Brenneranlage
zeitaufwendig und teuer sein. Zusätzlich wird das brennbare Gemisch aus der
Kammer heraus durch die im wesentlichen gesamte Fläche jeder Öffnung der
zweiten Platte strömen und ein Teil dieser Strömung kann im wesentlichen
entlang der Mittellinie der genannten Öffnung stattfinden. Noch
weitergehend ist es unwahrscheinlich, daß die Verhinderung des Flammenrückschlags
für alle Werte der Gesamtströmung durch die Kammer möglich ist, da die
Durchmesser der zweiten Platte und der Abstand zwischen der Isolierschicht
und der zweiten Platte ziemlich groß sind.
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Das Ziel dieser Erfindung ist es, die Nachteile der bisher bekannten
Brenneranlage zu lösen.
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Dieses Ziel wird erfindungsgemäß für eine Brenneranlage des
obenerwähnten Typs erzielt, indem der Abstand zwischen der ersten Platte und
der zweiten Platte weniger als ein Viertel des Durchmessers einer Öffnung
der zweiten Platte beträgt.
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Aufgrund dieser Anordnung wird das Gemisch, das durch die Öffnungen
der ersten Platte in die Kammer strömt, zu den Peripherien der Öffnungen
der zweiten Platte strömen und wird daraufhin über diese Peripherien aus
der Kammer herausgeleitet. Dies erzeugt eine Geschwindigkeit an den
Peripherien jeder Öffnung der zweiten Platte, die die Geschwindigkeit der
Flammenausbreitung bei der geringsten Betriebszufuhr des Brenneraubaus
überschreitet. Obwohl andere Faktoren das Erlöschen der Flamme bewirken
können, wird die Rückbewegung der Flamme verhindert, falls, wie durch die
Maßnahme der oben erwähnten Erfindung, das Profil des
Geschwindigkeitsgradlenten an diesem Punkt zu allen Zeiten größer als die Geschwindigkeit
der Flammenausbreitung gehalten wird.
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Wegen einer sofortigen Ausbreitung des Gemisches von den Öffnungen
der zweiten Platte aus kann eine stabile Verbrennung stattfinden, wobei die
Basis der Flamme innerhalb eines geringfügigen Abstandes oberhalb der
Öffnungen der zweiten Platte festgelegt ist. Obwohl dieser Totraum
ebenfalls ein beitragender Faktor bei der Verhinderung des Flammenrückschlags
sein kann, hängt der Brenner nicht von diesem Raum ab, um einen Rückschlag
auszuschließen.
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Vorzugsweise beträgt bei der erfindungsgemäßen Brenneranlage der
Durchmesser der Öffnungen der zweiten Platte die Hälfte eines Durchmessers,
bei dem eine Flamme außerhalb der Kammer eine Öffnung der zweiten Platte
berührt. Tests haben demonstriert, daß dann eine vollständige und stabile
Verbrennung erreicht wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezugnahme auf die Zeichnungen
beschrieben werden, in denen:
Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist eine Perspektivische Ansicht der bevorzugten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Fig. 2 ist eine fragmentarische Draufsicht der Ausführungsform
der Fig. 1.
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Fig. 3 ist ein Querschnitt entlang der Linien 3-3 der Fig. 2.
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Fig. 4 ist ein Längsschnitt entlang der Linien 4-4 der Fig. 2.
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Fig. 5 ist eine diagrammatische fragmentarische Perspektive
eines Teiles der Brennerplatten der Fig. 3.
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Fig. 6 ist ein Querschnitt einer alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Fig. 7 ist ein Querschnitt einer weiteren alternativen
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Fig. 8 ist eine Seitenansicht einer noch weiteren
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Fig. 9 ist eine Endansicht der Ausführungsform gemäß Fig. 8.
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Fig. 10 ist ein Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
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Fig. 11 ist eine vertikale Schnittansicht einer noch weiteren
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der Rohgas
verbrannt wird.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Im Detail auf die Ausführungsformen bezogen, die zum Zweck der
Erläuterung der vorliegenden Erfindung ausgewählt wurden, bezeichnet Nr. 10
der Fig. 1 allgemein eine Brenneranlage, die einen Gemischverteileraufbau
11 besitzt, welcher ein längliches, in Längsrichtung ausgestrecktes,
horizontal angeordnetes und kanalförmiges Verteilergehäuse 9 besitzt,
welches eine Bodenwandung 12 und ein Paar einander gegenüberliegende
aufrechte Seitenwandungen 13 hat. Die Enden des Verteilergehäuses 9 sind
durch solche Endwandungen wie die Wandung 26 geschlossen. Die oberen Kanten
der Seitenwandungen 13 und solcher Endwandungen wie die Endwandung 26 sind
mit solchen aufwärts hervorstehenden Flanschen wie der Flansch 14 versehen,
die in horizontaler Ebene parallel zur und über der Bodenwandung 12 eine
Krempe bilden. Die Oberplatte 15 ist mit zwei parallelen äußeren Reihen von
in Längsrichtung in Abständen angebrachten Öffnungen 17 und einer zentralen
Reihe von in Längsrichtung in Abständen angebrachten Öffnungen 16 versehen.
Unter der zentralen Reihe von Öffnungen 16 und innerhalb der Begrenzungen
des Verteilergehäuses 9 befindet sich ein Gaskanal oder Gasverteiler 18,
der sich im wesentlichen auf der gesamten Länge des Verteilergehäuses 9
in-Längsrichtung ausdehnt. Die obere Wandung 20 des Gasverteilers 18 ist mit
einer Vielzahl von in Abständen angebrachten Öffnungen 19 ausgestattet, die
jeweils vertikal zu den Gasöffnungen 16 ausgerichtet sind. Jede Gasöffnung
19 ist mit solch einem Gasbegrenzungsmittel wie dem Gasbegrenzungsmittel 7
ausgerüstet, das außen mit einem Gewinde und mit einem sechsseitigen
Kopfstück versehen ist, so daß es geschraubt in die Gasöffnung 19
aufgenommen werden kann. Durch Veränderung der Größe der Gasbegrenzungsmittel kann
die Menge des Gases, die durch die Begrenzungsmittel strömt, in der
gewünschten Weise verändert werden.
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Ein Zentrifugalgebläse 27 ist an der Endwandung 26 des
Verteilergehäuses 9 angebracht, um Luft in die Luftkammer 24 des Verteilergehäuses
9 auszustoßen und für eine Luftversorgung durch die Brenneranlage hindurch
zu sorgen. Wenn es gewünscht wird, kann dieses Gebläse 27 außen am Gehäuse
9 angebracht werden, um von einer äußeren Quelle her geeigneten Kanälen
durch das Verteilergehäuse Luft zuzuführen.
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Jeweils über den Beschränkungsmitteln 7, und sich von der oben
liegenden Oberfläche 20 des Gasverteilers 18 aufwärts erstreckend, ist eine
Vielzahl von Venturi- oder Mischrohren 21 angebracht, wobei diese
Mischrohre 21 jeweils an ihren oberen Enden mit den Gasöffnungen 16 in der
Platte 15 in Verbindung stehen. In einem mittleren Bereich jedes der
Venturirohre 21 sind Löcher oder Öffnungen 22. Die Venturis besitzen
ebenfalls die Funktion, den Gaskanal oder Gasrohrverteiler zu stützen.
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Der Gasverteiler 18, die Venturis 21 und die Platte 15 sind
angeordnet, wie es in Fig. 3 abgebildet ist und sind vorzugsweise
zusammengeschweißt, aber können durch jedes gewöhnliche, in der Technik wohlbekannte
Mittel verbunden werden, um den Gasfluß vom Verteiler 18 durch die
Öffnungen 19 und 16 zu ermöglichen. Obwohl das Rohr 21 die Form eines Venturis
mit Luftöffnungen 22 an der Verengung 23 aufweisen kann, kann Rohr 21 auch
zylindrisch sein, gegenüberliegende Öffnungen besitzen und dennoch seine
gewünschte Funktion erfüllen, wie später im Detail ausgeführt wird. Somit
mündet die Verbindung dieser Elemente in der Luftversorgungskammer 24, die
Luft unter Druck enthält und die von dem Gas getrennt ist, das im
Gasverteiler 18 und in den Mischrohren 21 enthalten ist. Wenn Gas durch die
Beschränkungsmittel 7 geleitet wird, reißt es Luft mit sich, die in die
Rohre 21 durch die Öffnungen 22 eintritt, und mischt sich mit dieser.
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Die Gasleitungsarmaturen (nicht dargestellt), die die
Gaseintragsarmaturen und die Endkappe des Gasverteilers 18 enthalten, sowie die
Befestigungselemente des Zentrifugalventilators 27 an der Wandung 26 sind
in der Technik wohlbekannt und hier nicht weiter beschrieben.
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Durch die Platte 15 wird ein Luftverteiler oder eine Luftkammer 28
gestützt, die ein auf rechtes U- oder kanalförmiges äußeres Gehäuse 29
besitzt, welches eine Grundwandung 30 und Seitenwandungen 31 umfaßt, die in
sich seitlich erstreckenden Flanschen 32 enden. Die Grundwandung 30
begrenzt die Luftöffnungen 33, die an den Luftöffnungen 17 der Platte 15
ausgerichtet und im Durchmesser kleiner sind. Die kleineren Öffnungen 33 in
der Wandung 30 passen über die Luftöffnungen 17 in der oberen Platte des
Verteilers 15, so daß die kleinen Öffnungen 33 die Größe für den richtigen
Luftfluß zu Luftkammer 28 begrenzen. Der Durchmesser der Öffnungen 33 kann
verringert werden, wodurch der Luftfluß durch die Öffnungen 33 verringert
wird, indem eine dünne Zwischenlegscheibe oder gelochte Platte (nicht
dargestellt) zwischen Oberplatte 15 und Grundwandung 30 eingefügt wird. Die
Wandung 30 begrenzt ebenso eine mittig angeordnete Längsreihe von in
Abständen angebrachten Öffnungen 34, die jeweils mit den Öffnungen 16 in
Verbindung stehen. Der Luftverteller 28 umfaßt zudem ein auf rechtes, U-
oder kanalförmiges inneres Gehäuse 35 mit einer Grundwandung 36 und
gegenüberliegenden, aufrechten Seitenwandungen 37, die in sich seitlich
erstreckenden Flanschen 38 enden. Die Flanscbe 32 stützen die Flansche 38,
so daß die gegenüberliegenden inneren Wandungen 37 innenseitig Abstand
halten von der Außenwandung 29 und die Wandung 36 Abstand zur Wandung 30
hält, wie in fig. 3 dargestellt, um den Luftraum oder die Kammer 39 zu
bilden, die an beiden Enden geschlossen ist.
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Zur dauerhaften Befestigung können die Flansche 32 und 38 entweder
geschweißt oder vernietet werden, oder sie können durch Schrauben oder
andere lösbare Mittel gesichert werden, je nach Wunsch. Die Wandung 36
begrenzt eine Vielzahl von in Abständen angebrachten mittigen Öffnungen 40,
die jeweils an den Mündungen 34 ausgerichtet sind. Die Rohre 41 umgeben
jeweils die Mündungen 34 und sind an die Wandungen 30 und 36 geschweißt, um
die Öffnungen 34 und 40 zu verbinden, und begrenzen so dazwischenliegende
Transportwege 42. Entlang dem oberen Teil der inneren Wandung 37 befinden
sich an jeder Seite des Luftverteilers 28 in Abständen angebrachte
Verbrennungsluftdurchlässe oder sekundäre Luftausstoßdurchlässe 43. Die in
Abständen angebrachten sekundären Luftausstoßdurchlässe 43 sind
gegenüberliegend auf der gesamten Länge der inneren Wandung 37 angebracht.
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Gestützt auf die Grundwandung 36 des Gehäuses 35 ist das
Brennergehäuse 44. Das Brennergehäuse 44 umfaßt eine Grundwandung 45, die in
Längsrichtungen Abständen mittig ahgeordnete Mündungen 46 begrenzt, die jeweils
an den Öffnungen 40 ausgerichtet sind. Die Rohre 41 erstrecken sich bis zur
Wandung 45 und sind zudem an ihren oberen Enden entlang der Peripherie der
Mündungen 46 an die Wandung 45 geschweißt. Das Gehäuse 44 umfaßt zudem
gegenüberliegende aufrechte Seitenwandungen 47 und Endwandungen (nicht
dargestellt), die an ihren oberen Enden in sich nach innen öffnenden, U-
förmigen und kragenartigen Halterahmen 48 enden. Ablenkbleche 49 sind an
der Oberseite der Wandung 45 angebracht und sind so befestigt, daß ein
First 50 eines Ablenkblechs 49 sich über jede der Mündungen 46 erstreckt
und sich die gebogenen Stege 51 in die Längsrichtung des Gehäuses 44
erstrecken, wie in Fig. 4 dargestellt.
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In die Halterahmen 48 aufgenommen sind zwei nebeneinanderliegende,
rechteckige, in Abständen angeordnete, flache, metallene und parallele
Platten, die Unterplatte 52 und die Oberplatte oder Brennerplatte 53. Die
Platten 52 und 53 werden durch Abstandhalter S auf Abstand gehalten, die
vorzugsweise entlang jeder Seite der- Platten 52 und 53 angebracht sind. Die
Platten 52 und 53 werden somit auf ihrer gesamten Länge parallel und auf
Abstand gehalten. Die kragenartigen Rahmen 48 halten die zwei Platten 52
und 53 fest, die das offene obere Ende des Gehäuses 44 abschließen. Wenn
die Platten 52 und 53 erhitzt werden, dehnen sie sich in die Rahmen 48
hinein aus und wenn sie abkühlen, ziehen sie sich teilweise aus den Rahmen
48 zurück.
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Wie es am besten in Fig. 5 dargestellt ist, ist die Platte 52 mit
einem Paar von sich in Längsrichtung erstreckenden Reihen von
hindurchgehenden, in gleichem Abstand angebrachten Öffnungen 54 versehen. Die
Platte 53 begrenzt zwei Reihen von Öffnungen oder Brennerdurchlässen 55.
Gleichermaßen sind die Öffnungen 54 und 55 versetzt oder bezüglich der
jeweils anderen so abgesetzt, daß das Gas oder-das Gas-Luftgemisch, das in
die Öffnungen 54 eintritt, in der Kammer 56 zwischen den Platten 52 und 53
seitlich strömen muß, bevor es in die Öffnungen 55 eintritt. Die Platten 52
und 53 sind gegenüberliegende, nebeneinanderliegende, flache, parallele,
längliche, rechteckige und metallene Bauteile, die vorzugsweise aus nicht
rostenden Stahlblechen einer Dicke zwischen ungefähr 0,9525 mm (20 gauge)
und ungefähr 3,175 mm (11 gauge) hergestellt sind, mit einem Abstand
zwischen den Mitten der Brennerdurchlässe 55 von ungefähr 1,27 cm (1/2
inch) und einem Abstand zwischen den Mitten der Öffnungen 54 von ungefähr
2,54 cm (1 inch), so daß die innere Platte 52 ungefähr halb soviele
Öffnungen 54 besitzt, wie es Durchlässe 55 in Platte 53 gibt.
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Der Raum oder die hauchdünne Kammer 56 zwischen den Platten 52 und 53
hat die horizontale Dimension V und die vertikale Dimension X. Während die
Dimension Y festgelegt oder konstant ist, und nicht auf einen bestimmten
Brenner eingestellt werden kann, kann die Dimension X durch die Anwendung
unterschiedlich großer Abstandhalter S variiert werden.
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Zwischen dem Gehäuse 44 und der Wandung 35 sind längliche, sich nach
oben ausdehnende Luftablenkbleche 57 befestigt, die in seitlichen Ablenkern
58 enden, die sich einwärts erstrecken.
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In Fig. 3 sind das sekundäre Luftverteilerrohr 28 und der
Gemischverteileraufbau 11 aneinander durch Befestigungsbügel 59, Schrauben 60 und
Muttern 61 befestigt. Es ist jedoch offensichtlich, daß der Verteileraufbau
11 und der Verteller 28 durch jedes gewünschte Mittel, wie z.B. Klemmen
oder andere lösbare Mittel, verbunden werden können. Eine Dichtung (nicht
dargestellt) kann zwischen der Platte 15 und der Wandung 30 plazlert
werden. Wegen des geringen Luftdrucks an den Öffnungen 17, gewöhnlich
weniger als 3,81 cm (1,5 inches) Wassersäule, und des niedrigen Drucks des
Gas-Luftgemisches im Rohr 41 ist es jedoch nicht absolut notwendig, solch
eine Dichtung einzubauen, solange die Platte 15 und die Wandung 30 korrekt
zusammenpassen.
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Der Einlaßgasdruck im Kanal 18 kann durch Benutzung jedes
konventionellen Gasventilmittels (nicht dargestellt) selektiv abgestimmt werden, das
in der Technik wohlbekannt ist. Auf ähnliche Weise kann der Luftdruck in
der Kammer 24 selektiv abgestimmt werden, indem das Zentrifugalgebläse 27
gesteuert wird, wie ebenfalls in der Technik wohlbekannt ist.
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Im Betrieb wird das Gas durch den Gasverteiler 18 und die Venturi-
oder Mischrohre 21 in die Brennerkammer des Brennergehäuses 44
transportiert. Gleichzeitig liefert das Gebläse 27 Luft durch die Zuluftkammer 24
des Verteileraufbaus 11. Die Luft strömt durch die Öffnungen 17 und 33 und
in die sekundäre Luftkammer 39 der Luftkammer 28. Für einen festgelegten
Luftdruck im Verteileraufbau 11 kann das Volumen der Verbrennungsluft, die
dem Durchlaß 43 zugeführt wird, durch den Durchmesser der Öffnungen 33
gesteuert werden. Um eine Verteilung auf der gesamten Länge der Luftkammer
28 sicherzustellen, sollte ein Druckabfall über die Öffnungen 33
vorgenommen werden. Die Sekundärluft aus der Kammer 28 passiert durch die
sekundären Luftdurchlässe 43 und vermischt sich letztlich zur Verbrennung
mit dem Gas-Luftgemisch nahe den Brennerdurchlässen 55. Die Ablenkbleche
57, die entfernt werden können, wenn es gewünscht ist, lenken die Luft in
horlzontaler Richtung über die Platte oder Brenneroberfläche 53 und
verhindern das direkte Aufschlagen voh Luft auf die Oberfläche 53, was die
Flammenstabilität bei niedriger Befeuerung beeinflussen könnte.
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Während der Gemischverteileraufbau 11 das Gas und die Luft für die
Verbrennung unabhängig voneinander liefert, wird ein gesteuertes Ausmaß an
Vorvermischung des Gases und eines Anteils der Verbrennungsluft, die in das
Verbrennergehäuse 44 eintritt, in jedem Venturi- oder Mischrohr 21
erreicht, das vom Gasverteiler 18 zum Brennergehäuse 44 führt. Das Ausmaß der
Vorvermischung der Luft mit dem Gas wird durch die Größe der Öffnungen 22
in der Wandung des Mischrohrs 21 kontrolliert. Das Mischrohr 21 kann ein
Venturi mit an der Verengung 23 angeordneten Luftwegen sein. Da die
Öffnungen 22 des Mischrohrs 21 dem Luftdruck im Gemischverteileraufbau 11
ausgesetzt sind, wird es aufgrund der Druckdifferenz in Verteileraufbau 11
und Mischrohr 21 zu einem Luftstrom kommen. Jedoch erhöht sich bei einem im
Verteileraufbau 11 konstant bleibenden Luftdruck die Menge mitgerissener
Luft, wenn sich die Geschwindigkeit des Gases im Mischrohr 21 erhöht. Indem
der Gasdruck erhöht wird, wird eine proportionale Menge Luft in das
Mischrohr 21 und schließlich in das Brennergehäuse 44 mitgerissen. Obwohl ein
venturiförmiges Rohr die Luft wahrscheinlich effektiver mitreißt, arbeitet
die Brenneranlage 10 schon gut mit einer zylindrischen Wandung des
Mischrohres 21. Da die Zuluft zum Mischrohr 21 unter positivem Druck steht, ist
die Venturiform nicht so wichtig, wie es der Fall sein würde, wenn die Luft
aus einem Raum ohne positiven Luftdruck mitgerissen würde. Die Menge an
Luft, die in jedes Mischrohr 21 eintritt, hängt vom Luftdruck im
Verteileraufbau 11 ab, der Gesamtfläche der Öffnungen 22 und den Auswirkungen des
Mitreißvorgangs auf das Gas, das mit erhöhten Geschwindigkeiten und mit
Gasdruck aus seinen Öffnungen ausflleßt.
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Es ist ein Vorteil, einen festeingestellten Druck der Luft zu haben,
die in Öffnung 22 eindringt. Indem der Gasdruck verringert wird, wird für
einen festeingestellten Durchmesser der Öffnung 22 das Verhältnis von Luft
zu Gas erhöht, wenn der Brenner in der bevorzugten Ausführungsform
heruntergeregelt wird. Dies passiert, weil es einen konstanten Luftstrom gibt,
unabhängig von der Mitreißwirkung des Mischrohrs 21. Obwohl der Gaseintrag
verringert wird, verringert sich die Luft, die dem Mischrohr 21 zugeführt
wird, also nicht im selben Maße, und das Luft zu Gas-Verhältnis erhöht
sich, was die Flammenstabilität bei geringer Befeuerung verbessert.
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Das Gas-Luft-Gemisch tritt dann durch das Rohr 41 in das
Brennergehäuse 44 ein. Die Ablenkbleche 49 verteilen den Gas-Luft-Gemischstrom
gleichförmig in Längsrichtung innerhalb des Gehäuses 44. Das Gemisch dringt
dann in die Öffnungen 54 der unteren Platte 52 ein und strömt in der dünnen
Kammer 56 zwischen den Platten 52 und 53 seitwärts und in die Öffnungen 55
der Brennerplatte 53. Die Brennerplatte 53 stellt die Verbrennungs- oder
Brenneroberfläche dar. Die Anordnung der Platten 52 und 53 und die
versetzten Öffnungen 54 und 55 bewirken, daß jegliche Rückbewegung der Flamme
durch die Öffnungen 55 in die Kammer 56 zwischen den Platten 52 und 53
hinein verhindert wird. Die Flammenrückbewegung und der darauf folgende
Rückschlag werden durch die Steuerung der Geschwindigkeit des Gas-Luft-
Gemisches, das in die Durchlässe 55 eintritt, verhindert. Der Flammenabhub
von der Platte 53 jedoch kann durch die Kontrolle der
Gemisch-Geschwindigkeit am Ausgang des Durchlasses 55 verhindert werden.
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Das Gas-Luft-Gemisch dringt in Durchlaß 55 mit einer Geschwindigkeit
ein, die auf dem Durchmesser des Durchlasses 55 und der Dicke der
Abstandhalter S beruht. Der Durchflußquerschnitt jedes Durchlasses ist gleich
(π) x (Durchmesser des Durchlasses 55) x (Dimension X). Die Dicke der
Abstandhalter S (Dimension X) sollte immer kleiner sein als der Durchmesser
von Durchlaß 55 dividiert durch (4).
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Der Gesamtdurchflußquerschnitt des Gas-Luft-Gemisches, bestimmt durch
den Gesamtdurchmesser aller Durchlässe 55 multipliziert mit dem Abstand
(Dimension X) der Platten 52 und 53, erzeugt eine Geschwindigkeit am
Peripherieeingang der Durchlässe 55, der die Geschwindigkeit der
Flammenausbreitung beim geringsten Betriebseingang der Brenneranlage 10
überschreitet. Während andere Faktoren, die zuvor diskutiert wurden, das
Erlöschen der Flamme verursachen könnten, wird die Rückbewegung der Flamme
verhindert, wenn das Profil des Geschwindigkeitgradienten an diesem Punkt
zu allen Zeiten größer als die Geschwindigkeit der Flammenausbreitung
gehalten wird. Wenn diese Bedingungen eingehalten werden, ist die
Brenneranlage 10 nicht zum Rückschlag aufgrund einer Flammenrückbewegung in der
Lage.
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Um die Flammenstabilität oder eine Flammenfront, die aufgebaut und für
eine festeingestellte Befeuerungsgeschwindigkeit ohne Pulsieren oder
Erlöschen brennt, zu sichern, kann die Gesamtquerschnittsfläche aller
Durchlässe 55 so sein, daß die Ausstoßgeschwindigkeit bei hoher Befeuerung
gleich oder nahezu gleich zur Flammenausbreitung sein kann. Um
Brennerstabilität zu erreichen, ist es jedoch nicht erforderlich, daß die Gemisch-
Geschwindigkeit am Austritt der Durchlässe 55 absolut geringer als die
Flammenausbreitung ist. Wegen eines sofortigen Auseinanderlaufens des Gas-
Luft-Gemisches von den Öffnungen 55 weg kann eine stabile Verbrennung
stattfinden, bei der die Basis der Flamme innerhalb eines winzigen Abstands
über den Öffnungen 55 aufgebaut ist. Obwohl dieser Totraum ebenfalls ein
beitragender Faktor in der Verhinderung von Rückschlägen sein kann, hängt
dieser Brenner nicht vom Totraum ab, um Rückschläge auszuschließen. Der
Durchflußquerschnitt aller Durchlässe 55 kann einen Betrag haben, der eine
Ausgangsgeschwindigkeit erzeugen würde, die niedriger als die
Geschwindigkeit der Flammenausbreitung ist und dennoch wäre ein Rückschlag aufgrund
der höheren Geschwindigkeit des Gas-Luft-Gemisches um den Umkreis am
Eingang des Durchlasses 55 herum ausgeschlossen. Obwohl die Gas-Luft-
Gemisch-Geschwindigkeit am Austritt des Durchlasses 55 wegen der Fähigkeit
der Brennerausbildung zum Flammenersticken nicht größer sein muß als die
Geschwindigkeit der Flammenausbreitung, ist in praktischen Anwendungen die
Geschwindigkeit aus den Durchlässen 55, mit Ausnahme geringer
Befeuerungsgeschwindigkeiten, für gewöhnlich höher als die Geschwindigkeit der
Flammenausbreitung.
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In einem Abstand des halben Durchmesser des Durchlasses 55 zu der
Oberfläche 53 des Durchlasses würde der Durchmesser des Strömungsbildes des
Gemisches zweimal der Durchmesser des Durchlasses 55 sein, wenn der
Verteilungswinkel 45º wäre, was für eine dünne Öffnung vernünftig ist. Dies
würde offensichtlich eine Querschnittsfläche des Strömungsbildes des
Gemisches von viermal der tatsächlichen Fläche des Durchlasses 55 erzeugen.
Zum Beispiel, wenn ein Durchmesser des Durchlasses 55 von 3,175 mm (0,125
inches) ausgewählt wird, wäre die Fläche des Durchlasses 55 7,92 mm²
(0,01227 inches square). Aber nur 1,59 mm (1/16 inch) über dem Durchlaß 55
würde der Durchflußquerschnitt 31,67 mm² (0,04909 inch square) sein, oder
viermal so groß wie die Fläche vom Durchlaß 55. Es ist wünschenswert, daß
ein Raum von zumindest 1,59 mm (1/16 inch) zwischen der Basis der Flamme
und der Oberfläche des Durchlasses 53 bei der maximalen
Befeuerungssgeschwindigkeit des Brenners existiert. Tests haben gezelgt, daß für den
Fall, daß ein Durchmesser des Durchlasses 55 benutzt wird, der der Hälfte
des kalkulierten Durchmessers für den Flammenkontakt mit dem Durchlaß 55
entspricht, eine vollständige und stabile Verbrennung erreicht wird.
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Bei der Berechnung der Gemischgeschwindigkeiten muß die Ausdehnung
des Gemischs aufgrund einer Erhöhung der Temperatur berücksichtigt werden.
Diese Erhöhung der Temperatur des Gemischs wird mit der Umgebungstemperatur
variieren, in der die Brenneranlage 10 betrieben wird und wird leicht durch
Tests bestimmt oder könnte durch Berechnungen, die die
Wärmeübertragungstheorie beinhalten, angenähert werden. Ebenso muß der Durchflußkoeffizient
der Öffnung bei der Berechnung der Öffnungsdurchmesser berücksichtigt
werden. Um ein rein akademisches Interesse zu befriedigen, könnte jede
theoretische Strömungsvariable berücksichtigt werden, aber als eine
praktische Angelegenheit ist die Konstruktion von Gasbrennern keine exakte
Wissenschaft. Wenn in der Konstruktion ein Rückschlag der Flamme absolut
ausgeschlossen ist und die Brenneranlage 10 ohne übermäßig viel Luft
betrieben werden kann, um eine komplette Verbrennung zu erreichen, ist die
exakte Position der Flammenbasis bezüglich der Brenneroberfläche 53 in der
erfindungsgemäßen Brennerkonstruktion 10 nicht kritisch. Daher gibt es
einen Spielraum in der Bestimmung des Durchmessers des Durchlasses 55. Mit
anderen Worten wird die Leistung der Brenneranlage 10 nicht nennenswert
beeinflußt, falls die Flammenbasis die Brenneroberfläche 53 berührt oder
oberhalb der Oberfläche 53 eingestellt ist, solange wie die Flamme stabil
ist und nicht in einem Maße abhebt, daß sie ausgelöscht wird.
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Um die Flexibilität der Brenneranlage 10 zu beweisen, wurde ein
Testbrenner benutzt mit achtundvierzig (48) Durchlässen in der Platte 53
pro 30,48 cm (foot) Länge der Brenneranlage 10 mit einem Durchmesser von
3,175 mm (0,1250 inches), und mit vierundzwanzig (24) Durchlässen 54 in der
Platte 52 pro 30,48 cm (foot) des Brenners mit einem Durchmesser von 3,175
mm (0,1250 inches), und mit einem Abstand zwischen den Platten (Dimension
von 0,508 mm (0,020 inch) in einem Bereich maximaler Zufuhrleistungen
von 19,23 bis 38,46 kW/m (20000 BTU/hr./ft. to 40000 BTU/hr./ft.), bei
einem maximalen Luftdruck des Verteilers 28 von 2,54 cm (1 inch)
Wassersäule. Berechnungen und Tests haben gezeigt, daß die (Dimension X) auf 1,27
mm (0,050 inch) erhöht werden könnte und ein Rückschlag des Brenners
dennoch absolut ausgeschlossen sein würde.
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In einem weiteren Testbrenner wurde die Zahl der Durchlässe 54, die
in Platte 52 enthalten sind, bei vierundzwanzig (24) belassen mit einem
Durchmesser von 3,175 mm (0,1250 inches) und die Zahl der Durchlässe 55,
die in Platte 53 enthalten sind, wurde bei achtundvierzig (48) belassen;
aber der Durchmesser der Durchlässe 55 wurde auf 6,35 mm (0,250 inch)
erhöht und noch immer wurden gute Testergebnisse erhalten. Zusammengefaßt
gibt das folgende die Bereiche der Dimensionen der Durchflußquerschnitte
von Luft und Luft-Gasgemisch sowie die Bereiche von Luft- und Gasdrücken
an, die stabile Flammen ohne Flammenrückbewegung ergeben, wenn die
Brenneranlage 10 benutzt wird, um Öfen einer früheren Erfindung zu heizen.
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DURCHMESSER DES MISCHROHRS 21 12,7-31,75 mm (0,5-1,25 inch)
(61 cm (2 ft.) des Brenners)
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VENTURITYP-MISCHROHR 21 Eingang 31,75 mm (1,25 inch)
(61 cm (2 ft.) des Brenners)
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Verengung 15,88 mm (0,625 inch)
-
Auslaß 31,75 mm (1,25 inch)
-
ÖFFNUNGEN 22 DES MISCHROHRS 0-2,49 mm (0,00-0,098 inch)
(61 cm (2 ft.) des Brenners)
-
LUFTÖFFNUNGEN 33 11,11 - 17,46 mm (9,4375 bis 0,6875 inch)
(61 cm (2 ft.) des Brenners)
-
ZAHL DER ÖFFNUNGEN 54 (PLATTE 52) 12 bis 14 mit Durchmesser = 3,175 mm
(0,125 inch) 30,48 cm (ft.) / Brenner
-
ZAHL DER ÖFFNUNGEN 55 (PLATTE 53) 24 mit Durchmesser 3,175 - 6,35 mm
(0,125 bis 0,250 Inch)
30,48 cm (ft.) / Brenner
-
RAUM ZWISCHEN PLATTEN (X DIMENSION) 0,508 - 1,27 mm (0,020 bis 0,050 inch)
-
GASDRUCK 49,82 - 4982 Pa (0,2 bis 20 inch Wassersäule)
-
LUFTDRUCK 99,64 - 373,6 Pa (0,4 bis 1,5 inch
Wassersäule)
-
REDUZIERVERHÄLTNIS 6 - 1
-
BEREICH MAXIMALER ZUFUHR 19,23 - 48,08 kW/m
(20000 BTU/hr./ft. bis
50000 BTU/hr./ft.)
-
Der Druckabfall über der äußeren und der Inneren Platte hängt von der
Geschwindigkeit durch die Platten ab und ist somit abhängig von der
Öffnungsgröße und der dem Brenner zugeführten kW-(BTUH-)Leistung. Wie auch
Immer, der Bereich dieses Druckabfalls würde sich für den Abfall über den
Brennerdurchlaß 55 der äußeren Platte 53 zwischen ungefähr 0,498 Pa (0,002
inches Wassersäule) und ungefähr 44,84 Pa (0,18 inches Wassersäule) bewegen
und der Bereich würde sich für die Öffnungen 54 der inneren Platte 52 von
ungefähr 0,498 Pa (0,002 inches Wassersäule) bis ungefähr 89,67 Pa (0,36
inches Wassersäule) erstrecken.
-
Die obigen Dimensionen der Öffnungen der Brenneranlage 10 und der
Drücke stellen keine Begrenzung dar, sondern zeigen einen Bereich von
Dimensionen an, die in Tests gezeigt haben, daß sie in der Anwendung als
Wärmequellen für Öfen meiner früheren Erfindungen gut funktionieren. Der
Druckabfall über der inneren Platte 52 sollte 99,64 Pa (0,4 inch Wasser)
nicht überschreiten und der Druckabfall über der äußeren Platte 53 sollte
49,82 Pa (0,2 inch Wasser) nicht überschreiten, während der
Gesamtdruckabfall über beide Platten 52 und 53 149,5 Pa (0,6 inch Wasser) nicht
überschreiten sollte. Die Dicke der Platten 52 oder 53 sollte sich zwischen
ungefähr 0,254 mm( 0,010 inch) und ungefähr 1,524 mm (0,060 inch) bewegen.
Der Bereich der Durchmesser der Öffnungen 54 und 55 kann sich zwischen
ungefähr 1,58 mm (1/16 inch) und ungefähr 6,35 mm (1/4 inch) bewegen.
-
Der Bereich der getesteten zugeführten Leistung ist für die meisten
Ofenerfordernisse mehr als angemessen. Zum Beispiel, wenn der totale
Wärmeeintrag eines Ofens von 30,48 m (100') Länge 879 kW (3 000 000 BTU/hr.)
wäre, so könnte die Brenneranlage 10 mit beispielsweise einer maximalen
Wärmezufuhr von 28,85 kW/m (30 000 BTU/hr./ft.) benutzt werden. Wenn die
Brenneranlage 10 auf jeder Seite des Ofens benutzt worden wäre, würde die
maximale Wärmezufuhr 1,758 MW (6 000 000 BTU/hr.) zum Aufheizen betragen,
und die Brenneranlage 10 würde dann auf ihren mittleren Bereich von 14,42
kW/m (15 000 BTU/hr./ft.) mit einem Reduzierverhältnis von 6 zu 1
herunterregeln. Die Brenneranlage 10 könnte sich weiterhin auf eine
Gesamtzufuhrleistung zum Ofen von 293 kW (1 000 000 BTU/hr.) einregeln, um einem Stopp
der Förderanlage oder einer Verlangsamung des Prozesses Rechnung zu tragen.
-
Die Brenneranlage 10 ist in der Lage, eine vollständige Verbrennung
mit einem Minimum von Überschußluft (weniger als 12 %) aufrechtzuerhalten.
Wie diskutiert, ist es ein wichtiger Gesichtspunkt dieser Erfindung, daß
durch bloße Handhabung eines Gasventils (nicht abgebildet) zur Modulierung
des Gasdruckes eine Steuerung der Zufuhr erreicht werden kann. Der
Luftdruck zur Verbrennung muß während des Herunterregelns nicht geändert oder
reduziert werden. Dieses Merkmal vereinfacht die Steuerungskonstruktion und
ermöglicht zur gleichen Zeit einen konstanten Druck im Luftverteiler 28,
der eine gute Verteilung auf gesamter Brennerlänge sicherstellen wird.
Während die Zufuhr zum Brenner 10 heruntergeregelt wird, wird dem Brenner
10 während des Herunterregelns Überschußluft zugeführt, da der Luftausstoß
aus den Durchlässen 43 konstant ist. Falls in bestimmten Anwendungen die
Oberschußluft die Betriebseffizienz der Brenneranlage 10 schmälern würde,
kann die Luftzufuhr ebenfalls moduliert werden, um ein konstantes
Brennstoff-Luftverhältnis aufrechtzuerhalten, welches bei allen Betriebszufuhren
eine minimale Überschußluft sichert.
-
Während des Normalbetriebs der Brenneranlage 10 bei oder nahe ihrer
am höchsten bemessenen Zufuhr ist die Basis der Flamme über der
Brenner-Platte 53 und unter dem flansch 58 des Ablenkblechs 57 eingerichtet Die
Flamme tritt dem Ablenkblech 57 entlang aus, und die verbleibende Luft> die
zur Verbrennung erforderlich ist, wird durch die Durchlässe 43 zugeführt.
Der Mischungseffekt, der durch die Geometrie des Brenners erzeugt wird,
ermöglicht eine vollständige Verbrennung bei einer ziemlich kurzen
Flammenlänge.
-
Die Zufuhr pro Länge der Brenneranlage 10 wird durch seine Anwendung
bestimmt. Zum Beispiel, wenn 29,9 m (98 feet) der Brenneranlage 10 auf
jeder Seite eines Ofens genutzt werden sollen, um eine Gesamtwärmezufuhr
zum Ofen von 1,72 MW (oder 28,85 kW/m (30 000 BTU/hr./ft.) der Brennerlänge
nach Berücksichtigung der Wärmeübertragungseffizienz) zu erzeugen, wird die
maximale Zufuhr der Brenneranlage 10 eingerichtet. Die Brenneranlage 10
wird für ein kW/m-Reduzierverhältnis (BTU/hr./ft.) von 6 zu 1 konstruiert
werden. Tests haben demonstriert, daß die Brenneranlage 10 bei diesem
Reduzierverhältnis eine stabile und komplette Verbrennung erreichen kann.
-
Die Menge mitgerissener Luft zur Vorvermischung in Mischrohr 21, das
im Verteiler 11 enthalten ist, wurde aus Experimenten bestimmt. Es ist
zumindest schwierig, ein Venturi- oder Mischrohr 21 theoretisch zu
entwerfen, wenn der Luftdruck am Eingang zum Venturi- oder Mischrohr 21 derselbe
wie der Luftdruck an der Brenneroberfläche 53 ist. Wenn sich die Luft
jedoch bei einem höheren Druck befindet (sogar so niedrig wie 249 Pa (1
inch Wassersäule)) würde es fast unmöglich sein, theoretisch die insgesamt
mitgerissene Luft vorherzusagen. Der Durchmesser der Luftdurchlässe 22 im
Mischrohr 21 wurde in Testläufen zwischen einer Gesamtfläche von 3,96 und
63,2 mm² (0,00614 inches square to 0,098 inches square) variiert.
Tatsächlich wird in der zweiten Ausführungsform der Brenneranlage 10 keine Luft in
das Mischrohr 21 eingeführt. Aber wenn festgelegt wurde, ein gewisses
Vorgemisch zu benutzen, sind die kleinsten Öffnungen 22 in Rohr 21, für die
Tests durchgeführt wurden, zwei Öffnungen mit 1,58 mm (1/16 inch)
Durchmesser gewesen. Im Bereich der Brennerzufuhr bei hoher Befeuerung von 19,23
- 38,46 kW/m (20 000 BTU/hr./ft. to 40 000 BTU/hr./ft.) sind gute Resultate
mit einer Gesamtfläche von ungefähr 32,26 mm² (0,050 inches square) für die
Öffnungen 22 erzielt worden.
-
In den Tests die an der Brenneranlage 10 durchgeführt wurden mit
einer Fläche der Öffnung 22 von ungefähr 32,26 mm² (0,05 inches square) in
der Verengung 23 des Mischrohrs 21, und einem Luftdruck im Verteileraufbau
11 zwischen 124 und 374 Pa (0,5 inches und 1,5 inches Wassersäule), um Luft
zur Vorvermischung mit dem Gas einzuführen, arbeitet die Brenneranlage 10
in einem stabilen Zustand mit kompletter Verbrennung. Ungefähr 30 % - 60 %
der Luft zum Vorvermischen werden unter diesen Bedingungen angeliefert, und
ein größeres Verhältnis der Luft zur Verbrennung wird angeliefert, indem
die Zufuhr in den Brenneraufbau 10 reduziert wird, wie zuvor erläutert.
-
Um den Luftdruck zu bestimmen, der notwendig ist, um die
Vormischungsluft durch die Öffnung 22 zu liefern, und um den Druckabfall durch
die Brenneröffnungen 55 zu bestimmen, wird die Gleichung, die sich auf die
Druckdifferenz und die Geschwindigkeit des Gases durch eine Öffnung oder
ein Loch bezieht, wie folgt angewandt:
-
mit:
-
V = Geschwindigkeit (m/s) (ft./sec)
-
g = Erdbeschleunigung (9,82 m/s²) (32 ft./sec²)
-
ΔP = Druckdifferenz (kg/m²) (lbs/ft.²)
-
= Dichte des Fluids (kg/m³) (lbs/ft.³)
-
Für den Zweck des Entwurfs der Brenneranlage ist es nützlicher, die
Einheiten des Druckes in Länge Wassersäule auszudrücken. Die Gleichung kann
dann wie folgt geschrieben werden
-
Kombinieren der Konstanten:
-
worin ΔP in Länge Wassersäule ausgedrückt ist und alle anderen Einheiten
wie in Gleichung 1 bleiben. Die Dichte in der Gleichung durch die
universelle Gasgleichung für atmosphärischen Druck ersetzend, um die
Eigenschaften von Gasmischungen zu berücksichtigen (wie z.B. Methan und Luft),
wird die Gleichung wie folgt umgeschrieben:
-
Für Atmosphärendruck gilt, weil alle Berechnungen auf inkompresslblen
Strömen und auf 28,3 dm³ (1 ft.³) Luft oder Gemisch beruhen, da die Dichte
in Gleichung 1 in kg/m³ (1b./ft.³) angegeben war:
-
mit:
-
V = Geschwindigkeit (m/s)
-
P = Druck (kg/m²)
-
ΔP = Druckdifferenz (cm Wassersäule)
-
R = R&sub0;/m = 847,8 (kg-m/kg-K)
-
Kombinieren der Konstanten:
-
mit:
-
V = Geschwindigkeit (m/s) (ft./sec)
-
ΔP = Druckdifferenz (cm (inches) H&sub2;O)
-
R = Gaskonstante (kg-m/kg-ºK)
-
T = Temperatur (ºK ) (ºR)
-
Die Gaskonstante R für irgendein Gas ist der Quotient, der durch Division
der universellen Gaskonstanten durch das Molekulargewicht des Gases
erhalten wird:
R = Gas konstante
m = Molekulargewicht des Gases
-
In einem Gemisch eines Gases, wie z.B. Methan und Luft, sind die
Proportionen bekannt oder können gemessen werden. Das gewichtete durchschnittliche
Molekulargewicht (das scheinbare Molekulargewicht) kann berechnet werden
und ein Wert von R kann aus R = 874,8/m (1545/m) erhalten und auf das
Gemisch angewandt werden. Das Molekulargewicht von Methan beträgt 16,043,
das von Propan 44,097 und das von Luft 28,97. Die Gaskonstante R kann für
jedes Gemisch von Luft und Methan und von Luft und Propan berechnet werden.
-
Um den Druckabfall über einer Öffnung zu berechnen, kann Gleichung 6
in die folgende Form umgeschrieben werden.
-
mit:
-
P = Druckabfall über einer Öffnung oder einer Reihe
von Öffnungen (cm (inches) Wassersäule)
-
V = Geschwindigkeit durch die Öffnungen oder Reihe
von Öffnungen (m/s)
R = Gaskonstante
-
T = Temperatur (ºK) (ºR)
-
Die obige Gleichung in Kombination mit der einfachen Strömungsgleichung
wird die Durchführung der meisten Brennerberechnungen ermöglichen.
-
Vo =V A
-
Vo = Volumenströmungsgeschwindigkeit (m³/s) (ft.³/hr.)
-
V = Geschwindigkeit (m/s) (ft./hr.)
-
A = Fläche (m²) (ft.²)
-
Die folgenden Berechnungen sind beispielhaft für den Entwurf einer
typischen Brenneranlage 10:
-
Gegeben:
-
- die Zufuhr in der Brenneranlage 10 bei hoher Befeuerung soll 28,85
kW/m (30 000 BTUH/ft.) betragen;
-
- die Öffnung 22 im Mischrohr 21 soll 32,3 mm² (0,05 inches square)
betragen, basierend auf Tests;
-
- die Temperatur der Verbrennungsluftbeträgt 65,56 ºC (150 ºF)
-
- die Menge des Vorgemisches beträgt 30 % der theoretischen Luft
(stöchlometrische Luft), basierend auf Tests
-
- der Totraum über dem Brennerdurchlaß 55 soll der Hälfte des
Durchmessers des Brennerdurchlasses 55 entsprechen;
-
- der Gemischverteilungswinkel beträgt 45º, und
-
- ein Verbrennungsgebläse mit 2,54 cm (1 inch) Wassersäule statischem
Druck soll benutzt werden.
-
Bei hoher Befeuerung wird das Verhältnis Luft/Gasgemisch wegen des
konstanten Drucks in dem Verteileraufbau 11 nicht dasjenige bei niedriger
Befeuerung überschreiten. Daher wird, unter Annahme des ungünstigsten
Zustands, daß das Verhältnis konstant bleiben wird, das
Gesamtgemischvolumen sein:
-
Gas = 0,8495 m³/h (30 ft.³/hr.)
-
Luft-30 %-Vorgemisch 2,549 m³/h (90 ft.³/hr.)
-
Gesamtgemisch = 3,398 m³/h (120 ft.³/hr.)
-
Die zur Verbrennung benötigte Luft, die Flammengeschwindigkeit des Methans
und der Heizwert von Erdgas würden entweder dem Fachmann bekannt sein oder
ein Nachschlagewerk über Verbrennung könnte zu Rate gezogen werden. Der
Durchmesser der Öffnung 22 in Mischrohr 21 beträgt, wenn die Luft in Kammer
39 bei 249 Pa (1 Inch static H&sub2;O) ist:
-
Vel = 0,1378 [ΔP RT]
= 0,1378 [(2,54) (29,26) (338)]
= 21,84 m/s
-
Vol = (Vel) (Fläche)
= (21,84 m/s) (3,23 x 10&supmin;&sup5;m²) (3600 s/h)
= ((71,7 ft./sec) (0,000349 ft²) (3600 sec/hr.))
= 90 ft.³/hr. = 2,549 m³/h
-
Ein vernünftiger CD (Durchflußkoeffizient) für den Flanscheinlaß ist 0,5.
Deshalb gilt:
-
0,5 x 2,549 m³/h ((0,5) (90 ft.³/hr.))
= 1,2745 m³/h (45 ft.³/hr.) (für 0,6096 m (2 ft.) Brenner))
= 0,6373 m³/h (22,5 ft.³/hr.) (für 0,3048 m (1 ft.) Brenner))
-
Mit Dichtekorrektur:
= 0,6373 (289/338) m³/h
(22,5 (520/610) ft.³/hr.)
= 0,541 m³/h pro 0,3048 m Brenneranlage
(19,1 ft.³/hr. pro ft. Brenneranlage)
-
Da die Zufuhr bei niedriger Befeuerung 1,465 kW (5 000 BTUH) betragen
wird, was 0,425 m³ (15 ft.³) Luft pro 0,3048 m (ft.) für ein 30 %iges
Vorgemisch erfordert, würden 0,541 m³ (19,1 ft.³) Luft das Luftverhältnis auf
38 % erhöhen, was auf der sicheren Seite ist, um einen Rückschlag
auszuschließen, wenn die Berechnungen für 30 %iges Vorgemisch angestellt werden.
-
Bei einer Flammengeschwindigkeit von 0,457 m/s (1,5 ft./sec.) sollte
die Geschwindigkeit des Gemischs beim halben Durchmesser des Durchlasses 55
oberhalb der Brenneroberfläche 53 bei hoher Befeuerung weniger als 0,457
m/s (1,5 ft./sec.) betragen. Deshalb gilt:
-
Fläche = Vol/Vel
-
Bei zwei Reihen von Öffnungen 55 mit einem Mittelpunktsabstand von 1,27 cm
für eine Gesamtheit von 48 Öffnungen
(Fläche oberhalb jeder Öffnung bei einem halben Durchlaßdurchmesser über der
Brenneroberfläche)
-
Daher gilt:
-
Fläche der Öffnung 55 in Platte 53 = 0,587 cm²/4 0,147 cm2
-
Benutze einen CD von 0,85, um den tatsächlichen Durchschnittsquer
schnitt zu erhalten.
-
Wähle aus einer Tabelle von Kreisflächen einen Durchmesser von 0,476
cm (3/16 inch), der eine Fläche von 0,1727 cm² (0,02761 in²) und einen
Umfang von 1,496 cm (0,58905 inch) hat.
-
Um den Raum zwischen Platte 52 und 53 so zu bestimmen, daß Rückschlag
ausgeschlossen ist:
-
Durchflußquerschnitt = Vol.(bei niedriger Befeuerung)/Flammengeschwindigkeit (ft./hr.)
-
A = Gesamtöffnungsumfang x (Dimension X)
-
Gesamtumfänge = (48) (0,58905) inches
= 28,27 in.
= 0,718 m
-
Gesamtvolumenfluß bei niedriger Befeuerung = 120/6 = 20 ft.³/hr. = 0,566 m³/h
-
Daher:
Dimension X
-
Berechnung der Geschwindigkeit quer durch Platte 53 bei hoher Befeuerung:
-
Geschwindigkeit = Vol./Fläche
-
Bei einer auf Tests basierenden Berechnung der Geschwindigkeit quer durch
Platte 52 werden gute Resültate erhalten, wenn der Durchflußquerschnitt in
der Platte 53 halb so groß ist wie in der Platte 52. Daher wird die
Geschwindigkeit durch die Öffnungen 54 der Platte 52 3,014 m/s
(9,89ft./sec.) betragen.
-
Berechnung des Druckabfalls über der Platte 52:
Wassersäule
-
Anmerkung: Für das Gemisch wurde R zu 32,92 (60) bestimmt.
-
Berechnung des Druckabfalls über der Platte 53:
Wassersäule
-
Berechnungen der Geschwindigkeit und des Druckabfalls um die Peripherien
aller Öffnungen 55 herum, bei hoher Befeuerung:
-
Durchflußquerschnitt = (0,730 m) (0,000693 m)
= 468 mm²
Geschwindigkeit
Wassersäule
-
Berechnen des Durchmessers der Luftöffnungen 17 für Sekundärluft, die zur
Verbrennung benötigt wird:
-
Gesamtluft = (30 ft.³ Gas) (10 ft.³ Luft/ft.³ Gas)
= 300 ft.³ Luft/hr.
= 8,495 m³/h
-
12 % Überschuß = 1,0194 m³/h (36)
-
Gesamtluft = 9,515 m³/h (336 ft.³/hr.)
-
Primärluft = 90
-
Sekundärluft = 6,966 m³/h (246/ft.³/hr.)
-
V - 0,1378
-
V = 21,85 m/s = 78,66 km/h
-
A = Vol/Vel
= 0,0001039 m²
= 103,9 mm² pro 0,3048 in Brenneranlage
-
Demzufolge benutze zwei Öffnungen des Durchmessers 1,151 cm (29/64 inch)
für eine Brenneranlage von 60,96 cm (2 ft.). Die obigen Berechnungen sollen
nur die Berechnungen veranschaulichen, die erforderlich sind, um die
diskutierten Konstruktionsvariablen zu bestimmen, wie z.B.
Öffnungsdurchmesser und Strömungsgeschwindigkeiten. Der Fachmann versteht, daß es
verschiedene Methoden gibt, diese Variablen zu bestimmen.
-
Es sei darauf hingewiesen, daß, obwohl der Brenner dieser Erfindung
eine vollständige Flexibilität in der Steuerung des
Gas-Luftgemisch-Einlasses und der Ausgangsgeschwindlgkeit zu den Durchlässen 55 in Platte 53
bereitstellt, es nicht immer nötig oder wünschenswert ist, daß die
Geschwindigkeit des Gas-Luftgemisches niedriger ist als die Geschwindigkeit
der Flammenausbreitung am oder sehr nahe am Auslaß von Durchlaß 55. In
einigen Anwendungsfällen, z.B. wenn der Brenner benutzt wird, um
Strahlungswände zu erhitzen, wie sie im US-Patent 4,546,553 oder US-Patent
4,785,552 beschrieben sind, kann die Flammenbasls geringfügig unterhalb des
Niveaus des Flansches 58 oder des Ablenkblechs 57 eingerichtet werden, wenn
der Brenner bei oder nahe seiner höchstbemessenen Kapazität betrieben wird.
-
Demzufolge wird durch die Auswahl der Anzahl und des Durchmessers der
Durchlässe 55 in der Platte 53 gesteuert, wo sich die Basis der Flamme
bezüglich Platte 53 stabilisiert, vom praktischen Kontakt mit Platte 53 bis
zu einem kontrollierten Abstand oberhalb der Platte 53. Ein Vorteil der
Einrichtung der Flammenbasis oberhalb der Platte 53 während des Betriebs
bei hohen-Energiezufuhren ist es, daß die Platte 53 kühler bleiben wird,
wenn sie nicht in direktem Kontakt mit der Basis der Flamme steht. Sogar
wenn die Basis der Flamme bei einer hohen Befeuerungsrate oberhalb der
Platte 53 eingerichtet ist, wird sich die Basis der Flamme während des
Herunterregelns näher zur Platte hinbewegen oder diese kontaktieren. Es
gibt andere Anwendungsfälle, z.B. bei einem Betrieb der Brenneranlage 10
bei geringeren Zufuhren, in denen eine bessere Flammenstabilität auf
rechterhalten werden kann, wenn die Basis der Flamme in relativ nahem Kontakt
zur Platte 53 steht.
-
Der Durchmesser der Öffnungen 54 muß nicht derselbe sein, wie der
Durchmesser der Durchlässe 55. Noch muß die Anzahl der Durchlässe oder
Öffnungen 54 dieselbe sein wie die Anzahl der Durchlässe 55. Um die
gewünschten Resultate zu erreichen, die durch diese Brenneranlage 10
erzielt werden, muß es nur einen Versatz zwischen den Mittellinien der
Durchlässe 55 und der Durchlässe 54 geben, der die Ausfluchtung
irgendwelcher offener Flächen der beiden Durchlässe 54 oder 55 verhindert. Tests
haben angezeigt, daß es in den meisten Fällen wünschenswert ist, daß die
Gesamtfläche der Durchlässe 54 in der Platte 52 niedriger als die
Gesamtfläche der Durchlässe 55 in der Platte 53 ist. Tests haben angezeigt, daß
gute Resultate erzielt werden, wenn die Fläche der Durchlässe 54 die Hälfte
der Fläche der Durchlässe 55 ausmacht. Dies sorgt für einen größeren
Druckabfall über der Platte 52, somit eine gute Verteilung des
Gas-Luftgemisches durch die Durchlässe 55 der Platte 53 sicherstellend.
-
Die Tatsache, daß die Fläche der Durchlässe 55 mit dem Quadrat des
Durchmessers ansteigt, während der Umfang nur mit der ersten Potenz
ansteigt, trägt zu den Vorzügen der Konstruktion bei. Wenn der Durchmesser
eines Durchlasses 55 erhöht wird, um eine größere Ausflußfläche zu sichern
und somit die Geschwindigkeit der Abströmung des Luft-Gasgemisches zu
verringern, erhöht sich für einen festgelegten Raum (Dimension X) die
Eingangsfläche zum Durchlaß 55 nur mit der Quadratwurzel des
Verhältniszuwachses
der Ausflußfläche. In einem konventionellen Stabbrenner ist es
offensichtlich, daß, wenn der Durchmesser des Durchlasses vergrößert wird,
die Fläche des Eingangs und des Ausgangs des Durchlasses gleichermaßen
beeinflußt werden. Obwohl der spezielle gewünschte Flammenverlauf in den
Anwendungsfällen der Brenneranlage 10 variieren kann, ist es die wichtige
Überlegung dieser Erfindung, fähig zu sein, die Charakteristik des
Flammenverlaufs zu steuern. Es sind Experimente durchgeführt worden mit einem
Durchmesser der Durchlässe 55 in der Platte 53 im Bereich von 0,3175 bis
7,62 cm (1/8 inch bis 3 inches), mit gleichem Erfolg beim Eliminieren von
Rückschlägen und der Kontrolle des Flammenabhebens. Ein primärer Vorteil
eines Brenners dieser Erfindung ist es, daß die Flammenlänge bei hoher
Befeuerung begrenzt gehalten werden kann (weniger als 10,16 cm (4 inches)).
-
Diese Brenneranlage 10 beinhaltet ebenso die Fähigkeit, die BTUH-
Zufuhr zu ändern, indem einfach der Öffnungsdurchmesser 19 und der
Durchmesser der Luftöffnung 17 verändert werden. Ebenso kann auch der Luftdruck
zur Verbrennung verändert werden, anstelle einer Veränderung des
Durchmessers der Luftöffnung 17 oder in Kombination mit einer Veränderung des
Durchmessers der Öffnung 17. Diese Flexibilität ermöglicht es, eine einzige
Brenneranlage 10 auf unterschiedliche Maximalleistungen auszulegen, ohne
die Notwendigkeit einer Konstruktionsänderung oder einer Änderung in der
Größe der Brenneranlage 10. Von mir sind Tests durchgeführt worden, worin
die maximale Zufuhr zur Brenneranlage 10 zwischen 19,23 und 57,69 kW/m (20
000 BTUH/ft. bis 60 000 BTUH/ft.) lag, mit vollständiger und stabiler
Verbrennung im gesamten Betriebsbereich. Die Maximalzufuhr zur
Brenneranlage 10 kann verändert werden, nachdem sie für eine Anwendung installiert
wurde. Die Öffnung 19 kann durch Entfernen der Öffnung 19 mit einem
Steckschlüssel verändert werden. Wenn das Bedürfnis besteht, die maximale
Zufuhr zu erhöhen, kann die Luftöffnung 17 auch vergrößert werden. Wenn das
Bedürfnis besteht, die maximale Zufuhr zu verringern, kann eine
Unterlegplatte (nicht dargestellt), die eine kleinere Öffnung enthält, eingefügt
werden, die wirksam den Durchmesser der Luftöffnung 17 verringert.
-
Der Verteileraufbau 11 kann in jeder für die Anwendung erforderten
Länge hergestellt werden. Er kann ebenso in Abschnitten ausgebildet und mit
Gegenflanschen (nicht dargestellt) zusammengeschaltet sein. Die
Verbrennungsluft, die in dem Verteileraufbau 11 enthalten ist, kühlt den Aufbau 11
und bewahrt zudem den Gasverteiler 18 vor Überhitzung, wenn der Brenner in
einer Umgebung betrieben wird, die sich auf einer relativ hohen Temperatur
befindet, wie z.B., wenn der Brenner benutzt wird, um dlrekt die
Strahlungswandung zu erhitzen, die im US-Patent 4,546,553 oder im US-Patent
4,785,552 beschrieben ist.
-
Der Verteileraufbau 11 ist an seiner tragenden Fläche durch Bügel 62
befestigt, die geschlitzt sind, um eine Ausdehnung des Vertelleraufbaus 11
zu ermöglichen. Das Brennergehäuse 44, das am Verteileraufbau 11 angebracht
ist, kann sich unabhängig von Verteileraufbau 11 ausdehnen und
zusammenziehen, da das Brennergehäuse 44 mit dem Verteileraufbau 11 nahe seiner
Mitte verbunden ist. Ein typischer Abstand der Halterungsmitten würde
60,96 cm (24 inches) betragen, wobei die Längen des Brennergehäuses 44
geringfügig geringer als 60,96 cm (24 inches) sind, um einen endseitigen
Dehnungsraum zwischen den Brennergehäusen 44 zur Verfügung zu stellen.
-
Tests haben angezeigt, daß ein verläßlicher und beständiger Übertrag
der Flamme von einer Brenneranlage 10 zur nächsten Brenneranlage 10
existiert. Aus Sicherheitsgründen wird die Flamme unter Benutzung einer
konventionellen Flammenabtasttechnologie überprüft und überwacht. In einer
typischen Anwendung würde eine Endbrenneranlage 10 mit einem elektrisch
erzeugten Funken oder einer Auslöseeinrichtung gezündet werden, und die
Flamme an dieser Brenneranlage 10 würde unter Benutzung konventioneller
Flammenabtastkomponenten abgetastet und überwacht werden. Falls gezeigt
werden kann, daß es in einem kontinuierlichem Längsbrenner einen
beständigen Übertrag gibt, erfordern die meisten Sicherheitsvorschriften nicht, daß
das gegenüberliegende Ende der Brenneranlage 20 überwacht wird. Wenn es
jedoch durch die Umstände gewünscht oder erfordert wäre, nicht nur die am
Anfang stehende Brenneranlage 10 zu überwachen, in dem die Zündung
stattfand, sondern ebenso die letzte Brenneranlage in der Serie eines
Brennerapparatsatzes zu überwachen, um sicherzustellen, daß der Übertrag auf alle
Brennerapparate absolut vollständig war, dann könnte ein zweites
flammenüberwachendes System am letzten Brennerapparat plaziert sein. Wegen der
Verzögerung im Flammenübertrag von dem am Anfang stehender Brenneranlage,
die gezündet wurde, zur letzten Brenneranlage, wird es für gewöhnlich nötig
sein, irgendeine Art von Zeitmeßvorrichtung zu benutzen, um die
Inbetriebnahme des zweiten flammenabtastenden Systems zu verzögern.
-
Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 6
abgebildet. In dieser Ausführungsform ist die Brenneranlage 10 identisch
mit dem zuvor beschriebenen Aufbau, mit der Ausnahme, daß in dem
Verteileraufbau 11 die Luftöffnungen 22 im Mischrohr 21 eliminiert sind. Deshalb
wird nur Gas durch das Rohr 21 zum Brennergehäuse 44 geliefert. Luft wird
unter Druck durch die Öffnungen 17 zum oberen Luftverteilerrohr 28
geliefert, wo die gesamte Verbrennungsluft durch die Durchlässe 43 zugeführt
wird. Diese Ausführungsform der Brenneranlage 10 wird angewandt, wenn die
Anlage 10 in Umgebungen von extrem hoher Temperatur arbeiten muß und eine
Selbstzündung des Gases (ungeachtet seines Mischungsverhältnisses)
stattfinden könnte, wenn etwas Sauerstoff im Brennergehäuse 44 vorhanden wäre.
Da jedoch alle Verbrennungsluft durch die Durchlässe 43 am
Verbrennungspunkt geliefert wird, ist es unmöglich, daß eine Zündung des Gases
innerhalb des Brennergehäuses stattfindet. Wenn eine Düsenvermischung benutzt
wird, hat der Brenner während Tests erfolgreich gearbeitet, wenn die
Verbrennungsoberfläche einer Umgebung ausgesetzt war, in der die
Umgebungstemperatur 926,7 ºC (1700 ºF) betrug.
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Fig. 7 veranschaulicht eine dritte Ausführungsform der vorliegenden.
Erfindung. Die Brenneranlage 110 ist an einem Gemischverteileraufbau (als
fragmentarischer Teil dargestellt) angebracht, der in Struktur und Funktion
identisch ist mit dem in der zweiten Ausführungsform beschriebenen
Verteileraufbau 11. Aufbau 110 beinhaltet den Luftverteiler 128, der ein
stehendes, U-förmiges äußeres Gehäuse 129 besitzt, welches eine
Grundwandung 130 und Seitenwandungen 131 umfaßt, die in sich seitlich erstreckenden
Flanschen 132 enden. Die Grundwandung 130 begrenzt die Luftöffnungen 133,
die mit Luftöffnungen 169 des Gemischverteileraufbaus in Verbindung stehen.
Die Wandung 130 begrenzt ebenso die mittlg angebrachte Öffnung 134, die mit
der mittigen Gasöffnung 170 des Gemischverteileraufbaus in Verbindung
steht. Der Luftverteiler 28 umfaßt zudem ein aufrechtes, U-förmiges inneres
Gehäuse 135 mit einer Grundwandung 136 und Seitenwandungen 137, die in sich
einwärts erstreckenden, U-förmigen Halteflanschen 138 enden. Der Flansch
132 trägt den Flansch 138, so daß die innere Wandung 137 Abstand von der
Wandung 130 hält, wie in Fig. 7 dargestellt, um die Luftkammer 139 zu
bilden. Die Flansche 132 und 138 können entweder durch Schrauben 160 und
Muttern 161 oder andere lösbare Mittel gesichert werden, oder sie können
zur dauerhaften Befestigung verschweißt oder vernietet werden, je nach
Wunsch. Die Wandung 136 begrenzt die mittige Öffnung 140, die an der
Öffnung 134 ausgerichtet ist. Das Rohr 141 ist entlang der Peripherie der
Öffnungen 134 und 140 geschweißt, um den dazwischenliegenden Transportweg
142 festzulegen. Dem oberen Teil der inneren Wandung 137 entlang befinden
sich auf jeder Seite des Luftverteilers 128 in Abständen angebrachte
Luftdurchlässe 143. Die in Abständen angebrachten Durchlässe 143 erstrecken
sich auf gesamter Länge der inneren Wandungen 137.
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Die Platte 162 begrenzt eine Reihe von hindurchgehenden Öffnungen
165. Auf ähnliche Weise begrenzt die Platte 163 Öffnungen oder
Brennerdurchlässe 166. Die Öffnungen 165 und 166 sind versetzt oder bezüglich der
jeweils anderen abgesetzt, so daß das Gas oder das Gas-Luftgemisch, das in
die Öffnungen 165 eintritt, seitwärts zwischen den Platten 162 und 163
strömen muß, bevor es in die Öffnungen 166 eintritt.
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Der Raum oder die Kammer zwischen den Platten 162 und 163, allgemein
mit der Ziffer 167 bezeichnet, hat eine horizontale Dimension Y und eine
vertikale Dimension X (nicht dargestellt), identisch wie in Fig. 5
bezüglich der ersten Ausführungsform illustrlert. Während die Dimension Y
festgelegt oder konstant ist und nicht auf einen bestimmten Brenner
eingestellt werden kann, kann die Dimension X durch die Anwendung
unterschiedlich großer Abstandshalter 164 variiert werden.
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Gelagert auf der Grundwandung 136 des Gehäuses 135 ist ein Gasgehäuse
144, das eine Grundwandung 145 umfaßt, welche eine mittige Öffnung 146
definiert, die mit der Öffnung 140 ausgefluchtet ist. Das Rohr 141
erstreckt sich bis zur Wandung 145 und ist auch an seinen oberen Endwandungen
145 entlang der Peripherie der Öffnung 146 angeschweißt. Das Gehäuse 144
beinhaltet außerdem längliche Seitenwandungen 147, die an ihren oberen
Enden in sich einwärts erstreckenden, U-förmigen Halteflanschen 148 enden.
Das Ablenkblech 149 ist an der Oberseite der Wandung 145 angebracht und so
befestigt, daß der First 150 (nicht dargestellt) sich über die Öffnung 146
erstreckt und die gebogenen Stege 151 (nicht dargestellt) sich in die
seitliche Richtung des Gehäuses 144 erstrecken.
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In die Halteflansche 148 sind zwei in Abständen angeordnete parallele
Platten aufgenommen, eine Unterplatte 152 und eine Oberplatte 153. Die
Platten 152 und 153 werden durch Abstandhalter S auf Abstand gehalten, die
vorzugsweise entlang jeder Seite der Platten 152 und 153 angebracht sind.
Die Platten 152 und 153 werden daher auf ihrer gesamten Länge parallel und
auf Abstand gehalten und im Brennergehäuse 144 in den Flanschen 148
gelagert und definieren so den dazwischenliegenden Raum 167.
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Die Platte 152 definiert eine Reihe von hindurchgehenden Öffnungen
154 und die Platte 153 definiert Öffnungen 155. Die Öffnungen 154 und 155
sind versetzt oder bezüglich der jeweils anderen abgesetzt, so daß das Gas
oder Gas-Luftgemisch, das in die Öffnungen 154 eintritt, zwischen den
Platten 152 und 153 seitwärts strömen muß, bevor es in die Öffnungen 155
eintritt. Wie man in Fig. 7 sieht, definiert die Gemeinschaft der oben
beschriebenen Elemente eine Mischkammer 168.
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Im Betrieb wird das Gas nur zum Gasgehäuse 144 geliefert und die Luft
wird zum Luftverteiler 128 vom Gemischverteileraufbau (nicht dargestellt)
aus geliefert, der identisch mit dem in der zweiten Ausführungsform
beschriebenen ist. Das Gas tritt in das Gasgehäuse 144 ein und wird durch das
Ablenkblech 149 seitlich verteilt. Das Gas strömt dann durch die Öffnungen
154, zwischen den Platten 152 und 153 und durch die Öffnungen 155. Die
Platte 153 bildet in dieser Ausführungsform jedoch nicht die
Brenneroberfläche. Die Platten 152 und 153 dienen dazu, das Gas gleichmäßig über die
Oberfläche zu verteilen. Die Öffnungen 154 haben für gewöhnlich eine
geringere Gesamtzahl und einen geringeren Durchmesser als die Öffnungen
155. Deshalb ist das Gas gleichmäßig zwischen den glatten 152 und 153
verteilt und tritt aus den Öffnungen 155 gleichmäßig auf der gesamten
Fläche der Platte 153 aus.
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Die Luft tritt durch die Öffnungen 133 in die Luftkammer 139 ein. Die
gesamte Luft zur Verbrennung wird dann durch die Öffnungen 143 in die
Mischkammer 168 ausgestoßen, wo sich die Luft mit dem Gas vermischt, das in
die Mischkammer 168 durch die Öffnungen 155 eintritt. Falls es gewünscht
ist, kann eine teilweise Vorvermischung des Gases und der Luft in der
Kammer 168 stattfinden, wobei die restliche Luft, die zur Verbrennung
erforderlich ist, als Sekundärluft von der Atmosphäre der Umgebung, in der
der Brenner aufgebaut ist, zur Verfügung gestellt wird. Das Gas-Luftgemisch
tritt in den Raum 167 durch die Öffnungen 165 ein, fließt dann parallel zu
den Platten 162 und 163 und in die Öffnungen 166 hinein. Die
Gemischgeschwindigkeit am Eintritt in die Öffnungen 166 wird durch den Durchmesser
der Öffnung 166, der ihren Umfang diktiert, und durch den Raum 167 zwischen
den Platten 162 und 163 kontrolliert. Die Geschwindigkeit des
Gas-Luftgemisches, das in die Öffnungen 166 entlang ihrer Peripherie eintritt, ist
immer größer als die Geschwindigkeit der Flammenausbreitung, so daß ein
Rückschlag ebenso wie in den vorigen Ausführungsformen ausgeschlossen ist.
Die Platte 163 bildet die Verbrennungsoberfläche des Brenners 110.
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Durch Erhöhung des Durchmessers der Öffnungen 166 vergrößert sich die
Fläche mit dem Quadrat des Durchmessers, während der Umfang nur mit der
ersten Potenz des Durchmessers zunimmt. Demzufolge wird, wenn der
Durchmesser der Öffnung 166 erhöht wird, die Fläche zur Steuerung des
Flammenabhubs mit einer größeren Rate erhöht als der Umfang, um einen Rückschlag
unter Kontrolle zu halten. Jeder vorbestimmte Raum 167 zwischen den Platten
162 und 163 zur Kontrolle des Rückschlags für einen speziellen Durchmesser
der Öffnungen 166 wird den Rückschlag auch kontrollieren, wenn der
Durchmesser der Öffnungen 166 erhöht wird, falls der Fluß des Gas-Luftgemisches
proportional zum Durchmesser erhöht wird.
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Der Gesamtdurchlaß oder die Öffnungsausstoßfläche wird durch die
Anzahl und Durchmesser der Durchlässe 166 bestimmt. Eine Fläche
wirdbenutzt, die zu einer stabilen und vollständigen Verbrennung im
Betriebsbereich des Brenners führen wird. Da keine zusätzliche Sekundärluft für die
Verbrennung jenseits der Brenneroberfläche 163 erforderlich sein muß, wie
es für die zuvor beschriebenen Brenneranlagen der Fall ist, ist es für
gewöhnlich nötig, daß die Gesamtdurchlaßfläche der Durchlässe 166 so ist,
daß die Geschwindigkeit des Gas-Luftgemisches, das aus den Durchlässen 166
austrltt, nicht viel größer als die Geschwindigkeit der Flammenausbreitung
ist, um eine Sicherung gegen Flammenabhub zu ergeben. Das Grundkonzept der
Erfindung, d.h. die Fähigkeit, die Zuleitungsgeschwindigkeit zum
Ausstoßdurchlaß 166 unabhängig von der Ableitungsgeschwindigkeit zu kontrollieren,
ist in dieser Konfiguration des Brenners äußerst wichtig, da ein
verbrennbares Gemisch in der Kammer 168 anwesend ist. Indem sichergestellt wird,
daß die Gemischgeschwindigkeit bei allen Betriebsbedingungen am Eingang zu
den Öffnungen 166 größer als die Flammenausbreitung ist, kann ein
Rückschlag der Flamme in die Kammer 168 immer ausgeschlossen werden, solange
die Temperatur der Platte 163 unterhalb der Zündungstemperatur des Gas-
Luftgemisches bleibt.
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Die Brenneranlage 110 erfordert die Modulation von Gas und Luft
zugleich, um ein nahezu konstantes Gas-Luftverhältnis im ganzen
Reduzierbereich beizubehalten. Die Bestimmung der Größen und der Anzahl von Öffnungen
und anderen Konstruktionsvariablen ist wie zuvor diskutiert.
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In einer vierten Ausführungsform, illustriert in den Fig. 8 und 9,
beinhaltet die Brenneranlage 210 ein Brennergehäuse 244, das in Struktur
und Funktion mit dem Gehäuse 44 in Fig. 3 identisch ist. Die Primärluft für
die Verbrennung wird durch das Venturi 221 mitgerissen und das
Luft-Gasgemlsch wird zum Gehäuse 244 geliefert. Ein Aufbau 211 beinhaltet den
Gasverteiler oder die Gasleitung 218, den mit einem Gewinde versehenen
Rohrarmaturaufbau 212, der damit verkuppelt ist, und den Venturiaufbau 221, der an
einem Ende an der Grundwandung 245 des Gehäuses 244 befestigt ist. Das
freie Ende des Venturiaufbaus 221 befindet sich im Abstand in Ausrichtung
auf den Aufbau 212, wie in Fig. 8 illustriert ist. Eine Venturianordnung,
so wie sie hier beschrieben ist, ist den Fachleuten wohlbekannt und andere
bekannte Anordnungen solcher Art werden zufriedenstellend arbeiten. Gas
wird durch die Leitung 218 zur Öffnung 222 des Aufbaus 212 geliefert. Das
Gas wird dann durch das Venturi 221 zum Gehäuse 244 geleitet. Die
Primärluft für die Verbrennung wird durch die Wirkung des Venturis 221
mitgerissen. Die Luft und das Gas werden gemischt, während sie sich im Venturi
221 befinden, und werden in das Brennergehäuse 244 ausgestoßen. Ein
Verteilerablenkblech 249 verteilt das Gas-Luftgemisch gleichmäßig in das
Gehäuse 244 hinein. Wie in den vorherigen Ausführungsformen ergeben
parallele Platten 252 und 2 53, die unausgerichtete Durchlässe 254 und 255
enthalten, die Grundlage für eine Verhinderung eines Rückschlags und einer
Flammenrückbewegung. Das Gas-Luftgemisch tritt in die Öffnungen 254 ein und
fließt dann parallel zu den Oberflächen und zwischen den Platten 252 und
253. Das Gas-Luftgemisch tritt dann in die Öffnungen 255 entlang ihrer
Peripherien ein. Wie in den vorherigen Ausführungsformen wird ein
Rückschlag ausgeschlossen durch die Steuerung der Einlaßgeschwindigkeiten um
die Öffnungen 255 herum und durch die Auswahl des Durchmessers und der
Anzahl der Öffnungen oder Durchlässe 255, um eine derartige Ausstoßfläche
zur Verfügung zu stellen, daß die Ausstoßgeschwindigkeit des Gemisches aus
Luft und Gas aus den Durchlässen 255 den Flammenabhub bis zu einem Punkt
kontrollieren kann, der eine sichere Verbrennung im gesamten
Betriebsbereich des Brenners sichert.
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In dieser Ausführungsform ist der Bedarf an einem Luftverteiler wie
Verteiler 28 eliminiert. Jedoch muß die Umgebung, in der die Brenneranlage
210 betrieben wird, Sauerstoff zur Verbrennung enthalten. Die Brenneranlage
210 könnte in Verbindung mit einer Einäscherung benutzt werden, wenn die
den Brenneranlage 210 umgebende Atmosphäre im wesentlichen eine normale
Atmosphäre ist, die 20 % Sauerstoff enthält, aber ebenfalls kleinere Mengen
von flüchtigen organischen Komponenten enthält. Da 100 % der
Verbrennungsluft von der umgebenden Atmosphäre geliefert werden, ist die Brenneranlage
210 in der Lage, die gesamte Verbrennungsenergie zum Heizen der Luft der
umgebenden Atmosphäre zu benutzen, im Gegensatz zum Erfordernis, daß eine
Verbrennungsluft von außen zur Verfügung gestellt wird.
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Wo die Flammenlänge der Konstruktion keine Einschränkungen auferlegt,
kann die Brenneranlage 210 als Rohgasbrenner betrieben werden, wobei die
gesamte Luft zur Verbrennung als Sekundärluft aus der Umgebung geliefert
wird. Wie in Fig. 8 in gestrichelten Linien gezeigt, ist der Venturiaufbau
221 eliminiert, und eine gerade Gasleitung 256 verbindet die Grundwandung
245 des Gehäuses 244 und den Armaturenaufbau 212. Deshalb fließt nur Gas in
das Gehäuse 244. Tests haben gezeigt, daß eine vollständige Verbrennung mit
Sekundärluft nur erreicht werden kann, wenn der Verbrennungsraum
ausreichend groß ist, um vollständige Verbrennung zu ermöglichen, ohne daß die
Flamme auf irgendwelche kalten Oberflächen aufschlägt, was einen
Löscheffekt auf die Flamme haben würde.
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Eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 10
abgebildet. Ein Brenneranlage 310 umfaßt einen U-förmigen
Gemischverteileraufbau 311, der eine Grundwandung 312 und aufrechte Seitenwandungen 313
besitzt, die in sich seitlich erstreckenden Flanschen 314 enden. Die Platte
315, die die mittig angeordnete Öffnung 316 begrenzt, ist auf den Flanschen
314 gelagert. Ein Rohr 322 ist an seinem oberen Ende, entlang der
Peripherie der Öffnungen 316, an die Grundseite der Platte 315 geschweißt, wie es
in Fig. 10 gezeigt ist. Das Rohr 322 besitzt eine zylindrische
Seitenwandung 317 und eine Grundwandung 318. In der Grundwandung 318 ist das mit
einem Gewinde versehene Gemischbegrenzungsbauteil 319 angeordnet, das darin
die Öffnung 320 definiert. Auf der Platte 315 ist das Brennergehäuse 344
angebracht, das in Struktur und Funktion mit dem zuvor beschriebenen
Brennergehäuse 44 identisch ist.
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In dieser Ausführungsform werden Gas und Luft durch irgendeinen
gewöhnlichen, kommerziellen Gas-Luft-Mischapparat im gewünschten Verhältnis
gemischt. Ein Gas-Luft-Vorgemisch wird dem Brennergehäuse 344 durch den
Verteileraufbau 311 zugeführt. Das Gemisch aus Gas und Luft passiert durch
die Öffnung 320 in das Rohr 322 hinein. Um eine gleichmäßige Verteilung an
alle Brenner, die mit dem Verteileraufbau 311 verbunden sind,
sicherzustellen, wird ein Druckabfall des Gas-Luft-Gemisches über die Öffnung 320
angelegt und die Mischung dann in das Rohr 322 diffusiert, um in das
Brennergehäuse 344 durch die Öffnung 316 einzutreten. Die kommerziell
verfügbaren Gas-Luft-Mischer sind so konstruiert, daß das richtige
Brennstoff-Luftgemisch im gesamten Reduzierbereich der Brenneranlage 310
beibehalten wird. Sobald das Gas-Luft-Gemisch in das Brennergehäuse 344
eintritt, wird es zwischen den Platten 352 und 353 und ihren zugehörigen
Öffnungen verteilt, wie zuvor bezüglich des Brennergehäuses 44 beschrieben.
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Mehr als 20 Brennermodelle wurden getestet, wobei verschiedene
Kombinationen von Durchmesser und Anzahl von Öffnungen in den Platten
angewandt wurden. Damit die Peripheriefläche kleiner als die
Querschnittsfläche der Öffnung in der oberen Platte ist, z.B. in der ersten
Ausführungsform die Öffnungen 55 in der Platte 53, muß der Raum zwischen den
parallelen Platten geringer sein als 0,25 mal der Durchmesser der
Auslaßöffnungen. Experimentell ist bestimmt worden, daß ein gleichbleibendes
Löschen der Flamme stattfindet, wenn die Peripheriegeschwindigkeit der
Mischung in den Austrittsdurchlaß hinein immer größer als 0,365 m/s
(1,2 ft. per second) ist. Dies stimmt mit anderen Studien überein, die zum
Flammenauslöschen von Gemischen aus Methan und Propan in Luft durchgeführt
wurden. Während der Raum zwischen den parallelen Platten nur ausreichend
dünn sein muß, um eine Fläche zu bewirken, die eine Gemischgeschwindigkeit
sicherstellt, die größer als die Flammengeschwindigkeit ist, zeigen
Experimente an, daß die Dicke des Raumes zwischen den parallelen Platten
für Durchmesser der Brennerdurchlässe bis zu 19,05 mm (0,750 in.) nicht
größer als 12,7 mm (0,050 in.) sein muß. Für kleine Durchmesser der
Öffnungen in der Brenneroberflächenplatte müßte der Raum zwischen den
Platten verringert werden, und mit einigen der experimentellen Brenner, an
denen Tests durchgeführt wurden, sind mit einem Trennabstand zwischen den
parallelen Platten von 0,508 mm (0,020 in) exzellente Resultate erzielt
worden.
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Wenn der Brenner in Verbindung mit der direkten Beheizung der
abstrahlenden Wände benutzt wird, die in US-Patent 4,546,533 und US-Patent
4> 785,552 beschrieben sind, ist es wünschenswert, das Abgas aus dem Ofen zu
verbrennen. Dies kann erreicht werden, indem die Abgasluft vom Ofen benutzt
wird, um die Sekundärluft für die Verbrennung bereitzustellen. Falls
Venturis benutzt würden, um das Eingangsvorgemisch zum Verbrauch
bereitzustellen, dann könnten sowohl die Primär- als auch die Sekundärluft aus dem
Inneren der Kammer geliefert werden, in der der Brenner angebracht ist. Auf
diese Weise würden, falls die Abgase verbrannt würden, die Abgase sowohl
die Primär- als auch die Sekundärluft zur Verbrennung bilden. Die Abgasluft
wird dem Verbrennungshohlraum auf der Innenseite der (Heiz-) Strahlfläche
auf einem Niveau zugeführt, das eine gute Vermischung für die Verbrennung
ermöglicht. Unter dieser Betriebsbedingung würde ein Abgasventilator (nicht
dargestellt) benutzt werden, um die Verbrennungsprodukte aus der
Verbrennungszone auszublasen, was den Verbrennungsraum unter negativen Druck
stellen würde und es der Abgasluft vom Ofen ermöglichen würde, in die
Verbrennungszone gezogen zu werden. Ordnungsgemäße Kontrollen würden
sicherstellen, daß das Ofenabgas für eine Verweilzeit von ungefähr 0,7
Sekunden über einer Veraschungstemperatur von ungefähr 676,476 ºC (1250 ºF)
bleibt. Diese Bedingungen werden die minimal erforderliche Temperatur für
die Selbstzündung der flüchtigen organischen Komponenten in der Abgasluft
sicherstellen.
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Das Reduzierverhältnis der Brenneranlage 10 ist, wenn nur das Gas
gesteuert wird, in der Größenordnung von 6 zu 1, was in den meisten
Ausführungsbeispielen der Brenneranlage 10 ausreichend ist. Jedoch kann ein
größerer Bereich der Reduzierung durch die Steuerung oder teilweise
Steuerung der Luft zusammen mit dem Gas geschaffen werden. Wenn die Luft
gesteuert wird, sollte der niedrigste Luftdruck nicht geringer sein, als es
erforderlich wäre, um eine gute Verteilung im Vertelleraufbau 11
aufrechtzuerhalten. Ebenso könnte es in einer Anwendung, in der die Produkte der
Verbrennung ventiliert werden müssen, die Wärmeübertragungseffizienz durch
Steuerung der Verbrennungsluft in Verbindung mit dem Gas verbessern, um
Überschußluft in den Verbrennungsprodukten bei niedrigen Zufuhren zu
verhindern Wie zuvor diskutlert, benötigt die Brenneranlage 10 keine
umfangreiche Menge an Überschußluft für eine effiziente und vollständige
Verbrennung, und demzufolge würde die nicht für den Verbrennungsprozeß
erforderliche Luft in einer ventilierten Anwendung die
Wärmeübertragseffizienz verringern, und zwar durch die Erhöhung der Verluste, die den
Abzugsprodukten zuzuschreiben sind. In den Fällen, in denen der Ofen oder
der Wärmeübertragungsprozeß direkt die Verbrennungsprodukte nützt, ist die
Effizienz nicht beeinflußt, weil die Verbrennungsluft gewöhnlich immer
geringer ist als die für den Prozeß erforderte Zusatzluft. Wiederum, da die
Brenneranlage 10 nicht empfindlich auf das Brennstoff-Luftverhältnis
reagiert, stellt er in seiner Anwendung zum Erreichen maximaler
Wärmeübergangseffizienzen Flexibilität bereit, aber ermöglicht die Benutzung
einfacher Kontrollen durch die Steuerung des Gasdrucks nur, wenn die
Wärmeübergangseffizienz keine Rolle spielt.
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Die meisten Ausführungsformen der Brenneranlage 10 dieser Erfindung
können in einer sauerstoffreien Atmosphäre betrieben werden. Tests sind in
einer Atmosphäre durchgeführt worden, die vornehmlich aus Stickstoff und
CO&sub2; bestand. Unter diesen extremen Betriebsbedingungen, wobei der gesamte
Sauerstoff für die Verbrennung vom Gemischverteileraufbau 11 geliefert
wurde und kein Sauerstoff für die Verbrennung aus der Umgebung verfügbar
war, wurde weniger als 200 ppm (parts per million) Kohlenmonoxid in den
Verbrennungsprodukten gemessen. Das CO&sub2; in den Verbrennungsprodukten lag so
hoch wie 11 %, wenn Methangas verbrannt wurde, während das CO weiterhin bei
weniger als 200 ppm verblieb. Diese Tests zeigen die Fähigkeit der
Brenneranlage 10 an, eine vollständige Verbrennung ohne Überschußluft und ohne das
Erfordernis einer nicht durch den Gemischverteileraufbau 11 gelieferten
Verbrennungsluft beizubehalten. Dieses Merkmal ermöglicht es der
Brenneranlage 10, in einer Kammer oder Umgebung zu arbeiten, in der der gesamte
Sauerstoff durch Kohlendioxid ersetzt ist.
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Die Wärmeübergangseffizienz durch die abstrahlenden Wände meines
früheren Patents 4,546,553 wurde als größer als 88 % gemessen, wenn der
Brenner dieser Erfindung als Heizquelle benutzt wird. Zusätzlich kann die
Brenneranlage 10 bei guter Brennerfunktion um 360º um die Längsachse in
jede Position gedreht werden.