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Die Erfindung bezieht sich auf Gasbrenner und hat zur Aufgabe, die toxischen
Emissionen zu verringern, die aufgrund der Verbrennung in konventionellen
Gasbrennern erzeugt werden.
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Zu den Nebenprodukten der Gasverbrennung gehören eine Reihe toxischer
Verbindungen, wie z. B. Stickoxide und Kohlenmonoxid. Unser besseres
Verständnis der schädlichen Wirkungen dieser Verbindungen auf die Umwelt
hat zusammen mit einem gesteigerten Umweltbewußtsein die Suche nach
Möglichkeiten zur Vermeidung oder Verringerung toxischer Nebenprodukte bei
der Verbrennung angestoßen.
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Herkömmliche atmosphärische Gasbrenner, wie sie beispielsweise in Herden,
Boilern und Zentralheizungsanlagen benutzt werden, setzen bekanntlich im
allgemeinen mehr als 100 ppm Stickoxide frei, wenn sie unter normalen
Betriebsbedingungen laufen.
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Dieser Wert läßt sich durch die Erhöhung der Luftmenge reduzieren, die vor
der Entzündung mit dem Brenngas innig vermischt wird. Diese Luft, im
allgemeinen Primärluft genannt, wird meist als ein Volumenprozentsatz der als
"theoretischer Luftbedarf" bezeichneten Menge ausgedrückt, die für die
vollständige Verbrennung des jeweiligen Brennstoffs erforderlich ist. So lassen
sich beispielsweise die Stickoxidemissionen auf weniger als 40 ppm reduzieren,
wenn zusätzliche Luft in einer Menge von bis zu 40 % über dem theoretischen
Luftbedarf in der Primärgas-Brennstoffmischung enthalten ist.
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Es ist ferner bekannt, daß die Reduzierung der Stickoxidemissionen mit der
Menge an überschüssiger Luft in der Gas-Brennstoffmischung zusammenhängt.
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Eine Voraussetzung für die Erhöhung der Luftmenge in der Primärgas-
Brennstoffmischung auf diese Werte erfordert jedoch eine Änderung der
Brennerkonstruktion, damit der Brenner der überschüssigen Luft gewachsen ist
und mit gutem Wirkungsgrad arbeitet. Solche Brenner mit geänderter
Konstruktion sind normalerweise mit einem Ventilator und einer Steuerung
ausgestattet und als Brenner mit Vormischung bekannt.
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Änderungen dieser Art sind kostspielig und laufen neueren Entwicklungen in
der Gasgeräteindustrie entgegen, da heutige atmosphärische Gasbrenner vor
allem unter den Gesichtspunkten einer Verringerung von Gewicht, Volumen
und Komplexität des Brenners konstruiert werden.
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Zu den alternativen Möglichkeiten, zusätzliche Primärluft in das System
einzubringen, gehört die automatische Mitnahme von Luft in das System durch
Einspritzen des Brennstoffs in den Brenner. Dies ist als Primärluftbeimischung
bekannt, und konventionelle Brenner, die so funktionieren, können eine
Primärluftbeimischung von 40 bis 80 % des theoretischen Luftbedarfs
erreichen. Die restliche Luft, die zur Beendigung der Verbrennungsreaktion
erforderlich ist, diffundiert nach der Entzündung in die Flamme und wird als
Sekundärluft bezeichnet.
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Es ist bekannt, daß die Emission von Stickoxiden bei einer
Primärluftbeimischung von ungefähr 50 % ihre Spitze erreicht, woraus folgt, daß
maximale Stickoxidmengen im Routinebetrieb eines atmosphärischen
Gasbrenners entstehen. Eine Reduzierung der Primärluftbeimischung führt zu einer
Erhöhung anderer toxischer Produkte, wie z. B. von Kohlenmonoxid.
Andererseits ist eine Erhöhung der Primärluftbeimischung auf mehr als 60 bis
70 % aufgrund der konstruktiven Einschränkungen eines herkömmlichen
atmosphärischen Gasbrenners nicht möglich.
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Das Verfahren der Primärluftbeimischung läßt sich gut in eine erste und eine
zweite Phase einteilen, wobei die erste Phase die Luftbeimischung darstellt, die
stattfindet, bevor die Gas-Brennstoffmischung eine oder mehrere
Primäraustrittsöffnungen verläßt; und die zweite Phase stellt die Luftbeimischung dar,
die nach Emissionen der Gas-Brennstoffmischung aus den Austritten und vor
der Entzündung stattfindet.
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Die GB-PS 173 593 beschreibt einen Bunsenbrenner, bei dem neben einem
Brennstoff-Ölauslaß in einem Brennerkörper eine Flammenausbreitungsplatte
vorgesehen ist. Dieser Brenner ist für einen Betrieb konstruiert, bei dem die
Flamme des Brenners am Austritt aufgebaut (siehe Seite 3, Zeile 43 der GB-PS
173 593) und durch die Platte in einen dünnen Flammenfilm ausgebreitet wird,
welcher Sekundärluft aus der Atmosphäre aufnimmt (siehe Seite 3, Zeile 18 -
21 der GB-PS 173 593). Die Erfindung befaßt sich demgegenüber mit
modernen Brennerkörpern und deren Funktionsweise und versucht auch, der
Flamme Sekundärluft zuzuführen, um die Verbrennung zu verbessern und die
Emission von toxischen Verbindungen zu reduzieren; indessen wird bei der
Erfindung die Zuführung der Sekundärluft durch ein anderes Verfahren des
Brennerbetriebs erreicht.
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Durch die Erfindung hat sich herausgestellt, daß es möglich ist, eine Erhöhung
der Primärluftbeimischung in der oben erwähnten zweiten Phase
durchzuführen; dementsprechend sieht die Erfindung Maßnahmen vor, um die
Luftmenge, die vor der Entzündung in die Brenngasmischung gelangt, zu
erhöhen, womit sich Gesamtwerte für die Primärluftbeimischung von bis zu
und mehr als 100 % erzielen lassen.
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Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Betreiben eines Gasbrenners
vorgesehen, dessen Bauart folgende Merkmale aufweist: (a) einen
Brennerkörper, (b) Öffnungen im Brennerkörper, aus der ein länglicher
Brenngas-Luftmischungs-Vorhang austreten kann, und (c) eine Wand, die so
angeordnet ist, daß sie auf einer Seite dieses Brenngas-Luftmischungs-
Vorhangs liegt, besitzt und ein Mittel darstellt, auf dem die Brennerflamme
aufgebaut werden kann. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß der
Vorhang aus dem Brenngas-Luftgemisch dazu gebracht wird, (d) aus den
Öffnungen auströmen und in der Nähe der Wand zu wandern und (e) mit einer
Geschwindigkeit, die größer als die Verbrennungsgeschwindigkeit der Flamme
ist, die Flamme an einer Stelle auszubilden, welche von den Öffnungenentfernt
liegt, damit Sekundärluft zwischen den Öffnungen und der Flamme in den
Vorhang eingeleitet wird.
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Vorzugsweise umfassen die Brennstofföffnungen wenigstens eine einzelne
Reihe auf mindestens einer Seite der Wand.
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Die Ausbildung einer Wand erleichtert die Laminarströmung der Gas-
Luftmischung und die Aufnahme von zusätzlicher Luft. Der Brenner kann so
ausgebildet sein, daß die Flamme entlang der Oberkante dieser Wand aufgebaut
wird; die Wand stabilisiert die Flamme, die auf deren Oberkante brennt. Die
zusätzliche Luft wird nach und nach in die Brenngasmischung in dem Maße
eingeführt, wie die Brenngasmischung an der Wand nach oben wandert. Die
Erfindung schafft an der Flammenfront solche Bedingungen, daß sich in den
Verbrennungsprodukten eine wesentliche Reduzierung der Stickoxide ergibt.
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Eingangs wurde bereits dargelegt, daß herkömmliche Brenner, die bei
normalen Brennstoffeinspritzdrücken betrieben werden, Stickoxidemissionen
von mehr als 100 ppm erzeugen. Im Gegensatz hierzu erzeugt ein
erfindungsgemäß ausgebildeter Brenner bei Betrieb unter den gleichen Bedingungen
Stickoxidemissionen von weniger als 50 ppm. Diese Ergebnisse zeigen
erhebliche Verringerungen der Stickoxidemission, wobei solche Werte bisher
mit herkömmlichen Gasbrennern nicht erzielt werden konnten, womit die
Erfindung von erheblichem Vorteil für die Umwelt ist.
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Es wird damit gerechnet, daß eine ganze Reihe von Gasbrennerkonstruktionen
gemäß der Erfindung betrieben werden kann. Somit können Rohrbrenner an
mindestens einer Seite der Austrittsöffnungen mit Wänden versehen werden,
während Ringbrenner an mindestens einer Seite der Austrittsöffnungen mit
konzentrischen Wänden versehen werden können.
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Die Erfindung hat daher auch wirtschaftliche Vorteile, da sie eine Möglichkeit
bietet, bestehende Brenner mit einem Minimum an Änderungsaufwand
anzupassen, so daß sie in demselben Gerät effizienter und sinnvoller funktionieren
können.
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Die Erfindung umfaßt ferner einen Brenner für den vorstehend beschrieben
Betrieb..
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Erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele werden im folgenden anhand von
Beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
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Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines bekannten Brenners;
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Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäß
ausgebildeten Brenners;
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Fig. 3 ein Schnitt durch den in Fig. 2 gezeigten Brenner;
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Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Rohrbrenners gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines Brenners gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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Fig. 6 eine Draufsicht eines Kastenbrenners gemäß einem anderen
Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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Fig. 7 eine perspektivische Ansicht des Brenners nach Fig. 6;
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Fig. 8 eine perspektivische Ansicht eines Brenners gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
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Fig. 9 eine perspektivische Ansicht eines entsprechend einem anderen
Ausführungsbeispiel der Erfindung angepaßten Brenners.
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In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 einen Brenner, der zwei symmetrische
Metallplatten umfaßt, von denen eine in Fig. 1 gezeigt und mit dem
Bezugszeichen 2 versehen ist. Die beiden Metallplatten liegen sich unter einem
Abstand gegenüber und sind an ihren benachbarten Umfängsrändern 4 längs
der Seiten 1A, 1B und 1C durch Überlappen der dazugehörigen Kanten
abgedichtet. Jede der Platten ist in derselben Weise gepreßt, so daß ohne
weiteres ersichtlich ist, daß die in Fig. 1 auf der einen Platte 2 des Brenners
gezeigten Merkmale auch auf der gegenüberliegenden, nicht gezeigten Platte
vorhanden sind.
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Die Platte 2 ist so geformt, daß eine Brennstoffeinspritzöffnung 6 zur unteren
Vorderkante des Brenners hin angeordnet ist und einen generell kreisförmigen
Querschnitt aufweist. Einspritzöffnung 6 führt zu einem U-förmigen Weg 6A,
der zur oberen Fläche des Brenners führt.
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Die obere Fläche des Brenners ist durch eine Platte 12 abgedichtet, die eine
Vielzahl von Austrittsöffnungen 10 enthält, die in einer Vielzahl von
Längsreihen angeordnet sind, wobei die Abstände zwischen den einzelnen
Öffnungen innerhalb, aber nicht zwischen den Reihen fest sind, wodurch der
zugeführte Brennstoff effizient verbrannt wird.
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Im Betrieb wird eine zugeführte Brennstoffmischung durch die
Brennstoffeinspritzöffnung 6 eingespritzt und wandert auf einem sinusförmigen Weg
längs des Einspritzweges 6A, bis sie schließlich durch die in der Platte 12
vorgesehenen Austrittsöffnungen 10 austritt, wo die Verbrennung stattfindet.
Die erste Phase der Primärluftbeimischung findet während der Einspritzung der
Brennstoffmischung in die Einspritzöffnung 6 statt, wenn an der Öffnung 6
Luft in die Mischung eingeführt wird.
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Aus Fig. 2, welche den erfindungsgemäß angepaßten Brenner nach Fig. 1
zeigt, ist ersichtlich, daß die Platte 12 mit einer länglichen Mittelwand 14
versehen ist. Außerdem sind Austrittsöffnungen 10 in zwei parallelen Reihen
an den beiden Seiten der Wand 14 angeordnet.
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Die Wand 14 ist vorzugsweise 6 bis 15 mm hoch, während die Öffnungen 10
vorzugsweise nicht mehr als 2,5 mm vom Fuß der Wand 14 angeordnet sind.
Diese Parameter stellen unter Berücksichtigung der typischen Größe der
Brenner, auf die sich die Erfindung im wesentlichen bezieht, optimale
Baubedingungen für das effiziente Funktionieren des Brenners dar. Die
Öffnungen 10 müssen nahe genug an der Wand 14 liegen, daß die
Brennstoffmischung, die daraus austritt, an der Wand nach oben wandern
kann. Außerdem muß die Geschwindigkeit der aus den Öffnungen 10
austretenden Brennstoffmischung höher als die Verbrennungsgeschwindigkeit
der Flamme sein, da die Flamme, wie bei F in Fig. 3 gezeigt ist, vorzugsweise
an der Oberkante der Wand 14 aufgebaut werden sollte. Wird dies nicht
erreicht, entzündet sich die Brennstoffmischung auf den Öffnungen 10, so daß
in der zweiten Phase, während der Brennstoff an der Wand nach oben wandert,
vor der Entzündung keine Steigerung möglich ist. Andererseits weiß der
Fachmann, daß die Brennstoffmischung sich nicht entzündet, wenn die
Brennstoffmischungsgeschwindigkeit die Verbrennungsgeschwindigkeit
wesentlich überschreitet.
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Der Abstand zwischen einzelnen Öffnungen wird ferner durch deren Größe
bestimmt; beispielsweise haben die Öffnungen 10 in Fig. 2 und auch in allen
anderen Ausführungsbeispielen vorzugsweise einen Durchmesser von 1 mm,
während der Abstand zwischen den Öffnungsmittelpunkten 2,5 mm beträgt.
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Öffnungsgröße und -abstand sind wichtige Parameter, die zu berücksichtigen
sind, wenn ein Brenner für den erfindungsgemäßen Betrieb angepaßt wird,
denn die Flamme wird, wenn die Abstände zwischen den Öffnungen zu groß
sind, instabil; wenn die Abstände zwischen den Öffnungen zu eng sind, kann
die Brennstoffmischung durch gegenseitige Stabilisierung auf den Öffnungen
verbrennen, so daß wiederum die Erhöhung der Primärluft-Brenngasmischung
in der zweiten Phase nicht möglich ist.
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Unter normalen Betriebsbedingungen sollte daher der Brenner im wesentlichen
in der vorstehend beschriebenen Weise konstruiert werden, wenn er effizient
funktionieren soll.
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Im Betrieb wird ein Vorrat an Brennstoffmischung durch die
Brennstoffeinpritzöffnung 6 injiziert und wandert auf einer sinusförmigen Bahn in dem
Brennerkörper, wobei sie letztlich durch die Primäraustrittsöffnungen 10 in der
Platte 12 längs der Wand 14 nach oben austritt. Die erste Phase der
Primärluftbeimischung findet während der Einspritzung der
Brennstoffmischung in die Öffnung 6 statt, indem an der Öffnung 6 Luft in die Mischung
gezogen wird; die zweite Phase der Primärluftbeimischung findet nach Austritt
der Gasbrennstoffmischung aus den Öffnungen 10 während deren
Aufwärtsbewegung an der Wand 14 statt.
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Zum bessern Verständnis der zweite Phase der Primärluftbeimischung ist diese
zweite Phase in Fig. 3 schematisch dargestellt; hieraus ist ersichtlich, daß eine
Gasbrennstoffmischung aus den an beiden Seiten der Wand 14 gelegenen
Öffnungen 10 austritt und einen Brenngas-Luft-Vorhang 13 bildet, der vor der
Entzündung auf der obersten Oberflächenkante der Wand 14 längs dieser Wand
nach oben wandert.
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Während der Bewegung des Brenngas-Luft-Vorhangs nach oben wird, wie
durch die Pfeile 15 gezeigt ist, zusätzliche Luft in die Brennstoffmischung
gezogen, so daß der Grad der Primärluftbeimischung in der vorliegend als
zweite Phase beschriebenen Phase erhöht wird.
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Wenn die Gas-Brennstoffmischung die Austritte 10 verläßt, wandert sie vertikal
an der Wand 14 hinauf, wobei während dieses Vorganges eine progressive
Erhöhung der Luftsauerstoffmenge in der Gasbrennstoffmischung erfolgt.
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Die Entzündung der Gas-Brennstoffmischung führt zu einer stabilen Flamme
F, die auf der obersten Kante der Wand 14 abbrennt.
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Es ist davon auszugehen, daß die Wand 14, welche den Grad der
Brennstoffluftbeimischung erhöht, die Verbrennungsbedingungen optimiert und
somit das Maß an toxischen Emissionen reduziert.
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Aus den Fign. 4 bis 9 ist die Möglichkeit ersichtlich, eine Anzahl
verschiedener erfindungsgemäßausgebildeter Brenner vorzusehen. Fig. 4 zeigt
insbesondere einen Einzelrohrbrenner, der auf seinen obersten Flächen 12 mit
einer Wand 14 und Austrittsöffnungen 10 versehen ist, die auf deren beiden
Seiten und parallel zu ihr angeordnet sind.
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Fig. 5 zeigt in ähnlicher Weise einen Brenner, der so ausgebildet ist, daß er
einen horizontalen Brenngas-Luftmischungsvorhang erzeugt, wenn eine Wand
14 und Öffnungen 10 vorgesehen sind. Fign. 6 und 7 zeigen einen
Kastenbrenner mit Reihen von Umfangsöffnungen 10, die auf beiden Seiten
von Umfangswändreihen 14 angeordnet sind. In der Perspektive gemäß Fig.
7 ist ersichtlich, daß die Öffnugnen 10 und die Wände 14 nur um den oberen
Teil des Umfangs des Brenners verlaufen, womit die Verbrennung auf die
obere Flächen diesesumfangsteils beschränkt ist.
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Fig. 8 zeigt einen herkömmlichen Ringbrenner, der erfindungsgemäß in der
Weise angepaßt wurde, daß eine Wand 14 neben den Austrittsöffnungen 10
vorgesehen ist.
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Fig. 9 zeigt schließlich einen erfindungsgemäß angepaßten Rohrbrenner, der
ebenfalls mit einer zweiten Wand 14A versehen wurde, die gegenüber und
parallel zur Wand 14 angeordnet ist. Außerdem sind zwischen den Wänden 14
und 14A zusätzliche Austrittsöffnungen 10A vorgesehen, welche die
Brennstoffzufuhr an der Verbrennungsstelle erhöhen. Die Anzahl der
zusätzlichen Öffnungen 10A ist wesentlich niedriger als die Anzahl der
Austrittsöffnungen 10. Die Öffnungen 10A ermöglichen eine Regelung der
Brenngas-Luftmischung, so daß die aus der Erhöhung in der ersten und zweiten
Phase resultierende Gesamtmenge an beigemischter Primärluft durch die
Zufuhr von zusätzlichem Brennstoff eingestellt werden kann, um die
Flammenstabilität zu verbessern. Diese Anordnung kann bei jedem
Ausführungsbeispiel der Erfindung vrwendet werden.
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Bestehende Brennerkonstruktionen können in erfindungsgemäßer Weise
angepaßt oder in vorhandenen Gerätenn benutzt werden, sofern der in
vorhandenen Geräten an der Oberseite vorgesehene Platz für die Verbrennung
ausreichend groß ist, um die Flammverbesserungswand 14 unterzubringen.
Dies ist ein wichtiges Merkmal der bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung, da sich damit in Betrieb befindliche Brenner mit geringen baulichen
Änderungen so anpaßen lassen, daß sie mit niedrigeren Stickoxidemissionen
funktionieren. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Anpassung bestehender
Brenner beschränkt, sondern läßt sich bei allen geeigneten neuen und
bestehenden Brennerkonstruktionen anwednen.
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Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß die mit der Anwendung
der Erfindung erzielten Vorteile einen bedeutenden Schritt bei der
Verbrennung durch Brenner darstellen.