AT516424B1 - Vorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Flamme - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Betreiben einer Flamme, umfassend zumindest eine Zuleitung (2) für zumindest ein insbesondere gasförmiges Oxidationsmittel und zumindest ein brennbares Material, insbesondere ein brennbares Gas, einen Brenner zum Verbrennen desselben und eine Beschallungseinrichtung (4), mit welcher das Oxidationsmittel in Schwingung versetzbar ist. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass der Brenner zumindest einen Steuerbereich zum Führen des in Schwingung versetzten Oxidationsmittels und des brennbaren Materials zur Erzeugung einer Pilotflamme (6) und zumindest einen Hauptbereich für zumindest eine Hauptflamme (8) umfasst, wobei der Steuerbereich mit der Beschallungseinrichtung (4) verbunden ist und wobei im Hauptbereich ein weiteres Oxidationsmittel und ein weiteres brennbares Material führbar sind. Weiter betrifft die Erfindung eine Verwendung einer solchen Vorrichtung (1). Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Flamme, wobei zumindest ein insbesondere gasförmiges Oxidationsmittel und zumindest ein brennbares Material, insbesondere ein brennbares Gas, zu einem Brenner geführt werden, wobei das Oxidationsmittel von einer Beschallungseinrichtung (4) in Schwingung versetzt wird, wobei vorgesehen ist, dass das Oxidationsmittel mit dem brennbaren Material zusammengeführt und das brennbare Material verbrannt wird, wobei davon beabstandet ein weiteres brennbares Material unter Zuführung eines weiteren Oxidationsmittels verbrannt wird.

Description

Beschreibung

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINER FLAMME [0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betreiben einer Flamme, umfassend zumindest eine Zuleitung für zumindest ein insbesondere gasförmiges Oxidationsmittel und zumindest ein brennbares Material, insbesondere ein brennbares Gas, einen Brenner zum Verbrennen desselben und eine Beschallungseinrichtung, mit welcher das Oxidationsmittel in Schwingung versetzbar ist.

[0002] Weiter betrifft die Erfindung eine Verwendung einer solchen Vorrichtung.

[0003] Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Flamme, wobei zumindest ein insbesondere gasförmiges Oxidationsmittel und zumindest ein brennbares Material, insbesondere ein brennbares Gas, zu einem Brenner geführt werden, wobei das Oxidationsmittel von einer Beschallungseinrichtung in Schwingung versetzt wird.

[0004] Bei vielen Verbrennungsprozessen in der Industrie und der Forschung wird eine energiereiche Flamme benötigt, beispielsweise beim Verbrennen von Biomasse, in Zementwerken oder in Forschungslaboren. Um eine solche Flamme zu erzeugen, ist üblicherweise viel Brennstoff notwendig, insbesondere Brennstoff mit einem hohen Brennwert. Aufgrund von ständig steigenden Brennstoffpreisen ist das Betreiben einer solchen Flamme sehr kostenaufwendig. Zudem ist eine Umweltbelastung durch hohe umweltschädliche Emissionen, insbesondere von CO₂, entsprechend groß, wobei eine Höhe der Emissionen stark von beim Verbrennen entstehenden Turbulenzen der Flamme abhängen kann. Wenn sich eine Flamme turbulent bewegt, kann ein Rußanteil dieser steigen und die Flamme leuchtet gelb. In einem solchen Zustand der Flamme ist die Emission von umweltschädlichen Gasen maximal.

[0005] Beim Betreiben einer Flamme sollte daher darauf geachtet werden, dass diese möglichst stabil und ohne starke Schwingungen brennt, um einerseits Emissionen gering zu halten und andererseits eine möglichst gleichmäßige Wärme- bzw. Energieabgabe zu gewährleisten. Dazu kann es jedoch notwendig sein, die Brennstoffzufuhr konstant hochzuhalten, was wiederum hohe Kosten verursacht.

[0006] Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen bekannt geworden, mit welchen Instabilitäten einer Flamme herabsetzbar sind. Dabei wird die Flamme bzw. ein zu verbrennendes Gasgemisch akustisch moduliert, wodurch eine Flamme kontrollierbar brennt und Turbulenzen dieser bei entsprechend gewählter Frequenz einschränkbar sind. Dadurch kann zwar eine Emission von umweltschädlichen Gasen bei geeigneter Frequenz verringert werden, ein Bedarf an kostenintensiven Brennstoff ist jedoch nach wie vor hoch.

[0007] Beim Untersuchen von Brenneigenschaften einer bzw. mehrerer Flammen und deren Verbrennungsturbulenzen wurde im Rahmen der Erfindung zufällig entdeckt, dass eine Flamme, welche Schwingungen ausführt, benachbarte Flammen mitzieht bzw. sich deren Turbulenzen und Schwingungen auf diese übertragen.

[0008] Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit welcher eine Flamme unter Ausnutzung dieses zufällig entdeckten Effektes effizient und kostengünstig betreibbar ist.

[0009] Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, eine Verwendung einer solchen Vorrichtung anzugeben.

[0010] Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem eine Flamme unter Ausnutzung dieses zufällig entdeckten Effektes effizient und kostengünstig betreibbar ist.

[0011] Die erste Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art der Brenner zumindest einen Steuerbereich zum Führen des in Schwingung versetzten Oxidationsmittels und des brennbaren Materials zur Erzeugung einer /15

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Pilotflamme und zumindest einen Hauptbereich für zumindest eine Hauptflamme umfasst, wobei der Steuerbereich mit der Beschallungseinrichtung verbunden ist und wobei im Hauptbereich weiteres Oxidationsmittel und ein weiteres brennbares Material führbar sind.

[0012] Ein mit der Erfindung erzielter Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass durch eine räumliche Trennung des Steuerbereiches vom Hauptbereich nur dieser Teil des Oxidationsmittels in Schwingung versetzbar ist, welcher die Pilotflamme erzeugt. Dabei brennt die durch eine Verbrennung des brennbaren Materials erzeugte Pilotflamme ruhig, räumlich eng und möglichst ohne ungewollte bzw. unkontrollierbare Turbulenzen. Die gepulste Pilotflamme weist weiter eine hohe Energiedichte und hohe Reaktionsrate auf, wodurch ein Brennverfahren beschleunigt ist. Im Steuerbereich ist hierbei nur wenig brennbares Material geführt, wodurch Kosten herabsetzbar sind. Auch kann die Beschallungseinrichtung im Vergleich zum Stand der Technik kleiner ausgebildet sein, wodurch weitere Kosten einsparbar sind. Durch die räumliche Trennung des Steuerbereiches vom Hauptbereich ist es in der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, jeweils ein anderes brennbares Material und/oder jeweils ein anderes Oxidationsmittel zu führen. In der Regel ist im Steuerbereich und im Hauptbereich jedoch dasselbe Oxidationsmittel geführt, beispielsweise Luft. Erfindungsgemäß können aber auch jeweils unterschiedliche Oxidationsmittel vorgesehen sein. Durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung, insbesondere durch das in Schwingung versetzte Oxidationsmittel, ist eine Vermischung der Reaktanten optimiert. Gemäß der Erfindung werden die Schwingungen der Pilotflamme bzw. Stützflamme an die zumindest eine Hauptflamme übertragen, sodass auch diese stabil und möglichst ohne ungewollte Turbulenzen brennt. Die Pilotflamme kann dabei bevorzugt etwa mit einem Zehntel der Leistung der Hauptflamme betrieben werden.

[0013] Mit Vorteil ist dabei die Beschallungseinrichtung derart ausgebildet, dass mit dieser eine Frequenz und/oder eine Amplitude des in Schwingung versetzten Oxidationsmittels festlegbar ist und diese bei einer Verbrennung des brennbaren Materials vom Oxidationsmittel an die dabei entstehende Pilotflamme übertragbar sind. Die Frequenz und/oder Amplitude ist dabei entsprechend einer gewünschten Pulsation der Flammen einstellbar. Dabei können sich mehrere Frequenzen oder ein Frequenzbereich als günstig erweisen. Die Beschallungseinrichtung kann dabei als Sirene ausgebildet sein, welche in einem Gehäuse gelagert ist, welches hohen Drücken standhält, z.B. bis zu 10 bar und mehr. Die Sirene kann erfindungsgemäß ein Zahnrad umfassen, welches über einen Elektromotor durch eine Welle antreibbar ist. Das Oxidationsmittel strömt dabei über eine Überschalldüse zum Zahnrad, welches das insbesondere gasförmige Oxidationsmittel schneidet und diesem dadurch eine Frequenz und/oder eine Amplitude induziert. Durch eine Variation einer Anzahl der Zähne des Zahnrades, einer Größe und/oder einer Geschwindigkeit des Zahnrades sind dabei die Frequenz und/oder die Amplitude des Oxidationsmittels festlegbar. Somit ist das Oxidationsmittel mit Schall beaufschlagt und schwingt mit einer vorgegebenen Frequenz und/oder Amplitude. Eine derartig ausgebildete Sirene hat den Vorteil, dass diese auch unter hohen Druck- bzw. Temperaturbedingungen einwandfrei funktioniert. Darüber hinaus ist diese auch resistent gegenüber Verschmutzungen und Korrosion, weshalb auch aggressive Gase durch diese führbar sind. Bei einer Verbrennung des brennbaren Materials ist diese Frequenz und/oder Amplitude an die dabei entstehende Pilotflamme übertragbar, wobei es durch die Beschallungseinrichtung möglich ist, unverzüglich auf etwaige auftretende Turbulenzen der Flamme zu reagieren. Insbesondere die Frequenz ist dabei so gewählt, dass ein gepulstes und gleichmäßiges Brennen der Pilotflamme ermöglicht ist, wobei die Frequenz auch von einem Volumen der verschiedenen Bereiche der Vorrichtung abhängig ist. Alternativ zur Sirene kann die Beschallungseinrichtung auch als Lautsprecher oder anderes Beschallungsmittel ausgebildet sein, wobei sich aufgrund der oben genannten Vorteile für industrielle Anwendungen eine Sirene besonders gut eignet.

[0014] Vorteilhaft ist weiter im Steuerbereich zumindest eine Düse angeordnet, durch welche eine Mischung aus dem Oxidationsmittel und dem brennbaren Material führbar ist, um das brennbare Material im Bereich der Düse als Pilotflamme zu verbrennen, wobei die Düse derart ausgebildet ist, dass eine Geschwindigkeit der Mischung an einem Ausgang dieser mindestens doppelt so schnell ist wie an einem Eingang derselben, insbesondere mehr als viermal so

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AT 516 424 B1 2020-04-15 österreichisches patentamt schnell. Die Düse kann dabei derart ausgebildet sein, dass ein Durchmesser dieser in einem Querschnitt am Eingang größer ist als am Ausgang. Günstig kann es dabei sein, wenn dieser etwa zweimal so groß ist, um einen Rückschlag der Pilotflamme bzw. Hauptflamme zu vermeiden. Die Düse ist somit ähnlich einer Venturidüse ausgebildet und ein Druckverlust der Mischung ist so gering wie möglich gehalten. Die Düse ist akustisch transparent ausgebildet, das heißt, Schallwellen gelangen möglichst ohne Abschwächung durch diese hindurch und auch die Düse selbst verursacht kaum Lärm. Die Pilotflamme brennt dabei im Bereich dieser Düse und schwingt mit der Frequenz und/oder der Amplitude, welche dem Oxidationsmittel induziert wird. Darüber hinaus kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Düse mit einem Wirbelgenerator ausgebildet ist, sodass der Mischung durch die Düse ein Drehimpuls induziert wird, um die Flamme von der Düse beabstandet zu erzeugen. Dabei wird wenig Wärme auf die Düse bzw. eine Platte übertragen, auf welcher die Düse angeordnet ist, wodurch eine thermische Belastung der Düse gering gehalten und eine Lebensdauer dieser verlängert wird. Auch ist durch die Beabstandung der Flamme von der Düse erreicht, dass diese robuster brennt und sich nicht leicht löschen lässt. Weiter hat der beabstandete Betrieb der Flamme den Vorteil, dass eine Flammenfront flach ausgebildet und eine Modulation dieser konstant und gleichmäßig ist. Durch eine entsprechende Düse ist sichergestellt, dass ein Verhältnis zwischen Strömungsrichtung und Strömungsgeschwindigkeit der Mischung durch die Düse optimiert ist. Durch die gleichzeitige Ausbildung der Düse als Venturidüse und Wirbelgenerator ist diese sehr effizient und zugleich kostengünstig in der Herstellung.

[0015] Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass im Hauptbereich zumindest eine weitere Düse angeordnet ist, durch welche eine Mischung des weiteren brennbaren Materials und weiteren Oxidationsmittels führbar ist, um das weitere brennbare Material im Bereich der zumindest einen weiteren Düse als eine, insbesondere mehrere, Hauptflammen zu verbrennen. Bevorzugt können dabei mehrere Düsen vorgesehen sein, welche um die Düse des Steuerbereiches herum angeordnet sind. Insbesondere können dabei neun oder mehr rasterförmig angeordnete Düsen vorgesehen sein, wobei die Düse des Steuerbereiches mittig angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist es dabei von Vorteil, wenn die Düsen des Hauptbereiches baugleich mit der Düse des Steuerbereiches ausgebildet sind.

[0016] Dabei kann es günstig sein, wenn die Düsen an einem Ende des Brenners mit einem vorbestimmten Maximalabstand beabstandet voneinander angeordnet sind, um eine Übertragung der Frequenz und/oder der Amplitude der Pilotflamme auf die zumindest eine Hauptflamme zu ermöglichen. Der Abstand der Düsen ist dabei davon abhängig, wie viele Düsen angeordnet sind und wie groß die bei einer Verbrennung entstehende Flamme sein soll. Das im Bereich der Düsen des Hauptbereiches verbrennende Material kann dabei ein Gas mit niedrigem Brennwert sein, z.B. Biogas bei einer Biogasverbrennung zur Entsorgung desselben. Eine Frequenz und/oder eine Amplitude der Pilotflamme bzw. Stützflamme wird bei entsprechend gewähltem Abstand der Düsen von der Pilotflamme auf die Hauptflammen übertragen und ermöglicht somit ein Verbrennen eines Gases mit sehr niedrigem Brennwert und in weiterer Folge eine effektive Erzeugung einer Flamme, welche unter geringem Verbrauch von Brennstoff mit hohem Brennwert stabil und möglichst ohne ungewollte Turbulenzen brennt. Dadurch sind einerseits die Kosten gesenkt und andererseits umweltschädliche Emissionen herabgesetzt. Darüber hinaus kann im Hauptbereich auch ein herkömmliches Gas wie Methan oder Butan geführt werden. Durch die Pulsation der Pilotflamme und der zumindest einen Hauptflamme wird ein Wirkungsgrad einer Flamme erhöht bzw. ist mit weniger Gaszufuhr eine gleiche Temperatur einer Flamme erreichbar. Unabhängig vom geführten brennbaren Material sind die Düsen so angeordnet, dass durch die Pilotflamme eine Verbrennung bzw. eine Existenz der zumindest einen Hauptflamme gewährleistet ist.

[0017] Eine Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt mit Vorteil beim Verbrennen eines Gases mit niedrigem Brennwert.

[0018] Die weitere Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einem Verfahren der eingangs genannten Art das Oxidationsmittel mit dem brennbaren Material zusammengeführt und das brennbare Material verbrannt wird, wobei davon beabstandet ein weiteres brenn

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AT 516 424 B1 2020-04-15 österreichisches patentamt bares Material unter Zuführung von Oxidationsmittel verbrannt wird.

[0019] Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird nur ein Teil des Oxidationsmittels mit Schall beaufschlagt, mit dem brennbaren Material zusammengeführt und das brennbare Material verbrannt. Das weitere brennbare Material und das weitere Oxidationsmittel werden dabei von dem mit Schall beaufschlagten Oxidationsmittel beabstandet geführt und gleichzeitig verbrannt. Das Oxidationsmittel wird dabei bevorzugt von einer als Sirene ausgebildeten Beschallungseinrichtung in Schwingung versetzt und weiterer Folge mit dem brennbaren Material zusammengeführt, welches verbrannt wird. Eine erfindungsgemäße beabstandete Anordnung von zwei brennbaren Materialien erlaubt somit ein Führen von zwei verschiedenen brennbaren Materialien, beispielsweise von einem brennbaren Gas mit hohem Brennwert und einem mit niedrigem Brennwert. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass jeweils dasselbe brennbare Material geführt wird. In der Regel wird dabei jeweils dasselbe Oxidationsmittel geführt bzw. verwendet, z. B. Luft. Es können jedoch auch zwei unterschiedliche Oxidationsmittel geführt werden.

[0020] Vorteilhaft ist dabei vorgesehen, dass Mischungen aus Oxidationsmitteln und brennbaren Materialien über Düsen nach außen geführt werden, wobei ein brennbares Material in zumindest einem Steuerbereich im Bereich einer Düse als Pilotflamme und ein weiteres brennbares Material in zumindest einem Hauptbereich im Bereich von zumindest einer, insbesondere mehrerer, weiteren Düsen als Hauptflamme verbrannt wird. Die Pilotflamme kann dabei bevorzugt etwa mit einem Zehntel der Leistung der Hauptflamme betrieben werden, wodurch Energie eingespart wird. Erfindungsgemäß kann dabei vorgesehen sein, dass im Steuerbereich herkömmliches brennbares Material verbrannt wird wie beispielsweise Methan oder Butan. Im Gegensatz dazu kann vorgesehen sein, dass im Hauptbereich ein Gas mit geringem Brennwert verbrannt wird. Ein Gas mit geringem Brennwert ist kostengünstiger als ein herkömmliches brennbares Gas und verringert somit die bei einem Verfahren zur Erzeugung einer Flamme auftretenden Kosten. Es kann jedoch auch im Hauptbereich ein herkömmliches Gas geführt werden. Bei einer dadurch entstehenden Hauptflamme kann eine zum Erreichen einer gewünschten Temperatur der Hauptflamme notwendige Energiezufuhr bedingt durch die Pulsation dieser im Vergleich zum Stand der Technik herabgesetzt werden.

[0021] Günstig ist es dabei, wenn eine Frequenz und/oder eine Amplitude der Beschallungseinrichtung von der Mischung im Steuerbereich aufgenommen und an die Pilotflamme und von dieser an die Hauptflamme übertragen werden. Die Frequenz und/oder Amplitude kann dabei entsprechend der gewünschten Pulsation der Flammen gewählt werden. Dabei können sich mehrere Frequenzen oder auch ein Frequenzbereich als günstig erweisen. Allgemein kann dabei gelten, dass je niedriger eine Frequenz ist, umso turbulenter ist die Verbrennung. Zur Erzeugung der zumindest einen Hauptflamme kann ein Gas mit einem niedrigen Brennwert verbrannt werden, wodurch die aufzuwendende Energie herabgesetzt wird. Durch die Beschallung der Pilotflamme und die Übertragung dieser Frequenz und/oder Amplitude an die Hauptflamme kann ein Gas mit niedrigem Brennwert ohne Weiteres verbrannt und eine robuste Flamme erzeugt werden, welche resistent gegen ein Auslöschen derselben ist. Die Düsen können dazu bevorzugt beabstandet voneinander angeordnet werden, wobei der Abstand derart vorgegeben ist, dass die Schwingungen der Pilotflamme von der oder den Hauptflammen aufgenommen werden.

[0022] Mit Vorteil kann dabei weiter vorgesehen sein, dass der Flamme durch die Düsen ein Drehimpuls induziert wird, wobei die Flamme aus der Pilotflamme und zumindest einer Hauptflamme zusammengesetzt wird. Durch den induzierten Drehimpuls werden die Pilotflamme und die zumindest eine Hauptflamme beabstandet von den jeweiligen Düsen erzeugt, damit eine Wärmeleitung bzw. ein Wärmeübertrag auf die Düsen bzw. eine Platte, auf welcher die Düsen angeordnet werden können, unter Kontrolle gehalten wird. Darüber hinaus wird dabei eine Flamme mit einer flachen Flammenfront erzeugt. Die Modulation des Oxidationsmittels ist dabei möglichst ohne Verluste auf die Pilotflamme und in weiterer Folge auf die Hauptflamme übertragbar, da die Düsen akustisch transparent ausgebildet sind.

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AT 516 424 B1 2020-04-15 österreichisches patentamt [0023] Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen ergeben sich aus den nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen. In den Zeichnungen, auf welche dabei Bezug genommen wird, zeigen:

[0024] Fig. 1 [0025] Fig. 2 [0026] Fig. 3 [0027] Fig. 4 [0028] Fig. 5 [0029] Fig. 6 [0030] Fig. 7 [0031] Fig. 8 [0032] Fig. 9 [0033] Fig. 10 eine erfindungsgemäße Vorrichtung;

einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Fig. 1 entlang der Linie ll-ll;

eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung;

eine Düse;

eine Schnitt durch die Düse entlang der Linie V-V in Fig. 4;

eine untere Ansicht einer Düse;

einen Brenner mit Düsen in Draufsicht;

einen weiteren Brenner in Draufsicht;

eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens;

eine schematische Darstellung einer Düse zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

[0034] Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Betreiben einer Flamme. Die Vorrichtung 1 umfasst zumindest eine Zuleitung 2 für zumindest ein insbesondere gasförmiges Oxidationsmittel und zumindest ein brennbares Material, insbesondere ein brennbares Gas. Über eine in Fig. 1 nicht dargestellte Zuleitung 2 sind das Oxidationsmittel und das Gas einem Brenner 3 zuführbar, wobei diesem vorgeschaltet eine Beschallungseinrichtung 4 vorgesehen ist, mit welcher das Oxidationsmittel vor einem Zuführen zum Brenner 3 in Schwingung versetzbar ist. Die Beschallungseinrichtung 4 kann dabei als Sirene ausgebildet sein, welche in einem Gehäuse gelagert ist, welches hohen Drücken standhält. Die Sirene kann erfindungsgemäß ein Zahnrad umfassen, welches durch einen Elektromotor mit einer Welle angetrieben wird. Das gasförmige Oxidationsmittel strömt dabei über eine kritische Düse bzw. Lavaldüse zum Zahnrad, welches dieses schneidet und diesem dadurch eine Frequenz und/oder eine Amplitude induziert. Durch eine Variation einer Größe, einer Anzahl der Zähne des Zahnrades und/oder einer Geschwindigkeit des Zahnrades sind dabei die Frequenz und/oder die Amplitude des Oxidationsmittels festlegbar. Alternativ zur Sirene kann die Beschallungseinrichtung 4 auch als Lautsprecher oder anderes Beschallungsmittel ausgebildet sein.

[0035] Für das erste Oxidationsmittel und das brennbare Material ist ein Steuerbereich 5 vorgesehen, in welchem das brennbare Material unter Freisetzung einer Pilotflamme 6 verbrennt. Die Pilotflamme 6 ist in Fig. 1 nicht dargestellt, da diese erfindungsgemäß aus sicherheitsrelevanten Gründen innerhalb einer Schutzabdeckung 10 angeordnet sein kann. Über zumindest eine weitere Zuleitung 2 sind weiteres Oxidationsmittel und ein weiteres Gas schwingungsfrei dem Brenner 3 zuführbar. Dabei ist ein Hauptbereich 7 vorgesehen, in welchem das weitere Gas durch Zusammenführung mit dem weiteren Oxidationsmittel als zumindest eine, bevorzugt mehrere Hauptflammen 8 verbrennbar ist. Die Hauptflammen 8 sind dabei beabstandet von der Pilotflamme 6 ebenfalls innerhalb der Schutzabdeckung 10 angeordnet und demnach in Fig. 1 nicht dargestellt. Die Schutzabdeckung 10 kann dabei zumindest ein Fenster zum Beobachten der Flamme umfassen, wobei das Fenster z. B. aus Quarzglas und die Schutzabdeckung 10 z. B. aus einem Stahl ausgebildet sein kann.

[0036] Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 gemäß Fig. 1 entlang der Linie ll-ll. Hierin sind nun die Pilotflamme 6 und Hauptflammen 8 sowie der Steuerbereich 5 und der Hauptbereich 7 dargestellt. Der Steuerbereich 5 ist dabei etwa mittig im Brenner 3 angeordnet und der Hauptbereich 7 um diesen herum. Im Steuerbereich 5 ist das mit Schall beaufschlagte Oxidationsmittel mit dem Gas zusammenführbar und das Gas verbrennbar, wobei die Beschallungseinrichtung 4 nicht dargestellt ist. Der Teil der in Fig. 2 dargestellten

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Vorrichtung 1 umfasst drei Resonanzkörper 11a, 11b, 11c, mit welchen mehrere Resonanzmoden anregbar sind, wobei die Resonanzkörper 11a, 11b, 11c wie Helmholtzresonatoren funktionieren können.

[0037] Fig. 3 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung 1 ohne Schutzabdeckung 10. Dabei ist die Pilotflamme 6 an einem oberen Ende des Brenners 3 angeordnet und von acht Hauptflammen 8 umgeben. Die jeweiligen Mischungen aus Oxidationsmittel und Gas sind über Düsen 9 nach außen führbar und das Gas verbrennt im Bereich der Düsen 9, wobei die Düsen 9 an einer Platte 12 angeordnet sind. Der Brenner 3 ist hierbei durch den Steuerbereich 5 und den Hauptbereich 7 als zweistufiger Brenner 3 ausgeführt. Erfindungsgemäß kann jedoch auch ein Brenner 3 vorgesehen sein, welcher drei, vier oder mehr Stufen umfasst.

[0038] Fig. 4, 5 und 6 zeigen drei Ansichten einer Düse 9 wie diese in einer Vorrichtung 1 zum Einsatz kommt, insbesondere im Steuerbereich 5. Fig. 5 zeigt dabei einen Schnitt entlang der Linie V-V der Düse 9 aus Fig. 4. Fig. 6 zeigt eine untere Ansicht einer Düse 9 bzw. eine Düse 9 in Durchflussrichtung einer Mischung aus Oxidationsmittel und brennbarem Material. Eine untere Querschnittsfläche der Düse 9 ist größer, bevorzugt viermal so groß, wie eine obere Querschnittsfläche ausgebildet, um eine Austrittsgeschwindigkeit der Mischung zu erhöhen. Das brennbare Material bzw. Gas ist über ein Rohr 13 dem Oxidationsmittel zuführbar. Das Rohr 13 ist dabei etwa mittig in der Düse angeordnet und von insbesondere drei Befestigungsmitteln wie Schrauben in Position gehalten. Um eine hohe Geschwindigkeit des darin geführten Materials zu maximieren, kann das Rohr 13 mit einem kleinen freien Durchmesser ausgebildet sein, bevorzugt kleiner als 1,5 mm, insbesondere etwa 0,8 mm. Durch die in Fig. 4 und 5 ersichtliche Verengung 14 der Düse 9 funktioniert diese wie eine Venturidüse; ein dynamischer Druck wird maximal und ein statischer Druck minimal. Die Abmessungen der Düse 9 können dabei an eine Art und Menge des brennbaren Materials angepasst sein und somit beispielsweise für eine Führung eines Gases mit niedrigem Brennwert deutlich größer dimensioniert sein, als oben angegeben. Günstig kann es hierzu sein, dass die Düse 9 so dimensioniert ist, dass eine Geschwindigkeit des brennbaren Materials deutlich höher ist als eine entsprechende des Oxidationsmittels. Im Allgemeinen scheint der freie Durchmesser des Rohres 13 bei einer Anpassung der Düse 9 an die Art bzw. Menge des zu verbrennenden Gases wesentlich zu sein. Die übrigen Abmessungen werden entsprechend diesem skaliert. Fig. 6 zeigt weiter, dass ein oberes Teilstück 15 der Düse 9 entlang dessen Längsachse bis zu einem vorbestimmten Punkt durchgeschnitten ist und die beiden dadurch entstehenden Teile versetzt zueinander angeordnet sind. Das obere Ende der Düse 9 ist dabei nicht durchgeschnitten. Die beiden Teile des oberen Teilstückes 15 der Düse 9 können erfindungsgemäß bevorzugt derart versetzt zueinander angeordnet sein, dass jeweilige Enden in einer Mitte eines jeweiligen Durchmesser angeordnet sind. Dadurch ist ein Wirbelgenerator bzw. Vortexgenerator erzeugt, durch welchen der entstehenden Flamme ein Drehimpuls induzierbar ist und mit welchem ein Druckverlust des zu verbrennenden Gases so gering wie möglich gehalten ist. Das Rohr 13 ist bei einem Beginn der Verengung 14 bzw. bei einer Querschnittsänderung dieser mittig am oberen Teilstück 15 beabstandet davon angeordnet, wobei ein Abstand zwischen Rohr 13 und oberem Teilstück 15 etwa 3 mm bis 6 mm, bevorzugt 4mm bis 5mm betragen kann. Der Abstand ist dabei wiederum von einer Art und Menge des brennbaren Materials und somit von einer Größe der Düse 9 bzw. des Brenners 3 abhängig und kann demnach auch deutlich größer oder kleiner sein. Allgemein kann dieser etwa dem halben freien Durchmessers des Rohres 13 entsprechen. Eine Konstruktion bzw. Herstellung einer solchen Düse 9 ist im Vergleich zur Herstellung einer konventionellen Düse kostengünstig. Darüber hinaus ist diese durch deren gleichzeitige Ausbildung als Venturidüse und Wirbelgenerator sehr effizient.

[0039] Fig. 7 und 8 zeigen jeweils eine Variante eines Brenners 3 bzw. die Platte 12 mit den darauf angeordneten Düsen 9 in Draufsicht. In Fig. 7 sind neun Düsen 9 versetzt zueinander etwa bündig an der Platte 12 abschließend angeordnet. Ein Abstand der einzelnen Düsen 9 ist dabei von einer Größe des Brenners 3 und den Düsen 9 selbst abhängig. Erfindungsgemäß wird ein Abstand der Düsen 9 so gewählt, dass Schwingungen der Pilotflamme 6 auf die Hauptflamme 8 übertragbar ist. Es kann vorgesehen sein, dass alle Düsen 9 entsprechend Fig. 4, 5

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AT 516 424 B1 2020-04-15 österreichisches patentamt und 6 baugleich ausgebildet sind. Alternativ können die Düsen 9 des Hauptbereiches 7 auch als Rohr mit offenem Ende ausgebildet sein. In Fig. 8 ist eine zentrale Düse 9 im Steuerbereich 5 für die Pilotflamme 6 mittig auf der Platte 12 angeordnet. Um diese Düse 9 herum sind im Hauptbereich 7 Schlitzöffnungen 16 für die Hauptflamme 8 vorgesehen. Auch dabei ist ein Abstand der Düse 9 zu den Schlitzöffnungen 16 vorgegeben, um eine Übertragung der Schwingungen von der Pilotflamme 6 auf die Hauptflamme 8 zu gewährleisten.

[0040] Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Flamme wird wie in Fig. 9 gezeigt das erste Oxidationsmittel über die Zuleitung 2 durch die Beschallungseinrichtung 4 geführt und dadurch in Schwingung versetzt. Anschließend wird das Oxidationsmittel im Steuerbereich 5 mit dem zu verbrennenden Gas zusammengeführt, auf welches eine Frequenz und/oder eine Amplitude des Oxidationsmittels übertragen werden. Die Zuführung des zu verbrennenden Gases ist in Fig. 9 als Pfeil im Steuerbereich 5 dargestellt. Diese dabei entstehende Mischung wird durch die Düse 9 des Steuerbereiches 5 geführt und das Gas wird im Bereich dieser als Pilotflamme 6 verbrannt. Eine Auswahl der Frequenz bzw. der Amplitude wird dabei so gewählt, dass ein gleichmäßiges Schwingen der Pilotflamme 6 ermöglicht wird. Die Frequenz bzw. Amplitude der Mischung wird auf die Pilotflamme 6 übertragen und diese schwingt. Als Gas kann dabei beispielsweise Methan oder Butan verbrannt werden. Die Düse 9 ist dabei, wie in Fig. 10 gezeigt, derart ausgebildet, dass eine Geschwindigkeit der Mischung am Ende dieser bevorzugt zumindest viermal so schnell ist wie am Anfang. Dazu kann ein endseitiger Durchmesser der Düse 9 kleiner ausgebildet sein als ein eingangsseitiger Durchmesser, insbesondere kann ein eingangsseitiger Durchmesser im Querschnitt etwa zweimal so groß sein wie ein endseitiger. Dadurch wird ein Rückschlag der Pilotflamme 6 und der Hauptflamme 8 verhindert, weil diese drallstabilisiert sind. Das zu verbrennende Gas wird über das Rohr 13 in die Düse 9 geleitet, während das Oxidationsmittel außerhalb des Rohres 13 in diese geleitet wird. Die Zuführung und ein weiterer Führungsverlauf des zu verbrennenden Gases sind in Fig. 10 durch Pfeile dargestellt. Durch die Ausbildung der Düse 9 als Venturidüse bzw. durch die Verengung 14 kommt es endseitig der Düse 9 außerhalb des oberen Teilstückes 15 zu einem Stau, wodurch das zu verbrennende Gas gezwungen wird, in das obere Teilstück 15 der Düse 9 einzutreten und sich mit dem Oxidationsmittel zu vermischen. Somit bleibt ein Druckverlust innerhalb der Düse 9 möglichst gering und es kommt zu keiner Sperrung der Strömung. Darüber hinaus wird bei einer unreinen Strömung eine Ablagerung weitgehend vermieden. Auch ist die Düse 9 dadurch akustisch transparent ausgebildet, wodurch im gesamten Brenner 3 weder Schallwellen absorbiert noch verursacht werden. Weiter ist die Düse 9 derart ausgebildet, dass der Pilotflamme 6 ein Drehimpuls induziert wird, um die Pilotflamme 6 von der Düse 9 bzw. der Platte 12 zu beabstanden. Dazu wird das zu verbrennende Gas im oberen Teilstück 15 mit dem Oxidationsmittel zusammengeführt. Durch dieses als Wirbelgenerator ausgebildete obere Teilstück 15 ist eine entstehende Flamme von der Düse 9 abgehoben. Im Steuerbereich 5 wird das zu verbrennende Material üblicherweise schon vor Zuführung zur Düse 9 mit dem Oxidationsmittel vermischt, wie in Fig. 9 dargestellt.

[0041] Über zumindest eine weitere Zuleitung 2 sind ein weiteres Oxidationsmittel zum in Fig. 9 nicht dargestellten Brenner 3 führbar. Das weitere Oxidationsmittel wird dabei direkt in ein Plenum 17 geführt, ohne die Beschallungseinrichtung 4 zu durchlaufen. Das Plenum 17 kann dabei als Resonanzkörper 11c genutzt werden. Dieses wird im in Fig. 9 nicht dargestellten Hauptbereich 7 mit einem weiteren brennbaren Material zusammengeführt, welches als bevorzugt mehrere Hauptflammen 8 verbrannt wird. Die Zuführung des weiteren brennbaren Materials ist in Fig. 9 dabei ebenfalls mit zwei Pfeilen angedeutet, welche außerhalb des Steuerbereiches 5 angeordnet sind. Auch dieses Gemisch wird über Düsen 9 nach außen geführt. Die Düsen 9 können dabei bevorzugt baugleich wie die Düse 9 des Steuerbereiches 5 ausgebildet sein, deren Funktionsweise anhand Fig. 10 erklärt ist. Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Düsen 9 beabstandet voneinander angeordnet sind, sodass die Frequenz und/oder die Amplitude der Pilotflamme 6 auf die zumindest eine Hauptflamme 8 übertragen werden. Alternativ kann die weitere Mischung anstatt über die Düsen 9 über die Schlitzöffnungen 16 in der Platte 12 nach außen geführt und das Gas verbrannt werden. Die Hauptflammen 8 nehmen somit die Schwingung der Pilotflamme 6 auf und schwingen mit derselben Frequenz und/oder

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Amplitude wie diese.

[0042] Es kann vorgesehen sein, dass im Hauptbereich 7 ein Gas mit einem niedrigen Brennwert geführt wird. Durch das Beaufschlagen der Pilotflamme 6 mit Schall und die Übertragung dieser Pulsation auf die Hauptflammen 8 können Gase mit niedrigem Brennwert verbrannt werden und die dabei entstehende Flamme kann stabil gehalten werden, ohne zu erlöschen. Anstatt des Gases mit niedrigem Brennwert kann erfindungsgemäß im Hauptbereich 7 auch ein herkömmliches Gas wie Methan oder Butan geführt werden. Bei einer Verbrennung eines solchen Gases wird durch die Pulsation ein thermischer Wirkungsgrad der Verbrennung erhöht.

[0043] Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 bzw. das erfindungsgemäße Verfahren kann also unter anderem beim Verbrennen von Biogas, zur Energieerzeugung oder auch zum Brennschneiden von z. B. Stahl verwendet bzw. angewendet werden.

Claims (8)

Patentansprüche

1. Vorrichtung (1) zum Betreiben einer Flamme, umfassend zumindest eine Zuleitung (2) für zumindest ein insbesondere gasförmiges Oxidationsmittel und zumindest ein brennbares Material, insbesondere ein brennbares Gas, einen Brenner (3) zum Verbrennen desselben und eine Beschallungseinrichtung (4), mit welcher das Oxidationsmittel in Schwingung versetzbar ist, wobei der Brenner (3) zumindest einen Steuerbereich (5) zum Führen des in Schwingung versetzten Oxidationsmittels und des brennbaren Materials zur Erzeugung einer Pilotflamme (6) und zumindest einen Hauptbereich (7) für zumindest eine Hauptflamme (8) umfasst, wobei der Steuerbereich (5) mit der Beschallungseinrichtung (4) verbunden ist und wobei im Hauptbereich (7) weiteres Oxidationsmittel und ein weiteres brennbares Material führbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass im Steuerbereich (5) zumindest eine Düse (9) angeordnet ist, durch welche eine Mischung aus dem Oxidationsmittel und dem brennbaren Material führbar ist, um das brennbare Material im Bereich der Düse (9) als Pilotflamme (6) zu verbrennen, wobei die Düse (9) derart ausgebildet ist, dass eine Geschwindigkeit der Mischung an einem Ausgang dieser mindestens doppelt so schnell ist wie an einem Eingang derselben, insbesondere mehr als viermal so schnell.

2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschallungseinrichtung (4) derart ausgebildet ist, dass mit dieser eine Frequenz und/oder eine Amplitude des in Schwingung versetzten Oxidationsmittels festlegbar ist und diese bei einer Verbrennung des brennbaren Materials vom Oxidationsmittel an die dabei entstehende Pilotflamme (6) übertragbar sind.

3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Hauptbereich (7) zumindest eine weitere Düse (9) angeordnet ist, durch welche eine Mischung des weiteren brennbaren Materials und weiteren Oxidationsmittels führbar ist, um das weitere brennbare Material im Bereich der zumindest einen weiteren Düse (9) als eine, insbesondere mehrere, Hauptflammen (8) zu verbrennen.

4. Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (9) an einem Ende des Brenners (3) mit einem vorbestimmten Maximalabstand beabstandet voneinander angeordnet sind, um eine Übertragung der Frequenz und/oder der Amplitude der Pilotflamme (6) auf die zumindest eine Hauptflamme (8) zu ermöglichen.

5. Verwendung einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zum Verbrennen eines Gases mit niedrigem Brennwert wie Biogas.

6. Verfahren zum Betreiben einer Flamme, wobei zumindest ein insbesondere gasförmiges Oxidationsmittel und zumindest ein brennbares Material, insbesondere ein brennbares Gas, zu einem Brenner (3) geführt werden, wobei das Oxidationsmittel von einer Beschallungseinrichtung (4) in Schwingung versetzt wird, wobei das Oxidationsmittel mit dem brennbaren Material zusammengeführt und das brennbare Material verbrannt wird, wobei davon beabstandet ein weiteres brennbares Material unter Zuführung von Oxidationsmittel verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass Mischungen aus Oxidationsmittel und brennbaren Materialien über Düsen (9) nach außen geführt werden, wobei ein brennbares Material in zumindest einem Steuerbereich (5) im Bereich einer Düse (9) als Pilotflamme (6) und ein weiteres brennbares Material in zumindest einem Hauptbereich (7) im Bereich von zumindest einer, insbesondere mehrerer, weiteren Düsen (9) als Hauptflamme (8) verbrannt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Frequenz und/oder eine Amplitude der Beschallungseinrichtung (4) von der Mischung im Steuerbereich (5) aufgenommen und an die Pilotflamme (6) und von dieser an die Hauptflamme (8) übertragen werden.

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AT 516 424 B1 2020-04-15 österreichisches patentamt

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Flamme durch die Düsen (9) ein Drehimpuls induziert wird, wobei die Flamme aus der Pilotflamme (6) und zumindest einer Hauptflamme (8) zusammengesetzt wird.