[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erwärmen der Oberfläche eines Substrates
mittels eines Heißgasstrahls, insbesondere unter gleichzeitiger Zufuhr von einem der
Oberflächenbehandlung oder Beschichtung dienenden Stoff nach dem Flammspritzverfahren,
bei dem das ringförmig zugeführte und mit Verbrennungsluft zu vermischende Brenngas
durch Zufuhr von Preßluft in Form eines Pumpstrahles in Richtung auf die zu erwärmende
Oberfläche beschleunigt wird.
[0002] Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Brenner zum Erwärmen der Oberfläche eines
Substrates, insbesondere in Kombination mit einer zum Flammspritzen dienenden Spritzdüse
für einen der Oberflächenbehandlung oder Beschichtung dienenden Stoff, bestehend aus
einer insbesondere koaxialen Düse für Preßluft mit einer axialen Strömungskomponenten
und einem die Düse mit Abstand umgebenden Ringleitblech, das einen Ringkanal mit rückseitigen
Öffnungen für die Zufuhr von Luft bildet, sowie aus einer konzentrisch angeordneten
Brenngasdüse.
[0003] Bei einem bekannten Brenner dieser Art transportiert die über die axiale Düse zugeführte
Preßluft gleichzeitig den Beschichtungsstoff in Partikelform. Nach dem Injektörprinzip
saugt der Pumpstrahl der Preßluft über den rückseitig offenen Ringkanal Außenluft
an. Die angesaugte Luft vermischt sich im Ringkanal mit den über eine Ringdüse am
äußeren Rand des Ringkanals zugeführten Brenngase, so daß ein Flammenkranz entsteht,
der wie ein Mantel den zentralen, mit Schichtstoffpartikeln beladenen, kegeligen Preßluftstrahl
umgibt, wobei sich zwischen diesem Mantel und dem kegeligen Preßluftstrahl ein Mantel
aus der angesaugten Luft bildet. Der Heißgasflammenmantel erwärmt die zu beschichtende
Oberfläche und trocknet diese ab. Außerdem schirmt er den kegeligen Preßluftstrahl
gegen Einflüsse aus der Umgebung ab und erwärmt ihn durch Strahlung und Verwirbelung
auf dem Weg vom Austritt aus der Düse bis zu der zu beschichtenden Oberfläche.
[0004] Die Vorteile eines mit einem solchen Brenner durchgeführten Verfahrens bestehen darin,
daß die Beschichtung in einer Zone geringster Luftfeuchtigkeit erfolgt. Die für die
Abtrocknung der Oberfläche notwendige Wärmeenergie läßt sich genügend rasch erzeugen
und herantransportieren, ohne daß die Temperatur auf dem Transportweg zu hoch wird.
Auch brennbare und niedrigsiedende Lösungsmittel können dem Beschichtungsstoff zugesetzt
werden, ohne daß sie beim Verspritzen entflammen.
[0005] Diese Vorteile. begründen den erfolgreichen Einsatz des bekannten Verfahrens und
des bekannten Brenners als Flammspritzpistole; dennoch ist der Brenner nicht frei
von Nachteilen. So wurde eine Pulsation der Strömung festgestellt, die zu unvollkommener
Verbrennung der Brenngase führte. Eine Pulsation führt auch zu einer ungleichmäßigen
Erwärmung der Oberfläche, weil die Flamme dann zum Pendeln neigt. Ist die Pulsation
sehr stark, kann es sogar zum Erlöschen der Flamme kommen.
[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und einen Brenner der eingangs
genannten Art in der Leistung und der Flammenstabilität zu verbessern.
[0007] Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren dadurch gelöst, daß zusätzliche Preßluft in
Form von mindestens einem weiteren Pumpstrahl mit axialer Strömungskomponente in einer
zur Mündungsebene der Preßluft des einen Pumpstrahls versetzten Ebene zugeführt wird.
Vorzugsweise sollte zur Vergrößerung des Strahlquerschnittes zwischen den Mündungsebenen
der Pumpstrahlen weitere Luft von außen zugeführt werden. Der weitere Pumpstrahl kann
aus einer Zentral-Strahldüse, Schlitzdüse oder Kranzdüse austreten. Ferner ist von
Vorteil, wenn in mehreren axial versetzten Ebenen Brenngas koaxial zugeführt wird.
[0008] Bei der Erfindung beruht die Verbesserung der Leistung und der Flammenstabilität
auf der mehrfachen Beschleunigung der heißen Verbrennungsgase und der kaskadenförmigen
Querschnittserweiterung bei gleichzeitiger Luftzufuhr. Messungen haben ergeben, daß
sich eine Verbrennung mit einem Gehalt unter 0,1 CO Vol.% ergibt.
[0009] Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen findet eine Umsetzung der hohen Verbrennungsgastemperatur
auf eine niedere Temperatur der heißen Gase bei hoher Strömungsgeschwindigkeit dieser
Gase in einem drucklosen, konzentrischen System statt. Dies ist Voraussetzung für
günstige Wärme- übergangskoeffizienten an der zu erwärmenden Oberfläche. Von Vorteil
ist auch der geringe Temperaturabfall der austretenden heißen Gase in Strömungsrichtung.
Deshalb lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch Körper erwärmen, die
gegenüber überhöhten Temperaturen sehr empfindlich sind. So können mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren auch Schrumpffolien zum Verpackung von Gegenständen erwärmt werden, ohne
daß es bereits bei geringen Abstandsänderungen zu einer Überhitzung der Schrumpffolie
kommt.
[0010] Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich nicht nur stationär, sondern kontinuierlich
eine Oberflächenerwärmung, Trocknung und Beschichtung, z.B. eine Rohr- oder Bandbeschichtung,im
Durchlauf durchführen.
[0011] Bei einem Brenner der eingangs genannten Art kann die gestellte Aufgabe dadurch gelöst
werden, daß das eine Ringleitblech von mindestens einem weiteren Ringleitblech größeren
Durchmessers mit rückseitigen öffnungen für die Zufuhr von Luft umgeben ist oder dadurch,
daß mindestens eine weitere, insbesondere koaxiale Düse für die Zufuhr von Preßluft
mit einer axialen Strömungskomponenten vorgesehen ist, oder schließliclydadurch, daß
beide vorgenannten Maßnahmen miteinander kombiniert sind.
[0012] Sofern ein oder mehrere Ringleitbleche vorgesehen sind, hat es sich als vorteilhaft
erwiesen, wenn das nächstgrößerekaskadenförmig über das vordere Ende des jeweils kleineren
Ringleitbleches hinausragt. Weiter ist von Vorteil, wenn die zugeordnete, weitere
Düse für Preßluft innerhalb des größeren Querschnittes insbesondere des überstehenden
Abschnittes des größeren Ringleitbleches angeordnet ist.
[0013] Zur Regulierung der Temperatur der Flamme können den f rückseitigen öffnungen des
Ringkanals für die Luft Drosselelemente zugeordnet sein. Die Drosselelemente können
von einer Lochscheibe gebildet werden. Die Drosselelemente können aber auch schräggestellte
Schaufeln sein, die dann der zugeführten Luft einen die Verwirbelung begünstigenden
Drall ergeben. Sowohl die Lochscheibe als auch die schräggestellten Schaufeln können
als Distanz-und Tragelemente zwischen den Ringleitblechen dienen.
[0014] Sowohl der Brenner als auch die Spritzpistole lassen sich in einer sauerstofffreien
Atmosphäre gebrauchen, wenn jeder Ringkanal rückseitig bis auf die öffnungen für die
Zufuhr von Luft verschlossen ist und die öffnungen an eine Zufuhrleitung für Preßluft
angeschlossen sind. Für die Benutzung des Brenners oder der Pistole unter Wasser ist
zusätzlich die Stirnseite des Brenners bis auf eine zentrale öffnung durch eine Ringplatte
verschlossen. Bei der Benutzung des Brenners unter Salzwasser sollte eine Düse für
ein Spülmedium mit Strahlrichtung durch die zentrale Öffnung vorgesehen sein, wobei
insbesondere an der Öffnung ein Ringleitblech angeschlossen ist. Das Spülmedium reinigt
dann die zu beschichtende Oberfläche von beim Trocknen entstehenden Rückständen, wie
z.B. Salz.
[0015] Um die erwärmte Oberfläche von Schmutz zu reinigen oder vorzubehandeln, z.B. für
eine Oberflächenreaktion mit dem Beschichtungsmedium zu aktivieren, kann eine weitere
Düse für ein gasförmiges oder flüssiges Medium mit Strahlrichtung auf den von den
Heißgasen beaufschlagten Bereich des Substrates außerhalb des Brennerkopfes angeordnet
sein.
[0016] Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung
näher erläutert. Im einzelnen zeigen
Fig. 1 einen Brenner im Axialschnitt in schematischer Darstellung,
Fig. 2 eine Spritzpistole zum Flammspritzen im Axialschnitt und
Fig. 3 eine Unterwasserpistole zum Flammspritzen im Axialschnitt.
[0017] In allen Ausführungsbeispielen haben der Brenner und die Spritzpistole einen konzentrischen
Aufbau.
[0018] Der Brenner gemäß Fig. 1 besteht aus einem ersten Ringleitblech 1 und einem zweiten
Ringleitblech 2 größeren Durchmessers, das konzentrisch zum ersten Ringleitblech 1
angeordnet ist und durch Distanzhalter 3 vom ersten Ringleitblech 1 getragen wird.
Die Distanzhalter 3 sind vorzugsweise als schräggestellte Schaufeln ausgebildet.
[0019] Zentral im ersten
Ringleitblech 1 ist ein Kanal 4 für die Zufuhr von Preßluft vorgesehen, der durch entsprechende
Distanzhalter 3 gehalten ist. Etwa auf halber axialer Länge des Ringleitbleches 1
sind in dem Kanal 4 als Düsen ausgebildete öffnungen 5 mit einer Hauptströmungskomponenten
in axialer Richtung ausgebildet. Das Ende des Kanals 4 weist eine Düse 6 auf, die
bereits außerhalb des Ringleitbleches 1 liegt und aus der Preßluft mit einer Hauptströmungskomponenten
in axialer Richtung austritt. Die Düse 6 kann auch als Breitschlitzdüsen ausgebildet
sein, wobei der Schlitz auch von einer Lochreihe gebildet werden kann.
[0020] Die von den Ringleitblechen 1, 2 und dem Preßluftkanal 4 gebildeten Ringkanäle sind
rückseitig offen, so daß über diese öffnungen 7, 8 Außenluft angesagt werden kann.
Die Saugkraft wird durch
[0021] die aus den Düsen 5, 6 austretende Preßluft erzeugt, die als Pumpstrahlen wirken.
Die Zufuhr von Preßluft in zwei axial versetzten Ebenen führt der angesaugten Luft
kinetische Energie zu, so daß die Luft in den Ringleitblechen 1, 2 in axialer Richtung
bei zunehmendem Luftvolumen beschleunigt wird.
[0022] Zusätzlich zu den rückseitigen öffnungen 7, 8 können auch in den Wandungen des Ringleitbleches
1 im rückwärtigen Bereich Löcher vorgesehen sein.
[0023] Am hinteren Ende des Ringleitblches 1, an dessen Wandung, ist eine Ringdüse 9 angeordnet,
die auf der dem Ringleitblech 2 zugekehrten Seite eine Lochreihe für den Austritt
von Brenngas aufweist. Das austretende Brenngas vermischt sich mit der über die rückseitigen
öffnungen 7 angesaugten Luft, so daß sich ein brennbares Gas-Luftgemisch für eine
Ringflamme bildet.
[0024] Aufgrund der zweifachen Beschleunigung des durchströmenden Gasgemisches auf seinem
Weg zum Brennermund ergibt sich eine optimale Verbrennung bei großer Flammenstabilität,
großem Gasvolumen und großer Strömungsgeschwindigkeit. Die Flammenstabilität wird
weiter verbessert durch die kaskadenförmige Anordnung der Ringleitbleche.
[0025] Nach dem Prinzip des beschriebenen Brenners kann auch eine Spritzpistole aufgebaut
sein. In einem solchen Fall wird über den zentralen Kanal 4 Preßluft mit Beschichtungspartikel
beladen zugeführt oder bei separater Zuführung von Beschichtungsstoff der Beschichtungsstoff
in der Austrittsebene der Preßluft zugeführt und dort zerstäubt. An einer zweiten,
axial versetzten Stelle kann dann entweder zentral oder ringförmig weitere Preßluft
zur weiteren Beschleunigung der Strömung zugeführt werden.
[0026] Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist seitlich am Brennerkopf eine weitere Düse
10 für die Zufuhr von Preßluft oder einem flüssigen Medium angeordnet, das entweder
auf die von den Heißgasen beaufschlagte Fläche des Substrates oder in den Heißgasstrahl
geblasen bzw. gespritzt wird. Im Falle von Preßluft lassen sich beim Trocknen freiwerdende
Staubpartikel und Schmutzpartikel wegblasen. Im Falle von einem flüssigen Medium,
z.B. von einem Aktivierungsmittel, kann die Oberfläche für das Beschichtungsmedium
aktiviert werden. Die Düse 10 selbst kann als Einzeldüse oder als Breitschlitzdüse
ausgebildet sein. Statt des Schlitzes kann auch eine Lochreihe vorgesehen sein.
[0027] Bei der Spritzpistole der Fig. 2 wird das Beschichtungsmedium einer zentralen Hochdruckdüse
11 mit Kegelstrahl zugeführt. Die Hochdruckdüse 11 ist innerhalb eines Ringleitbleches
12 angeordnet, das rückseitig Öffnungen 13 für die Zufuhr von Luft hat. Auf der Außenseite
des Ringleitbleches 12 ist ein mit Preßluft gespeister Ringkanal 14 angeordnet. Aus
dem Ringkanal 14 tritt über mehrere ringförmig angeordnete Düsen 15 Preßluft mit axialer
Hauptströmungskomponenten in den von dem Ringleitblech 12 und der Hochdruckdüse 11
gebildeten Ringkanal, so daß aus der Atmosphäre Luft über die öffnungen 13 angesaugt
wird. Aus dem Ringkanal 14 tritt ferner über ringförmig angeordnete,axiale Düsen 16
Preßluft in den Ringkanal, der von dem Ringleitblech 12 und einem Ringleitblech 17
größeren Durchmessers gebildet wird. Wie die aus den Düsen 15 austretende Preßluft
wirkt die aus den Düsen 16 austretende Preßluft als Pumpstrahl und saugt über die
rückseitigen öffnungen 18 Luft an. In dem äußeren Ringkanal ist an der Innenseite
des Ringleitbleches 17 eine Ringdüse 19 für die Zufuhr von Brenngas in den Ringkanal
angeordnet.
[0028] Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 3 wird Beschichtungsstoff über eine Düse 20, die
durch eine zentrale Hohlnadel 21 verschließbar ist, zugeführt. Über die Hohlnadel
21 kann Preßluft zugeführt werden. Die Düse 20 ist von einer Ringdüse 22 umgeben,
deren Ringkanal 23 über einen axialen Kanal 24 und eine Verzweigung 25 von einem Hauptkanal
26 Preßluft zugeführt wird, die in der Mündungsebene der Düse 20 den austretenden
Beschichtungsstoff zerstäubt. Die Düsenanordnung 20 bis 22 ist von einem inneren Ringleitblech
27 umgeben, das mit einem äußeren Ringleitblech 28 einen Ringkanal bildet, in dem
eine Ringdüse 29 für Brenngas angeordnet ist. Der Ringkanal ist rückseitig durch eine
Platte 30 bis auf öffnungen 31 verschlossen, über die, unter Zwischenschaltung eines
ringförmigen Verteilungskanals 32, Preßluft aus dem Hauptzufuhrkanal 26 zugeführt
wird.
[0029] Die Stirnseite des Brenners ist bis auf eine zentrale öffnung 33 durch eine Ringplatte
34 verschlossen, an deren innerem Rand ein nach innen ragendes, trichterförmiges Ringleitblech
35 angeschlossen ist. Durch das Ringleitblech 35 wird einmal der Strahl der heißen
Gase gelenkt und zum anderen eine Verwirbelung der heißen Gase in dem von den Ringleitblechen
28, 35 gebildeten Ringraum bewirkt.
[0030] Auch bei dieser Ausführung wird der Querschnitt in Strömungsrichtung zunächst stufenweise
vergrößert, wobei der Strömung in axial versetzten Ebenen mit der zugeführten Preßluft
kinetische Energie zugeführt wird, und erst beim Austritt im Bereich des Ringleitblches
34 ist der Querschnitt verkleinert.
[0031] Der beschriebene Brenner ist wegen seiner Einkapselung bis auf die vordere, zentrale
öffnung 33 für die Benutzung unter Wasser geeignet. Wegen des zentralen, zusätzlichen
Preßluftstrahles durch die Hohlnadel 21 ergibt sich ein starker Pumpstrahl, der dem
Druck von außen standhält.
[0032] Um die getrocknete Oberfläche von Rückständen, wie Salz, zu reinigen, kann über die
zentrale öffnung 33 und zusätzlich über eine Düse 36 ein Spülmittel, insbesondere
Süßwasser, zugeführt werden. Die Strahlrichtung sollte zur Erzeugung eines Dralls
leicht schräggestellt sein.
[0033] Gute Ergebnisse wurden mit einem Brenner des Ausführungsbeispiel der Fig. 1 erzielt,
bei dem der Durchmesser des jeweils äußeren Ringleitbleches annähernd gleich oder
kleiner als der doppelte Durchmesser desinächstkleineren Ringleitbleches ist und die
Länge des Gesamtbrenners größer als die Länge des Gesamtbrenners größer als die Länge
des Ringleitbleches mit dem größten Durchmesser. Der Ringspalt zwischen der am innerenn
Ringleitblech 1 anliegenden Ringdüse 9 für Brenngas und einem dem Brenngaskanal 4
umgebenden Trägerrohr ist annähernd gleich einem Viertel des Durchmessers des Ringleitbleches
1. Bewährt hat sich ein Brenner mit folgenden Abmessungen:

1. Verfahren zum Erwärmen der Oberfläche eines Substrates mittels eines Heißgasstrahles,
insbesondere unter gleichzeitiger Zufuhr von Beschichtungsstoff nach dem Flammspritzverfahren,
bei dem das ringförmig zugeführte und mit Verbrennungsluft zu vermischende Brenngas
durch Zufuhr von Preßluft in Form eines Pumpstrahles mit . axialer Strömungskomponenten
in Richtung auf die zu erwärmende Oberfläche beschleunigt wird, dadurch gekennzeichnet
, daß zusätzliche Preßluft in Form mindestens eines weiteren Pumpstrahles mit axialer
Strömungskomponeten in einer zur Mündungsebene der Preßluft des einen Pumpstrahles
versetzten Ebene zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet ,
daß zur Vergrößerung des Strahlquerschnittes zwischen den Mündungsebenen der beiden
Pumpstrahlen von außen weitere Luft zugeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß in mehreren axial versetzten Ebenen Brenngas koaxial zugeführt wird.
4. Brenner zum Erwärmen der Oberfläche eines Substrates, insbesondere in Kombination
mit einer Spritzdüse für einen Beschichtungsstoff, bestehend aus einer insbesondere
koaxialen Düse für Preßluft mit einer axialen Strömungskomponenten und einem die Düse
mit Abstand umgebenden Ringleitblech, das einen Ringkanal mit rückseitigen öffnungen
für die Zufuhr von Luft bildet, sowie aus einer konzentrisch angeordneten Brenngasdüse,
dadurch gekennzeichnet , daß mindestens eine weitere Düse (6,16,31) mit einer axialen
Strömungskomponenten vorgesehen ist.
5. Brenner zum Erwärmen der Oberfläche eines Substrates, insbesondere in Kombination
mit einer Spritzdüse für einen Beschichtungsstoff, bestehend aus einer insbesondere
koaxialen Düse für Preßluft mit einer axialen Strömungskomponenten und einem die Düse
mit Abstand umgebenden Ringleitblech, das einen Ringkanal mit rückseitigen öffnungen
für die Zufuhr von Luft bildet, sowie aus einer konzentrisch angeordneten Brenngasdüse,
dadurch gekennzeichnet , daß das Ringleitblech (1,12,22) von mindestens einem weiteren
Ringleitblech (2,17,28) größeren Durchmessers mit rückseitigen Öffnungen .(8,31) für
die Zufuhr von Luft umgeben ist.
6. Brenner zum Erwärmen der Oberfläche eines Substrates, insbesondere in Kombination
mit einer Spritzdüse für einen Beschichtungsstoff, bestehend aus einer insbesondere
koaxialen Düse für Preßluft mit einer axialen Strömungskomponenten und einem die Düse
mit Abstand umgebenden Ringleitblech, das einen Ringkanal mit rückseitigen Öffnungen
für die Zufuhr von Luft bildet, sowie aus einer konzentrisch angeordneten Brenngasdüse,
dadurch gekennzeichnet , daß mindestens eine weitere Düse (6,16,31) mit einer axialen
Strömungskomponenten vorgesehen ist und daß das Ringleitblech (1,12,22) von mindestens
einem weiteren Ringleitblech (2,17,28) größeren Durchmessers mit rückseitigen öffnungen
(8,31) für die Zufuhr von Luft umgeben ist.
7. Brenner nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet , daß mindestens ein weiteres Ringleitblech (2,17,28) kaskadenförmige
über das vordere Ende des jeweils kleineren Ringleitbleches (1,12,22) hinausragt.
8. Brenner nach Anspruch 4 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die weitere Düse (6,16,31) im Bereich des weiteren Ringleitbleches (2,17,28),
insbesondere im überragenden Abschnitt dieses weiteren Ringleitbleches (2,17,28) angeordnet
ist.
9. Brenner nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet ,
daß bei mehr als zwei Ringleitblechen mindestens einer Auswahl von inneren Ringleitblechen
oder allen inneren Ringleitblechen, Brenngasdüsen zugeordnet sind.
10. Brenner nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß den rückseitigen öffnungen für die Luft in dem Ringkanal Drosselelemente (3) zugeordnet
sind.
11. Brenner nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet , daß die Drosselelemente von einer Lochscheibe gebildet werden.
12. Brenner nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet , daß die Drosselelemente (3) schräggestellte Schaufeln sind.
13. Brenner nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ringkanal rückseitig bis auf die öffnungen (31)
für die Zufuhr von Luft verschlossen ist und die Öffnungen (31) an eine Zufuhrleitung
(26,32) für Preßluft angeschlossen sind.
14. Brenner nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnseite des Brenners bis auf eine zentrale öffnung
(33) durch eine Ringplatte (28) verschlossen ist.
15. Brenner nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet ,
daß sich an die zentrale öffnung (33) ein Ringleitblech (35) anschließt.
16. Brenner nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Düse (36) für ein Spülmedium (z.B. Süßwasser) mit
Strahlrichtung durch die zentrale öffnung (33) und insbesondere mit einer Drallkomponenten
vorgesehen ist.
17. Brenner nach einem der Ansprüche 4 bis 16, dadurch gekennzeichnet , daß eine Düse
(10) für ein gasförmiges oder flüssiges Medium mit Strahlrichtung auf den von den
Heißgasen beaufschlagten Bereich des Substrates oder in den Heißgasstrahl außerhalb
des Brennerkopfes angeordnet ist.