EP0040393A1 - Combustion air quantity controlling apparatus for gas consumption installations with injector-type burners - Google Patents

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EP0040393A1
EP0040393A1 EP81103668A EP81103668A EP0040393A1 EP 0040393 A1 EP0040393 A1 EP 0040393A1 EP 81103668 A EP81103668 A EP 81103668A EP 81103668 A EP81103668 A EP 81103668A EP 0040393 A1 EP0040393 A1 EP 0040393A1
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EP
European Patent Office
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flow
gas
opening
mandrels
air
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EP81103668A
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German (de)
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EP0040393B1 (en
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Hans Dipl.-Ing. Sommers
Kurt Cremer
Herbert Panek
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EOn Ruhrgas AG
Original Assignee
Ruhrgas AG
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/62—Mixing devices; Mixing tubes
    • F23D14/64—Mixing devices; Mixing tubes with injectors

Definitions

  • the invention relates to a device for controlling the amount of combustion air in gas appliances with injector burners.
  • the combustion air throughput in gas appliances with injector burners results from the interaction of the gas impulse with the thermal uplift forces generated by the combustion and the flow resistances on the paths for the air, the fuel gas / combustion air mixture in front of and in the burner, and the exhaust gas up to flow control.
  • German patent specification 576 326 a shut-off device for gas burners with interlinked control means for gas and primary air is described as a measure to remedy these defects.
  • a movable gas nozzle on a cock plug which can be moved relative to a regulating pin.
  • the regulating pin is surrounded by a sleeve, the adjustment of which, in conjunction with a constriction, makes it possible to regulate the pressure. If the thermal load changes, only the gas nozzle is moved in the axial direction.
  • an air slide d. H. a device for adjusting the air inlet cross section can be operated. This movement of the air slide is in opposite directions coupled with the movement of the gas nozzle.
  • the object of the invention is to provide a device with which the amount of combustion air in gas appliances with injector burners can be controlled in such a simple manner that the air ratio or the fuel gas / combustion air ratio depends on the various operating conditions (part load, full load, start-up state and when using different fuel gases) is as independent as possible, in particular in that the air ratio is kept constant regardless of the thermal load on the gas consumption device while maintaining the gas quality.
  • Influences that promote air flow are: forces from the gas pulse, from positive buoyancy and from (turbulent) deceleration resistances.
  • Influences that inhibit air flow are: forces from negative lift, from turbulent flow resistances (acceleration, deflection, deformation and friction resistances) and from laminar flow resistances. The sum of all forces acting on the flow is zero.
  • the coordination of the influences on one another is achieved according to the invention by a specifically set ratio between the gas pulse or the resulting force F G and the gas volume flow and / or by changing the flow characteristics of the combustion air or the gas / combustion air mixture in the gas consumption device, so that the laminar resistance component Installation of additional flow resistances or exchange of flow resistances with turbulent flow characteristics with those with laminar flow is increased.
  • the measures can be applied individually or combined with one another as desired.
  • the Gasimpulsfluß I G emerging from the gas nozzle at the speed V G gas mass flow q G is known to be defined as
  • the gas pulse flow causes air to be drawn in via an injector with the force F G out
  • the nozzle cross section A is also constant and the following applies: that is, the force changes with the square of the gas flow rate, ie the heat load.
  • the value of x should be chosen according to the invention by simultaneous change in nozzle cross-section, such that the gas pulse or the resulting force F G influences the air flow rate in accordance with the change in load so that the air ratio despite the existing in the gas device different flow resistances and buoyancy forces remains constant.
  • the new double nozzle for controlling the amount of combustion air consists of a housing with an inlet opening, an outlet opening, a flow opening located inside the housing and a flow separation edge between the flow opening and outlet opening as well as two fixedly connected spindles that can be moved in the axial direction, one of which is concentric in the outlet and the throughflow opening is arranged in such a way that when the mandrels are moved together in the axial direction, the free passage cross sections of the openings increase or decrease as a function of the heat load.
  • either the mandrel in the outlet opening or the mandrel in the throughflow opening can also serve as a shut-off device.
  • the shape of the mandrels depends on the desired change function of the force F G with the thermal load.
  • the spikes can e.g. B. be conical or spherical or have any curved surface lines. In this way, the new device differs in an advantageous manner from the known stopcock.
  • the gas connection is distributed over the two mandrels according to the free cross sections.
  • the housing is shaped in such a way that there is practically no pressure loss, but also no recovery of pressure from the kinetic energy after the first mandrel in the flow path of the gas.
  • the simultaneous displacement of the mandrels changes the free passage cross section of the outlet and throughflow openings and thus the heat load and the gas pulse or the resulting force F G.
  • Moving the mandrels can e.g. B. done by hand or by a signal from a thermal load controller.
  • the desired function between the force F G or the size of the air intake and the heat load is achieved by combining different mandrel shapes.
  • the double nozzle can be used alone or in conjunction with additional laminar flow resistances in gas appliances with moderately or weakly positive and neutral buoyancy influences, e.g. B. in gas water heaters, gas space heaters, gas special boilers, at K ochstellen and oven burners and in gas appliances with negative, ie the flame direction opposite buoyancy, z. B. with downward-facing infrared radiators or grill burners.
  • moderately or weakly positive and neutral buoyancy influences e.g. B. in gas water heaters, gas space heaters, gas special boilers, at K ochstellen and oven burners and in gas appliances with negative, ie the flame direction opposite buoyancy, z. B. with downward-facing infrared radiators or grill burners.
  • a laminar flow in the mixture path which is effective according to the invention can be forced by using a so-called laminar injector - instead of a turbulence injector - the diameter of which is chosen so that there is a laminar flow in it and that the acceleration resistance arising in the narrowest injector cross section is largely recovered in the diffuser.
  • the diffuser must therefore expand to at least twice, preferably four times, the narrowest cross section.
  • the opening angle is less than 8 0 , preferably less than 4 °.
  • the invention can be applied regardless of whether the injectors supply the burner with the aid of the gas pulse, part of the air required for combustion (primary air premixing), all the air required (stoichiometric air premixing) or even an excess of air (overstoichiometric air premixing).
  • the double nozzle 1 used in the outer wall space heater which is shown in FIG. 2, consists of a housing 7 with a gas inlet 8 and an outlet opening 12, the free passage cross section 14 of which can be changed with the aid of the displaceable conical mandrel 9.
  • the housing 7 there is a further displaceable mandrel 10, which can increase or decrease the free passage cross section 15 of the throughflow opening 13 and thus the nozzle pressure at the outlet opening 12.
  • the mandrel 9 widens conically in the direction of flow of the gas, the mandrel 10 tapers conically.
  • the mandrel 9 is rounded at the front to improve the flow.
  • the two mandrels are firmly connected to one another by means of adjusting spindle 11. This is provided in the area of the passage from the housing 7 with an external thread, so that the two mandrels 9 and 10 move in the axial direction when a rotary movement is carried out, the free passage cross sections 14 and 15 increasing or decreasing.
  • the tear-off edge 19 causes the flow to tear behind the flow opening 13.
  • the air throughput is reduced compared to the air requirement when the heat load decreases, and the influence of buoyancy is thus partially compensated for.
  • the remaining influences which increase the air throughput, are compensated for and the ratio of fuel gas and combustion air or the air ratio remains almost constant in the entire heat load range of the device.
  • FIG. 3 shows a gas infrared radiator with a double nozzle 1, which is shown enlarged in FIG. 4.
  • the impulse of the gas emerging from the adjustable double nozzle 1 leads the entire combustion air from the environment through the turbulence injector 16 from above to the ceramic perforated plate burner 17.
  • the gas burns on the upper surface of the burner plate in the combustion chamber 18 and the exhaust gases give most of it Heat content from the bottom surface of the perforated plate burner, from where the heat is radiated downwards.
  • the exhaust gas then flows into the environment.
  • the adjustable double nozzle 1 shown in FIG. 4 consists of the same elements as the double nozzle shown in FIG. 2. The only difference to this is the shape of the spikes.
  • Mandrel 9 and mandrel 10 are both tapered in the direction of flow of the gas, the pitch angles being different.
  • the momentum is moved according to the relationship by simultaneously moving the mandrels in the direction of flow of the gas changed. This is achieved in that the free passage cross section 14 of the outlet opening 12 decreases more slowly than the free passage cross section 15 of the throughflow opening 13 when the thermal load is reduced (displacement of the mandrels in the direction of flow).
  • the radiator operates using the dual die in a B elastungs Scheme from 100% to 25% of the rated load with a constant air ratio of 1.08 hygienic.
  • the air ratio must be approximately 1.5 - which means a lower efficiency - in order to be able to achieve at least 50% of the nominal load as the smallest heat load, at which the combustion is still hygienically perfect.
  • laminar injectors according to the invention were installed instead of the turbulent flow injectors. While the air ratio originally increased from 1.15 to 1.45 when the heat load was reduced from 100% to approx. 40%, it stayed the same after the device was converted Laminar injectors constant: The upstream of a laminar flow resistance, e.g. B. a pack of narrow tubes in the airway in front of the turbulence injectors has about the same effect.
  • the combustion behavior when the heat load changes can be improved in all gas consumption devices with injector burners, because the ratio of fuel gas and combustion air or the air ratio remains constant over the entire control range of the burner.

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Abstract

1. A device for controlling combustion air flow in gas-fuelled appliances equipped with injector burners characterized in that flow restricting means producing stable laminar flow conditions are incorporated in the passages carrying the combustions air or the gas/air mixture.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern der Verbrennungsluftmenge in Gasverbrauchseinrichtungen mit Injektorbrennern.The invention relates to a device for controlling the amount of combustion air in gas appliances with injector burners.

Der Verbrennungsluftdurchsatz bei Gasverbrauchseinrichtungen mit Injektorbrennern ergibt sich-aus dem Zusammenwirken des Gasimpulses mit durch die Verbrennung erzeugten thermischen Auftriebskräften und den Strömungswiderständen auf den Wegen für die Luft, das Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch vor und im Brenner sowie das Abgas bis zur Strömungssicherung.The combustion air throughput in gas appliances with injector burners results from the interaction of the gas impulse with the thermal uplift forces generated by the combustion and the flow resistances on the paths for the air, the fuel gas / combustion air mixture in front of and in the burner, and the exhaust gas up to flow control.

Gasverbrauchseinrichtungen mit Injektorbrennern konnten bisher nur bei einer meist maximalen Wärmebelastung optimal betrieben werden, weil bei Belastungsänderung die Luftzahl nur dann konstant bleibt, wenn kein Auftriebseinfluß vorhanden ist und nur turbulente und keine laminaren Strömungswiderstände den Luftdurchsatz beeinflussen. Je nachdem, ob der Einfluß des Auftriebes oder der laminaren Strömungswiderstände überwiegt, vergrößert oder verkleinert sich die Luftzahl bei Wärmebelastungsänderungen. (Die Luftzahl ist definiert als Verhältnis von tatsächlicher Verbrennungsluftmenge zur theoretisch erforderlichen.) Die Folge ist, daß bei Teillast die Verbrennung wegen sinkender Luftzahl unhygienisch sein kann oder der Teillast-Wirkungsgrad wegen ansteigender Luftzahl zum Teil erheblich geringer ist als der Vollast-Wirkungsgrad.Up to now, gas consumption devices with injector burners could only be operated optimally with a mostly maximum heat load, because when the load changes, the air ratio only remains constant if there is no buoyancy influence and only turbulent and no laminar flow resistances influence the air throughput. Depending on whether the influence of the buoyancy or the laminar flow resistance predominates, the air ratio increases or decreases with changes in heat load. (The air ratio is defined as the ratio of the actual amount of combustion air to what is theoretically required.) The result is that at partial load the combustion can be unsanitary due to the falling air ratio or the partial load efficiency due to increasing air ratio is in some cases considerably lower than the full load efficiency.

Die bei ungeregeltem Luftzutritt auftretenden Schwierigkeiten bei unterschiedlicher Belastung von Gasbrennern, d. h. beim Wechseln zwischen Groß- und Kleinstellung sind schon seit längerem bekannt. In der Deutschen Patentschrift 576 326 ist - als Maßnahme zur Beseitigung dieser Mängel - ein Absperrorgan für Gasbrenner mit miteinander gekoppelten Regelungsmitteln für Gas- und Erstluft beschrieben. Auf einem Hahnküken befindet sich eine bewegliche Gasdüse, die gegenüber einem Regulierstift verschiebbar ist. Den Regulierstift umgibt eine Hülse, durch deren Einstellung in Verbindung mit einer Einschnürung eine Vordruckregelung möglich'ist. Bei Änderung der Wärmebelastung wird nur die Gasdüse in Axialrichtung verschoben. Zur Einstellung bzw. zum Konstanthalten der Luftzahl muß bei diesem bekannten Absperrhahn ein Luftschieber, d. h. eine Vorrichtung zur Einstellung des Luftzutrittsquerschnittes betätigt werden. Diese Bewegung des Luftschiebers ist hier gegenläufig mit der Bewegung der Gasdüse gekoppelt.The difficulties encountered with uncontrolled air access with different loads of gas burners, i. H. when switching between large and small positions have been known for a long time. In German patent specification 576 326, a shut-off device for gas burners with interlinked control means for gas and primary air is described as a measure to remedy these defects. There is a movable gas nozzle on a cock plug, which can be moved relative to a regulating pin. The regulating pin is surrounded by a sleeve, the adjustment of which, in conjunction with a constriction, makes it possible to regulate the pressure. If the thermal load changes, only the gas nozzle is moved in the axial direction. To set or to keep the air ratio constant in this known shut-off valve, an air slide, d. H. a device for adjusting the air inlet cross section can be operated. This movement of the air slide is in opposite directions coupled with the movement of the gas nozzle.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der auf einfachste Weise die Verbrennungsluftmenge in Gasverbrauchseinrichtungen mit Injektorbrennern so gesteuert werden kann, daß die Luftzahl bzw. das Brenngas-Verbrennungsluft-Verhältnis von den verschiedenen Betriebsbedingungen (Teillast, Vollast, Anfahrzustand und bei Einsatz verschiedener Brenngase) möglichst unabhängig ist, insbesondere dadurch, daß die Luftzahl bei gleichbleibender Gasqualität unabhängig von der Wärmebelastung der Gasverbrauchseinrichtung konstant gehalten wird.The object of the invention is to provide a device with which the amount of combustion air in gas appliances with injector burners can be controlled in such a simple manner that the air ratio or the fuel gas / combustion air ratio depends on the various operating conditions (part load, full load, start-up state and when using different fuel gases) is as independent as possible, in particular in that the air ratio is kept constant regardless of the thermal load on the gas consumption device while maintaining the gas quality.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 bis 6 genannten Maß- : nahmen.The object is achieved according to the invention by the measures mentioned in the characterizing part of claims 1 to 6.

Jm bei einem bestimmten Brenngas ein konstantes Verhältnis von Verbrennungsluft und Brenngas, unabhängig von der Wärmebelastung zu erreichen, müssen die Einflüsse, die den Luftdurchsatz fördern, auf die Einflüsse, die den Luftdurchsatz hemmen, abgestimmt sein. Einflüsse, die den Luftdurchsatz fördern, sind: Kräfte aus dem Gasimpuls, aus positivem Auftrieb und aus (turbulenten) Verzögerungswiderständen. Einflüsse, die den Luftdurchsatz hemmen, sind: Kräfte aus negativem Auftrieb, aus turbulenten Strömungswiderständen (Beschleunigungs-, Umlenkungs-, Formänderungs-und Reibungswiderständen) und aus laminaren Strömungswiderständen. Die Summe aller auf die Strömung einwirkenden Kräfte ist null. Die Abstimmung der Einflüsse aufeinander wird erfindungsgemäß erreicht durch ein gezielt eingestelltes Verhältnis zwischen Gasimpuls bzw. der resultierenden Kraft FG und Gasmengenstrom und/oder durch Veränderung der Strömungscharakteristik der Verbrennungsluft bzw. des Gas-Verbrennungsluft-Gemisches in der Gasverbrauchseinrichtung, so daß der Laminarwiderstandsanteil durch Einbau von zusätzlichen Strömungswiderständen oder Austausch von Strömungswiderständen mit turbulenter Strömungscharakteristik gegen solche mit laminarer erhöht wird. J m for a certain fuel gas to achieve a constant ratio of combustion air and fuel gas, regardless of the heat load, the influences that promote the air flow must be matched to the influences that inhibit the air flow. Influences that promote air flow are: forces from the gas pulse, from positive buoyancy and from (turbulent) deceleration resistances. Influences that inhibit air flow are: forces from negative lift, from turbulent flow resistances (acceleration, deflection, deformation and friction resistances) and from laminar flow resistances. The sum of all forces acting on the flow is zero. The coordination of the influences on one another is achieved according to the invention by a specifically set ratio between the gas pulse or the resulting force F G and the gas volume flow and / or by changing the flow characteristics of the combustion air or the gas / combustion air mixture in the gas consumption device, so that the laminar resistance component Installation of additional flow resistances or exchange of flow resistances with turbulent flow characteristics with those with laminar flow is increased.

Die Erfindung sieht mehrere konstruktive Maßnahmen zur Lösung der gestellten Aufgabe vor:

  • - Einbau einer Doppeldüse in den Gasweg (gezielte Beeinflussung des Gasimpulses.bzw. der resultierenden Kraft FG)
  • - Einbau von konstanten laminaren Strömungswiderständen, z. B. Packungen von engen Röhrchen in den Luftweg (Erhöhung des Laminarwiderstandsanteils im Luftweg)
  • - Verwendung von Strömungswiderständen im Gemischweg, z. B. von Laminarinjektoren anstelle von Turbulenzinjektoren (Erhöhung des Laminarwiderstandsanteils im Gemischweg)
The invention provides several constructive measures to solve the problem:
  • - Installation of a double nozzle in the gas path (targeted influencing of the gas pulse or the resulting force FG)
  • - Installation of constant laminar flow resistances, e.g. B. Packing of narrow tubes into the airway (increasing the laminar resistance component in the airway)
  • - Use of flow resistances in the mixture path, e.g. B. of laminar injectors instead of turbulence injectors (increasing the laminar resistance share in the mixture path)

Die Maßnahmen können einzeln angewandt oder beliebig miteinander kombiniert werden.The measures can be applied individually or combined with one another as desired.

Der Gasimpulsfluß IG des aus der Gasdüse mit der Geschwindigkeit VG austretenden Gasmengenstromes qG ist bekanntlich definiert als

Figure imgb0001
The Gasimpulsfluß I G emerging from the gas nozzle at the speed V G gas mass flow q G is known to be defined as
Figure imgb0001

Der Gasimpulsfluß bewirkt bei idealer Impulsübertragung die Luftansaugung über einen Injektor mit der Kraft FG:

Figure imgb0002
aus
Figure imgb0003
Figure imgb0004
 With ideal impulse transmission, the gas pulse flow causes air to be drawn in via an injector with the force F G
Figure imgb0002
 out
Figure imgb0003
Figure imgb0004

In diesen Formeln bedeuten

  • p = Druckabfall an der Gasdüse
  • Figure imgb0005
    G = Gasdichte
  • A = Gasdüsenquerschnitt
Mean in these formulas
  • p = pressure drop at the gas nozzle
  • Figure imgb0005
    G = gas density
  • A = gas nozzle cross section

Da man die Gasdichte

Figure imgb0005
G bei einem Gas als konstant annehmen kann, gilt angenähert:
Figure imgb0007
wobei k eine Konstante ist.Since you have the gas density
Figure imgb0005
G can be assumed to be constant for a gas, the following applies approximately:
Figure imgb0007
 where k is a constant.

Bei bekannte Düsen ist auch der Düsenquerschnitt A konstant und es gilt:

Figure imgb0008
d. h., die Kraft ändert sich mit dem Quadrat des Gasmengenstromes, d. h. der.Wärmebelastung.With known nozzles, the nozzle cross section A is also constant and the following applies:
Figure imgb0008
 that is, the force changes with the square of the gas flow rate, ie the heat load.

Ist der Düsenquerschnitt eine Funktion des Gasmengenstromes, z. B. A 1~ q(2-X) so gilt:

Figure imgb0009
Is the cross section of the nozzle a function of the gas flow, e.g. B. A 1 ~ q (2-X) the following applies:
Figure imgb0009

bei Änderung des Gasmengenstromes und damit der Wärmebelastung soll erfindungsgemäß der Wert von x durch gleichzeitige Düsenquerschnittsänderung beliebig gewählt werden können, derart, daß der Gasimpuls bzw. die resultierende Kraft FG den Luftdurchsatz entsprechend der Belastungsänderung so beeinflußt, daß die Luftzahl trotz der im Gasgerät vorhandenen unterschiedlichen Strömungswiderstände und Auftriebskräfte konstant bleibt.when changing the gas flow and thus the heat load, the value of x should be chosen according to the invention by simultaneous change in nozzle cross-section, such that the gas pulse or the resulting force F G influences the air flow rate in accordance with the change in load so that the air ratio despite the existing in the gas device different flow resistances and buoyancy forces remains constant.

Mit der erfindungsgemäßen Doppeldüse wird diese Aufgabe konstruktiv gelöst.This task is solved constructively with the double nozzle according to the invention.

Die neue Doppeldüse zur Steuerung der Verbrennungsluftmenge besteht aus einem Gehäuse mit einer Eintrittsöffnung, einer Austrittsöffnung, einer im Gehäuseinneren befindlichen Durchströmöffnung und einer Strömungsabrißkante zwischen Durchströmöffnung und Austrittsöffnung sowie zwei fest miteinander verbundenen in Achsrichtung beweglichen Dornen, von denen je einer konzentrisch in der Austritts- und der Durchströmöffnung derart angeordnet ist, daß sich bei gemeinsamer Verchiebung der Dorne in Achsrichtung die freien Durchtrittsquerschnitte der Öffnungen in Abhängigkeit von der Wärmebelastung vergrößern oder verkleinern.The new double nozzle for controlling the amount of combustion air consists of a housing with an inlet opening, an outlet opening, a flow opening located inside the housing and a flow separation edge between the flow opening and outlet opening as well as two fixedly connected spindles that can be moved in the axial direction, one of which is concentric in the outlet and the throughflow opening is arranged in such a way that when the mandrels are moved together in the axial direction, the free passage cross sections of the openings increase or decrease as a function of the heat load.

Je nach den vorgegebenen Querschnitten der Dorne und der öffnungen kann entweder der Dorn in der Austrittsöffnung oder der Dorn in der Durchströmöffnung auch als Absperrorgan dienen.Depending on the specified cross sections of the mandrels and the openings, either the mandrel in the outlet opening or the mandrel in the throughflow opening can also serve as a shut-off device.

Die Form der Dorne ist abhängig von der gewünschten Änderungsfunktion der Kraft FG mit der Wärmebelastung. Die Dorne können z. B. kegelförmig oder kugelförmig sein oder beliebig gekrümmte Mantellinien aufweisen. Hierdurch unterscheidet sich die neue Vorrichtung in vorteilhafter Weise von den bekannten Absperrhahn.The shape of the mandrels depends on the desired change function of the force F G with the thermal load. The spikes can e.g. B. be conical or spherical or have any curved surface lines. In this way, the new device differs in an advantageous manner from the known stopcock.

Der Gasanschluß verteilt sich entsprechend den freien Querschnitten auf die beiden Dorne. Das Gehäuse ist, im Gegensatz zum Hahnküken des bekannten Absperrhahnes so geformt, daß es praktisch keinen Druckverlust, aber auch keinen Rückgewinn von Druck aus der Bewegungsenergie nach dem im Strömungsweg des Gases ersten Dorn bringt.The gas connection is distributed over the two mandrels according to the free cross sections. In contrast to the cock plug of the known shut-off valve, the housing is shaped in such a way that there is practically no pressure loss, but also no recovery of pressure from the kinetic energy after the first mandrel in the flow path of the gas.

Durch die gleichzeitige Verschiebung der Dorne wird der freie Durchtrittsquerschnitt der Austritts- und der Durchströmöffnung und damit die Wärmebelastung und der Gasimpuls bzw. die resultierende Kraft FG verändert.The simultaneous displacement of the mandrels changes the free passage cross section of the outlet and throughflow openings and thus the heat load and the gas pulse or the resulting force F G.

Das Verschieben der Dorne kann z. B. von Hand oder durch ein Signal eines Wärmebelastungsreglers erfolgen.Moving the mandrels can e.g. B. done by hand or by a signal from a thermal load controller.

Die gewünschte Funktion zwischen der Kraft FG bzw. der Größe der Luftansaugung und-der Wärmebelastung wird durch Kombination von verschiedenen Dorn-Formen erreicht.The desired function between the force F G or the size of the air intake and the heat load is achieved by combining different mandrel shapes.

Nachstehend ist jeweils zuerst die gewünschte Änderung der Kraft FG mit der Wärmebelastung, dann die Art der notwendigen Änderung der freien Durchtrittsquerschnitte und danach die konstruktive Ausführungsform der Dorne genannt, mit der die Änderung erreicht werden kann.

Figure imgb0010

  • Bei Verringerung der Wärmebelastung muß der freie Durchtrittsquerschnitt der Durchströmöffnung verkleinert und der freie Durchtrittsquerschnitt der Austrittsöffnung vergrößert werden.
  • Der erste Dorn (in Strömungsrichtung des Gases) zur Veränderung des freien Durchtrittsquerschnittes der Durchströmöffnung muß konisch verjüngt und der zweite Dorn zur Änderung des freien Durchtrittsquerschnittes der Austrittsöffnung muß konisch erweitert sein.
    Figure imgb0011
  • Bei Verringerung der Wärmebelastung muß der freie Durchtrittsquerschnitt der Durchströmöffnung in einem anderen Verhältnis verkleinert werden als der der Austrittsöffnung.
  • Beide Dorne verjüngen sich in Strömungsrichtung des Gases. Haben die Austritts- und die Durchströmöffnung gleichen Durchmesser, muß der Steigungswinkel des Dorns für die Austrittsöffnung sich von dem des Dorns für die Durchströmöffnung unterscheiden.
The desired change in the force F G with the thermal load is given below, then the type of necessary change in the free passage cross sections and then the design of the mandrels with which the change can be achieved.
Figure imgb0010
  • If the heat load is reduced, the free passage cross section of the flow opening must be reduced and the free passage cross section of the outlet opening must be increased.
  • The first mandrel (in the direction of flow of the gas) for changing the free passage cross section of the flow opening must be tapered and the second mandrel for changing the free passage cross section of the outlet opening must be flared.
    Figure imgb0011
  • If the heat load is reduced, the free passage cross section of the throughflow opening must be reduced in a different ratio than that of the outlet opening.
  • Both mandrels taper in the direction of flow of the gas. If the outlet opening and the throughflow opening have the same diameter, the pitch angle of the mandrel for the outlet opening must differ from that of the mandrel for the throughflow opening.

In manchen Fällen kann es schon genügen, nur den Dorn für die Austrittsöffnung sich verjüngend und den Dorn der Durchströmöffnung zylindrisch auszuführen.

Figure imgb0012

  • Bei Verringerung der Wärmebelastung muß der freie Durchtrittsquerschnitt der Durchströmöffnung größer und der freie Durchtrittsquerschnitt der Austrittsöffnung kleiner werden.
  • Der erste Dorn in Strömungsrichtung des Gases wird konisch erweitert und der zweite konisch verjüngt ausgeführt.
In some cases it may be sufficient to taper only the mandrel for the outlet opening and to make the mandrel of the throughflow opening cylindrical.
Figure imgb0012
  • If the heat load is reduced, the free passage cross section of the throughflow opening must be larger and the free passage cross section of the outlet opening must be smaller.
  • The first mandrel in the direction of flow of the gas is flared and the second tapered.

Die Doppeldüse kann allein oder in Verbindung mit zusätzlichen laminaren Strömungswiderständen bei Gasverbrauchseinrichtungen mit mäßig oder schwach positiven sowie neutralen Auftriebseinflüssen verwendet werden, z. B. in Gaswasserheizern, Gasraumheizern, Gasspezialheizkesseln, bei Kochstellen und Backofenbrennern und bei Gasverbrauchseinrichtungen mit negativen, also der Flammenrichtung entgegengesetztem Auftriebseinfluß, z. B. bei abwärts gerichteten Infrarotstrahlern oder Grillbrennern.The double nozzle can be used alone or in conjunction with additional laminar flow resistances in gas appliances with moderately or weakly positive and neutral buoyancy influences, e.g. B. in gas water heaters, gas space heaters, gas special boilers, at K ochstellen and oven burners and in gas appliances with negative, ie the flame direction opposite buoyancy, z. B. with downward-facing infrared radiators or grill burners.

Zur Kompensation von schwach positiven Auftriebseinflüssen, z. B. in Gaswasserheizern mit überstöchiometrischer Luftvormischung und demgemäß sehr kurzen Flammen, bei denen aufgrund einer niedrigen Brennkammer.die thermischen Auftriebskräfte gering sind, werden erfindungsgemäß laminare Strömungswiderstände allein benutzt. Diese können in den Luftweg, in dem konstante Temperatur herrscht, eingebaut sein und z. B. aus Packungen enger Röhrchen bestehen, die nur einen geringen Beschleunigungswiderstand besitzen. Eine erfindungsgemäß wirksame laminare Strömung im Gemischweg kann erzwungen werden durch Verwendung eines sogenannten Laminarinjektors, - anstelle eines Turbulenzinjektors -, dessen Durchmesser so gewählt werden, daß in ihm eine laminare Strömung herrscht und daß der im engsten Injektorquerschnitt entstehende Beschleunigungswiderstand weitgehend im Diffusor zurückgewonnen wird.To compensate for weakly positive buoyancy influences, e.g. B. in gas water heaters with stoichiometric air premix and accordingly very short flames, in which the thermal buoyancy forces are low due to a low combustion chamber, are laminar according to the invention Flow resistances used alone. These can be built into the airway in which the temperature is constant and z. B. consist of packs of narrow tubes that have only a low acceleration resistance. A laminar flow in the mixture path which is effective according to the invention can be forced by using a so-called laminar injector - instead of a turbulence injector - the diameter of which is chosen so that there is a laminar flow in it and that the acceleration resistance arising in the narrowest injector cross section is largely recovered in the diffuser.

Der Diffusor muß sich daher erfindungsgemäß auf mindestens das zweifache, vorzugsweise das vierfache, des engsten Querschnittes erweitern. Der öffnungswinkel beträgt hierbei weniger als 8 0, vorzugsweise weniger als 4 °.According to the invention, the diffuser must therefore expand to at least twice, preferably four times, the narrowest cross section. The opening angle is less than 8 0 , preferably less than 4 °.

Die Erfindung kann angewandt werden unabhängig davon, ob die Injektoren dem Brenner mit Hilfe des Gasimpulses einen Teil der für die Verbrennung benötigten Luft (Primärluftvormischung) die gesamte benötigte Luft (stöchiometrische Luftvormischung) oder sogar einen Luftüberschuß (überstöchiometrische Luftvormischung) direkt zuführen.The invention can be applied regardless of whether the injectors supply the burner with the aid of the gas pulse, part of the air required for combustion (primary air premixing), all the air required (stoichiometric air premixing) or even an excess of air (overstoichiometric air premixing).

Die Erfindung wird anhand der in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Beispiele weiter erläutert.

  • Fig. 1 zeigt schematisch einen Außenwandraumheizer mit Laminarinjektor und Doppeldüse.
  • Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform einer Doppeldüse für den in Fig. 1 dargestellten Außenwandraumheizer.
  • Fig. 3 zeigt schematisch einen Infrarotstrahler mit Doppeldüse.
  • Fig. 4 zeigt die Ausführungsform einer Doppeldüse für den in Fig. 3 dargestellten Infrarotstrahler.
The invention is further explained on the basis of the examples shown in FIGS. 1 to 4.
  • Fig. 1 shows schematically an outer wall space heater with laminar injector and double nozzle.
  • FIG. 2 shows an embodiment of a double nozzle for the outer wall space heater shown in FIG. 1.
  • Fig. 3 shows schematically an infrared radiator with a double nozzle.
  • FIG. 4 shows the embodiment of a double nozzle for the infrared radiator shown in FIG. 3.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Außenwandraumheizer mit überstöchiometrischer Luftvormischung herrscht ein mäßig positiver Auftrieb, der allein mit der erfindungsgemäßen Doppeldüse nicht kompensiert werden kann. Deshalb werden zusätzlich Laminarinjektoren verwendet. Die gesamte Verbrennungsluft wird durch den Impuls bzw. die resultierende Kraft FG des an Doppeldüse 1 austretenden Gases aus dem luftführenden Teil des Außenwandanschlusses 6 entnommen und über den Laminarinjektor 2 dem Brennerrohr 3 zügeführt, das eine nicht dargestellte Brenneraustrittsfläche besitzt. Die Anzahl der erforderlichen Doppeldüsen und Injektoren hängt von der Leistung des Raumheizers ab. In Fig. 1 ist der Deutlichkeit halber nur eine Doppeldüse und ein Injektor dargestellt. Das Abgas strömt nach Abgabe von Wärme an das Wärmetauschergehäuse 5 über das Abgasrohr 4 des Außenwandanschlusses 6 ab.In the outer wall space heater shown in FIG. 1 with over-stoichiometric air premixing, there is a moderately positive buoyancy which cannot be compensated for only with the double nozzle according to the invention. Therefore, laminar injectors are also used. The entire combustion air is removed by the impulse or the resulting force F G of the gas emerging at the double nozzle 1 from the air-guiding part of the outer wall connection 6 and fed via the laminar injector 2 to the burner tube 3, which has a burner outlet surface (not shown). The number of double nozzles and injectors required depends on the performance of the space heater. For the sake of clarity, only one double nozzle and one injector are shown in FIG. 1. After giving off heat to the heat exchanger housing 5, the exhaust gas flows out via the exhaust pipe 4 of the outer wall connection 6.

Die im Außenwandraumheizer verwendete Doppeldüse 1, die in Fig 2 dargestellt ist, besteht aus einem Gehäuse 7 mit einem Gaseintritt 8 und einer Austrittsöffnung 12, deren freier Durchtrittsquerschnitt 14 mit Hilfe des verschiebbaren kegelförmigen Dornes 9 veränderbar ist. Im Gehäuse 7 befindet sich ein weiterer verschiebbarer Dorn 10, der den freien Durchtrittsquerschnitt 15 der Durchströmöffnung 13 und damit den Düsendruck an der Austrittsöffnung 12 vergrößern'oder verkleinern kann. Während sich der Dorn 9 in Strömungsrichtung des Gases konisch erweitert, ist Dorn 10 konisch verjüngt. Der Dorn 9 ist zur Verbesserung der Strömung vorne abgerundet. Die beiden Dorne sind mittels Verstellspindel 11 fest miteinander verbunden. Diese ist im Bereich der Durchführung aus dem Gehäuse 7 mit einem Außengewinde versehen, so daß sich bei Ausführung einer Drehbewegung die beiden Dorne 9 und 10 in Achsrichtung verschieben, wobei sich die freien Durchtrittsquerschnitte 14 und 15 vergrößern bzw. verkleinern.The double nozzle 1 used in the outer wall space heater, which is shown in FIG. 2, consists of a housing 7 with a gas inlet 8 and an outlet opening 12, the free passage cross section 14 of which can be changed with the aid of the displaceable conical mandrel 9. In the housing 7 there is a further displaceable mandrel 10, which can increase or decrease the free passage cross section 15 of the throughflow opening 13 and thus the nozzle pressure at the outlet opening 12. While the mandrel 9 widens conically in the direction of flow of the gas, the mandrel 10 tapers conically. The mandrel 9 is rounded at the front to improve the flow. The two mandrels are firmly connected to one another by means of adjusting spindle 11. This is provided in the area of the passage from the housing 7 with an external thread, so that the two mandrels 9 and 10 move in the axial direction when a rotary movement is carried out, the free passage cross sections 14 and 15 increasing or decreasing.

Die Abrißkante 19 bewirkt, daß die Strömung hinter der Durchströmöffnung 13 abreißt.The tear-off edge 19 causes the flow to tear behind the flow opening 13.

Bei Verringerung der Wärmebelastung, bei der gleichzeitig die Dorne 9 und 10 in Strömungsrichtung des Gases verschoben werden, verringert sich der Gasimpuls bzw. die Kraft FG nach der Funktion.

Figure imgb0013
When the thermal load is reduced, and at the same time the mandrels 9 and 10 are displaced in the direction of flow of the gas, the gas pulse or the force F G decreases after the function.
Figure imgb0013

Dadurch wird der Luftdurchsatz bei sinkender Wärmebelastung im Vergleich zum Luftbedarf verringert und damit wird der Auftriebseinfluß teilweise kompensiert. Mit Hilfe der Laminarinjektoren werden die noch verbleibenden, den Luftdurchsatz steigernden, Einflüsse kompensiert und das Verhältnis von Brenngas und Verbrennungsluft bzw. die Luftzahl bleibt im ganzen Wärmebelastungsbereich des Gerätes nahezu konstant.As a result, the air throughput is reduced compared to the air requirement when the heat load decreases, and the influence of buoyancy is thus partially compensated for. With the help of the laminar injectors, the remaining influences, which increase the air throughput, are compensated for and the ratio of fuel gas and combustion air or the air ratio remains almost constant in the entire heat load range of the device.

Den Auftriebseinfluß bei bisher benutzten Geräten veranschaulichen die folgenden Zahlen:

  • Bei Verwendung herkömmlicher Düsen und Turbulenz-Injektoren stieg dagegen bei Versuchen die Luftzahl bei Absenkung der Wärmebelastung auf 30 % der Nennwärmebelastung von 1,1 auf etwa 1,65 an.
The following figures illustrate the influence of buoyancy on previously used devices:
  • In contrast, when using conventional nozzles and turbulence injectors, the number of air in tests increased when the heat load was reduced to 30% of the nominal heat load from 1.1 to approximately 1.65.

Figur 3 zeigt einen Gasinfrarotstrahler mit einer Doppeldüse 1, die in Fig. 4 vergrößert dargestellt ist.FIG. 3 shows a gas infrared radiator with a double nozzle 1, which is shown enlarged in FIG. 4.

Der Impuls des aus der verstellbaren Doppeldüse 1 austretenden Gases führt die gesamte Verbrennungsluft aus der Umgebung durch den Turbulenz-Injektor 16 von oben zum keramischen Lochplattenbrenner 17. Das Gas verbrennt an der oberen Oberfläche der Brennerplatte im Verbrennungsraum 18 und die Abgase geben den größten Teil ihres Wärmeinhaltes an die untere Oberfläche des Lochplattenbrenners ab, von wo aus die Wärme nach unten abgestrahlt wird. Danach strömt das Abgas in die Umgebung ab.The impulse of the gas emerging from the adjustable double nozzle 1 leads the entire combustion air from the environment through the turbulence injector 16 from above to the ceramic perforated plate burner 17. The gas burns on the upper surface of the burner plate in the combustion chamber 18 and the exhaust gases give most of it Heat content from the bottom surface of the perforated plate burner, from where the heat is radiated downwards. The exhaust gas then flows into the environment.

,Die in Fig. 4 dargestellte einstellbare Doppeldüse 1 besteht aus den gleichen Elementen, wie die in Fig. 2 dargestellte Doppeldüse. Unterschiedlich zu dieser ist nur die Form der Dorne. Dorn 9 und Dorn 10 sind beide in Strömungsrichtung des Gases konisch verjüngt, wobei die Steigungswinkel unterschiedlich sind. Bei Absenkung der Wärmebelastung wird durch gleichzeitiges Verschieben der Dorne in Strömungsrichtung des Gases der Impuls entsprechend der Beziehung

Figure imgb0014
verändert. Das wird dadurch erreicht, daß sich der freie Durchtrittsquerschnitt 14 der Austrittsöffnung 12 bei Verringerung der Wärmebelastung (Verschieben der Dorne in Strömungsrichtung) langsamer verkleinert als der freie Durchtrittsquerschnitt 15 der Durchströmöffnung 13.The adjustable double nozzle 1 shown in FIG. 4 consists of the same elements as the double nozzle shown in FIG. 2. The only difference to this is the shape of the spikes. Mandrel 9 and mandrel 10 are both tapered in the direction of flow of the gas, the pitch angles being different. When the heat load is reduced, the momentum is moved according to the relationship by simultaneously moving the mandrels in the direction of flow of the gas
Figure imgb0014
 changed. This is achieved in that the free passage cross section 14 of the outlet opening 12 decreases more slowly than the free passage cross section 15 of the throughflow opening 13 when the thermal load is reduced (displacement of the mandrels in the direction of flow).

Der Strahler arbeitet mit Hilfe der Doppeldüse in einem Belastungsbereich von 100 % bis 25 % der Nennwärmebelastung mit konstanter Luftzahl von 1,08 hygienisch einwandfrei.
Bei Verwendung herkömmlicher Düsen muß dagegen wegen des negativen Auftriebseinflusses bei Vollast die Luftzahl ca. 1,5 betragen - was einen geringeren Wirkungsgrad bedeutet - um wenigstens 50 % der Nennbelastung als kleinste Wärmebelastung erreichen zu können, bei der die Verbrennung noch gerade hygienisch einwandfrei ist.The radiator operates using the dual die in a B elastungsbereich from 100% to 25% of the rated load with a constant air ratio of 1.08 hygienic.
When using conventional nozzles, however, because of the negative influence of lift at full load, the air ratio must be approximately 1.5 - which means a lower efficiency - in order to be able to achieve at least 50% of the nominal load as the smallest heat load, at which the combustion is still hygienically perfect.

Bei einem nicht dargestellten Gaswasserheizer, mit niedriger Brennraumhöhe, der mit überstöchiometrischer Luftvormischung betrieben wird, wurden anstelle der Injektoren mit turbulenter Strömung erfindungsgemäße Laminarinjektoren eingebaut. Während ursprünglich bei Absenkung der Wärmebelastung von 100 % auf ca.'40 % die Luftzahl von 1,15 auf 1,45 anstieg, blieb sie nach Umrüstung des Gerätes mit Laminarinjektoren konstant: Die Vorschaltung eines laminaren Strömungswiderstandes, z. B. einer Packung enger Röhrchen in den Luftweg vor den Turbulenz-Injektoren hat etwa die gleiche Wirkung.In a gas water heater (not shown) with a low combustion chamber height, which is operated with superstoichiometric air premixing, laminar injectors according to the invention were installed instead of the turbulent flow injectors. While the air ratio originally increased from 1.15 to 1.45 when the heat load was reduced from 100% to approx. 40%, it stayed the same after the device was converted Laminar injectors constant: The upstream of a laminar flow resistance, e.g. B. a pack of narrow tubes in the airway in front of the turbulence injectors has about the same effect.

Es ist auch möglich, durch entsprechend ausgebildete Öffnungen in der Brennerplatte der Strömung des Gas-Verbrennungsluft-Gemisches einen weitgehend laminaren Charakter mit geringem Beschleunigungswiderstand zu geben, und so den Auftrieb zu kompensieren.It is also possible to give the flow of the gas-combustion air mixture a largely laminar character with low acceleration resistance through appropriately designed openings in the burner plate, and thus to compensate for the buoyancy.

Durch geeignete Wahl der erfindungsgemäßen Maßnahmen bzw. durch deren Kombination kann bei allen Gasverbrauchseinrichtungen mit Injektorbrennern das Brennverhalten bei Änderung der Wärmebelastung verbessert werden, weil das Verhältnis von Brenngas und Verbrennungsluft bzw. die Luftzahl über den gesamten Regelbereich des Brenners konstant bleibt.By suitable choice of the measures according to the invention or by their combination, the combustion behavior when the heat load changes can be improved in all gas consumption devices with injector burners, because the ratio of fuel gas and combustion air or the air ratio remains constant over the entire control range of the burner.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Steuern der Verbrennungsluftmenge in Gasverbrauchseinrichtungen mit Injektorbrennern,
dadurch gekennzeichnet,
daß in den Luftweg bzw. Gemischweg konstante, eine laminare Strömung erzeugende Strömungswiderstände eingebaut sind und/oder im Gasweg vor dem Injektor eine Doppeldüse angeordnet ist, die aus einem Gehäuse (7) mit einer Eintrittsöffnung (8), einer Austrittsöffnung (12) und einer im Gehäuseinneren befindlichen Durchströmöffnung (13) sowie zwei fest miteinander verbundenen, in Achsrichtung beweglichen Dornen (9, 10) besteht, und daß die Dorne eine gemeinsame Verstellvorrichtung (11) besitzen und derart koaxial zur Austrittsöffnung (12) und zur Durchströmöffnung (13) angeordnet sind, daß bei ihrer gemeinsamen Verschiebung in Abhängigkeit von der Wärmebelastung die beiden freien Durchtrittsquerschnitte (14, 15) der öffnungen (12, 13) verändert werden und daß sich eine Strömungsabrißkante (19) zwischen Durchströmöffnung (13) und Austrittsöffnung (12) befindet.1. Device for controlling the amount of combustion air in gas appliances with injector burners,
characterized,
that constant flow resistances generating a laminar flow are built into the air path or mixture path and / or a double nozzle is arranged in the gas path upstream of the injector, which has a housing (7) with an inlet opening (8), an outlet opening (12) and one there is a through-flow opening (13) inside the housing and two fixedly connected, axially movable mandrels (9, 10), and that the mandrels have a common adjusting device (11) and are arranged coaxially to the outlet opening (12) and to the through-flow opening (13) are that the two free passage cross sections (14, 15) of the openings (12, 13) are changed as a function of the heat load and that there is a flow separation edge (19) between the flow opening (13) and the outlet opening (12). 2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß sich einer der gemeinsam bewegten Dorne (9, 10) in Strömungsrichtung des Gases erweitert und der andere sich in Strömungsrichtung verjüngt.2. Device according to claim 1,
characterized,
that one of the jointly moved mandrels (9, 10) widens in the direction of flow of the gas and the other tapers in the direction of flow. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß sich beiden gemeinsam bewegten Dorne (9, 10) in Strömungsrichtung des Gases verjüngen.3. Device according to claim 1,
characterized,
that both jointly moving mandrels (9, 10) taper in the direction of flow of the gas. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die gemeinsam bewegten Dorne (9, 10) kegelförmig ausgebildet sind.4. Device according to one of claims 1 to 3,
characterized,
that the jointly moved mandrels (9, 10) are conical. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der eine laminare Strömung verursachende Strömungswiderstand im Luftweg von einer Packung enger Röhrchen gebildet wird.5. Device according to one of claims 1 to 4,
characterized,
that the flow resistance in the airway causing a laminar flow is formed by a pack of narrow tubes. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der eine laminare Strömung verursachende Strömungswiderstand im Gemischweg von einem oder mehreren nebeneinander liegenden Injektoren (2) gebildet wird, deren Diffusoren sich mit einem öffnungswinkel von kleiner als 8 °, vorzugsweise kleiner als 4 °, auf mindestens das zweifache, vorzugsweise mindestens das 4fache, des engsten Querschnittes erweitern.6. Device according to one of claims 1 to 5,
characterized,
that the flow resistance causing a laminar flow in the mixture path is formed by one or more injectors (2) lying next to one another, the diffusers of which have an opening angle of less than 8 °, preferably less than 4 °, at least twice, preferably at least 4 times, of the narrowest cross section.
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