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Verfahren und Ofen zur Erzeugung hoher Temperaturen.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung hoher Temperaturen, das bei der Verbrennung von Brennstoffen der verschiedensten Art, wie brennbaren Gasen, z. B. Leuchtgas, Generatorgas, sowie ferner auch von flüssigen Brennstoffen, z. B. von Ölen und Teerölen, und endlich auch von festen, feinverteilten Brennstoffen, z. B. Kohlenstaub oder anderem Brennstaub, zur Anwendung kommen soll.
Es wurde gefunden, dass man den Ablauf der Verbrennungsreaktion weitgehend beeinflussen und einerseits weit höhere Temperaturen als bisher erzielen und anderseits bei Einstellung des Verbrennungsvorganges auf niedrigere Temperatur erheblich an Brennstoff sparen kann, wenn man gewisse, die Verbrennungsreaktion beeinflussende Faktoren nach einer durch den Versuch leicht zu ermittelnden
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Kontaktfläche im Verbrennungsraum erforderlich, u. zw. hat Anmelderin festgestellt, dass die Grösse der z. B. rippen-, rillen-oder wellenförmig ausgestalteten Kontaktflächen im Ofen oder an bestimmten Stellen desselben mindestens 10 dm2 auf l Verbrennungsraum betragen muss. Ferner muss für sofortige stauungslose Abführung der Verbrennungsgase Sorge getragen werden, was z.
B. dadurch erreicht wird, dass man den zwischen den Kontaktflächen befindlichen Kanälen einen regelmässigen, geradlinigen oder nahezu geradlinigen Verlauf in der Strömungsrichtung der Gase gibt. Endlich wird, um Luft und Gas drucklos oder mit verhältnismässig geringem Überdruck zuführen zu können, die Mischung des Brennstoffes zweckmässig erst im Augenblick der Zündung selbst beim Eintritt in den Ofenraum unter Fortfall einer besonderen, vor dem Ofen liegenden Mischkammer vorgenommen.
Bei Einhaltung dieser Bedingungen erhält man einen optimalen Verlauf der Verbrennungsreaktion, so dass es z. B. ohne weiteres möglich ist, mit Leuchtgas von zirka 4200 Wärmeeinheiten und Luft Temperaturen von über 20000 zu erreichen. Bei Verwendung von Sauerstoff anstatt Luft kann man im gleichen Falle sogar Temperaturen über 24000 C erzielen, während man bei Verwendung höherwertiger Brenn- stoffe leicht Temperaturen erreicht, denen auch die feuerfestesten bisher bekannten Stoffe nicht mehr gewachsen sind.
Was die erste oben genannte Bedingung des Vorhandenseins einer festen Oberfläche von bestimmtem Mindestmass oder mit andern Worten die Einstellung der festen Oberfläche in einem gewissen Verhältnis zum Verbrennungsraum betrifft, so hat sich herausgestellt, dass zur wirksamen Durchführung des Verfahrens mindestens eine Fläche von 10 (IM2 auf l ! des Verbrennungsraumes erforderlich ist. Bei den praktisch ausgeführten Ofenkonstruktionen können verhältnismässig viel grössere Kontaktflächen zur Anwendung gebracht werden.
Die pro Zeiteinheit durch den Querschnitt hindurchgeführte BrennstoffLuft-Menge kann dabei je nach Art des verwendeten Brennstoffes wie nach Art des die Verbrennung fördernden Gases grösser oder geringer sein, wobei man nicht daran gebunden ist, die Gase mit einer Geschwindigkeit durchzutreiben, die die Rückzündungsgeschwindigkeit überschreitet, wie das bei den bisher bekannten Ofen nach dem Prinzip der Oberfläehenverbrennung durchwegs der Fall ist. Ebenso kann auch die Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoff-Luft-oder Brennstoff-Sauerstoff-Gemisches je nachdem ob ein gasförmiger, ein flüssiger oder ein staubförmiger Brennstoff zur Anwendung kommt und je nach dem Wärmeinhalt des betreffenden Brennstoffes verschieden gewählt werden.
Die Verweilzeit des Verbrennungsgemisches im Verbrennungsraum muss sehr kurz sein und darf praktisch höchstens etwa 1/50 Sekunde betragen, während bei bisher bekannten Öfen die Verweil-
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zeit der Gasmischung im Verbrennungsraum erheblich grösser ist. Um diese geringe Verweilzeit zu erhalten, werden bei vorliegendem Verfahren die zwischen den vergrösserten Kontaktflächen befind- lichen Durchgangsräume geradlinig oder von der geraden Richtung wenig abweichend ausgebildet, so dass das in Verbrennung befindliche Gas-Luft-Gemisch ohne wesentlichen Widerstand zu finden und ohne schädliche Stauungserscheinungen durch den Verbrennungsraum hindurchgehen und aus demselben abströmen kann.
Durch diese Vorschrift unterscheidet sich das vorliegende Verfahren wesentlich von Verfahren, die mit bekannten Ofen ausgeführt werden, bei denen durch Anordnung körnigen oder stückigen Kontaktmaterials in dicht liegenden Schichten ein engmaschiges Netz vielfach gewundener Kanäle gebildet wird. In diesem Kanalnetz findet das durchgehende Gas-Luft-Gemisch sehr erheblichen Widerstand, so dass sich eine viel höhere Verweilzeit als beim erfindungsgemässen Verfahren ergibt, die eine Erreichung der oben angegebenen Temperatureffekte unmöglich macht.
Da die praktisch in Frage kommenden Durchtrittsgeschwindigkeiten erheblich unterhalb der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der bei der Zündung und Verbrennung entstehenden Explosionswelle liegen, ist es zweckmässig, die Mischung des Brennstoffes mit Luft oder Sauerstoff erst im Augenblick der Zündung selbst, also im Ofenraum selbst, nicht aber, wie es bisher vielfach üblich ist, in einem besonderen, vor dem Ofen liegenden Mischraum vorzunehmen.
Man hat bekanntlich bereits früher festgestellt, dass der Prozess der Gasverbrennung durch die Kontaktwirkung heisser Oberflächen erheblich beschleunigt und vervollständigt werden kann. Man hat diese Erkenntnis indes meist nur so verwertet, dass man ein in einer besonderen Mischkammer hergestelltes Gemisch beider zur Verbrennung erforderlichen Komponenten durch die Poren von feuerfesten Platten oder die Zwischenräume einer körnigen Schüttung oder durch besondere Kanäle in solchen Platten hindurchpresst und an der Austrittsfläche entzündet. Dadurch erhitzt sich die Oberfläche zu hoher Glut, während die sichtbare Flamme immer mehr abnimmt und allmählich verschwindet. Um
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druck erzeugte, die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Explosionswelle überschreitende Strömungsgeschwindigkeiten des Heizgemisches angewandt werden.
Dies erfordert wieder besondere, den hohen Pressdruck liefernde Maschinen, welche bei dem angemeldeten Verfahren in Fortfall kommen.
Beispiele :
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2. Tiegelofen. Stündlicher Gasverbrauch 20 ; Strömungsgeschwindigkeit in der Heizzone des Gases etwa 12 misez ; Oberfläche 6600 cm2 bei 2-51 Verbrennungsraum. Das entspricht einem Verhältnis von etwa 25 m2 Kontaktfläche auf l ! Verbrennungsraum. Die Verweilzeit der Gase im Verbrennungraum wurde bei stauungslosem Durchfluss mit etwa Vg, se & gemessen.
Es lässt sich leicht durch einen entsprechenden Versuch eine genaue Abstimmung der drei genannten Grössen derart herbeiführen, dass mit der verhältnismässig geringsten Gasmenge eine bestimmte gewünschte Ofentemperatur erzielt wird.
Bei praktischer Durchführung des Verfahrens wird die nötige starke Vergrösserung der Kontaktfläche z. B. dadurch ermöglicht, dass man das Brennstoff-Luft-Gemisch, in dünne Schichten, Streifen oder Bänder unterteilt, den Verbrennungsraum durchfliessen lässt. Die Unterteilung erreicht man z. B., indem man den Verbrennungsraum mit Vorsprüngen oder Einbauten irgendwelcher Form, z. B. Rippen, eingesetzten Leitwänden, Durchflussrohren, profilierten Stäben usw., versieht. Für den optimalen Verlauf der Verbrennung ist ein Druckabfall nach Möglichkeit einzuschränken, um möglichst günstige Bedingungen zu schaffen.
Es soll also, wie schon oben ausgeführt, jedes Verweilen des Gasgemisches über der zum Verlauf der Reaktion nötigen Zeit hinaus an der festen Oberfläche wie auch jede Stauung des Gasgemisches innerhalb des Verbrennungsraumes vermieden werden.
Eine besonders wirkungsvolle Durchführung des Verfahrens erhält man dadurch, dass man den Verbrennungsraum mit einem oder mehreren, den inneren Verbrennungsraum zweckmässig konzentrisch umgebenden Mantelräumen umgibt, die von dem Gasgemisch nacheinander durchströmt werden. Dabei ist eine Vergrösserung der Kontaktfläche durch Einbauten und ähnliche Einrichtungen vor allen Dingen in der innersten Schicht, also im ersten Teil des Verbrennungsraumes, vorzunehmen.
In der Zeichnung sind verschiedene beispielsweise Ausführungsformen von Öfen entsprechend der Erfindung dargestellt. Fig. 1 zeigt einen solchen Ofen in einem senkrechten Schnitt. Fig. 2 stellt einen Querschnitt nach Linie A-B in Fig. 1 dar. Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Ofens im Längsschnitt. Fig. 4 zeigt einen Querschnitt nach Linie C-D in Fig. 3. Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Tiegelofens in einem senkrechten Schnitt. Die Fig. 6,7 und 8 sind Querschnitte durch Tiegelöfen, welche verschiedene Ausbildungsformen der Kontaktflächen und Kontakteinsätze veranschaulichen.
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Im einzelnen besteht der Ofen nach Fig. 1 und 2 aus einem äusseren zylindrischen, aus feuerfestem Material gebildeten Gehäuse 1, welches oben offen und unten geschlossen und am Boden in der Mitte mit einer Öffnung 2 zur Zuführung der Brennstoffe mittels eines geeigneten Brenners versehen ist, der aus einer Luft-oder Sauerstoff-und einer gesonderten Brennstoffzuleitung besteht ; 4 ist eine in dem Ofengehäuse 1 seitlich angebrachte Austrittsöffnung für die Verbrennungsgase, welche z. B. mittels eines an einem nicht gezeichneten, das Ofengehäuse umgebenden Blechmantel angeschlossenen Abzugsrohres mit einem Kamin od. dgl. verbunden sein kann ; 6 ist ein mit einem Schauloch 6 versehener Deckel für die obere Öffnung des Ofens und 7 ein kleiner Deckel zum Abdecken dieses Schauloches.
12 ist das von dem eigentlichen Heizraum eingeschlossene, aus hochfeuerfestem Material hergestellte Gefäss, z. B. ein Tiegel in Form eines oben offenen und unten geschlossenen Zylinders, welches von einem auf dem Boden des Ofengehäuses über der Eintrittsöffnung 2 für die zu verbrennenden Gase aufgestellten Tiegelfuss 8 getragen wird. 9 ist ein ebenfalls aus hoehfeuerfester Masse hergestellter Mantel, welcher den Zylinder 12 konzentrisch umgibt, etwas höher wie dieser und oben mit einem gewölbten Deckel 10 mit einer Öffnung 11 zum Durchgang der Feuergase versehen ist. In dem ringförmigen Raum zwischen Gefäss 12 und Mantel 9 sind z. B. bis zum oberen Ende des Zylinders reichende Rohre 14 aus hochfeuerfestem Material z.
B. unmittelbar auf dem Boden des Ofengehäuses aufgestellt, deren Wände mit in beliebiger geeigneter Weise geformten runden oder eckigen Durchlässen versehen sind, um den Feuergasen Zutritt zum Rohrinnern zu gestatten ; die Rohre 14 können in ihrer Lage zwischen den benachbarten Wandflächen durch an diesen angebrachte, in der Zeichnung nicht veranschaulichte Vorsprünge gehalten sein.
Die Flammengase treten zwischen den Füssen des Tiegelfusses 8 hindurch in den Raum zwischen dem Gefäss 12 und dem Mantel 9 ein und durchstreichen diesen sowie die in diesen aufgestellten Rohre 13 von unten nach oben, werden weiter durch die Öffnung 11 des Manteldeckels 10 in den äusseren Ofenraum geführt, durchstreichen hier den ringförmigen Raum 16 zwischen Mantel 9 und äusserer Wand 1 des Ofengehäuses in der Richtung von oben nach unten und verlassen den Ofen schliesslich durch die seitliche Öffnung 4.
Bei dem in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ofen ist zur Unterstützung des zylindrischen Gefässes 12 statt eines Tiegelfusses eine Platte 19 verwendet, welche durch Unterlagen 20 gegen den Boden des Ofengehäuses derart abgestützt ist, dass zwischen diesen Unterlagen genügender Raum zum Durchlassen der Feuergase in den Verbrennungsraum 15 bleibt. An Stelle der perforierten Rohre nach Fig. 1 und 2 sind bei dieser Ausführungsform Rohre 17 mit nicht durchbrochenen Wänden in den Verbrennungsraum eingesetzt, welche am unteren Ende abgeschrägt sind, um den durch die Scheibe 19 in Richtung des Verbrennungsraumes abgelenkten Feuergasen Zutritt in ihr Inneres zu gewähren.
Bei dem Ofen nach Fig. 5 bedeutet 21 eine Zwischenplatte, die auf den Stützen 20 aufruht und mit einer Feuergasöffnung 22 versehen ist. Auf der Zwischenplatte 21 ruhen Stützen 23, welche die Stützplatte 24 für den Tiegel 12 tragen. Die besonderen Ausbildungsformen der Kontaktflächen nach Fig. 6-8 sind ohne weiteres verständlich. In Fig. 7 bezeichnet 25 einen Mantel, in welchem die Verbrennungsräume in Form radial liegender Einschnitte angeordnet sind.
Das beschriebene Verfahren und die zu seiner Ausführung dienenden Vorrichtungen können für beliebige Brennstoffe mit bestem Erfolg verwendet werden. Ausser gasförmigen Brennstoffen, auf welche die bisher bekannt gewordenen Mischverfahren beschränkt sind, können auch fein verteilte Flüssigkeiten oder feste Brennstoffe verwendet werden. Bereits bei Benutzung von Leuchtgas und Luft kann man mit dem vorliegenden Verfahren Temperaturen erzeugen, die schon eine Auskleidung des Ofens mit Stoffen von höchster Schmelztemperatur erfordern. Bei Benutzung hochwertiger Brennstoffe, z. B. von Acetylen, zerstäubtem Naphtalin u. dgl., zusammen mit Sauerstoff, ist die erreichbare Temperatursteigerung entsprechend grösser.
Man hat es ferner in der Hand, besonders hohe Temperaturen oder Temperaturen von vorgeschriebener Höhe auf ganz bestimmte Stellen eines Ofens zu konzentrieren, indem man an dieser Stelle die durch den Versuch leicht zu ermittelnden Verhältnisse von Kontaktfläche, zugeführter Gasmenge und Durchgangsgeschwindigkeit richtig abstimmt. Man kann also insbesondere die die Oberfläche vergrössernden Einbauten vorzugsweise an den Stellen anordnen, wo eine wesentliche Erhöhung der Tem- peratur stattfinden soll.
Weitere Vorteile bestehen, wie schon erwähnt, darin, dass man zur Zuführung der Komponenten des Gasgemisches im allgemeinen keines stark erhöhten Druckes bedarf, sondern z. B. Leuchtgas einer beliebigen Leitung entnehmen und den Wind mit geringem Kraftaufwand, z. B. mit einem einfachen
Ventilatorgebläse, erzeugen kann. Auen hat man die Möglichkeit, die zuzuführenden Komponenten, z. B. Luft, Sauerstoff und brennbares Gas, zweckmässig unter Verwendung der Abgase oder der strahlenden
Wärme des Ofens beliebig hoch vorzuwärmen und auch auf diese Weise das erreichbare Temperatur- maximum zu steigern, was z. B. bei Öfen mit vor dem Verbrennungsraum liegenden besonderen Misch- kammern nur in beschränktem Masse möglich ist.
Durch eine nur teilweise Vergrösserung der Oberfläche an bestimmten Stellen des Verbrennungsraumes kann man erhöhte Heizwirkungen im Ofen lokalisieren.
Die erfindungsgemässe Ausgestaltung der Verbrennungsräume lässt sich für Tiegel-, Muffel-, Röhren-,
Schacht- und andere Ofenarten anwenden.