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Die Erfindung bezieht sich auf einen öl- oder gasbefeuerten Ofen zum Schmelzen einer Char- ge von Metall mit einem in die Brennkammer des Ofens feuernden Brenner und einem Wärmetauscher zum Vorwärmen der Verbrennungsluft für den Brenner, welcher Ofen einen Mantel mit einer feuerfesten
Auskleidung aufweist, der zumindest teilweise eine Innen- und eine Aussenwand besitzt, welche eine
Kammer für den Durchtritt der Verbrennungsluft bilden, wobei der Wärmetauscher an einem Aus- lass der Brennkammer angeschlossen ist und für den Durchzug der Verbrennungsgase und der Ver- brennungsluft dient, bevor sie dem Brenner zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwi- schen der Innenwand des Mantels und der feuerfesten Auskleidung eine Lage aus isolierendem Ma- terial angeordnet ist.
Insbesondere betrifft die Erfindung Öfen, bei denen das Metall in einem Tie- gel erschmolzen und danach mit einer Giesspfanne abgeschöpft wird. Die Erfindung kann aber auch bei andern Ofentypen, die mit herausnehmbaren oder kippbaren Tiegeln, aus denen das ge- schmolzene Metall in Giesspfannen abgiessbar ist, angewendet werden. Im übrigen bezieht sich die Erfindung auf Öfen, die öl- oder gasbefeuert sind, bzw. auf Öfen, die nicht elektrisch beheizt sind.
Bisher wurde die Verbrennungsluft entweder direkt mit Umgebungstemperatur zum Brenner gebracht oder sie wurde mittels eines Wärmeaustausches mit den Verbrennungsgasen vorgewärmt. In Fällen, wo eine Vorwärmung angewendet wird, schliesst dies üblicherweise ein Durchströmen der Verbrennungsluft durch die Ummantelung, welche die feuerfeste Auskleidung des Ofens umgibt, ein. Die Auskleidung ist durchaus wärmeleitend und deshalb ist ein grosser Teil der Wärme, die für die Vorwärmung der Verbrennungsluft verwendet wird, Wärme, die für das Erhitzen des Metalls verwendet werden könnte. Aus diesem Grunde wird der Wirkungsgrad des Ofens auf der einen Seite durch die Vorwärmung der Verbrennungsluft erhöht, anderseits aber gleichzeitig durch die Verwendung von Nutzwärme für die Vorwärmung der Luft vermindert.
So wird durch die AT-PS Nr. 21790 ein Ofen der eingangs erwähnten Art vorgeschlagen, bei dem die Verbrennungsluft in zwei Stufen durch einen an einem Abgasrohr angeordneten Wärmetauscher und eine durch Durchgänge gebildete Luftkammer vorgewärmt wird. Diese Durchgänge sind durch die Wände eines doppelwandigen Metallgehäuses des Ofens gebildet, von denen die innere Wand des Metallgehäuses in direktem Kontakt mit der feuerfesten Auskleidung des Ofens steht.
Dadurch ergibt sich der Nachteil, dass Wärme, die für den Ofeninhalt verwendet werden könnte, durch die Auskleidung und die innere Metallwand verlorengeht und der Wirkungsgrad des Ofens herabgesetzt wird.
Weiters durchsetzt beim Ofen gemäss der AT-PS Nr. 21970 die Verbrennungsluft den am Abgasrohr angeordneten Wärmetauscher bevor sie durch die durch die Durchgänge gebildete Luftkammer streicht, wodurch sich eine relativ schlechte Ausnutzung der Abwärme des Ofens zur Vorwärmung der Verbrennungsluft ergibt. Dies führt ebenfalls zu einem relativ geringen Wirkungsgrad der bekannten Ofenkonstruktion.
Ziel der Erfindung ist es, den Wirkungsgrad der eingangs erwähnten Öfen durch eine verbesserte Ofenkonstruktion zu erhöhen, wobei ein Entzug von Wärme aus dem Ofeninneren zur Vorwärmung der Verbrennungsluft weitgehend vermieden wird.
Erfindungsgemäss wird daher vorgeschlagen, dass zwischen der Innenwand des Mantels und der feuerfesten Auskleidung eine Lage aus isolierendem Material angeordnet ist.
Durch diese Massnahmen wird erreicht, dass nur verhältnismässig kleine Wärmemengen vom Ofeninneren durch die Ausmauerung und das isolierende Material in die für den Durchtritt der Verbrennungsluft dienende Kammer gelangen, wobei aber auch diese für deren Vorwärmung ausgenutzt werden. Ausserdem ergibt sich dadurch auch der Vorteil, dass die Aussenseite des Ofens kühl bleibt und sich dementsprechend eine nur geringe Abstrahlung in die Umgebung ergibt, wodurch sich nicht nur geringere Verluste sondern auch wesentlich verbesserte Arbeitsbedingungen für die Ofenarbeiter ergeben.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nun an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Ofen bei abgenommenem Deckel, Fig. 2 einen Schnitt entsprechend der Linie 2-2 in Fig. 1, der die Konstruktion der Auskleidung zeigt und Fig. 3 eine Seitenansicht des Wärmetauschers in Fig. 1 bei abgenommener Abdeckung.
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Der Ofen weist im allgemeinen eine stehende zylindrische Form und eine doppelwandige Metall-Ummantelung auf, die mit einem feuerfesten Futter --2-- und einer Lage aus isolierendem Ma- terial-3-versehen, die zwischen der Ummantelung --1-- und dem Futter bzw. Ausklei- dung --2- angeordnet ist. Die inneren und äusseren Wände --la, bzw. 1b-- der Umkleidung bilden eine Luftkammer-4-, durch welche die Verbrennungsluft in einer Vorwärmstufe hindurchströmt, wie noch später erläutert werden wird.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, umfasst die Auskleidung --2-- vorzugsweise vorgeformte Blöcke aus Isolierziegeln --2a-- und Schamotteziegeln --2b-- ( > 56% Aluminiumoxyd) und --2c-- ( > 40% Aluminiumoxyd), wogegen das isolierende Material eine leichte faserige und bzw. oder geformte Isolation, z. B. keramische Fasern, entweder als verdichtete lose Fasern oder als Matten, umfasst. Ein Schmelztiegel --5-- ruht auf dem Ofenständer --6- und ist durch den Zentrierring --7--, welcher das offene Ende der Brennkammer abschliesst, in der Brennkammer zentriert. Der Tiegel --5-- ist um eine vertikale Achse des Ofenständers --6-- drehbar, wobei das obere Ende des Tiegels gegen die Auskleidung --2-- durch eine flexible Dichtung --8--, welche einen Ring aus keramischen Fasern umfasst, abgedichtet ist.
Ein nicht dargestellter Deckel ist zum Verschliessen des Schmelztiegels --5-- vorgesehen. Dieser Deckel ist abnehmbar, um das Chargieren des Tiegels und das Entnehmen des geschmolzenen Metalls zu ermöglichen.
Ein Auslass --9-- ist an der Stossfuge der Seitenwand und der Bodenplatte der Auskleidung vorgesehen, so dass im Falle eines Bruches des Schmelztiegels das geschmolzene Metall zu einem geeigneten Sammelpunkt hin auslaufen kann. Die Bodenplatte kann jeder geeigneten Konstruk-
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luft über einen in der äusseren Wand vorgesehenen, nicht dargestellten, Schlitz in die Luftkammer --4-- liefert, wo noch ein Hilfslüfter (nicht dargestellt) vorgesehen sein kann. Das Brennergehäuse enthält in nicht dargestellter Weise einen Ölbrenner. Es kann jedoch auch ein Gasbrenner statt des Ölbrenners vorgesehen werden.
Wie am besten aus Fig. 3 ersichtlich ist, umfasst der Wärmetauscher ein äusseres Gehäuse-16-, ein U-förmiges Abgasrohr --17-- und eoine U-förmige Umkleidung --18--, welche das Abgasrohr -17-- mit Spiel umgibt. Das Gehäuse -16-- weist eine Abdeckplatte --16a-- (Fig. 1) auf, welche abnehmbar ist, um die Montage und die Wartung des Wärmetauschers zu ermöglichen.
Das Gehäuse --16-- ist über einen Schlitz --19-- in der äusseren Wand der Ummantelung --1-- mit
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Verbrennungsgase abzusaugen. Ein Ende der Ummantelung --18-- ist geschlossen, wogegen das an- dere Ende offen ist und einen Einlass --23-- zu dem Raum --24-- zwischen dem Abgasrohr-17und der Ummantelung --18-- bildet. Ein Auslass --25-- der Ummantelung --18-- ist mit einem nicht dargestellten Einlass für die Versorgung des Brenners mit vorgewärmter Verbrennungsluft verbunden.
Der nicht weiter dargestellte Brenner ist in einer Öffnung --41-- (Fig. 1) der Ofenmauer so angeordnet, dass, wenn der Brenner in seiner richtigen Lage ist, er nicht direkt radial auf den Schmelztiegel --5- gerichtet ist, sondern einen Winkel einschliesst, so dass die Flamme und die heissen Abgase nicht direkt auf den Tiegel auftreffen, sondern auf eine Seite des Tiegels gerichtet sind, um eine Verwirbelung der heissen Gase rund um den Tiegel zu induzieren. Die Brennerdüse ist nahe dem unteren Ende des Tiegels angeordnet, wogegen der Auslass --20-- zum Wärmetauscher nahe dem oberen Ende des Tiegels angeordnet ist.
Die heissen Verbrennungsgase folgen daher nicht allein einem kreisförmigen Strömungsweg rund um den Tiegel, sondern strömen auch nach oben zu dem Auslass, wodurch der Tiegel über seine gesamte Oberfläche erhitzt wird.
Das untere Ende des Tiegels wird jedoch durch die heissesten Verbrennungsgase erwärmt, wogegen das obere Ende des Tiegels durch die nach oben geströmten, schon etwas abgekühlten Verbrennungsgase erhitzt wird, so dass sich ein Temperaturunterschied zwischen dem unteren und dem
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oberen Ende des Tiegels ergeben kann, was zu einer ungleichmässigen Erwärmung des Metalls und folglich einem unwirtschaftlichen Betrieb des Ofens führt. Um diesen Temperaturgradient zu reduzieren, konvergieren die Seitenwände der feuerfesten Auskleidung -2-- in Richtung des oberen Endes des Tiegels nach innen, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist.
Der sich verkleinernde Raum zwischen dem Tiegel-5-und den Seitenwänden der Auskleidung erhöht die Strömungsgeschwindigkeit der heissen Verbrennungsgase im Bereich des oberen Endes des Tiegels, wodurch eine gleichmässige Erwärmung des Tiegels erzielt wird. Andere Konfigurationen der Auskleidung und des Tiegels sind möglich, Bedingung ist jedoch, dass die innere Oberfläche der Auskleidung und der Tiegel relativ zueinander von der Bodenplatte nach oben zu konvergieren, wenn der Auslass --20-am oberen Ende des Ofens angeordnet ist. Wenn die Lage des Brenners -15-- und des Aus- lasses-20-jedoch umgekehrt ist, müssen die Seitenwände der Auskleidung und der Tiegel selbstverständlich nach unten zu zum unteren Ende des Tiegels konvergieren.
Der Betrieb des Ofens wird nun an Hand der Fig. l, 3 und 4 näher beschrieben, in denen der Weg der Verbrennungsluft durch die Pfeile A und der Weg der heissen Verbrennungsgase durch die Pfeile B sowie der Weg der Kühlluft für die Brennerdüse durch die Pfeile C angedeutet ist.
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Brennstoff und Kühlluft, welche aus der Brennerdüse austritt, gemischt wird.
Der Flammbereich des Brenners und die heissen Verbrennungsgase sind auf eine Seite des Schmelztiegels gerichtet und strömen rund um den Tiegel in Richtung der Pfeile B, bevor sie den Auslass -20-- der Brennkammer-lc--bzw. das Abgasrohr --17- erreichen. Die Verbrennungsgase strömen durch das Ab-
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brennungsluft durch die Kammer -4- strömt, und in der zweiten Stufe durch einen Wärmeaustausch mit den heissen Abgasen im Wärmetauscher-12-. Beide Stufen der Vorwärmung verwenden
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nützlich verwendet werden könnte.
Bei Verwendung der oben beschriebenen Anordnung ist es bei Öfen mit einer Kapazität von 100,150 oder 200 kg möglich, die Verbrennungsluft bis zu 4000C vorzuwärmen. Es wurde festgestellt, dass verglichen mit bekannten Öfen ähnlicher Kapazität, bei denen keine Vorwärmung der Verbrennungsluft oder eine Vorwärmung der Verbrennungsluft unter Einschluss der Verwendung von andernfalls für die Erhitzung des zu schmelzenden Metalls verwendbarer Wärme vorgesehen ist, die Schmelzzeit für eine Charge von Metall, z. B. Aluminium, bei einer Temperatur von 720 C, sowohl beim Schmelzen in einem kalten wie auch in einem heissen Ofen beträchtlich kürzer ist, da der thermische Wirkungsgrad des erfindungsgemässen Ofens höher ist, was zu Einsparungen von zirka 50% der für das Schmelzen des Metalls notwendigen Energie führt.
Bei einer andern Ausführungsform des beschriebenen Ofens ist vorgesehen, einen Teil der hitzebeständigen Auskleidung unterhalb des Auslasses zum Wärmetauscher -12-- nach innen in Richtung des Tiegels vorspringen zu lassen. Dadurch führen die heissen Verbrennungsgase einen raschen vollständi-
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chen unterhalb des Vorsprunges der Auskleidung vorbei und führen einen zweiten Umlauf aus, bevor sie den Auslass zum Wärmetauscher-12-erreichen. Auf diese Weise werden die Verbrennungsgase mehr für die Erhitzung des Tiegels verwendet, wodurch der Wirkungsgrad des
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Ofens steigt.
Weiters verhindert der Vorsprung der Auskleidung wirksam die Möglichkeit eines Kurz- schlusses zwischen der Brennerdüse und dem Auslass zum Wärmetauscher, was zu einem direkten Ab- strömen der heissen Verbrennungsgase über den Auslass ohne einen vorherigen Umlauf um den Tie- gel führen würde.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Wärmetauscher --12-- durch einen geänder- ten Wärmetauscher ersetzt. Das äussere Gehäuse weist an einem Ende einen Einlass für die aus der
Luftkammer strömende Verbrennungsluft und am andern Ende einen Auslass für die Versorgung des
Brenners mit vorgewärmter Verbrennungsluft auf. Zwischen den Enden des äusseren Gehäuses ist ein Abgasrohr oder eine Abgaskammer angeordnet, deren Seitenwände gewellt sind, welche zu- sammen mit den Seitenwänden des äusseren Gehäuses eine Vielzahl von Strömungswegen bilden, durch welche die Verbrennungsluft streicht. Das Abgasrohr ist mit einem Auslass der Brenner- kammer und einem Schornstein verbunden.
Eine Reihe von Leitblechen innerhalb des Abgasrohres bewirken ein Strömen der Abgase entlang eines vorbestimmten Weges, der über die Strömungs- wege der Verbrennungsluft führt. Dieser geänderte Wärmetauscher weist einen besseren Über- gang der Wärme von den Abgasen zu der Verbrennungsluft auf, was zu einer höheren Endtempera- tur der Verbrennungsluft führt, die wieder den thermischen Wirkungsgrad des Ofens und damit die Brennstoffersparnis erhöht.
Andere Modifikationen sind für den Fachmann naheliegend. Zum Beispiel kann die Ver- brennungsluft zuerst durch den Wärmetauscher und danach durch die den Ofen umgebende Luftkammer strömen. Auch können die Wärmetauscheinrichtungen Anzapfungen umfassen, welche ein Zumischen von heissen Verbrennungsgasen zu der zum Brenner gelieferten Verbrennungsluft ermöglichen. Bei beiden oben beschriebenen Wärmetauscheinrichtungen können in dem Abgasrohr oder der Abgaskammer eine oder mehrere Anzapföffnungen vorgesehen sein. Eine solche Anordnung erhöht den Wirkungsgrad des Ofens, nicht nur weil die heissen Abgase die Temperatur der Verbrennungsluft weiter erhöhen, sondern sie enthalten auch einen Überschuss an heissem Sauerstoff, welcher die Verbrennung des Brennstoffes am Brenner verbessert. Der Deckel kann mit einer Isolierung versehen sein, um einen Wärmeverlust zu vermeiden.
Andere Konstruktionen von Wärmetauschern können ebenfalls verwendet werden, z. B. kann die Verbrennungsluft durch ein Netz von Rohren geleitet werden, das innerhalb einer von Abgasen durchströmten Kammer angeordnet ist. Der Vorteil der beschriebenen Wärmetauscher liegt in deren einfacher Konstruktion, die nur wenige Teile umfasst, die ausschliesslich durch Schweissen montiert werden können. Die Wärmetauscher können daher relativ leicht und billig hergestellt werden.
Neben dem Vorteil des höheren thermischen Wirkungsgrades und der damit verbundenen Verminderung des Brennstoffbedarfes und der heute hohen Brennstoffkosten, bringt der erfindungsgemässe Ofen noch eine Reihe weiterer Vorteile mit sich, insbesondere im Hinblick auf die Sicherheit und verbesserte Arbeitsbedingungen.
So stellt der Durchzug der Verbrennungsluft durch die doppelwandige Ummantelung eine niedrige Temperatur der äusseren Wand sicher, was die Gefahr von Verbrennungen bei einem unbeabsichtigten Berühren der Aussenwand vermindert und auch die Arbeitsbedingungen in der Umgebung verbessert. Der Ofen weist eine geringere Höhe als bekannte Öfen auf, wodurch die Entnahme des geschmolzenen Metalls leichter und daher sicherer wird. Desgleichen wird auch die Beschickung einfacher. Den Schornstein verlassen reine Gase, ohne sichtbare Flammen, mit relativ niedrigen Temperaturen, was die Umweltbedingungen verbessert. Der Brenner und die Lüfter sind in Gehäusen montiert, was den Lärm vermindert und eine extrem leise Ofenanlage ermöglicht.
Da der Schmelztiegel gedreht wird und daher stets ein anderer Teil des Tiegels der Brennerflamme ausgesetzt werden kann, ist es möglich, den verschleissfördernden Einfluss der Flamme über einen grösseren Teil der Tiegeloberfläche als bei den bekannten Öfen mit fester, z. B. mit Mörtel fixierter, Tiegellage zu verteilen, wodurch sich die Lebensdauer des Tiegels beträchtlich erhöht.
Die Erfindung kann jedoch nicht nur bei Öfen mit drehbarem Tiegel, sondern auch bei Öfen mit festen oder herausnehmbaren, sowie mit kippbaren Tiegeln angewendet werden.