Die Erfindung betrifft eine Heizeinrichtung mit mindestens einer Wirbelschicht aus feuerfesten Teilchen und einem zu erwärmenden Körper, dem Wärme von der Wirbelschicht durch Berührung ihrer Teilchen mit seiner Oberfläche zuführbar ist, und mit einer Vorrichtung zur Zufuhr von Luft und Brennstoff zur Wirbelschicht, um sie zu verwirbeln und eine Verbrennung des Brennstoffes zu bewirken, sowie ein Verfahren zu deren Betrieb.
Derartige Heizeinrichtungen, d. h. mit direkter Berührung, schliessen z. B. einen Heizkessel ein, der warmes Wasser oder Dampf enthält, sowie einen um eine Verbrennungszone angeordneten Wassermantel, oder enthalten einen Heizkessel mit einer Anzahl von Rohren, welche von den von einer Verbrennungszone strömenden Abgasen umflossen sind.
Bei der erstgenannten Ausführung bildet der Wassermantel einen Körper mit einer Oberfläche, welche von der brennenden Brennstoff-Luftmischung oder den entstandenen Abgasen direkt berührt wird, wogegen bei der letztgenannten Ausführung jedes Rohr einen Körper bildet, dessen Oberfläche von den Abgasen direkt berührt wird. Ein weiteres Beispiel einer Heizeinrichtung der genannten Art, d. h. mit direkter Berührung, ist ein Ofen, in welchem die zu erwärmenden Körper angeordnet werden, oder diese durch den Ofen bewegt werden, damit die Abgase von einer brennenden Luft-Brennstoffmischung die Körper berühren.
Nur ein Teil der bei der Verbrennung des Brennstoffes frei gewordenen Wärme wird bei bestehenden Heizeinrichtungen der Oberfläche des zu erwärmenden Körpers zugeführt. Beinahe die gesamte Restwärme wird, wenn sich die Heizeinrichtung in einem stabilen Betriebszustand befindet, mit den Abgasen abgeführt. Der Wirkungsgrad solcher Heizeinrichtungen, d. h. derjenige Anteil der Verbrennungswärme, welcher der zu erwärmenden Oberfläche zugeführt wird, liegt weit unter 100%.
Es ist notwendig, zu verhindern, dass das brennende Öl unter seine untere Verbrennungstemperatur abgekühlt wird.
Wenn somit die Heizeinrichtung derart angeordnet sein würde, dass die Wärme nur mittels direkter Berührung der zu erwärmenden Fläche mit dem brennenden Brennstoff zugeführt wird, würden die die Verbrennungszone verlassenden Gase eine Temperatur aufweisen, welche mindestens so hoch ist, wie die niedrigste Verbrennungstemperatur. In der Praxis ist die Temperatur der Abgase bei einer solchen Heizeinrichtung meistens viel höher. Deshalb wird normalerweise mindestens ein Teil der zu erwärmenden Oberfläche im Pfad der Abgase angeordnet, welche die Verbrennungszone verlassen, um auf diese Weise den Abgasen Wärme abzugewinnen. Der Wirkungsgrad der Heizeinrichtung kann dadurch verbessert werden, dass die zu erwärmende Oberfläche vergrössert wird, und dass sie eine kreisfömrige Bahn für die Abgase begrenzt.
Dies führt aber zu einer bedeutenden Erhöhung der Kosten sowie zu einer Vergrösserung der Abmessungen der Heizeinrichtung.
Eine Ausführung einer derartigen Heizeinrichtung, nämlich ein Heizkessel, wurde mit dem Zweck vorgeschlagen, einen höheren Wirkungsgrad zu erreichen, ohne dass Nachteile bezüglich der Grösse und der Kosten entstehen. Dieser Heizkessel umfasst ein aus feuerfesten Teilchen bestehendes Bett, das beim Betrieb des Heizkessels mit einem fliessfähigen Medium versehen wird, wobei Mittel für die Zufuhr von Brennstoff und Luft zum Bett vorgesehen sind, damit eine Verbrennung stattfinden kann, und ein oder mehrere wasserführende Rohre in das Bett eingeführt werden. Die durch die Verbrennung des Brennstoffes frei gewordene Wärme wird von den sich rasch und dauernd bewegenden feuerfesten Teilchen zu den Rohren getragen. Dadurch findet eine wirksame Wärmeübertragung zu den Rohren statt.
Eine Ausführung des bekannten Heizkessels ist von Herrn S. J. Wright auf den Seiten 161 bis 165 der I. M. E. Symposium Serie Nr. 27 (Institution of Chemical Engineers, London) beschrieben. Diese Ausführung hat eine Wirbelschicht mit wassergekühlten Rohren, die in der Wirbelschicht eingetaucht sind, wobei ein Wassermantel rund um die Wirbelschicht und eine Übertragungssektion über der Wirbelschicht angeordnet ist. Diese Sektion hält grössere Teilchen zurück, die von der Wirbelschicht nach oben geworfen wird. Das grösste Zurückweisungsverhältnis, das mit diesem Heizkessel durch Änderung des Zufuhrverhältnisses von Brennstoff zur Luft erreichbar ist, beträgt 1,7:1. Wenn die Oberflächengeschwindigkeit über eine Mindestgeschwindigkeit von etwa 1,83 m/sek. erhöht wird, steigt die Übertragung rasch an.
Falls die Oberflächengeschwindigkeit unter diese Geschwindigkeit sinkt, übersteigt die von der Wirbelschicht extrahierte Wärme die höchstmögliche Wärmeabgabe, so dass die Zündung aussetzt.
Die Wärmeausgleichsgrenze, unter welcher hier die untere Grenze derjenigen Wämemenge gemeint ist, welche durch Verbrennung in der Wirbelschicht freigegeben wird, wobei diese Grenze gerade die Geschwindigkeit der Wärmeextrahierung von der Wirbelschicht ausgleicht, wird dann erreicht, wenn das Verhältnis der Brennstoffzufuhr zur Luft auf einen Wert reduziert wird, bei welchem die Wirbelschicht nur gerade verwirbelt ist.
Das Problem in Verbindung mit der Erreichung eines befriedigenden Zurückweisungsverhältnisses ist ferner in der britischen Patentschrift Nr. 868 710 dargelegt, in welcher das Problem in Verbindung mit einem Verfahren zur Oxidierung von Schwefelerz mittels Luft in einer Wirbelschicht erläutert wird. Dabei kann das Verhältnis, mit dem der Erz und die Luft der Wirbelschicht zugeführt werden, um etwa 20% vom Normalverhältnis abweichen, sofern keine Massnahmen zur Änderung der Oberfläche der Kühlrohre getroffen werden, welche die Wirbelschicht berühren. In der Spezifikation wurde bereits vorgeschlagen, diese Variation durch Änderung der Menge des festen Materials in der Verbrennungskammer zu erreichen, wobei der Ofen Kühlrohre aufweist, die zunehmend näher in vertikaler Richtung in der Wirbelschichtzone angeordnet sind.
Ein Nachteil dieser bekannten Ausführung mit einem mit fliessfähigem Medium versehenen Bett besteht darin, dass die Verbrennung des Brennstoffes so lange nicht im Bett stattfindet, bis es auf die untere Verbrennungstemperatur des Brennstoffes erwärmt ist. Deshalb hat es sich als notwendig erwiesen, Hilfsbrenner vorzusehen, welche in der Lage sind, das Bett innert nützlicher Frist auf die erforderliche Temperatur zu erwärmen. Dabei wird selbstverständlich ein Teil der von den Hilfsbrennern gelieferten Wärme den wasserführenden Rohren und dem darin enthaltenen Wasser zugeführt. Die Verwendung solcher Hilfsbrenner und Steuervorrichtungen tragen deshalb in hohem Masse zu den Kosten einer solchen Ausführung eines Heizkessels bei.
Ein weiterer Nachteil der bestehenden Ausführung des oben beschriebenen Heizkessels betrifft dessen Betrieb unterhalb seiner Höchstleistung. Falls die Zufuhrgeschwindigkeit des Brennstoffes zum Bett reduziert wird, sinkt die Temperatur des Bettes, weil das Vermögen der wasserführenden Rohre, Wärme zu absorbieren, unverändert bleibt. Falls die Zufuhrgeschwindigkeit des Brennstoffes bedeutend reduziert wird, sinkt die Temperatur des Bettes unter die untere Verbrennungstemperatur und die Heizeinrichtung arbeitet nicht mehr.
Zweck der Erfindung ist die Schaffung einer Heizeinrichtung, sowie ein Verfahren zu deren Betrieb, welche die Nachteile bestehender Ausführungen nicht aufweisen.
Die erfindungsgemässe Heizeinrichtung der eingangs genannten Art ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhrvorrichtung zum Werfen der Teilchen der Wirbelschicht nach oben dient, nachdem sie gerade verwirbelt wurden, um die Oberfläche des Körpers zu berühren, und dass der Abstand zwischen der Wirbelschicht und dieser Oberfläche so bemessen ist, dass keine hinreichende Berührung zwischen ihr und den Teilchen der gerade verwirbelten Wirbelschicht, um eine Wärmeausgleichsgrenze zu erreichen, möglich ist, wenn das Verhältnis des zugeführten Brennstoffes zur Luft von einem Normalwert auf einen Wert sinkt, bei welchem die Wirbelschicht gerade noch verwirbelt ist.
Das Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemässen Heizeinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass man, während des Anlassens der Wirbelschicht Luft und Brennstoff mit einer solchen Geschwindigkeit zuführt, dass die gerade verwirbelten Teilchen praktisch nicht nach oben gegen den Körper geworfen werden, und nachher, wenn die Wirbelschicht erwärmt und die normale Betriebstemperatur erreicht ist, Luft und Brennstoff mit gleicher Geschwindigkeit der Wirbelschicht zugeführt werden, so dass die Teilchen infolge der höheren Gasgeschwindigkeit nach oben, gegen den Körper geworfen werden, die bei normaler Betriebstemperatur erreicht wird, wobei die Teilchen dem Körper Wärme zuführen, und dass die Teilchen danach zu derjenigen Zone zurückfallen, welche von der gerade verwirbelten Wirbelschicht belegt wurde.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar:
Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch einen Heizkessel zum Erhitzen von Wasser in Wohnhäusern, mit einem ersten Bett, in welchem eine Verbrennung stattfindet, und einem zweiten Bett, welches einen Teil des Wärmeaustauschers bildet, gemäss einer ersten Ausführungsform;
Fig. 2 einen Vertikalschnitt ähnlich Fig. 1, jedoch gemäss einer zweiten Ausführungsform;
Fig. 3 und 4 zwei Varianten des zweiten Bettes zur Verwendung im Heizkessel nach Fig. 1;
Fig. 5 eine Draufsicht der in Fig. 4 gezeigten Ausführung; und
Fig. 6 einen Vertikalschnitt durch einen Wärmebehandlungsofen.
In Fig. 1 und 2 gezeigte Heizkessel sind für gasförmige Brennstoffe und zur Übertragung der Verbrennungswärme auf Wasser vorgesehen, welches sich in einem Kanal 10 befindet, der in einem zylindrischen Wassermantel 11 ausgebildet ist.
Der Wassermantel 11 wird von einem Körper 12 getragen, welcher aus einem Oberteil 13 und einem Unterteil 14 besteht.
Im Oberteil 13 befindet sich ein ringförmiger Kanal 15, welcher eine sich abwärts erstreckende Verlängerung des Kanals 10 im Wassermantel bildet. Ein Wassereinlass 16 im oberen Körperteil ist mit dem Kanal 15 verbunden, und ein Wasserauslass 17 ist im Oberteil 13 des Wassermantels 11 ausgebildet.
Der Wassermantel 11 umgibt und begrenzt eine zylindrische Verbrennungskammer 18, welche an ihrem oberen Ende mit einem kreiszylindrischen Auslasskanal 19 für Gas versehen ist.
Der Wassermantel 11 ist mit einstückig ausgebildeten Rippen 20 versehen, die sich von der Innenwandung des Wassermantels 11 in radialer Richtung in die Verbrennungskammer 18 erstrecken und Wasserdurchlässe 7 aufweisen.
Der Oberteil 13 ist mit einer mittigen Öffnung versehen, in der sich eine Vorrichtung zur Zufuhr von Luft und gasförmigem Brennstoff zur Verbrennungskammer 18 befindet. Die Einlassvorrichtung besteht aus einer.porösen Platte 21, auf der sich ein Bett aus feuerfesten Teilchen 22 befindet, die mittels nach oben durch die Platte 21 strömender Luft sowie gasförmigem Brennstoff aufgewirbelt werden. Der Umfang des Bettes wird von einem Haltering 23 begrenzt, der sich um den Umfang der Platte 21 erstreckt und etwa 3 cm über deren oberen Fläche hervorsteht. Im statischen Zustand des Bettes 22 (Fig. 1) hat es eine Tiefe, die etwas kleiner ist als die Höhe des Halteringes 23 oberhalb der oberen Fläche der porösen Platte 21.
An einer Stelle 24 in Fig. 1 sammelt sich eine weitere Menge von feuerfesten Teilchen an der Aussenseite des Halteringes 23, wenn die Heizeinrichtung im Betrieb ist, was in der Folge näher erläutert wird. Die Teilchen 22 liegen zwischen dem Haltering 23 und dem Wassermantel 11 und dienen als thermischer Isolator, damit keine bedeutende Wärmemenge direkt vom Haltering 23 zum Wassermantel 11 strömt.
Die Heizeinrichtung umfasst ferner eine Vorrichtung zur Zufuhr einer Mischung aus gasförmigem Brennstoff und Luft durch die poröse Platte 21 in das Bett 22. Die Zufuhrvorrichtung umfasst einen Ventilator 25, der direkt auf der Abtriebwelle eines Elektromotors 26 angeordnet ist und liegt in einer Kammer direkt unter der porösen Platte 21, welche Kammer vom Oberteil 13 und Unterteil 14 begrenzt ist. Der Elektromotor 26 ist in einer inneren Kammer 27 angeordnet, die im Unterteil 14 ausgebildet ist. Die innere Kammer 27 ist durch eine kreisförmige Öffnung mit der Ventilatorkammer verbunden, welche Öffnung von einem rohrförmigen Brennstoff Einlassring 28 begrenzt ist, der durch ein Rohr 29 mit einem Steuerventil 30 verbunden ist, durch welches gasförmiger Brennstoff zugeführt wird.
Das Steuerventil 30 befindet sich in einer Aussenkammer 31 im Unterteil 14 und ist von der inneren Kammer 27 durch eine kreisringförmige Innenwand 32 getrennt. Die Aussenkammer 31 ist von einer Aussenwand 33 umgeben, in der sich Öffnungen 34 für den Einlass von Luft zum Anzünden des Brennstoffes befinden. Eine weitere Reihe von Öffnungen 35 in der Innenwand 32 dienen zur Zufuhr von Luft von der Aussenkammer 31 zur inneren Kammer 27.
Die Öffnungen 34 und 35 sind an den unteren Enden der betreffenden Wände angeordnet, wobei sich ein Leitblech 36 vom Boden der Aussenkammer 31, zwischen den Öffnungen 34 und 35, nach oben erstreckt, so dass die eintretende Luft einen verschlungenen Weg von den Öffnungen 34 aufwärts über die obere Kante des Leitbleches 36 nach unten, ferner abwärts zu den Öffnungen 35 und dann nochmals aufwärts durch nicht näher bezeichnete Öffnungen rund um den Einlassring 28. Diese Anordnung dient dazu, die Lärmemission des Ventilators 25 zu reduzieren.
Die Aussenkammer 31 kann mit einem lose gepackten Fasermaterial mit geräuschschluckenden Eigenschaften gefüllt sein.
Mit der Innenseite der Innenwand 32 ist ein Luft-Steuerring 37 mit Öffnungen 38 verbunden, die mit den Öffnungen 35 ausrichtbar sind oder sie teilweise zudecken, wenn der Steuerring relativ zum Unterteil 14 gedreht wird, um die Geschwindigkeit der Luft zur porösen Platte 21 zu begrenzen. Das Steuerventil 30 steuert die Geschwindigkeit des gasförmigen Brennstoffes zum Einlassring 28 entsprechend der Geschwindigkeit der Luft, damit der Anteil des Brennstoffes der dem Bett 22 zugeführten Mischung auf einem vorgewählten Wert gehalten wird. Dieser Wert liegt normalerweise etwas tiefer, als das stöchiometrische Verhältnis, um eine vollständige Verbrennung des Brennstoffes zu gewährleisten.
Der Einlassring 28 ist mit kleinen Öffnungen versehen, durch die der Brennstoff zum Luftstrom von der Aussenkammer 31 zur Kammer 27 strömen kann. Der Ventilator 25 treibt die gasförmige Mischung durch die poröse Platte 21 und vermischt den gasförmigen Brennstoff mit der Luft, damit eine praktisch homogene Mischung in das Brett einströmt.
Ein kreisförmiger Block 39 wird in der Ventilatorkammer, unmittelbar des Ventilators 25, von sich radial erstreckenden Armen 40 getragen, die sich in Buchsen zwischen dem Oberteil 13 und dem Unterteil 14 erstrecken. Der Zweck des Blokkes 39 besteht darin, den Gasströmungskanal durch die Ventilatorkammer derart zu begrenzen, dass die Geschwindigkeit der Gase oberhalb der Flammengeschwindigkeit der Mischung gehalten wird, damit sich die Verbrennung nicht durch die Ventilatorkammer verbreiten kann.
Der Wassermantel 11 ist von einer Schicht 41 aus einem thermischen Isoliermaterial und ferner von einem Schutzgehäuse 42 umgeben. Der Oberteil 13 ist durch einen Ring 43 aus Isoliermaterial vom Unterteil 14 isoliert.
Die Heizeinrichtung umfasst ferner eine nicht gezeigte, automatische Steuervorrichtung mit einem Ein/Aus-Schalter.
Beim Einschalten der Heizeinrichtung wird der Elektromotor 26 sofort erregt. Nach Ablauf eines Verzögerungs-Intervalls von z. B. 8 sec, damit der Ventilator seine normale Drehzahl erreichen kann, erregt die Steuervorrichtung gleichzeitig eine Funken-Zündvorrichtung 44 und ein Solenoid-Ventil, das die Zufuhr von gasförmigem Brennstoff zum Heizkessel steuert, damit er durch das Gassteuerventil 30 strömen kann. Die Zündvorrichtung 44 ist in einer Öffnung im Wassermantel 11 angeordnet und erstreckt sich abwärts durch die Brennkammer 18 zu einer in der Nähe der oberen Fläche des Bettes 22 befindlichen Stelle, wo die Funken erzeugt werden.
Wenn der Heizkessel kalt ist, bewirkt der Ventilator 25, dass die Mischung aus gasförmigem Brennstoff und Luft durch das Bett 22 mit einer derartigen Geschwindigkeit strömt, dass die Teilchen so aufgewirbelt werden, dass sie gerade noch schweben, wobei sie aber normalerweise nicht über die obere Kante des Halteringes 23 steigen. Wenn die Mischung die Zündvorrichtung 44 erreicht, wird sie angezündet, und eine stabile Flamme entsteht oberhalb des Bettes 22. Benachbart zur Zündvorrichtung 44 befindet sich ein nicht gezeigter Flammen-Fühler, welcher auf die Anwesenheit einer Flamme in der Brennkammer unmittelbar oberhalb des Bettes 22 anspricht, um ein Signal an die automatische Steuervorrichtung abzugeben, welche die Zündvorrichtung ausschaltet, wobei das Solenoid-Ventil offen bleibt, damit die Zufuhr von gasförmigem Brennstoff anhält.
Weil die Teilchen, wenn das Bett 22 aufgewirbelt wird, eine rasche, zufällige Bewegung ausführen, erwärmt die oben am Bett brennende Flamme das gesamte Bett rasch. Infolge der innigen Berührung zwischen den Teilchen des Bettes und der gasförmigen, durch das Bett strömenden Mischung, entspricht die Temperatuf der gasförmigen Mischung im Bett praktisch derjenigen der Teilchen. Wenn somit die Gase in das Bett eintreten, werden sie erwärmt und expandieren, wobei diese Expansion eine entsprechende Erhöhung der Geschwindigkeit der Gase bewirkt. Dementsprechend steigt die Geschwindigkeit der Gase, wenn die Temperatur des Bettes auf die normale Betriebstemperatur von 700 bis 1050ob ansteigt, auf einen Wert, welcher drei- bis viermal so gross ist, wie derjenige des kalten Bettes.
Die relativ hohe Gasgeschwindigkeit im Bett, wenn seine Temperatur sich der normalen Betriebstemperatur nähert, bewirkt ein Aufwärtswerfen der feuerfesten Teilchen vom Bett, und zwar über die obere Kante des Halteringes 23 hinaus. Wenn der Heizkessel normal betrieben wird, kreisen die Teilchen in der Brennkammer und prallen gegen die Rippen 20 und die Innenwand des Wassermantels 11, bevor sie auf das Bett zurückfallen. Die benachbart zum Wassermantel 11 nach unten fallenden Teilchen bleiben ausserhalb des Halteringes 23 an der Stelle liegen, so dass sich eine geneigte Fläche bildet, längs welcher die Teilchen in das Bett 22 zurückrollen.
Die Wärme wird den Rippen 20 und dem Wassermantel 11 erstens durch Strahlung vom Bett 22, zweitens durch direkte Berührung mittels der Abgase, die durch die Brennkammer nach oben steigen, drittens durch Strahlung der Teilchen, die vom Bett nach oben geworfen werden, und viertens durch direkte Berührung der Teilchen mit den Rippen auf den Wassermantel zugeführt. Infolge der innigen Berührung zwischen den Teilchen im Bett und denjenigen Teilchen, welche sich im Raum oberhalb des Bettes befinden, einerseits und andererseits der brennenden Luft-Brennstoffmischung sowie dem Produkt der Verbrennung, wird die Wärme den feuerfesten Teilchen wirksam zugeführt, welche ihrerseits die Wärme auf die Rippen des Wassermantels übertragen.
Die mit Ausführungen nach Fig. 1 durchgeführten Versuche haben ergeben, dass 50 bis 60% der Verbrennungswärme von den Teilchen auf das Bett 22, sowie durch direkte Berührung der Abgase mit den Rippen und dem Wassermantel, übertragen wird.
Um den Wirkungsgrad des Heizkessels zu erhöhen, kann ein zweites Bett mit feuerfesten Teilchen 45 vorgesehen werden, welches den Abgasen weitere Wärme entnimmt. Das zweite Bett 45 wird von einer mit Löchern versehenen Verteilplatte 46 aus Metall getragen, die am unteren Ende des Gasauslasses 19, benachbart zur Brennkammer 18, angeordnet ist. Auf der oberen Fläche der Verteilplatte 46 kann eine Schicht aus feinem Metallgewebe angeordnet sein, dessen Öffnungen kleiner sind als die Teilchen, aus welchen das zweite Bett zusammengesetzt ist, damit die Teilchen daran gehindert werden, in die Brennkammer einzudringen.
Wenn Abgase von der Brennkammer 18 zum Gasauslass strömen, gehen sie durch das zweite Bett 45, welches dadurch aufgewirbelt wird. Da die Temperatur des zweiten Bettes 45 im Normalbetrieb des Heizkessels tiefer ist als diejenige der Abgase innerhalb der Brennkammer, wird Wärme von den Gasen auf die Teilchen im zweiten Bett übertragen. Diese Teilchen befinden sich in schneller, ungeordneter Bewegung und die Wärme wird von den Teilchen rasch auf den Wassermantel 11 übertragen, welcher das Bett umgibt. Diese Über- tragung findet hauptsächlich durch direkte Berührung zwischen den Teilchen und der Oberfläche des Wassermantels statt. Um die Wärmeübertragung von den Teilchen des zweiten Bettes zum Wassermantel zu beschleunigen, kann er einstückig mit Rippen 47 versehen sein, die sich in das Bett hinein erstrekken.
Die bisher ausgeführten Versuche haben gezeigt, dass bei einer Ausführung mit zwei Betten (Fig. 1) 75 bis 90% der Verbrennungswärme auf das Wasser übertragen wird, das durch den Wassermantel fliesst. Normalerweise haben das zweite Bett verlassende Gase eine Temperatur von etwa 300oC.
Der Heizkessel nach Fig. 1 mit einem Elektromotor 26 von 15 Watt Ausgangsleistung und einem Ventilator mit einem Durchmesser von etwa 17,5 cm hat im Normalbetrieb eine Leistung von etwa 8800 kcal pro Stunde.
Die Wärmeleistung kann dadurch bedeutend reduziert werden, dass die Zufuhrgeschwindigkeit der Luft und des gasförmigen Brennstoffes herabgesetzt wird, ohne dass die Temperatur des Bettes 22 unter die unterste Verbrennungstemperatur des Brennstoffes fällt. Wenn die Zufuhrgeschwindigkeit des Brennstoffes und der Luft herabgesetzt wird und die Temperatur des Bettes fällt, nimmt der Anteil der vom Bett nach oben geworfenen Teilchen rasch ab. Somit sinkt die Geschwindigkeit, mit welcher Wärme dem Wassermantel zugeführt wird, rasch, und zwar bei einer relativ niedrigen Abnahme der Temperatur des Bettes.
Falls der Heizkessel dazu vorgesehen ist, Wärme mit einer relativ niedrigen Geschwindigkeit zu liefern, z. B. etwa 7500 kcal pro Stunde, hat der Ventilator vorzugsweise einen relativ kleinen Durchmesser. Um hohe Ventilator-Drehzahlen zu vermeiden, die übermässigen Lärm verursachen, kann ein Zweistufen-Ventilator verwendet werden, wobei der Druckverlust durch das erste und das zweite Bett aufgehoben wird.
Die Höhe der Brennkammer 18, gemessen von der oberen Fläche des statischen, ersten Bettes 22 zur Verteilplatte 46, beträgt normalerweise etwa 10 bis 15 cm, was ausreicht, um die vom ersten Bett nach oben geworfenen Teilchen daran zu hindern, die Verteilplatte zu erreichen. Die Höhe der Brennkammer ist vorzugsweise nicht viel grösser, weil bei der Ein schaltung der Heizeinrichtung der Lärm beim Anzünden der gasförmigen Mischung in der Brennkammer mit deren Volumen zunimmt.
Vorzugsweise ist die poröse Platte 21 aus einem keramischen Material hergestellt, das eine relativ niedrigere thermische Leitfähigkeit aufweist und demzufolge einen bedeutenden Wärmeverlust des Bettes in der Abwärtsrichtung verhindert.
Ferner sind feuerfeste, poröse Materialien, z. B. ein gesintertes, chemisch träges Material, wie rostfreier Stahl oder Chromnickel, geeignet. Die Platte 21 hat vorteilhaft ein niedrigeres Emissionsvermögen, damit sie Wärmestrahlen vom Bett nicht leicht absorbiert. Die Platte kann gesamthaft aus einem Material mit niedrigem Emissionsvermögen hergestellt sein, oder sie kann eine obere Schicht mit niedrigem Emissionsvermögen enthalten. Die Platte kann als obere Schicht eine durchlöcherte Aluminiumplatte aufweisen. Während des Betriebes der Heizeinrichtung wird das Aluminium oxydieren, wobei aber das dadurch entstandene Aluminium im Oxyd ein niedriges Emissionsvermögen aufweist, und die Absorption der Wärmestrahlen vom Bett durch die Platte reduziert.
Die Verwendung einer durchlöcherten Platte als obere Schicht der Platte 21 führt zu einer weiteren Reduktion der Wärmeübertragung vom Bett zur Platte, indem statische Zonen aus keramischen Teilchen benachbart zur Platte und zwischen den Löchern in der Aluminiumplatte entstehen, wobei solche statischen Zonen als thermische Isolatoren wirken. Es ist wünschenswert, den Wärmefluss vom Bett zur Platte 21 zu reduzieren, um zu verhindern, dass die Mischung aus gasförmigem Brennstoff und Luft die Verbrennungstemperatur erreicht, wenn sie durch die Platte 21 nach oben strömt.
Die feuerfesten Teilchen für die beiden Betten bestehen aus Kieselsand oder einer Mischung aus Kieselsand und Kalkstein.
Kalkstein hat dabei die Fähigkeit, den im Brennstoff vorhandenen Schwefel zurückzuhalten, um dadurch die Emission von Schwefeloxyden in die Abgase und somit in die Umgebungsatmosphäre zu verhindern oder stark zu reduzieren.
Falls sich die feuerfesten Teilchen mit der Zeit abbauen, werden neue zugeführt, zu welchem Zweck die Zündvorrichtung 44 herausnehmbar ist, so dass eine Öffnung entsteht, durch welche neue feuerfeste Teilchen in die Brennkammer eingeführt werden können. Als Alternative kann der Wassermantel 11 mit einem entfernbaren Zapfen versehen werden, um einen Zugang zur Brennkammer zu verschaffen.
Ein wichtiger Vorteil der Ausführung nach Fig. 1 besteht darin, dass die Verbrennung bei einer Temperatur im Bereich von 700 bis 1050ob stattfindet. Bei vielen Einrichtungen werden bei der Verbrennung Temperaturen von mehr als 20000C erreicht. Unter solchen Bedingungen entstehen Stickstoffoxyde mit dem Resultat, dass die der Umgebungsatmosphäre zugeführten Abgase einen kleinen Anteil von Stickstoffoxyden enthält. Auch Aldehyde können in den von Verbrennungseinrichtungen abgegebenen Abgasen enthalten sein. Bei der relativ niedrigen Temperatur der vorliegenden Heizeinrichtung wird die Bildung von Oxyden aus Stickstoff und Aldehyden stark herabgesetzt oder sogar gänzlich verhindert.
Um den Heizkessel nach Fig. 1 mit reduzierter Ausgangsleistung zu betreiben, wird die Strömungsgeschwindigkeit der Luft zum Heizkessel mittels des Steuerventils 37 herabgesetzt, während das Steuerventil 30 die Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffes entsprechend automatisch einstellt. Als Alternative kann eine elektrisch betriebene Steuervorrichtung für die Geschwindigkeit des Elektromotors 26 vorgesehen werden.
In der Folge wird der Heizkessel nach Fig. 2 näher beschrieben, dessen Ausführung teilweise von der beschriebenen abweicht, wobei gleiche Teile die gleichen Überweisungsziffern, jedoch mit der Vorziffer 1, tragen.
Der Heizkessel nach Fig. 2 enthält einen Wassermantel 111, welcher aus zwei Gusseisenteilen zusammengebaut ist. Ferner ist eine Brennkammer 118 vorgesehen, an deren unterem Ende ein Bett 122 aus feuerfesten Teilchen angeordnet ist, die von einer kreisförmigen, porösen Platte 121 getragen werden.
Der Wassermantel 111 schliesst Rippen 148 ein, die in geringem Abstand oberhalb des Bettes angeordnet sind, wenn dieses sich im Ruhezustand befindet und sich ferner radial vom Umfang des Bettes nach innen erstrecken. Ein Wasserkanal 110 im Wassermantel 111 erstreckt sich durch die Rippen 148.
Weitere Rippen 149 erstrecken sich in einen Gasauslass 119 hinein, der vom Wassermantel 111 begrenzt ist. Im gezeigten Beispiel (Fig. 2) erstreckt sich der Wasserkanal 110 nicht in diese weiteren Rippen 149 hinein. Die oberen Oberflächen der Rippen 148 sind geneigt, um zu vermeiden, dass sich die feuerfesten Teilchen daran ansammeln.
Unterhalb der porösen Platte 121 befindet sich eine Ventilatorkammer, welche vom unteren Gehäuse des Wassermantels 111 und einem Gehäuseteil 112 begrenzt ist, an welchem der Wassermantel montiert ist. Der Gehäuseteil begrenzt eine einzige Kammer, in welcher ein Elektromotor 126 angeordnet ist. Die Luft zu dieser Kammer wird durch einen Einlasskanal 150 eingeführt, welcher mit einem Glühhals versehen ist, an dem sich ein nicht gezeigter Brennstoffeinlass zum Einspritzen von gasförmigem Brennstoff in die Luftströmung befindet.
Diese Ausführung ermöglicht ein anfängliches Mischen des gasförmigen Brennstoffes mit Luft, das mittels des Ventilators 125 beendigt wird. Steuerungen nach Fig. 1 sind verwendbar, um dem Einlasskanal 150 nur dann Brennstoff zuzuführen, wenn eine nicht gezeigte Zündvorrichtung in Betrieb ist oder die Verbrennung im oder unmittelbar oberhalb des Bettes 122 stattfindet. Die Strömungsgeschwindigkeit der Mischung aus gasförmigem Brennstoff und Luft kann auch durch Steuerung der Geschwindigkeit des Elektromotors 126 überwacht werden.
Der Betrieb der Ausführung nach Fig. 2 ist demjenigen nach Fig. 1 ähnlich. Um den Heizkessel vom kalten Zustand aus zu erwärmen, wird eine Mischung aus gasförmigem Brennstoff urd Luft dem Bett 122 mit einer Strömungsgeschwindigkeit zugeführt, welche gerade noch so gross ist, dass das Bett aufgewirbelt wird. Wenn dessen Temperatur ansteigt, erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit im Bett, und die Teilchen werden vom Bett nach oben geworfen. Wenn das Bett seine normale Betriebstemperatur besitzt, werden Teilchen vom Bett nach oben zu den Rippen 148 geworfen, von welchen sie nochmals in das Bett fallen.
Der in Fig. 2 gezeigte Heizkessel hat normalerweise eine Leistung von etwa 16 400 kcal pro Stunde. Bei einer Ausführung für diese Leistung hat der Elektromotor eine Leistung von 20 Watt und der Ventilator 125 einen Durchmesser von 20 cm und 1,25 cm breite Flügel. Es wird darauf hingewiesen, dass in der Heizeinrichtung nach Fig. 2 kein zweites Bett vorgesehen ist, wobei die vom ersten Bett 122 und den Rippen 149 nach oben geworfenen feuerfesten Teilchen die Absorption der Wärme im vorgesehenen Verhältnis aus den Abgasen bewirken.
In Fig. 3 ist eine Variante der Heizeinrichtung nach Fig. 1 dargestellt, welche eine abweichende Anordnung des zweiten Bettes zeigt. Bei dieser Ausführung sind die Rippen 47 weggelassen und die Verteilplatte 46 durch eine Reihe von Stäben 152 ersetzt, welche sich nebeneinander und parallel zueinander quer über den Gasauslass 19 erstrecken. Aus Fig. 3 geht hervor, dass die Stäbe im Querschnitt dreieckförmig sind und zur Bildung einer Reihe von V-förmigen Kanälen 153 angeordnet sind, derart, dass am Boden jedes Kanals eine enge Öffnung entsteht. Unterhalb dieser Öffnungen gehen die einander gegenüberliegenden Flächen der Stäbe nach unten auseinander. Die Öffnung am Boden jedes einzelnen Kanals ist genügend weit, um es den feuerfesten Teilchen, aus welchen das Bett besteht, zu ermöglichen, zwischen den Stäben in das erste Bett zu fallen, wenn der Heizkessel ausgeschaltet ist.
Das erste Bett wird von Teilchen gebildet, deren Grössen in einem verhältnismässig weiten Bereich liegen. Wenn der Heizkessel eingeschaltet wird und die Teilchen vom zweiten Bett nach oben geworfen werden, werden die kleineren Teilchen zwischen den Stäben 152 in den Kanälen 153 nach oben getragen.
Die Gasgeschwindigkeit oberhalb der Stäbe ist so bemessen, dass die Teilchen nicht nach oben durch den Gasauslass des Heizkessels getragen werden. Die Gasgeschwindigkeit in der Öffnung längs des Bodens von jedem Kanal reicht aber aus, um zu verhindern, dass ein bedeutender Verlust an Teilchen vom zweiten Bett zum ersten Bett stattfindet, während sich der Heizkessel im Normalbetrieb befindet
Durch die einzelnen Stäbe 152 erstrecken sich Wasserkanäle 154, welche mit dem Wasserkanal im Wassermantel des Heizkessels verbunden sind. Die mittels der Abgase dem zweiten Bett zugeführte Wärme wird auf dessen Teilchen, dann auf die Stäbe 152 und ferner zum Wasser übertragen, welches sich in den Kanälen 154 befindet.
In den Fig. 4 und 5 ist eine weitere Variante der Ausführung nach Fig. 1 gezeigt, welche ähnlich wie diejenige nach Fig. 3 arbeitet. In diesem Fall ist zum Tragen des zweiten Bettes eine kreisförmige Platte vorgesehen, in welcher sich eine Vielzahl von parallelen Reihen von kreisförmigen Öffnungen 155 befinden, die sich von der oberen Fläche der Platte zur unteren Fläche derselben erstrecken. Zwischen jedem benachbarten Paar von Reihen von Öffnungen erstreckt sich ein Wasserkanal 154, welcher mit dem Wasserkanal im Wassermantel des Heizkessels verbunden ist.
Jede Öffnung 155 nimmt gegen unten auf eine relativ kleine Öffnung 156 in der unteren Fläche der Platte ab. Wenn der Heizkessel in Betrieb gesetzt wird, werden die Teilchen vom ersten Bett durch die Öffnungen 156 nach oben geworfen, um ein zweites Bett zu bilden, welches in den Öffnungen 155 enthalten ist. Im Normalbetrieb der Heizeinrichtung reicht die Gasgeschwindigkeit durch die Öffnungen 156 aus, um zu verhindern, dass die Teilchen des zweiten Bettes auf das erste Bett zurückfallen. Dies trifft aber dann zu, wenn der Betrieb des Heizkessels unterbrochen wird.
Obschon die bisher beschriebenen Ausführungsformen Heizkessel sind und die zu erwärmende Fläche oder mindestens ein grosser Teil derselben von einem Wassermantel gebildet wird, welcher eine Brennkammer umgibt, ist es vorgesehen, die Erfindung auch auf andere Arten von Heizeinrichtungen mit direkter Berührung anzuwenden. So kann die Heizeinrichtung auch einen Wärmeaustauscher umfassen, der aus einer Vielzahl von Rohren besteht, die sich quer über die Brennkammer im Raum oberhalb des ersten Bettes erstrecken.
Die Erfindung ist ferner auch auf andere Arten von Heizeinrichtungen als Heizkessel anwendbar. So können z. B.
Metallbarren dadurch erwärmt werden, dass sie in der Brennkammer oberhalb des Bettes, jedoch in der Nähe desselben, angeordnet werden, und die Teilchen aus welchen das Bett besteht, nach oben in Berührung mit den zu erwärmenden Körper geworfen werden. Bei einer Heizeinrichtung für Metallbarren und andere Körper wird der Wassermantel weggelassen und in der Brennkammer Stützen für die Körper angebracht.
In Fig. 6 ist ein Ofen zum kontinuierlichen Heizen von Werkstücken vorgesehen, welche einer Wärmebehandlung unterworfen werden.
Der Ofen zur Wärmebehandlung hat einen Körper mit Lförmigen Stahlstäben 200 und Wände 201 aus Stahlblech. Die Aufgabe des Körpers besteht darin, andere Teile des Ofens zu stützen und einige dieser Teile einzuschliessen. Oberhalb des Körpers befindet sich eine Wärmebehandlungskammer 202, welche von einem Deckel 203 und einem Boden 204 begrenzt ist. Der Deckel 203 besteht aus einem feuerfesten Material, z. B. Zement, das mit keramischer Wolle beschichtet ist. Der Deckel schliesst einen oberen Wandteil 205 sowie Seiten- wände 206 ein, die sich von den Seitenrändern der oberen Wandteile nach unten erstrecken. Der Deckel begrenzt ferner einen Feuerkanal 207, der sich von einem Ende der Wärmebehandlungskammer vertikal nach oben erstreckt, welches Ende als das hintere Ende bezeichnet wird.
Der Boden 104 umfasst Seitenwände 208, welche nach unten verlaufende Verlängerungen der Seitenwände 206 bilden, sowie Endwände 209 und 220, die sich zwischen den Seitenwänden 208 in der Nähe der vorderen bzw. der hinteren Enden der Brennkammer erstrekken. Die Endwände 209 und 220 sind etwas tiefer als die Seitenwände 208, so dass diese Wände sich nicht bis zum Deckel nach oben erstrecken. Auch die Seitenwände 208 und die Endwände 209 und 220 sind aus feuerfestem Material. Der Boden 204 umfasst ferner eine Bodenwand aus zwei rechtwinkligen aneinander anstossenden Platten 211. Die Platten 211 erstrecken sich zwischen der unteren Kante der Seitenwände 208 und den Endwänden 209 und 211 und schliessen zusammen den rechtwinkligen, von diesen Wänden begrenzten Raum. Die Platten 211 sind aus in der Folge zu beschreibenden Gründen aus Metall hergestellt und sind vorteilhaft gegossen.
Der Wärmebehandlungsofen schliesst eine Vorrichtung für die Zufuhr einer Mischung aus gasförmigem Brennstoff und Luft zur Behandlungskammer 212. Die Zufuhrvorrichtung kann einen nicht gezeigten Ventilator einschliessen, welcher innerhalb des Körpers, unterhalb der Wärmebehandlungskammer angeordnet ist und dazu dient, Luft in einem nicht gezeigten Zufuhrkanal einzublasen. Ferner kann Druckluft von einer separaten Quelle verwendet werden. Die Zufuhrvorrichtung schliesst ferner ein nicht gezeigtes Einlassrohr für Brennstoff ein, das sich innerhalb eines nicht gezeigten Brennstoff-Steuerventils befindet und zum Einführen von gasförmigem Brennstoff durch ein Luft-Brennstoff-Mischventurirohr in den Zufuhrkanal dient, welches das Mischen des gasförmigen Brennstoffes und der Luft zu einer homogenen Mischung fördert.
Der Zufuhrkanal ist in zwei Zweigen aufgeteilt, welche jeweils an den Einlassöffnungen 212 in den Platten 211 angeschlossen sind. Zur Kontrolle der relativen Strömung durch die zwei Einlassöffnungen 212 können Ventile vorgesehen werden.
Oberhalb jeder Platte 211 ist je eine Verteilplatte 213 angeordnet, welche von aufrechtstehenden Rippen 214 getragen werden, die mit den Bodenplatten 211 einstückig sind. Die Verteilplatten 213 sind gasdurchlässig und meistens aus einem keramischen Material hergestellt. Zwischen den Verteilplatten 213 und den ihnen zugeordneten Bodenplatten 211 befindet sich ein horizontaler Kanal 215, durch welchen die gasförmige, durch die Einlassöffnung 212 einströmende gasförmige Mischung zu allen Teilen der Verteilplatte 213 fliessen kann.
Auf der Verteilplatte 213 befindet sich ein Bett aus feuerfesten Teilchen 225, das aus Sand bestehen kann. Die Tiefe des Bettes aus feuerfesten Teilchen beträgt etwa 2,5 mm und wenn keine Gase durch das Bett nach oben strömen, befindet sich dessen obere Fläche ein wenig unterhalb der oberen Flächen der Endwände 209 und 210.
Wenn die Heizeinrichtung im Betrieb ist, verbrennt die gasförmige Mischung aus Brennstoff und Luft im Bett 225 aus feuerfesten Teilchen oberhalb der Verteilplatten 213. Demzufolge neigt die Wärme dazu, durch die Verteilplatten gegen die Kanäle 215 nach unten zu strömen. Um die Gefahr einer Explosion oder frühzeitige Verbrennung im Kanal 215 zu vermeiden, muss die Temperatur der darin befindlichen gasförmigen Mischung unterhalb der Verbrennungstemperatur gehalten werden. Der Nettofluss von Wärme durch die Verteilplatten 213 nach unten wird durch den Aufwärtsfluss der gasförmigen Mischung durch die Verteilplatten 213 bedeutend reduziert.
Die in die Verteilplatten eintretenden Gase sind relativ kalt und infolge der innigen Berührung zwischen den aufwärts strömenden Gasen und den Verteilplatten wird den Gasen Wärme zugeführt und diese von ihnen in das Bett der feuerfesten Teilchen nach oben getragen.
Um die Gefahr einer Explosion in den Kanälen 215 weiter zu reduzieren, sind die Abstände zwischen den Bodenplatten 211 und den Verteilplatten 213 in vertikaler Richtung klein, jedoch nicht so klein, dass die freie Strömung der Gase von den Einlassöffnungen 212 in allen Teilen der Verteilplatten 213 nennenswert beeinträchtigt wird. Durch diese Massnahme wird das Gesamtvolumen der gasförmigen Mischung im Kanal 215 stark reduziert und ferner deren Verweilzeit darin herabgesetzt.
Die Heizeinrichtung schliesst ferner eine Fördervorrichtung für Arbeitsstücke längs eines Weges ein, welcher sich von einem Ende der Wärmebehandlungskammer 202 zum anderen erstreckt. Dieser Fördervorrichtung umfasst ein endloses, durchbrochenes Förderband 217, das beispielsweise aus Drahtgliedern besteht, die sowohl in der Längs- als auch in der Breitenrichtung des Förderkanals 217 miteinander verbunden sind. Das Förderband 217 wird von einer Anzahl von Walzen 218 getragen, von welchen eine von einem Elektromotor 219 angetrieben wird, der innerhalb des Körpers 300, 301 angeordnet ist. Die Walzen 218 sind zur Bildung eines Vorwärtsteiles 220 des Förderbandes 217 vorgesehen, das sich in horizontaler Richtung durch die Wärmebehandlungskammer 202 von einem Ende zum anderen erstreckt.
Ein Retourteil 221 des Förderbandes erstreckt sich neben der Wärmebehandlungskammer durch den Körper und schliesst eine Spannrolle 222 ein, die in vertikaler Richtung verschiebbar ist und Gewichte 223 trägt, um eine vorbestimmte Spannung im Förderband 217 aufrecht zu erhalten.
Der Vorwärtsteil 220 des Förderbandes 217 ist für den Durchgang über die Endwände 209 und 210 nahe an ihren oberen Flächen des Bettes 225 aus feuerfesten Teilchen ausgebildet, das von den Verteilplatten 213 getragen wird. Ausserhalb des hinteren Endes der Wärmebehandlungskammer 202 befindet sich ein Speiseschacht 224 für die Zufuhr von zu erwärmenden Arbeitsstücken zum Vorwärtsteil 220 des Förderbandes 217. Am vorderen Ende der Wärmebehandlungskammer befindet sich ein Auslasschacht 227, durch welchen die Arbeitsstücke vom Vorwärtsteil 220 des Förderbandes an einer Stelle abgeführt werden, welche vom Bett der feuerfesten Teilchen mit Abstand nach vorne angeordnet ist. Normalerweise führt der Auslasschacht zu einem Abschreckbehälter, in welchem die in der Wärmebehandlungskammer erwärmten Arbeitsstücke zur Änderung ihrer Eigenschaften abgekühlt werden.
Zwischen der Endwand 209 und dem Auslasschacht 227 befindet sich vor dem Vorwärtsteil 220 des Förderbandes ein Aufnahmebehälter 226 zum Sammeln von feuerfesten Teilchen, die das Föderband 217 vom Bett über die Endwand 209 oder vom beförderten Arbeitsstück mitgeführt werden. Für die kontinuierliche Rückführung der feuerfesten, gesammelten Artikel kann ein Förderband vorgesehen werden. Ferner können Mittel zum periodischen Entleeren des Aufnahmebehälters 226 und zum Rückführen der gesammelten Teilchen zum Bett vorgesehen werden.
Es können auch eine oder mehrere Düsen oberhalb des Aufnahmebehälters 226 angeordnet werden, um das Förderband 217 und die darauf befindlichen Arbeitsstücke mittels Warmluftstrahlen von feuerfesten Teilchen zu befreien. Dabei kann die verwendete Warmluft durch Strömung durch im Bett 225 aus feuerfesten Teilchen angeordnete Rohren vor der Zufuhr zu den Luftstrahlen erwärmt werden. Die Luft kann mittels einer externen Druckluftquelle zugeführt werden.
Wenn die Heizeinrichtung in Betrieb gesetzt wird, wird eine gasförmige Mischung aus Brennstoff und Luft der Behandlungskammer 202 durch die Einlassöffnungen 212 mit einer Geschwindigkeit zugeführt, welche dazu ausreicht, das Bett aus feuerfesten, fliessfähigen Teilchen aufzuwirbeln. Die Mischung wird oberhalb des Bettes, z. B. mittels einer nicht gezeigten Zündkerze angezündet, und am Anfang brennt der Brennstoff gerade oberhalb der Oberfläche des Bettes. Da die Teilchen des Bettes, wenn dieses aufgewirbelt wird, einer raschen zufälligen Bewegung unterworfen sind, wird Wärme rasch auf alle Teile des Bettes übertragen.
Infolgedessen steigt die Temperatur des Bettes rasch auf die Verbrennungstemperatur des Brennstoffes an, wobei sich die Flamme in das Bett zurückerstreckt, bis es auf seine normale Betriebstemperatur erhitzt ist, wonach die Verbrennung gänzlich innerhalb des Bettes stattfindet.
Infolge der thermischen Expansionswirkungen ist die Strömungsgeschwindigkeit des Gases innerhalb des Bettes, wenn dieses seine normale Betriebstemperatur erreicht hat, bedeutend grösser, d. h. normalerweise 3- bis 4mal grösser als die Strömungsgeschwindigkeit des kalten Bettes. Die Strömung geschwindigkeit ist so gewählt, dass, wenn das Bett seine normale Betriebstemperatur erreicht hat, die Teilchen dauernd vom Bett nach oben geworfen werden, um danach auf das Bett zurückzufallen.
Wenn die Heizeinrichtung während einer Zeit in Betrieb gewesen ist, welche ausreicht, um konstante Temperaturbedingungen zu schaffen, werden die zu wärmebehandelnden Werkstücke durch den Speiseschacht 224 dem Vorwärtsteil 220 des Förderbandes zugeführt. Wenn das Bett statisch ist, ist der Abstand des Vorwärtsteils 220 zum Bett sehr klein. Deshalb geht ein Teil der vom Bett nach oben geworfenen Teilchen durch die Öffnungen im Förderband und prallen gegen die daran beförderten Arbeitsstücke. Ferner wird den Werkstükken durch Strahlung vom Bett sowie mittels im Raum oberhalb des Bettes kreisender Teilchen und durch die Wände der Behandlungskammer Wärme zugeführt. Da die von der Verbrennung des Brennstoffes herrührenden Abgase ebenfalls vom Bett nach oben strömen, führen diese den Werkstücken Wärme zu, die schnell auf die Behandlungstemperatur erwärmt werden.
So können beispielsweise Teilchen bis zu einem Gewicht von 40 g während einer Strecke von 0,6 m über einem Bett, bei einer Geschwindigkeit von 0,15 bis 1,3 m/min auf die erforderliche Temperatur erwärmt werden, wobei Temperaturen von 750 bis 950OC leicht erreichbar sind.
Durch eine unabhängige Steuerung der Zufuhrgeschwindigkeit der Mischung aus gasförmigem Brennstoff und Luft zu den Einlassöffnungen 212 können unterschiedliche Temperaturen in denjenigen Zonen des Bettes aus feuerfesten Teilchen erreicht werden, welche sich oberhalb der entsprechenden Zonen der Verteilplatten 213 befinden. Ferner kann die Zusammenstellung der Atmosphäre, welcher das zu erwärmende Werkstück ausgesetzt wird, dadurch variiert werden, dass die der Wärmebehandlungskammer zugeführten Mengen von Luft und Brennstoff geändert werden. Die Zufuhrgeschwindigkeiten des Brennstoffes und der Luft durch jede Einlassöffnung 212 sind mittels Steuervorrichtungen automatisch steuerbar, welche Temperaturfühler in jeder Zone des Bettes einschliessen, damit jede Zone des Bettes auf die vorbestimmte Temperatur gehalten wird.
Es sind auch abweichende Ausführungen der Fördervorrichtungen möglich. So kann eine als mehrarmiger Hebel ausgeführte Fördervorrichtung verwendet werden, bei welcher ein Träger für das Werkstück einer Bewegung ausgesetzt ist, die sowohl einen Vorwärts- als auch einen Rückwärtshub einschliesst, wobei sich das Werkstück während des Vorwärtshubes mit dem Träger bewegt, jedoch nicht die ganze Retourbewegung mitmacht.
Für die Wärmebehandlung eines länglichen Körpers, z. B.
einer Stange oder eines Drahtes, dessen Länge diejenige der Wärmebehandlungskammer übersteigt, kann die Fördervorrichtung mit Stützen versehen sein, welche sich benachbart zu den beiden Enden des Bettes für feuerfeste Teilchen oder der Wärmebehandlungskammer befinden. Als Stützen können z. B. Walzen verwendet werden.
Wenn die Heizeinrichtung im Betrieb ist, werden somit feuerfeste Teilchen einen Kreislauf oder eine Hin- und Herbewegung zwischen dem Bett und der zu erwärmenden Oberfläche ausführen, wobei ihr vom Bett Wärme zugeführt wird, in welchem die Verbrennung des Brennstoffes stattfindet. Diese Teilchen bewirken eine bedeutende Zunahme der Wärme übertragung vom Bett zu der zu erwärmenden Oberfläche, verglichen mit einer Ausführung, bei der keine solche kreisförmige oder hin- und hergehende Bewegung der Teilchen stattfindet, und bei der die Wärmeübertragung mittels der das Bett verlassenden Abgase sowie der von ihm ausgehenden Strahlung erfolgt.
Die sich kreisförmig oder hin und her bewegenden Teilchen bewirken ferner eine Abnahme der Temperatur der die Heizeinrichtung verlassenden Abgase, verglichen mit einer Ausführung, bei der eine solche Zirkulation nicht stattfindet. Wenn die Teilchen sich oberhalb des Bettes befinden, strahlen sie Wärme zum Wärmetauscher oder einem anderen Körper aus, werden dann kälter als die Abgase und nehmen infolgedessen Wärme von den Gasen auf, mit welchen sie in Berührung kommen. Die Gase selbst strahlen dagegen keine Wärme aus und übertragen Wärme zu der zu erwärmenden Oberfläche durch direkte Berührung zwischen ihr und den Gasen. Somit gibt die vorliegende Heizeinrichtung Gase einer Temperatur ab, die denjenigen von herkömmlichen Heizeinrichtungen ähnlich ist, während die zu erwärmende Oberfläche viel grösser ist, und die Wärmeübertragung zu ihr nur mittels Strahlung und Abgase erfolgt.
Die Zufuhrvorrichtung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Strömungsgeschwindigkeit der Gase durch das Bett änderbar ist, um den Betrieb der Heizeinrichtung zu regulieren, indem ein Teil der feuerfesten Teilchen durch den Raum oberhalb des Bettes kreist, oder dass der Betrieb ohne einen solchen Kreislauf der feuerfesten Teilchen durchgeführt wird, oder dass er in einem kleineren Verhältnis stattfindet.
Falls der Kreislauf der Teilchen vom Bett zur Berührung mit der zu erwärmenden Oberfläche unterbrochen wird, verlangsamt sich die Wärmezufuhr vom Bett zur Oberfläche bedeutend, und deshalb kann das Bett mit bedeutend weniger Brennstoff getrieben werden.
Wenn ferner die Heizeinrichtung aus kaltem Zustand in Betrieb gesetzt wird, ist die Strömungsgeschwindigkeit der Abgase durch das Bett, um es schwebend zu machen, wählbar, ohne dass die Teilchen zirkulieren und mit der zu erwärmenden Oberfläche in Berührung kommen. Dadurch wird diejenige Wärmemenge bedeutend reduziert, welche erforderlich ist, um das Bett auf seine Betriebstemperatur zu bringen.
Dadurch ist es möglich, die Verwendung von Hilfsbrennern zu vermeiden, wobei das Bett dadurch erwärmt wird, dass ihm eine bestimmte Mischung aus gasförmigem Brennstoff und Luft zugeführt wird, wonach diese Mischung oberhalb des Bettes angezündet wird. Infolge der verhältnismässig niedrigen Strömungsgeschwindigkeit im Bett selber, wenn es und die Mischung kalt sind, findet nur eine geringe Wärmeübertragung vom Bett zu der zu erwärmenden Oberfläche statt, und die Verbrennung breitet sich nach unten in das Bett aus, um es aufzuheizen, so dass das Bett rasch auf seine Betriebstemperatur erwärmt wird.
Die Temperatur der aufwärts durch das Bett strömenden Gase ähnelt derjenigen des Bettes. Infolge der thermischen Expansion der Gase ist deren Geschwindigkeit innerhalb des Bettes bei normaler Betriebstemperatur etwa viermal grösser als die Geschwindigkeit im kalten Bett, sofern die Zufuhrgeschwindigkeit der Mischung zum Bett wählbar ist, um eine anfängliche rasche Erwärmung des Bettes zu erreichen, ohne dass die Teilchen mit der zu erwärmenden Oberfläche in Berührung kommen. Danach findet ein Betrieb mit Kreislauf bei normaler Temperatur statt, ohne dass die Zufuhrgeschwindigkeit der Mischung geändert wird.
Wenn die Abgase vom Bett wegströmen, werden sie infolge Berührung mit der zu erwärmenden Oberfläche und im Normalbetrieb der Heizeinrichtung, mittels der vom Bett nach oben geworfenen Teilchen gekühlt. Die Gase ziehen sich deshalb zusammen, und wenn die Querschnittsfläche der Brennkammer oberhalb des Bettes etwa derjenigen vom Bett entspricht, ist die Geschwindigkeit des Gases oberhalb des Bettes kleiner als diejenige innerhalb desselben.
Deshalb kann die Geschwindigkeit, bei welcher die Gase durch das Bett strömen, hoch sein, damit eine rasche Bewegung der feuerfesten Teilchen im Bett zustande kommt, so dass in jedem Intervall ein relativ grosser Anteil der Teilchen vom Bett nach oben geworfen wird, während die hohen Gasgeschwindigkeiten im Raum oberhalb des Bettes vermieden werden, welche dazu führen könnten, dass feuerfeste Teilchen von den Abgasen der Brennkammer abgeführt werden.
Die Brennkammer kann von einem sich vertikal erstreckenden Wassermantel umgeben sein, deren zu erwärmende Oberfläche sich innerhalb der Brennkammer befindet. Daraus geht hervor, dass diese Ausführung insbesondere für kleine Boiler geeignet ist, welche normalerweise in den Heizeinrichtungen für Wohnhäuser zum Erwärmen von Wasser verwendet werden.
Heizeinrichtungen der vorliegenden Art sind durch Änderungen an bestehenden Heizeinrichtungen herstellbar. Bei normalen Heizkesseln für feste Brennstoffe, die von einem Feuerrost in einer Brennkammer getragen werden, die von einem Wassermantel umgeben ist, kann der Feuerrost entfernt und durch eine Einlassvorrichtung ersetzt werden, die auf ihrer oberen Fläche ein Bett aus feuerfesten Teilchen trägt und zur Zufuhr einer Mischung aus gasförmigem Brennstoff und Luft zum Boden des Bettes ausgebildet ist. Für die Zufuhr von Luft und Brennstoff zum Bett und die Einlassvorrichtung wird nur die mittige Zone des Bodens der Brennkammer beansprucht.
Wenn somit mindestens Brennstoff und Luft mit relativ niedriger Geschwindigkeit zugeführt werden, und eine mittige Zone des Bettes fliessfähig gemacht wird, und sogar dann wenn sich der Wassermantel nach unten zu einem Pegel unterhalb des Bettes erstreckt, wird diese Zone durch eine Umfangszone vom Wassermantel isoliert, die statisch sein würde.
Die vorliegende Heizeinrichtung ist nicht nur auf das Verbrennen von gasförmigem Brennstoff beschränkt, sondern es ist vorgesehen, dass die Zufuhrvorrichtung einen flüssigen Brennstoff, von der Luftzufuhr getrennt, direkt in das Bett einspritzen kann. Es ist aber auch möglich, den flüssigen Brennstoff zu verdampfen und mit Luft zu vermischen, bevor er dem Bett zugeführt wird. Ferner kann ein fester Brennstoff dem Bett direkt zugeführt werden.