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.
The invention relates to a heating device with at least one fluidized bed of refractory particles and a body to be heated, to which heat can be supplied from the fluidized bed by contacting its particles with its surface, and with a device for supplying air and fuel to the fluidized bed in order to swirl it and to effect combustion of the fuel and a method for its operation.
Such heating devices, d. H. with direct contact, close z. B. a boiler containing hot water or steam, and a water jacket arranged around a combustion zone, or contain a heating boiler with a number of pipes around which the exhaust gases flowing from a combustion zone flow.
In the first-mentioned embodiment, the water jacket forms a body with a surface which is directly touched by the burning fuel-air mixture or the resulting exhaust gases, whereas in the latter embodiment, each pipe forms a body whose surface is directly contacted by the exhaust gases. Another example of a heating device of the type mentioned, i. H. with direct contact, is a furnace in which the bodies to be heated are placed or they are moved through the furnace so that the exhaust gases from a burning air-fuel mixture touch the bodies.
Only part of the heat released during the combustion of the fuel is supplied to the surface of the body to be heated in existing heating devices. Almost all of the residual heat is dissipated with the exhaust gases when the heating device is in a stable operating state. The efficiency of such heating devices, i.e. H. the proportion of the heat of combustion that is supplied to the surface to be heated is far below 100%.
It is necessary to prevent the burning oil from cooling below its lower combustion temperature.
Thus, if the heating device were arranged in such a way that the heat is only supplied by direct contact with the surface to be heated with the burning fuel, the gases leaving the combustion zone would have a temperature which is at least as high as the lowest combustion temperature. In practice, the temperature of the exhaust gases is usually much higher with such a heating device. Therefore, at least a part of the surface to be heated is normally arranged in the path of the exhaust gases which leave the combustion zone in order in this way to extract heat from the exhaust gases. The efficiency of the heating device can be improved in that the surface to be heated is enlarged and that it delimits a circular path for the exhaust gases.
However, this leads to a significant increase in costs and an enlargement of the dimensions of the heating device.
An embodiment of such a heating device, namely a heating boiler, has been proposed with the purpose of achieving a higher degree of efficiency without incurring disadvantages in terms of size and costs. This boiler comprises a bed made of refractory particles, which is provided with a fluid medium when the boiler is in operation, means for supplying fuel and air to the bed so that combustion can take place, and one or more water-carrying pipes in the Bed to be introduced. The heat released by the combustion of the fuel is carried to the pipes by the rapidly and constantly moving refractory particles. This results in an effective heat transfer to the pipes.
An embodiment of the known boiler is described by Mr. S. J. Wright on pages 161 to 165 of the I. M. E. Symposium Series No. 27 (Institution of Chemical Engineers, London). This embodiment has a fluidized bed with water-cooled pipes immersed in the fluidized bed, with a water jacket arranged around the fluidized bed and a transfer section above the fluidized bed. This section holds back larger particles that are thrown upwards by the fluidized bed. The largest rejection ratio that can be achieved with this boiler by changing the feed ratio of fuel to air is 1.7: 1. If the surface speed exceeds a minimum speed of about 1.83 m / sec. is increased, the transmission increases rapidly.
If the surface speed drops below this speed, the heat extracted from the fluidized bed will exceed the highest possible heat emission, so that the ignition will cease.
The thermal equilibrium limit, below which the lower limit of the amount of heat is meant which is released by combustion in the fluidized bed, this limit precisely equalizing the speed of heat extraction from the fluidized bed, is reached when the ratio of fuel supply to air has reached a value is reduced, in which the fluidized bed is only just swirled.
The problem associated with achieving a satisfactory rejection ratio is also set out in British Patent Specification No. 868 710, which describes the problem associated with a process for oxidizing sulfur ore by means of air in a fluidized bed. The ratio with which the ore and the air are fed to the fluidized bed can deviate by about 20% from the normal ratio, provided that no measures are taken to change the surface of the cooling tubes that touch the fluidized bed. It has already been suggested in the specification to achieve this variation by changing the amount of solid material in the combustion chamber, the furnace having cooling tubes which are arranged increasingly closer in the vertical direction in the fluidized bed zone.
A disadvantage of this known embodiment with a bed provided with a fluid medium is that the combustion of the fuel does not take place in the bed until it has been heated to the lower combustion temperature of the fuel. It has therefore proven necessary to provide auxiliary burners which are able to heat the bed to the required temperature within a useful period. Of course, part of the heat supplied by the auxiliary burners is fed to the water-carrying pipes and the water contained therein. The use of such auxiliary burners and control devices therefore add a great deal to the cost of such a design of a heating boiler.
Another disadvantage of the existing design of the boiler described above concerns its operation below its maximum output. If the feed rate of the fuel to the bed is reduced, the temperature of the bed will decrease because the ability of the water-carrying pipes to absorb heat remains unchanged. If the fuel feed rate is significantly reduced, the temperature of the bed will drop below the lower combustion temperature and the heater will stop working.
The purpose of the invention is to create a heating device and a method for operating it, which do not have the disadvantages of existing designs.
The heating device according to the invention of the type mentioned at the beginning is characterized in that the feed device serves to throw the particles of the fluidized bed upwards after they have just been swirled to touch the surface of the body, and that the distance between the fluidized bed and this surface is so dimensioned is that there is insufficient contact between it and the particles of the currently swirled fluidized bed to achieve a thermal equilibrium limit, if the ratio of the supplied fuel to air drops from a normal value to a value at which the fluidized bed is just still swirled.
The method for operating the heating device according to the invention is characterized in that, while the fluidized bed is being started up, air and fuel are fed in at such a rate that the particles being swirled are practically not thrown upwards against the body, and afterwards when the fluidized bed is heated and the normal operating temperature is reached, air and fuel are supplied to the fluidized bed at the same speed, so that the particles are thrown upwards against the body as a result of the higher gas speed that is reached at normal operating temperature, whereby the particles add heat to the body and that the particles then fall back to that zone which was occupied by the fluidized bed that was just being swirled.
In the following, exemplary embodiments of the subject matter of the invention are explained in more detail with reference to the drawing. They represent:
1 shows a vertical section through a boiler for heating water in residential buildings, with a first bed in which combustion takes place and a second bed which forms part of the heat exchanger, according to a first embodiment;
FIG. 2 shows a vertical section similar to FIG. 1, but according to a second embodiment;
3 and 4 show two variants of the second bed for use in the boiler according to FIG. 1;
Figure 5 is a plan view of the embodiment shown in Figure 4; and
6 shows a vertical section through a heat treatment furnace.
Boilers shown in FIGS. 1 and 2 are provided for gaseous fuels and for transferring the heat of combustion to water, which is located in a channel 10 which is formed in a cylindrical water jacket 11.
The water jacket 11 is carried by a body 12, which consists of an upper part 13 and a lower part 14.
In the upper part 13 there is an annular channel 15 which forms a downwardly extending extension of the channel 10 in the water jacket. A water inlet 16 in the upper body part is connected to the channel 15, and a water outlet 17 is formed in the upper part 13 of the water jacket 11.
The water jacket 11 surrounds and delimits a cylindrical combustion chamber 18 which is provided at its upper end with a circular cylindrical outlet channel 19 for gas.
The water jacket 11 is provided with ribs 20 formed in one piece, which extend from the inner wall of the water jacket 11 in the radial direction into the combustion chamber 18 and have water passages 7.
The upper part 13 is provided with a central opening in which a device for supplying air and gaseous fuel to the combustion chamber 18 is located. The inlet device consists of a porous plate 21 on which there is a bed of refractory particles 22 which are swirled up by means of air and gaseous fuel flowing upwards through the plate 21. The circumference of the bed is limited by a retaining ring 23 which extends around the circumference of the plate 21 and protrudes about 3 cm above its upper surface. In the static state of the bed 22 (FIG. 1) it has a depth which is somewhat smaller than the height of the retaining ring 23 above the upper surface of the porous plate 21.
At a point 24 in FIG. 1, a further quantity of refractory particles collects on the outside of the retaining ring 23 when the heating device is in operation, which will be explained in more detail below. The particles 22 lie between the retaining ring 23 and the water jacket 11 and serve as a thermal insulator so that no significant amount of heat flows directly from the retaining ring 23 to the water jacket 11.
The heating device further comprises a device for feeding a mixture of gaseous fuel and air through the porous plate 21 into the bed 22. The feeding device comprises a fan 25 which is arranged directly on the output shaft of an electric motor 26 and is located in a chamber directly below the porous plate 21, which chamber is bounded by the upper part 13 and lower part 14. The electric motor 26 is arranged in an inner chamber 27 which is formed in the lower part 14. The inner chamber 27 is connected to the fan chamber by a circular opening which opening is delimited by a tubular fuel inlet ring 28 which is connected by a pipe 29 to a control valve 30 through which gaseous fuel is supplied.
The control valve 30 is located in an outer chamber 31 in the lower part 14 and is separated from the inner chamber 27 by an annular inner wall 32. The outer chamber 31 is surrounded by an outer wall 33 in which there are openings 34 for the inlet of air to ignite the fuel. Another row of openings 35 in the inner wall 32 serve to supply air from the outer chamber 31 to the inner chamber 27.
The openings 34 and 35 are arranged at the lower ends of the respective walls, with a baffle 36 extending from the bottom of the outer chamber 31, between the openings 34 and 35, upwards, so that the entering air takes a tortuous path from the openings 34 upwards Down over the upper edge of the baffle 36, further down to the openings 35 and then up again through openings (not shown) around the inlet ring 28. This arrangement serves to reduce the noise emission of the fan 25.
The outer chamber 31 can be filled with a loosely packed fiber material with noise-absorbing properties.
An air control ring 37 is connected to the inside of the inner wall 32 with openings 38 which can be aligned with the openings 35 or which partially cover them when the control ring is rotated relative to the base 14 in order to limit the speed of the air to the porous plate 21 . The control valve 30 controls the speed of the gaseous fuel to the inlet ring 28 in accordance with the speed of the air so that the proportion of fuel in the mixture fed to the bed 22 is kept at a preselected value. This value is usually a little lower than the stoichiometric ratio to ensure complete combustion of the fuel.
The inlet ring 28 is provided with small openings through which the fuel can flow to the air flow from the outer chamber 31 to the chamber 27. The fan 25 drives the gaseous mixture through the porous plate 21 and mixes the gaseous fuel with the air so that a practically homogeneous mixture flows into the board.
A circular block 39 is carried in the fan chamber, immediately of the fan 25, by radially extending arms 40 which extend into sockets between the upper part 13 and the lower part 14. The purpose of the block 39 is to limit the gas flow channel through the fan chamber so that the velocity of the gases is kept above the flame speed of the mixture so that the combustion cannot propagate through the fan chamber.
The water jacket 11 is surrounded by a layer 41 made of a thermal insulating material and furthermore by a protective housing 42. The upper part 13 is isolated from the lower part 14 by a ring 43 made of insulating material.
The heating device further comprises an automatic control device (not shown) with an on / off switch.
When the heating device is switched on, the electric motor 26 is immediately excited. After a delay interval of, for. 8 sec, so that the fan can reach its normal speed, the control device simultaneously energizes a spark igniter 44 and a solenoid valve which controls the supply of gaseous fuel to the boiler so that it can flow through the gas control valve 30. The igniter 44 is located in an opening in the water jacket 11 and extends downwardly through the combustion chamber 18 to a location near the top surface of the bed 22 where the sparks are generated.
When the boiler is cold, the fan 25 causes the mixture of gaseous fuel and air to flow through the bed 22 at such a rate that the particles are swirled so that they are barely floating, but usually not over the top Edge of the retaining ring 23 rise. When the mixture reaches the igniter 44 it is ignited and a stable flame is created above the bed 22. Adjacent to the igniter 44 is a flame sensor, not shown, which responds to the presence of a flame in the combustion chamber immediately above the bed 22 to provide a signal to the automatic control device which turns off the igniter with the solenoid valve remaining open to stop the supply of gaseous fuel.
Because the particles make rapid, random motion as the bed 22 is being stirred up, the flame burning on top of the bed heats the entire bed rapidly. As a result of the intimate contact between the particles of the bed and the gaseous mixture flowing through the bed, the temperature of the gaseous mixture in the bed corresponds practically to that of the particles. Thus, when the gases enter the bed they are heated and expand, this expansion causing a corresponding increase in the velocity of the gases. Accordingly, when the temperature of the bed rises to the normal operating temperature of 700 to 1050ob, the velocity of the gases increases to a value which is three to four times that of the cold bed.
The relatively high gas velocity in the bed as its temperature approaches normal operating temperature causes the refractory particles to be thrown upward from the bed, over the upper edge of the retaining ring 23. When the boiler is operating normally, the particles orbit the combustion chamber and collide with the ribs 20 and the inner wall of the water jacket 11 before falling back onto the bed. The particles falling downward adjacent to the water jacket 11 remain outside the retaining ring 23 at the point, so that an inclined surface is formed along which the particles roll back into the bed 22.
The heat is transmitted to the fins 20 and the water jacket 11 firstly by radiation from the bed 22, secondly by direct contact by means of the exhaust gases rising up through the combustion chamber, thirdly by radiation from the particles thrown upwards from the bed and fourthly by direct contact of the particles with the ribs fed to the water jacket. As a result of the intimate contact between the particles in the bed and those particles that are in the space above the bed, on the one hand and the burning air-fuel mixture and the product of combustion, the heat is effectively supplied to the refractory particles, which in turn absorb the heat transferring the ribs of the water jacket.
The tests carried out with the embodiments according to FIG. 1 have shown that 50 to 60% of the heat of combustion is transferred from the particles to the bed 22 and through direct contact of the exhaust gases with the fins and the water jacket.
In order to increase the efficiency of the boiler, a second bed of refractory particles 45 can be provided which extracts further heat from the flue gases. The second bed 45 is supported by a perforated metal distribution plate 46 which is arranged at the lower end of the gas outlet 19, adjacent to the combustion chamber 18. A layer of fine metal mesh may be disposed on the upper surface of the distribution plate 46, the openings of which are smaller than the particles of which the second bed is composed, in order to prevent the particles from entering the combustion chamber.
When exhaust gases flow from the combustion chamber 18 to the gas outlet, they pass through the second bed 45, which is thereby swirled up. Since the temperature of the second bed 45 is lower than that of the exhaust gases within the combustion chamber during normal operation of the boiler, heat is transferred from the gases to the particles in the second bed. These particles are in rapid, disorderly motion and the heat is quickly transferred from the particles to the water jacket 11 which surrounds the bed. This transfer takes place mainly through direct contact between the particles and the surface of the water jacket. In order to accelerate the heat transfer from the particles of the second bed to the water jacket, it can be provided in one piece with ribs 47 which extend into the bed.
The tests carried out so far have shown that in an embodiment with two beds (Fig. 1), 75 to 90% of the heat of combustion is transferred to the water flowing through the water jacket. Typically gases exiting the second bed are around 300oC.
The boiler according to FIG. 1 with an electric motor 26 with an output power of 15 watts and a fan with a diameter of about 17.5 cm has an output of about 8800 kcal per hour in normal operation.
The heat output can be significantly reduced in that the feed rate of the air and the gaseous fuel is reduced without the temperature of the bed 22 falling below the lowest combustion temperature of the fuel. When the feed rate of fuel and air is decreased and the temperature of the bed falls, the proportion of particles thrown up from the bed decreases rapidly. Thus, the rate at which heat is added to the water jacket decreases rapidly with a relatively small decrease in the temperature of the bed.
If the boiler is intended to deliver heat at a relatively low rate, e.g. B. about 7500 kcal per hour, the fan preferably has a relatively small diameter. To avoid high fan speeds, which cause excessive noise, a two-speed fan can be used, whereby the pressure loss through the first and second beds is canceled.
The height of the combustion chamber 18, measured from the top surface of the static first bed 22 to the distribution plate 46, is typically about 10 to 15 cm, which is sufficient to prevent the particles thrown up from the first bed from reaching the distribution plate. The height of the combustion chamber is preferably not much greater, because when the heating device is switched on, the noise when the gaseous mixture is ignited in the combustion chamber increases with its volume.
Preferably, the porous plate 21 is made of a ceramic material which has a relatively lower thermal conductivity and thus prevents significant heat loss from the bed in the downward direction.
Furthermore, refractory, porous materials, e.g. B. a sintered, chemically inert material, such as stainless steel or chromium nickel, is suitable. The plate 21 advantageously has a lower emissivity so that it does not easily absorb heat rays from the bed. The plate can be made entirely of a low emissivity material or it can include a top layer of low emissivity. The top layer of the plate can be a perforated aluminum plate. During operation of the heating device, the aluminum will oxidize, but the resulting aluminum in the oxide has a low emissivity and the absorption of the heat rays from the bed by the plate is reduced.
The use of a perforated plate as the top layer of plate 21 leads to a further reduction in heat transfer from bed to plate by creating static zones of ceramic particles adjacent to the plate and between holes in the aluminum plate, such static zones acting as thermal insulators. It is desirable to reduce the heat flow from the bed to the plate 21 in order to prevent the mixture of gaseous fuel and air from reaching combustion temperature as it flows up through the plate 21.
The refractory particles for the two beds are made of silica sand or a mixture of silica sand and limestone.
Limestone has the ability to hold back the sulfur present in the fuel in order to prevent or greatly reduce the emission of sulfur oxides into the exhaust gases and thus into the surrounding atmosphere.
If the refractory particles degrade over time, new ones will be added, for which purpose the igniter 44 is removable so that an opening is created through which new refractory particles can be introduced into the combustion chamber. As an alternative, the water jacket 11 can be provided with a removable pin to provide access to the combustion chamber.
An important advantage of the embodiment according to FIG. 1 is that the combustion takes place at a temperature in the range from 700 to 1050ob. In many facilities, temperatures of more than 20000C are reached during combustion. Under such conditions nitrogen oxides are formed with the result that the exhaust gases introduced into the ambient atmosphere contain a small amount of nitrogen oxides. Aldehydes can also be contained in the exhaust gases given off by incinerators. At the relatively low temperature of the present heating device, the formation of oxides from nitrogen and aldehydes is greatly reduced or even completely prevented.
In order to operate the boiler according to FIG. 1 with a reduced output power, the flow rate of the air to the boiler is reduced by means of the control valve 37, while the control valve 30 automatically adjusts the flow rate of the fuel accordingly. As an alternative, an electrically operated control device for the speed of the electric motor 26 can be provided.
In the following, the boiler according to FIG. 2 will be described in more detail, the design of which differs in part from the one described, with identical parts bearing the same transfer numbers, but with the prefix 1.
The boiler of Fig. 2 contains a water jacket 111 which is assembled from two cast iron parts. A combustion chamber 118 is also provided, at the lower end of which is arranged a bed 122 of refractory particles which are supported by a circular, porous plate 121.
The water jacket 111 includes ribs 148 which are spaced a short distance above the bed when the bed is at rest and also extend radially inward from the periphery of the bed. A water channel 110 in the water jacket 111 extends through the ribs 148.
Further ribs 149 extend into a gas outlet 119 which is delimited by the water jacket 111. In the example shown (FIG. 2) the water channel 110 does not extend into these further ribs 149. The top surfaces of the ribs 148 are inclined to prevent the refractory particles from building up thereon.
Below the porous plate 121 is a fan chamber which is delimited by the lower housing of the water jacket 111 and a housing part 112 on which the water jacket is mounted. The housing part delimits a single chamber in which an electric motor 126 is arranged. The air to this chamber is introduced through an inlet channel 150 which is provided with a glow neck at which there is a fuel inlet (not shown) for injecting gaseous fuel into the air flow.
This embodiment enables the gaseous fuel to be initially mixed with air, which is terminated by means of the fan 125. Controls according to FIG. 1 can be used to supply fuel to the inlet channel 150 only when an ignition device (not shown) is in operation or the combustion is taking place in or immediately above the bed 122. The flow rate of the mixture of gaseous fuel and air can also be monitored by controlling the speed of the electric motor 126.
The operation of the embodiment of FIG. 2 is similar to that of FIG. In order to heat the boiler from the cold state, a mixture of gaseous fuel and air is fed to the bed 122 at a flow rate which is just high enough to stir up the bed. As its temperature rises, the flow rate in the bed increases and the particles are thrown up from the bed. When the bed is at its normal operating temperature, particles are thrown from the bed up to the ribs 148, from which they fall back into the bed.
The boiler shown in Fig. 2 normally has an output of about 16,400 kcal per hour. In an embodiment for this output, the electric motor has an output of 20 watts and the fan 125 has a diameter of 20 cm and blades 1.25 cm wide. It should be noted that no second bed is provided in the heater of Figure 2, the refractory particles thrown upward from the first bed 122 and fins 149 causing the heat from the exhaust gases to be absorbed in the intended ratio.
In Fig. 3, a variant of the heating device according to Fig. 1 is shown, which shows a different arrangement of the second bed. In this embodiment, the ribs 47 have been omitted and the distribution plate 46 has been replaced by a series of rods 152 which extend next to one another and parallel to one another across the gas outlet 19. As shown in Figure 3, the bars are triangular in cross-section and are arranged to form a series of V-shaped channels 153 such that a narrow opening is formed at the bottom of each channel. Below these openings, the opposing surfaces of the rods diverge downwards. The opening at the bottom of each channel is sufficiently wide to allow the refractory particles that make up the bed to fall between the bars into the first bed when the boiler is off.
The first bed is formed by particles whose sizes are in a relatively wide range. When the boiler is turned on and the particles are thrown upward from the second bed, the smaller particles between the rods 152 in the channels 153 are carried upward.
The gas velocity above the rods is such that the particles are not carried up through the gas outlet of the boiler. However, the gas velocity in the opening along the bottom of each channel is sufficient to prevent significant loss of particles from the second bed to the first bed from occurring while the boiler is in normal operation
Water channels 154, which are connected to the water channel in the water jacket of the boiler, extend through the individual rods 152. The heat supplied to the second bed by means of the exhaust gases is transferred to its particles, then to the rods 152 and further to the water which is located in the channels 154.
4 and 5 show a further variant of the embodiment according to FIG. 1, which works similarly to that according to FIG. In this case, a circular plate is provided for supporting the second bed, in which there are a plurality of parallel rows of circular openings 155 extending from the upper surface of the plate to the lower surface thereof. Between each adjacent pair of rows of openings extends a water channel 154 which is connected to the water channel in the water jacket of the boiler.
Each opening 155 decreases downwardly to a relatively small opening 156 in the lower surface of the plate. When the boiler is started, the particles are thrown upward from the first bed through openings 156 to form a second bed contained within openings 155. During normal operation of the heater, the gas velocity through the openings 156 is sufficient to prevent the particles of the second bed from falling back onto the first bed. However, this applies if the boiler operation is interrupted.
Although the embodiments described so far are boilers and the surface to be heated or at least a large part of it is formed by a water jacket which surrounds a combustion chamber, it is intended to apply the invention to other types of heating devices with direct contact. Thus, the heating device can also comprise a heat exchanger which consists of a multiplicity of tubes which extend across the combustion chamber in the space above the first bed.
The invention is also applicable to other types of heating devices than boilers. So z. B.
Metal ingots are heated by placing them in the combustion chamber above the bed, but in the vicinity thereof, and the particles which make up the bed are thrown up into contact with the body to be heated. In the case of a heating device for metal bars and other bodies, the water jacket is omitted and supports for the bodies are attached in the combustion chamber.
In Fig. 6, a furnace is provided for continuously heating workpieces which are subjected to a heat treatment.
The furnace for heat treatment has a body with L-shaped steel bars 200 and walls 201 made of sheet steel. The role of the body is to support other parts of the furnace and to enclose some of those parts. A heat treatment chamber 202 is located above the body and is delimited by a cover 203 and a base 204. The lid 203 is made of a refractory material, e.g. B. cement coated with ceramic wool. The cover includes an upper wall part 205 and side walls 206 which extend downward from the side edges of the upper wall parts. The lid also defines a fire channel 207 which extends vertically upward from one end of the heat treatment chamber, which end is referred to as the rear end.
The bottom 104 includes side walls 208 which form downwardly extending extensions of the side walls 206 and end walls 209 and 220 which extend between the side walls 208 near the front and rear ends of the combustion chamber, respectively. The end walls 209 and 220 are slightly deeper than the side walls 208 so that these walls do not extend up to the lid. The side walls 208 and the end walls 209 and 220 are also made of refractory material. The bottom 204 further comprises a bottom wall made of two rectangular abutting plates 211. The plates 211 extend between the lower edge of the side walls 208 and the end walls 209 and 211 and together form the rectangular space delimited by these walls. The plates 211 are made of metal for reasons to be described below and are advantageously cast.
The heat treatment furnace includes a device for supplying a mixture of gaseous fuel and air to the treatment chamber 212. The supply device may include a fan (not shown) which is located within the body below the heat treatment chamber and which serves to blow air into a supply channel (not shown). Compressed air from a separate source can also be used. The supply device further includes a fuel inlet pipe, not shown, located within a fuel control valve, not shown, for introducing gaseous fuel through an air-fuel mixing venturi tube into the supply duct which controls the mixing of the gaseous fuel and the air a homogeneous mixture promotes.
The supply channel is divided into two branches, which are each connected to the inlet openings 212 in the plates 211. Valves can be provided to control the relative flow through the two inlet openings 212.
A distribution plate 213 is arranged above each plate 211 and is carried by upright ribs 214 which are integral with the base plates 211. The distribution plates 213 are gas-permeable and mostly made of a ceramic material. Between the distribution plates 213 and the base plates 211 assigned to them there is a horizontal channel 215 through which the gaseous mixture flowing in through the inlet opening 212 can flow to all parts of the distribution plate 213.
On the distribution plate 213 there is a bed of refractory particles 225, which can consist of sand. The depth of the bed of refractory particles is about 2.5 mm and when no gases are flowing up through the bed its top surface is slightly below the top surfaces of end walls 209 and 210.
When the heater is in operation, the gaseous mixture of fuel and air burns in bed 225 of refractory particles above distribution plates 213. As a result, the heat tends to flow down through the distribution plates against channels 215. In order to avoid the risk of an explosion or premature combustion in the channel 215, the temperature of the gaseous mixture located therein must be kept below the combustion temperature. The net flow of heat down through the distribution plates 213 is significantly reduced by the upward flow of the gaseous mixture through the distribution plates 213.
The gases entering the distribution plates are relatively cold and, due to the intimate contact between the upwardly flowing gases and the distribution plates, heat is supplied to the gases and carried up by them into the bed of refractory particles.
In order to further reduce the risk of an explosion in the channels 215, the distances between the base plates 211 and the distribution plates 213 in the vertical direction are small, but not so small that the free flow of gases from the inlet openings 212 in all parts of the distribution plates 213 is significantly impaired. As a result of this measure, the total volume of the gaseous mixture in channel 215 is greatly reduced and its residence time therein is also reduced.
The heater also includes a workpiece conveyor along a path that extends from one end of the heat treatment chamber 202 to the other. This conveyor device comprises an endless, perforated conveyor belt 217, which consists for example of wire links which are connected to one another both in the longitudinal and in the width direction of the conveyor channel 217. The conveyor belt 217 is carried by a number of rollers 218, one of which is driven by an electric motor 219 located within the body 300,301. The rollers 218 are provided to form a forward portion 220 of the conveyor belt 217 which extends horizontally through the heat treatment chamber 202 from one end to the other.
A return part 221 of the conveyor belt extends next to the heat treatment chamber through the body and includes a tensioning roller 222, which is displaceable in the vertical direction and carries weights 223 in order to maintain a predetermined tension in the conveyor belt 217.
The forward portion 220 of the conveyor belt 217 is adapted for passage over the end walls 209 and 210 near their upper surfaces of the bed 225 of refractory particles carried by the distribution plates 213. Outside the rear end of the heat treatment chamber 202 is a feed shaft 224 for the supply of work pieces to be heated to the forward part 220 of the conveyor belt 217. At the front end of the heat treatment chamber there is an outlet shaft 227 through which the work pieces are discharged from the forward part 220 of the conveyor belt at one point which is spaced forward from the bed of refractory particles. Normally, the outlet duct leads to a quenching container in which the workpieces heated in the heat treatment chamber are cooled to change their properties.
A receptacle 226 is located between the end wall 209 and the outlet chute 227 in front of the forward part 220 of the conveyor belt for collecting refractory particles carried by the conveyor belt 217 from the bed via the end wall 209 or from the workpiece being carried. A conveyor belt can be provided for the continuous return of the refractory, collected articles. Means may also be provided for periodically emptying the receptacle 226 and returning the collected particles to the bed.
One or more nozzles can also be arranged above the receiving container 226 in order to free the conveyor belt 217 and the workpieces located thereon from refractory particles by means of jets of warm air. The warm air used can be heated by flowing through pipes arranged in the bed 225 of refractory particles before being supplied to the air jets. The air can be supplied by means of an external compressed air source.
When the heater is activated, a gaseous mixture of fuel and air is fed to the treatment chamber 202 through the inlet ports 212 at a rate sufficient to fluidize the bed of refractory, flowable particles. The mixture is above the bed, e.g. B. ignited by means of a spark plug, not shown, and initially the fuel burns just above the surface of the bed. Since the particles of the bed are subject to rapid random movement when the bed is stirred up, heat is rapidly transferred to all parts of the bed.
As a result, the temperature of the bed rises rapidly to the combustion temperature of the fuel, with the flame extending back into the bed until it is heated to its normal operating temperature, after which the combustion takes place entirely within the bed.
As a result of the thermal expansion effects, the flow rate of the gas within the bed, when it has reached its normal operating temperature, is significantly greater; H. usually 3 to 4 times greater than the flow rate of the cold bed. The flow rate is chosen so that when the bed has reached its normal operating temperature, the particles are constantly thrown up from the bed and then fall back onto the bed.
When the heating device has been in operation for a time sufficient to create constant temperature conditions, the workpieces to be heat-treated are fed through the feed chute 224 to the forward section 220 of the conveyor belt. When the bed is static, the distance from the forward portion 220 to the bed is very small. Therefore, some of the particles thrown up from the bed go through the openings in the conveyor belt and collide with the workpieces being carried on it. Furthermore, heat is supplied to the work pieces by radiation from the bed and by means of particles circling in the space above the bed and through the walls of the treatment chamber. Since the exhaust gases from the combustion of the fuel also flow upwards from the bed, they add heat to the workpieces, which are quickly heated to the treatment temperature.
For example, particles up to 40 g in weight can be heated to the required temperature over a distance of 0.6 m above a bed at a rate of 0.15 to 1.3 m / min, with temperatures of 750 to 950OC are easily accessible.
By independently controlling the feed rate of the mixture of gaseous fuel and air to the inlet openings 212, different temperatures can be achieved in those zones of the bed of refractory particles which are located above the corresponding zones of the distribution plates 213. Furthermore, the composition of the atmosphere to which the workpiece to be heated is exposed can be varied by changing the amounts of air and fuel supplied to the heat treatment chamber. The feed rates of fuel and air through each inlet port 212 are automatically controllable by means of control devices which include temperature sensors in each zone of the bed to maintain each zone of the bed at the predetermined temperature.
Different designs of the conveying devices are also possible. For example, a conveyor device designed as a multi-armed lever can be used in which a carrier for the workpiece is subjected to a movement which includes both a forward and a backward stroke, the workpiece moving with the carrier during the forward stroke, but not the whole Participates in the return movement.
For the heat treatment of an elongated body, e.g. B.
a rod or a wire the length of which exceeds that of the heat treatment chamber, the conveyor may be provided with supports which are located adjacent to both ends of the refractory bed or the heat treatment chamber. As supports can, for. B. rollers are used.
Thus, when the heater is in operation, refractory particles will cycle or reciprocate between the bed and the surface to be heated, being supplied with heat from the bed in which the combustion of the fuel takes place. These particles cause a significant increase in the heat transfer from the bed to the surface to be heated, compared to a design in which there is no such circular or reciprocating movement of the particles, and in which the heat transfer by means of the exhaust gases leaving the bed as well as the radiation emanating from it occurs.
The circular or reciprocating particles also cause the temperature of the exhaust gases leaving the heater to decrease compared to an embodiment in which such circulation does not occur. When the particles are above the bed they radiate heat to the heat exchanger or other body, then become colder than the exhaust gases and consequently absorb heat from the gases with which they come in contact. The gases themselves, on the other hand, do not radiate any heat and transfer heat to the surface to be heated through direct contact between it and the gases. Thus, the present heating device emits gases of a temperature which is similar to that of conventional heating devices, while the surface to be heated is much larger and the heat transfer to it takes place only by means of radiation and exhaust gases.
The supply device is preferably designed in such a way that the flow rate of the gases through the bed can be changed in order to regulate the operation of the heating device by a part of the refractory particles circulating through the space above the bed, or that the operation without such a circuit of the refractories Particle is carried out, or that it takes place in a smaller ratio.
If the circulation of the particles from the bed to contact the surface to be heated is broken, the heat transfer from the bed to the surface will slow down significantly and therefore the bed can be propelled with significantly less fuel.
Furthermore, when the heater is operated from a cold state, the flow rate of the exhaust gases through the bed to make it levitated can be selected without the particles circulating and coming into contact with the surface to be heated. This significantly reduces the amount of heat that is required to bring the bed to its operating temperature.
This makes it possible to avoid the use of auxiliary burners, the bed being heated by supplying it with a certain mixture of gaseous fuel and air, after which this mixture is ignited above the bed. As a result of the relatively low flow velocity in the bed itself, when it and the mixture are cold, there is little heat transfer from the bed to the surface to be heated, and the combustion spreads down into the bed to heat it up, so that Bed is quickly heated to its operating temperature.
The temperature of the gases flowing up through the bed is similar to that of the bed. As a result of the thermal expansion of the gases, their speed within the bed at normal operating temperature is about four times greater than the speed in the cold bed, provided that the feed speed of the mixture to the bed can be selected in order to achieve an initial rapid heating of the bed without the particles come into contact with the surface to be heated. Thereafter, normal temperature circulation operation takes place without changing the feed rate of the mixture.
When the exhaust gases flow away from the bed, they are cooled as a result of contact with the surface to be heated and, during normal operation of the heating device, by means of the particles thrown upwards from the bed. The gases therefore contract and when the cross-sectional area of the combustion chamber above the bed is approximately that of the bed, the velocity of the gas above the bed is less than that within it.
Therefore, the speed at which the gases flow through the bed can be high, so that a rapid movement of the refractory particles in the bed occurs, so that in each interval a relatively large proportion of the particles are thrown up from the bed, while the high ones Gas velocities in the space above the bed can be avoided, which could lead to refractory particles being removed from the exhaust gases of the combustion chamber.
The combustion chamber can be surrounded by a vertically extending water jacket, the surface of which to be heated is located within the combustion chamber. It can be seen from this that this design is particularly suitable for small boilers which are normally used in heating devices for residential buildings for heating water.
Heating devices of the present type can be manufactured by modifying existing heating devices. In normal solid fuel boilers supported by a grate in a combustion chamber surrounded by a water jacket, the grate can be removed and replaced with an inlet device that carries a bed of refractory particles on its upper surface and for supplying a Mixture of gaseous fuel and air is formed to the bottom of the bed. Only the central zone of the floor of the combustion chamber is used for the supply of air and fuel to the bed and the inlet device.
Thus, if at least fuel and air are fed at a relatively slow rate, and a central zone of the bed is made fluid, and even if the water jacket extends down to a level below the bed, that zone is isolated from the water jacket by a peripheral zone, which would be static.
The present heating device is not limited only to the burning of gaseous fuel, but it is provided that the supply device can inject a liquid fuel, separate from the air supply, directly into the bed. But it is also possible to evaporate the liquid fuel and mix it with air before it is fed to the bed. Furthermore, a solid fuel can be fed directly to the bed.