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Vorrichtung zur Beurteilung der Ofenatmosphäre für Brennöfen, insbesondere
Tunnelöfen Es ist bereits ein Verfahren bekannt, bei dem die Beurteilung von Feuer-
bzw. Abgasen durch Zuführung eines Prüfstromes eines Brennstoffes zwecks eines etwaigen
Sauerstoffüberschusses und ebenso an bestimmter Stelle ein Prüfstrom eines Sauerstoff
enthaltenden Gases zur Feststellung eines etwaigen Brennstoffüberschusses erfolgt.
Die hierbei bedingten Wärme- und Temperaturänderungen gegenüber dem Zustand des
Abgases vor den Prüfstellen werden durch Anzeige oder Regelung der Verbrennungsvorgänge
in der Feuerungsanlage -benutzt.
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Hierzu muß bemerkt werden, daß bei dem Auftreffen zweier austretender
Gasstrahlen, die sich unter einem Winkel schneiden und an der gegenseitigen Durchdringungsstelle
nach der Art der bekannten Schnittbrenner eine Schmetterlingsflamme bilden, nur
eine relative Beurteilung der Feuer- bzw. Abgase auf Grund der immerhin ziemlich
vielen Unzulänglichkeiten unterworfenen Methode möglich ist.
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Bei einer anderen bekannten Einrichtung gelangen die zu untersuchenden
Gase in eine besondere Apparatur, wobei mittels zweier in dieser angebrachten, als
Venturirohre ausgebildeter Brenner, durch die entsprechend ihrer Ausführung eine
differente Luft mitgerissen wird, zwei verschiedenartige Brennungsvorgänge erreicht
werden sollen.
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Diese Methode der differenten Behandlung der Abgase bzw. Ofengase
wird dann dazu benutzt, um in entsprechend eingebauten Thermoelementen auf Grund
der sich hierbei ergebenden Temperaturdifferenzen zwischen beiden Fällen Rückschlüsse
auf den Zustand der Ofengase zu ziehen. Wenn im Abgas weder unverbrannter Brennstoff
noch Luftüberschuß vorliegt, so tritt gar keine Reaktion ein, und diese Temperaturanzeige
bleibt unverändert.
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Da die beiden Brenner durch ihre verschiedene Ausbildung in einem
vorhandenen Ringraum Ofengase mitreißen sollen, liegt es in der Natur der Sache,
daß diese mitzureißenden Ströme quantenmäßig auf Grund der komplizierten Einrichtungen
in ihren diffizilen Strömungsverhältnissen sehr abweichende Werte ergeben, so daß
also auch entsprechend die Temperaturanzeige großen Schwankungen unterworfen sein
wird und man daher von einer absoluten regelbaren Einstellung der Ofenatmosphäre
nicht sprechen kann.
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Es ist bekannt, daß es bei Industrieöfen zur thermischen Behandlung
von verschiedenen Gütern (z. B. zum Brennen von keramischen Erzeugnissen), die dabei
in unmittelbarer Berührung mit Verbrennungsabgasen stehen, nicht nur auf die Temperaturen
im Ofeninnern, sondern auch auf die Zusammensetzung des die Ware berührenden Verbrennungsabgases,
das ist die »Ofenatmosphäre«, ankommt. Es gibt verschiedenerlei Verfahren zur Beurteilung
der Ofenatmosphäre. So ist z. B. bei Gasfeuerung schon das Aussehen der Brennerflamme
ein Anhaltspunkt zur Beurteilung der Beschaffenheit der erzeugten Ofenatmosphäre.
Diese Beurteilung erfordert naturgemäß viel Erfahrung, ist indirekt und subjektiv.
Auch die Ofentemperatur ist eine Funktion des Verhältnisses der Luftmenge zur Brennstoffmenge
und damit eine Funktion der Ofenatmosphäre. Doch die indirekte Beurteilung der Ofenatmosphäre
nach der Temperatur ist schon aus dem Grunde nicht eindeutig, weil die gleiche Verbrennungstemperatur
einmal mit Luftmangel, zum anderen mit Luftüberschuß, d. h. bei zwei verschiedenen
Ofenatmosphären, erzielt werden kann. Eine Auswirkung der Beschaffenheit der Ofenatmosphäre
ist ferner die Güte der im Ofen erzeugten Ware. Doch das Urteil über die Atmosphäre
nach der Güte der Ware kann erst mit mehr oder minder großer zeitlicher Verzögerung
gefällt werden. Diese Beurteilung ist kostspielig, weil erst Ausschußware fabriziert
werden muß, ehe man erkennt, daß die Ofenatmosphäre falsch ist. Man kann schließlich
das Gasgemisch, aus dem die Ofenatmosphäre besteht, analysieren, d. h. seine Zusammensetzung
aus den einzelnen Gasen C 02, O 2, C O, H2, C H4 usw. ermitteln und die Ofenatmosphäre
nach dieser Zusammensetzung, d. h. nach mehreren gleichzeitig vorliegenden Merkmalen
beurteilen. Die- fortlaufende Anwendung dieser Methode ist für den praktischen Ofenbetrieb
zu umständlich.
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Es bestellt demnach das Bedürfnis nach der Heranziehung eines, und
möglichst nur eines einzigen Merkmals der Beschaffenheit -der -Ofenatmosphäre, und
zwar solch eines Merkmals, welches sich nicht nur mit
einem handbetätigten,
sondern auch mit einem automatischen Gerät so messen läßt, daß das Meßergebnis von
einem anzeigenden Gerät angezeigt, von einem registrierenden Gerät aufgeschrieben,
von einem automatischen Regelgerät in einen Regelimpuls verwandelt werden kann,
damit in jedem Fall durch Hand- bzw. automatische Regelung die gewünschte oder vorgeschriebene
Beschaffenheit der Atmosphäre aufrechterhalten wird.
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Es ist bekannt, daß man eine Ofenatmosphäre summarisch als reduzierend
oder oxydierend und im Grenzfall als neutral ansprechen kann. Ein Maß dafür, wie
weit die Atmosphäre reduzierend oder oxydierend ist, kann wie folgt abgeleitet werden:
Wenn ein Gasgemisch brennbare Einzelgase, z. B. C O, H2, C H4 usw., enthält, dann
ist zur vollkommenen Verbrennung dieser brennbaren Mischungsbestandteile eine bestimmte
Sauerstoffmenge sB in m3 02 je m3 trockenen Gasgemisches erforderlich. Wenn das
Gasgemisch außerdem freien Sauerstoff enthält, und zwar so m3 02 je m3 trockenen
Gasgemisches, dann kann der Sauerstoffbedarf SB zum Teil aus dem eigenen Sauerstoffgehalt
des Gasgemisches bestritten werden. Die Differenz s=sB-so ist dann die Sauerstoffmenge
in m3 02 je m3 trockenen Gasgemisches, die dem Gasgemisch von außen her aus fremden
Ouellen zugeführt werden muß, wenn alles Brennbare in ihm verbrennen soll. Der Sauerstoffbedarf
der Verbrennung, in der obigen Gleichung mit s bezeichnet, ist also ein Maß dafür,
wie weit das untersuchte Gasgemisch, das ist die Ofenatmosphäre, geneigt ist, anderen
Körpern Sauerstoff zu entziehen, d. h. auf sie reduzierend zu wirken. Ist die Größe
s positiv, dann ist die Atmosphäre reduzierend, ist s negativ, dann ist sie oxydierend.
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Die Fähigkeit und Neigung eines Gasgemisches, einen berührten Stoff
zu reduzieren oder zu oxydieren, hängt zwar nicht allein vom Wert der obigen Größe
s ab, sondern auch noch von weiteren Faktoren, wie Zusammensetzung des Gasgemisches
im einzelnen, Beschaffenheit des berührten Stoffes und Höhe der Temperatur. Doch
wenn der Brennstoff, der zur Erzeugung der Ofenatmosphäre verbrannt wird, der berührte
Stoff und die Temperatur etwa die gleichen bleiben - was für den geregelten Betrieb
eines Industrieofens, z. B. an einer bestimmten Stelle eines Tunnelofens, zutrifft
-, dann ist der Zahlenwert der obigen Größe s ein praktisch brauchbares eindeutiges
Merkmal der Beschaffenheit der Ofenatmosphäre, und zwar sowohl qualitativ als auch
quantitativ.
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Zum bekannten Stand der Technik gehört im übrigen auch ein Regelgerät
für mit festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen betriebene Industrieöfen,
wobei außerhalb des Ofens zwei hintereinandergeschaltete Brennkammern angeordnet
sind, die mit den Hauptgas- und Luftleitungen des Ofens in Verbindung stehen, und
in deren erster ein dem Betriebsbrennstoffgemisch verhältnisähnliches Brennstoffgemisch,
in der zweiten Brennkammer die noch übrigbleibenden unverbrauchten Abgase unter
Frischluftzuführung zur Verbrennung kommen, wobei in dieser ein durch die erzeugte
Verbrennungswärme betätigter Wärmefühler vorgesehen ist, welcher die Luftzufuhr
zur Ofenanlage so regelt, daß sich ein günstiges Betriebsbrennstoffgemisch ergibt
und zur Versicherung einer ständigen Regelbereitschaft eine bemessene zusätzliche
Gasüberschußmenge zugeführt wird. Das Gerät hat den Zweck, z. B. für einen Schmiedeofen
eine Verschwendung nicht ausgenutzten Brennstoffes zu unterbinden. Es enthält aber
keine Einrichtung volumetrisch meßbarer Größen für Gas und Luft, die erst geeignet
wären, eine objektive Beurteilung der Ofenatmosphäre für solche Brennöfen und eine
regelbare Einstellung einer oxydierenden, reduzierenden, gegebenenfalls neutralen
Atmosphäre herbeizuführen, wie sie dem vorliegenden Anmeldungsgegenstand zugrunde
liegen.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur objektiven
Beurteilung der Ofenatmosphäre für Brennöfen, insbesondere Tunnelöfen, durch Ermittlung
des positiven oder negativen Sauerstoffbedarfes. Als neu werden dabei Volumenmeßeinrichtungen
nachgeschaltete Brennkammern, in denen eine abgemessene Menge der Ofengase mit einer
abgemessenen Menge Luft zur Verbrennung gebracht wird, und Meßeinrichtungen, die
den zur Verbrennung erforderlichen Sauerstoffbedarf als Differenz zwischen der zur
Verbrennung zugesetzten und der nach der Verbrennung verbliebenen Sauerstoffmenge
messen und mit an sich bekannten Mitteln anzeigen, registrieren und als Regelimpuls
zur Einstellung einer vorgeschriebenen Ofenatmosphäre verwenden, beansprucht. Bei
der Vorrichtung gemäß der Erfindung wird also ein bestimmtes Volumen G des zu untersuchenden
Gasgemisches und ein bestimmtes Volumen L mit bekannten Mitteln abgemessen (dosiert),
miteinander vermischt und - nötigenfalls unter Zuhilfenahme eines Katalysators oder
sonstiger Zündhilfen, z. B. Zumischung von Knallgas aus 2 H2--1-02 - miteinander
verbrannt wird. Gas im Abgas dieser Verbrennung enthaltene restliche SauerstoffvolumensR
wird mit bekannten Mitteln gemessen. Die mit der Luft eingebrachte Sauerstoffmenge
beträgt 0,21 L, die nach der Verbrennung ungenutzte Sauerstoffmenge ist sR, die
zur Verbrennung der Gasmenge G verbrauchte Sauerstoffmenge ist also die Differenz
0,21 L-s... Die gesuchte Größe s ergibt sich demnach nach der Formel
Die Konstanten Cl und C2 sind durch die Abmessungen der Dosiervorrichtung bestimmt.
Der so ermittelte Wert der Größe s kann mit bekannten Mitteln in den Ausschlag eines
anzeigenden oder registrierenden Meßgerätes und/oder in einen Regelimpuls verwandelt
werden, durch welchen die Einstellung der Stellglieder des Ofens, z. B. Ventile,
Schieber, Gebläse zur Regelung der Ofenatmosphäre, erfolgt.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach der
Erfindung unter Verwendung von Mitteln der Absorptions-Gasanalyse an Hand der Zeichnung
beschrieben.
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Das zu untersuchende Gasgemisch tritt an den Stellen 1 und 1' in die
Vorrichtung, die Luft an den Stellen 2 und 2'. Das Gas wird von den Kolbenpumpen
3 und 3', die Luft von den Kolbenpumpen 4 und 4' angesaugt und wieder ausgestoßen.
Die Ein-und Auslaßventile sind schematisch angedeutet. Alle Pumpen laufen, durch
geeignete Mittel angetrieben, synchron. Das von den Pumpen ausgestoßene Gas und
die Luft vermischen sich und gelangen in die Verbrennungskammern 5 und 5', wo sie
= nötigenfalls an einem Katalysator oder nach Zumischung von Knallgas (in der Zeichnung
nicht dargestellt) - miteinander verbrennen. Die Beheizung der Verbrennungskammern
ist
nur angedeutet. Das Gas aus der Verbrennungskammer 5 gelangt in das Absorptionsgefäß
6, in welchem das Kohlendioxyd ausgewaschen wird. Das Gas aus der Verbrennungskammer
5' gelangt in ein ebensolches Gefäß 6' und anschließend ins Gefäß 7', in welchem
der Sauerstoff ausgewaschen wird. Aus den Absorptionsgefäßen gelangt das Gas in
den Meßzylinder 8 bzw. 8'. Die Differenz sR der Kolbenhübe der Meßzylinder gibt
in einem apparatbedingten Maßstab an, wieviel Sauerstoff im Abgas der Verbrennungskammern
8 gegenüber 8' enthalten ist. Nach Ablesung oder sonstiger Auswertung der Hubdifferenz
sR gelangt der Gasinhalt der Meßzylinder 8 und 8' durch geeignet gesteuerte Ventile
9 und 9' ins Freie, die Kolben 10 und 10' kehren in die Nullage zurück. Das Spiel
kann von neuem beginnen. Die Multiplikation der Hubdifferenz sR mit einer Konstanten
und die Addition dieses Produktes mit einer zweiten Konstanten (Gleichung 2), die
durch bekannte kinetische, elektrische usw. Mittel erzielt ;werden kann, ergibt
den gesuchten Sauerstoffbedarf s des untersuchten Gasgemisches als Maß für die oxydierende
oder reduzierende Wirkung der aus dem untersuchten Gas bestehenden Atmosphäre.
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Der so gemessene Wert der Größe s läßt sich mit bekannten Mitteln
auf anzeigende, registrierende, steuernde und regelnde Geräte übertragen.
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Die vorstehende Beschreibung ist nur Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Es ist z. B. nicht erforderlich, zwei Pumpen 3 und 3', zwei Pumpen 4 und 4', zwei
Verbrennungskammern 5 und 5' zwei Absorptionsgefäße 6 und 6' und zwei Meßzylinder
8 und 8' zu verwenden.
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Durch Zwischenschaltung geeigneter Schaltelemente (z. B. Hähne) kann
man z. B. erreichen, daß die Pumpen 3 und 4 das Gas-Luft-Gemisch durch die Verbrennungskammer
5 schicken, wonach es abwechselnd einmal durch das Absorptionsgefäß 6, zum anderen
durch die Absorptionsgefäße 6 und 7' und in den beiden Fällen in den Meßzylinder
8 strömt. Der Kolben 10 macht dann abwechselnd einen längeren und einen kürzeren
Hub, und die Differenz dieser Hübe wird mit bekannten Mitteln als Anzeige oder Impuls
ausgewertet.
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Die beabsichtigte Wirkung kann nicht nur mit den im Beispiel beschriebenen
Mitteln der chemischen Gasanalyse, sondern allgemein mit Vorrichtungen erreicht
werden, in welchen Analysengeräte auf elektrophysikalischer, optischer oder anderer
Grundlage anwendbar sind.
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Ferner ist bekannt, daß der Heizwert von brennbaren Gasen als Funktion
des mit s bezeichneten Sauerstoffbedarfes für die Verbrennung mindestens annähernd
ermittelt werden kann. Auf der Skala eines anzeigenden Meßgerätes für die Größe
s, z. B. eines Generatorgases, kann also immer auch eine Heizwertskala eingetragen
werden. Damit ist die Vorrichtung nicht nur auf Verbrennungsabgase beschränkt zur
objektiven Beurteilung und Regelung ihrer reduzierenden oder oxydierenden Wirkung,
sondern in Anwendung auf brennbare Gase auch zur objektiven Beurteilung und Regelung
ihres Heizwertes geeignet.
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Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das vorliegende Ausführungsbeispiel
beschränkt, sondern kann in Einzelheiten Abweichungen aufzeigen, ohne daß dadurch
das Wesentliche der Erfindung geändert wird.