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Gasofen für Oberflächenverbrennung Die Erfindung bezieht sich auf
eine gasbefeuerte Heizvorrichtung mit porösen Wandungen, in welcher ein brennbares
Gas-Luft-Gemisch durch die Ofenwandung von einer Seite derselben zur anderen geführt
wird und die Verbrennung in einer großen Zone der Innenseite der Ofenwandung stattfindet,
wodurch dieselbe zur Weißglut erhitzt wird.
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Die Erfindung betrifft einen Gasofen für Oberflächenverbrennung mit
einer aus porösen Ziegeln bestehenden Wandung, deren Innenfläche keine Unterbrechung
aufweist, und einem die Außenseite der Wandung umgebenden, mit der Zufuhrleitung
für das brennbare Gasgemisch in Verbindung stehenden Mantel, der der Außenseite
der Wandung benachbarte Gasverteilungseinrichtungen besitzt. Der erfindungsgemäße
Gasofen ist dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung mit einseitig geschlossenen
Gasverteilungskanälen versehen ist, die sich von der Außenseite der Wandung her
nur zum Teil, jedoch mindestens zur Hälfte durch die Wandung hindurch erstrecken,
deren Gesamtquerschnittsfläche nur einen geringen Bruchteil der Gesamtfläche der
Wandung ausmacht, und die so verteilt sind, daß die Gasverteilung beim Betrieb des
Ofens über die ganze Verbrennungsfläche der Wandung hinweg mit der erforderlichen
Gleichmäßigkeit erfolgt.
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Die erfindungsgemäß vorgesehenen Gasverteilungskanäle erstrecken sich
von der Außenfläche der porösen feuerfesten Wandung nach innen und enden mindestens
2,5 cm vor der innenliegenden Feuerfläche.
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Bisher konnten Gasöfen mit Oberflächenverbrennung, bei denen die zur
Verbrennung benötigten Gase durch die porösen Wandungen hindurchtreten müssen, nur
mit Wandungen von beschränkter Stärke hergestellt werden, weil der Widerstand gegen
die Gasströmung durch die porösen Wände hinreichend klein gehalten werden muß, damit
die zur Erzeugung hoher Temperaturen durch Verbrennung erforderliche Gasmenge je
Zeiteinheit in den Ofen eintreten kann. Durch das Erfordernis, eine bestimmte Wandstärke
nicht zu überschreiten, wurde aber andererseits das Maß der erzielbaren Wärmedämmung
beschränkt; denn die durch dünne Wände erzielbare Wärmedämmung ist naturgemäß geringer
als die durch dicke Wände erzielbare.
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Die Ofenbauart gemäß der Erfindung ermöglicht es, eine poröse Ofenwand
von beliebiger Stärke für die flammenlose Verbrennung dadurch geeignet zu machen,
daß der Strömungswiderstand durch nicht durchgehende Kanäle auf ein beliebiges Maß
verringert werden kann. Da im Sinne der Erfindung die Wandstärke durch die nicht
durchgehenden Kanäle stellenweise wesentlich vermindert wird, hätte man erwarten
müssen, daß dadurch die Gefahr des Zurückschlagens der Flamme an den dünnen Wandstellen
erheblich vergrößert werden würde. Dies ist jedoch nicht der Fall, weil im Bereich
der Kanäle der Durchströmwiderstand durch die Ofenwandung infolge der kürzeren Strömungswege
vermindert und mithin die Strömungsgeschwindigkeit und die Durchflußmenge pro Querschnittseinheit
eines Stromteiles besonders groß wird. Diese hohe Strömungsgeschwindigkeit schafft
besonders günstige Voraussetzungen für die Kühlung der Innenwände der Kanäle durch
das Gasgemisch.
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Es ist bereits ein Verfahren und ein Steinstrahlbrenner zur Beheizung
von Brennersteinöfen mit Preßgas bekannt, welches darin besteht, daß das Preßgas
zum Ansaugen der Verbrennungsluft in eine sich unmittelbar an den Brennerstein anschließende
Mischkammer dient. In dem bekannten Ofen findet eine flammenlose Oberflächenverbrennung
statt, die Verbrennungsgase werden dem Inneren des Ofens jedoch nicht gleichmäßig
über die gesamte Innenfläche der Ofenwandungen verteilt allseitig, sondern mittels
besonderer Brenner zugeführt, in denen sich von außen nach innen durchgehende Lochdüsen
befinden. Diese Art der Erhitzung, bei der die Verbrennung auf örtlich beschränkte
Stellen im Innern des Ofens begrenzt ist, gestattet nicht ein so schnelles Anheizen,
wie es bei dem erfindungsgemäßen Ofen möglich ist.
Ferner ist ein
Glühofen zur Herstellung von Bariumoxyd bekannt, dessen Decke als Flammenfilter
ausgebildet und behufs Regelung der Temperatur heb- und senkbar ist. Bei diesem
Ofen findet ebenfalls eine flammenlose Oberflächenverbrennung statt, jedoch nur
an der porös ausgebildeten Decke, wodurch die Erhitzungsgeschwindigkeit beschränkt
wird. Außerdem weist dieser Ofen nicht die erfindungsgemäßen Gasverteilungskanäle
auf, woraus sich ergibt, daß die Stärke der porösen Decke nicht nach Belieben vergrößert
werden kann.
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Schließlich ist eine Vorrichtung zum Regeln des Wärmeflusses im Mauerwerk
heißgehender Ofen bekannt, bei der im gasundurchlässigen Mauerwerk Kühlkanäle vorgesehen
sind, welche von einem besonderen Kühlmittel durchströmt werden. Hierbei handelt
es sich nicht um Öfen mit flammenloser Oberflächenverbrennung, sondern um Rekuperativöfen
mit Flammenbeheizung, bei denen das Brenngas nicht durch Diffusion durch poröse
Wandungen zugeführt wird.
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In den Zeichnungen ist zur Erläuterung eine Ausführungsform der Erfindung
dargestellt. Es zeigt Fig.1 einen Ofen gemäß der Erfindung in perspektivischer Ansicht,
Fig. 2 einen Querschnitt nach Linie 2-2 von Fig.1. Fig. 3 einen Längsschnitt nach
Linie 3-3 von Fig.1 und Fig.4 einen Querschnitt durch die Ofenwandung in vergrößertem
Maßstab.
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Der Ofen gemäß der Erfindung weist einen gekammerten oder doppelwandigen
Ofenmantel 10 auf, der die Außenwandung des Ofens bildet. Das Ofeninnere
ist durch eine rechteckige Mittelöffnung 12 in der Vorderwand 11 des Mantels
10 zugänglich.
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Der Mantel 10 kann aus Stahlplatten bestehen, die miteinander zu einer
Reihe von Kammern 14 verschweißt sind, wobei längs jeder Ofenwandung, an der eine
Verbrennung erfolgt, ein Mantel liegt. Die die Wandung 10 bildenden Platten können
bis 2 cm dick sein, was von der erforderlichen Festigkeit des Ofens abhängt. Bei
dem dargestellten Ofen erstrecken sich die Kammern 14 nur längs der beiden Seiten,
der Decke, des Bodens und der Rückwand des Ofens, während die Vorderseite von einer
einzelnen Platte gebildet wird, die mit üblichem feuerfestem Material ausgekleidet
ist. Die Schweißnähte, welche die die Kammer 14 bildenden Platten verbinden, sind
ununterbrochen, so daß ein Austreten von Gas aus den Kammern an den Verbindungsstellen
vermieden wird. Die Kammern können 2,5 bis 5,1 cm dick sein, was von der Ofengröße
und der Zahl der Anschlüsse zur Einführung des brennbaren Gasgemisches in die Kammern
abhängt.
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Am Äußeren der Kammern 14 sind ein oder mehrere Stutzen 15 vorgesehen,
durch die das brennbare Gasgemisch in die Kammern eingeleitet wird. Jede Kammer
14 kann mit einem oder mehreren Stutzen versehen sein; die Kammern können auch miteinander
verbunden sein und eine oder alle Kammern durch einen Stutzen gespeist werden, wobei
lediglich darauf zu achten ist, daß der Druck in den Kammern während des Ofenbetriebes
im wesentlichen gleichmäßig ist.
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Die Innenfläche des Ofenmantels 10 ist mit feuerfestem keramischem
Material ausgekleidet, wie einzelnen Ziegeln oder vorgeformten Platten. Die Teile
der Ofenwandung, an welchen die Verbrennung erfolgt (hier die Rückwand, Decke, Seiten
und der Boden des Ofens), sind mit isolierenden feuerfesten Leichtsteinen ausgekleidet,
während die Seite der Ofenwandung, an der keine Verbrennung erfolgt (in diesem Falle
die Vorderwand des Ofens), mit schweren Ziegeln oder Platten ausgekleidet ist. Die
schweren Ziegel können üblicher Art sein, sie werden aus einem feuerfesten Ton gewählt,
der die Betriebstemperatur des Ofens aushält. Die Dicke der Vorderwand beträgt vorzugsweise
etwa 11,4 cm.
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Die Innenwandung 16 jeder Kammer 14 des Ofenmantels ist mit einer
Reihe von Löchern 17 zur Einleitung der Brenngase in das Ofeninnere versehen, wobei
die Löcher 17 nur an den Wandungen angeordnet sind, an welchen eine Verbrennung
erfolgt. Die Löcher 17 sind im Abstand voneinander angeordnet, um eine genügend
gleichmäßige Verteilung der Brenngase über die Außenfläche der feuerfesten Wandung
19 zu erhalten. Es wurde gefunden, daß Löcher von 2,5 cm Durchmesser, die in einem
Abstand ihrer Mittelpunkte voneinander von 11,4 cm angeordnet sind, eine ausreichende
Verteilung der Brenngase bewirken.
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Die feuerfesten Wandungen 19 bestehen aus isolierenden Leichtsteinen,
z. B. Ziegeln üblicher Größe 20 oder vorgegossenen Platten. Die Ziegel der Wandung
19 bestehen aus feuerfestem keramischem Material, das in der Hauptsache aus Siliciumdioxyd
und Aluminiumoxyd besteht und eine Porosität von etwa 40% oder mehr besitzt. Ziegel
von einer Porosität von bis zu etwa 80°/o wurden mit Erfolg verwendet, wobei die
Ziegel vorzugsweise aus einem Gemisch von feuerfestem Ton und gepulvertem oder feinzerteiltem
brennbarem Material, wie Holzstaub, hergestellt sind, das in den kalzinierten Ziegeln
anschließend ausgebrannt wird, um einen sehr leichten, porösen Ziegel herzustellen.
Derartige Ziegel sind bekannt.
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Jeder Ziegel 20 ist durch Bohren oder auf andere Weise mit einer Reihe
von Kanälen 21 versehen, die sich von der Außenfläche des Ziegels um einen wesentlichen
Betrag in den Ziegel hinein in Richtung auf dessen andere Seite zu erstrecken. Bei
dem dargestellten Ofen sind die Ziegel 20, aus welchen die Wandungen 19 bestehen,
auf Kante gelegt, um eine feuerfeste Wandung von 6,4 cm Stärke zu bilden, wobei
die Kanäle 21 von der Außen- zur Innenseite der Wandung führen. Es wurde gefunden,
daß ein üblicher Ziegel von 6,4 - 11,4 - 22,9 cm mit zwei, drei oder vier Bohrlöchern
von 1,3 cm Durchmesser, die längs der 6,4-cm-Seite halb durch den Ziegel gehen bzw.
etwa 2,5 bis 3,2 cm von der Innenfläche entfernt enden, eine genügend gleichmäßige
Verteilung der Brenngase auf der gesamten Innenfläche der Wandungen 19 bewirkt und
ferner ein Zurückschlagen bei Ofentemperaturen über 1090° C verhindert.
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Bei Herstellung der Wandung 19 des Ofens werden die Ziegel 20 in der
üblichen Weise mit feuerfestem Hochtemperaturzement gesetzt, wobei die offenen Enden
der Durchlässe 21 nach den Innenseiten 16 der Kammern 14 geöffnet sind, aber zwischen
Ziegel und Innenseiten kein Mörtel eingefügt wird. Die Kanäle 21 in den Ziegeln
brauchen mit den Löchern 17 in der Innenwandung 16 des Ofenmantels nicht übereinzustimmen,
da genügend Raum zur Verfügung steht, damit die Brenngase zwischen den Außenflächen
der feuerfesten Wandung und den Innenseiten 16 des Mantels
strömen
können. Der feuerfeste Zement muß die Ziegel 20 genügend durchdringen, daß eine
gute Bindung erhalten und jedes Entweichen der Brenngase durch die Verbindungsstellen
verhindert wird, ohne daß jedoch die poröse Struktur der Ziegel so stark ausgefüllt
wird, daß der Gasstrom durch die Ziegel beeinträchtigt wird. Außerdem muß sich der
feuerfeste Zement mit der Ofenwandung ausdehnen und zusammenziehen, damit die Verbindungsstellen
zwischen den Ziegeln 20 dicht bleiben.
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Im Betrieb dieses Ofens wird den Kammern 14 des Ofenmantels 10 durch
geeignete Zuleitungen zu den Stutzen 15 ein brennbares Gasgemisch zugeführt. Der
in den Kammern aufrechterhaltene Druck kann in der Größenordnung von 10 bis 25 cm
Wassersäule liegen. Vorzugsweise enthält das Brenngemisch gegenüber der Luft einen
Überschuß an Gas über die theoretisch explosive Gaszusammensetzung.
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Die Brenngase brennen an der Innenfläche der feuerfesten Wandungen
19, erhitzen die Oberfläche derselben zur Weißglut und liefern eine sehr intensive
Strahlungswärme. Das isolierende Ziegelwerk stellt jedoch einen sehr schlechten
Wärmeleiter dar, und außerdem kühlen die Brenngase, die nach innen zu den Innenflächen
derWandungen strömen, das Innere derselben. Hierdurch werden die Außenflächen der
Wandungen auf einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur gehalten, welche erheblich
unterhalb des Zündpunktes des Gases liegt, wodurch ein Zurückschlagen und eine Explosion
des Brenngases innerhalb der Kammern 14 vermieden wird.
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Ein derartiger Ofen besitzt einen außerordentlich hohen Wirkungsgrad,
und die Wandungen des Ofens nehmen nur sehr wenig Wärme auf, wodurch der Ofen verhältnismäßig
schnell erhitzt und abgekühlt werden kann, da nur ein verhältnismäßig kleines Ziegelvolumen
wesentlich erhitzt wird.
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Ein Ofen dieser Art kann in 21/z bis 10 Minuten auf eine Betriebstemperatur
von etwa 1540° C erhitzt werden.
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Wenn der Ofen absatzweise befeuert oder das Volumen der den Kammern
14 zugeführten Brenngase wesentlich verringert werden soll, verwendet man vorzugsweise
eine feuerfeste Wandung von einer Dicke von etwa 23 cm. In diesem Fall kann es erwünscht
sein, daß die Kanäle 21 in einer größeren Entfernung von der Innenfläche der feuerfesten
Wandung enden, so daß die Befeuerung von Zeit zu Zeit vollständig abgebrochen werden
kann, ohne daß die Gefahr besteht, daß die Wärme des Ofens durch die feuerfeste
Wandung geleitet und dadurch ein Rückschlagen oder eine Explosion bewirkt wird.
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Der Ofen gemäß der Erfindung kann abgeschaltet werden, indem man zuerst
das Brenngas absperrt, aber weiter Luft zuführt, bis die Innenfläche der Wandung
19 durch die hindurchströmende Luft genügend abgekühlt ist. Andernfalls besteht
eine gewisse Gefahr, daß die gesamte feuerfeste Struktur des Ofens durch und durch
erhitzt wird, wodurch ein Werfen des Stahlmantels 10 auftreten könnte. Wenn jedoch
der Ofen eine Zeitlang ohne übermäßige Kühlung betriebsbereit gehalten werden soll,
kann man das Gas abschalten und den Kammern 14 Luft zuführen. Um jedoch die Kühlung
des Ofeninneren zu vermeiden, kann man die Luft durch die Kammern zirkulieren und
dann abströmen lassen, statt sie durch die feuerfeste Wandung zu leiten. Dies kann
geschehen, indem man z. B. ein (nicht eingezeichnetes) Entlüftungsventil in den
Kammern öffnet und auf diese Weise einen Luftstrom durch die Kammern aufrechterhält,
der nur die Außenfläche der feuerfesten Wandung 20 kühlt.
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In der oben beschriebenen porösen Wandung erfolgt der Hauptstrom der
Brenngase durch die Kanäle 21 und vom inneren Ende derselben divergierend zur Innenfläche
der Wandung. Da der gesamte Querschnitt der Kanäle 21 einen verhältnismäßig kleinen
Teil der Gesamtwandungsfläche (vorzugsweise nur etwa 2%) ausmacht, tritt das Gas
in die feuerfeste Wandung mit verhältnismäßig hoher Geschwindigkeit ein und übt
die größte Kühlwirkung auf das feuerfeste Material jenseits des Endes der Kanäle
aus. Um die notwendige Kühlung aufrechtzuerhalten, soll die Gesamtfläche der Kanäle
21 etwa 5°/o der Gesamtoberfläche der feuerfesten Wandung nicht übersteigen.
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Die Ofenwandung gemäß der Erfindung ist allgemein auf Öfen verschiedener
Arten und verschiedener Anwendungszwecke anwendbar, bei welchen eine feuerfeste
Wandung vorteilhaft ist.