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Regenerativ-Ofen Die Erfindung bezieht sich auf Regenerativ-Öfen mit
zwei im Abstand nebeneinander verlaufenden Kanälen, die mit Regenerativmasse gefüllt
sind, wobei die Kanäle an einem Ende mit einer gemeinsamen Verbrennungskammer in
Verbindung stehen, in die eine Brennstoffzufuhreinrichtung mündet, während die Kanäle
am anderen Ende in eine Steuerkammer für die Zufuhr von Luft oder Reaktionsgas münden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Aufbau für Regenerativ-Öfen
zu finden, der eine möglichst gleichmäßige Wärmeverteilung über den gesamten Ofenraum
bewirkt.
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Zur Lösung dieser an sich bekannten Aufgabe sind bereits verschiedene
Lösungsvorschläge gemacht worden. So sieht ein Lösungsvorschlag vor, das Füllmaterial
für einen Regenerativ-Ofen dahingehend auszubilden, daß die Wärmespeicher- bzw.
-leitfähigkeit desselben vom Ofeneintritt zum Ofenaustritt hin verändert ist. Auf
diese Weise wird die Wärmeverteilung in Richtung der Ofenlänge etwas verbessert.
Eine möglichst gleichförmige Verteilung der Wärme im Ofen kann jedoch durch die
bekannten Anordnungen nicht erreicht werden.
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Es sind auch Versuche unternommen worden, eine bessere seitliche Wärmeverteilung
mit Hilfe verschiedener Vorrichtungen, z. B. durchlochter oder durchbrochener Zwischenwände,
zu erzielen, die sich jedoch nicht als einwandfrei erwiesen haben.
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Demgegenüber schlägt die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe vor,
daß die Brennstoffzufuhreinrichtung bei einem Regenerativ-Ofen eine Anzahl nebeneinander
angeordneter Brennerdüsen aufweist, wobei die Düsenmündungen den Enden eines oder
beider Kanäle in der Brennkammer gegenüberliegend angeordnet sind.
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Wie man herausgefunden hat, führt eine derartige Verteilung der Brennerdüsen
zu einer gleichförmigen seitlichen Wärmeverteilung, die bislang nicht erhalten werden
konnte, mit anderen Worten ausgedrückt, zu einer gleichförmigen Wärmeverteilung
quer zur Längsachse der Ofenmasse.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Darstellung eines
Ausführungsbeispiels sowie aus der folgenden Beschreibung, und zwar zeigt F i g.
1 Schnitt 1-I der F i g. 2 durch einen erfindungsgemäßen Regenerativ-Ofen und F
i g. 2 Schnitt 11-II der F i g. 1.
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Der in der Zeichnung gezeigte Ofen 10 besteht aus einem Mantel
11, vorzugsweise aus Stahl, mit einer Wärmeisolierungsauskleidung 12. Innerhalb
der Auskleidung sind zwei Schichten von Füllsteinen 13 und 14 durch eine
Wärmeisolierungswand 15 voneinander getrennt angeordnet und stehen an einem
Ende über einen Verbrennungsraum 16 miteinander in Verbindung. Jede der zwei
Schichten Füllsteine besteht aus Elementen aus hitzebeständigem Material, die derart
ausgebildet sind, daß Gas hindurchströmen kann und Wärme im Ofen gespeichert bzw.
abgegeben wird. Position 17 und 18 in den F i g. 1 und 2 kennzeichnen gleichmäßig
geformte Ziegelsteine, die als Füllmasse für den Regenerativ-Ofen dienen und in
denen Kanäle 19 und 20 für den Durchgang der Gase vorgesehen sind.
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Für die Zufuhr bzw. die Abfuhr der Gase aus dem Speicherraum sind
auf der den Brennern abgekehrten Seite des Regenerativ-Ofens Sammelräume 21 und
22 vorgesehen, die Ausschlußstutzen 23 und 24 aufweisen. In den Verbrennungsraum
16 münden die Brennerdüsen 25 und 26, die Zuleitungen 27 und 28 für die wahlweise
Zufuhr von gasförmigem oder flüssigem Brennstoff aufweisen. Diese Zule#'-tungen
27 und 28 durchdringen den stirnseitigen Ofenmantel 29 und die hitzebeständige
Auskleidung
30, wobei die Zuleitungen über im hitzebeständigen Brennraumgewölbe
31 vorgesehene Öffnungen 47
und 48 mit dem Verbrennungsraum 16 in Verbindung
stehen. Die Brennerdüsen 25 sind dabei auf eine Stirnseite 32 der regenerativen
Füllmasse 13 und die Brennerdüsen 26 auf eine Stirnseite 33 der regenerativen Füllmasse
14 gerichtet. Die Kanäle 19 in der Füllmasse 13 stehen über eine Kammer 34 und die
Öffnungen 49 in der Zwischenwand 35 mit der Kammer 16 in Verbindung, während
die Kanäle 20 in der Füllmasse 14 über die Kammer 36 und die Öffnungen
50 in der Zwischenwand 37 mit der Kammer 16 in Verbindung stehen.
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Die erfindungsgemäße Anordnung der Brennstoffzufuhreinrichtung sorgt
neben einer vollständigeren und innigeren Mischung von Brennstoff und Luft, was
eine Verbesserung der Verbrennung zur Folge hat, auch dafür, daß die wieder zu erhitzende
regenerative Füllmasse des Regenerators schnell wieder in einen Zustand gebracht
wird, daß sie eine Wärmequelle hoher Temperatur bildet, in der die Füllmasse senkrecht
zur Strömung des zu erwärmenden Gases eine nahezu gleichmäßige Temperatur hat. Die
an jedem beliebigen Punkt in jedem beliebigen Querschnitt durch die Masse vorhandenen
gleichmäßigen Temperaturen haben eine wesentlich erhöhte Ausbeute an gewünschten
Reaktionsprodukten gegenüber den bekannten Vorrichtungen zur Folge, mit denen nur
eine ungleichmäßige Wärmeverteilung in der Füllmasse erzielt wurde.
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Beim Erhitzen hitzebeständiger Massen der beschriebenen Art auf hohe
Temperaturen nahe 1000° C und darüber wurde festgestellt, daß über die Stirnfläche
der Masse ein Temperaturgradient von nur ±25° C oder weniger auftritt.
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Wie in den F i g. 1 und 2 gezeigt, durchdringen zwei Zuleitungen
27 und 28 den stirnseitigen Mantel 29 des Ofens 10 und die hitzebeständige
Auskleidung 30. Brennstoff wird den Einspritzdüsen durch die Zufuhrleitung 40, Verteilerstücke
41 oder 42 und Leitungen 43 oder 44 je nach Stellung der Ventile 45
und 46 zugeführt. Jede der Brennerdüsen kann nahe der Schallgeschwindigkeit arbeiten,
so daß der Brennstoff ein Strahl hoher Geschwindigkeit bleibt, zumindest bis er
die Öffnungen 49 oder 50 in der Zwischenwand 35 oder 37 erreicht hat. Wahlweise
können die Öffnungen 47 und 48 in dem hitzebeständigen Brennraumgewölbe 31 die Brennerdüsen
bilden.
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Verbrennungsluft strömt durch eine der Füllmassen 13 oder
14 und wird auf ihrem Wege zu den Kammern 34 oder 36 vorerhitzt. Sie tritt
gewöhnlich mit viel geringerer Geschwindigkeit in den Verbrennungsraum ein als der
aus den Öffnungen 47 und 48
austretende Brennstoff.
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Wenn sich Brennstoff in einer Anzahl von Strömen einer der Kammern
34 oder 36 nähert, durchdringt er den Luftstrom dieser Kammern und vermischt sich
innig mit den Strömen der vorgeheizten Luft. Das Gemisch aus vorgeheizter Luft und
Brenn-' stoff entzündet sich und verbrennt in der Brennkammer 16. Die heißen Verbrennungsreaktionsteilnehmer
und -produkte werden weiter gemischt, wenn sie durch die Zwischenwand 35 oder 37
hindurch-' strömt, bevor sie in die regenerativ zu erhitzende Füllmasse
13 bzw. 14 einströmen. Ein weiteres Mischen der Verbrennungsreaktionsteilnehmer
läßt sich durch eine Zwischenmischwand 51 erreichen. Zur anfänglichen Zündung kann
ein Zündbrenner 52 in der Brennkammer 16 vorgesehen sein.
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Im einzelnen wird, wenn die Füllmasse 14 erhitzt werden soll, Brennstoff
aus der Brennerdüse 27 in die Kammer 34 abgegeben und mit der in der Masse
13 vorgeheizten Luft vermischt. Das Luft-Brennstoff-Gemisch wird entzündet, wobei
die entstehenden heißen Verbrennungsgase zur Zwischenwand 37 strömen. Die heißen
vermischten Verbrennungsgase, die durch die Zwischenwand 37 strömen, werden gleichmäßig
in die Kanäle 20 in der Füllmasse 14
geleitet und geben ihre Wärme
an diese Füllmasse ab, wenn sie zum Sammelraum 22 strömen. Verhältnismäßig kühle
Verbrennungsgase werden aus dem Sammelraum 22 durch den Auslaßstutzen
24 abgezogen.
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Nach dem Erhitzen der Füllmasse 14 werden zu erhitzende Gase durch
diese Füllmasse von der Stirnseite 39 zur Kammer 36 geleitet. Die aus der Füllmasse
14 austretenden Gase strömen durch Zwischenwände 37 und 35 und werden schnell durch
Berührung mit der verhältnismäßig kühlen Masse 13, aus der sie an der Stirnseite
38 austreten, unter ihre Reaktionstemperatur abgekühlt. Dieser Kreislauf wiederholt
sich zyklisch.
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Bei einer Meßreihe wurde nach kontinuierlichem zyklischem Erhitzen
und Cracken in einem Ofen nach der Erfindung bei Durchschnittstemperaturen von 800°
C eine Temperatursonde in einem Loch 53 der Masse 13 angebracht, das vertikal
in mittiger Anordnung und in Strömungsrichtung 8,5 cm von der Stirnfläche
32 entfernt vorgesehen und mit den Leitungen 19 in Verbindung war. Die Temperaturen
des Gasflusses durch die Leitungen 19 wurden während des gesamten Ablaufs des Vorganges
ständig gemessen und aufgezeichnet, wobei die Sonde nach jedem vollständigen Kreislauf
zu einer neuen Stelle verschoben wurde. Die Zeitdauer jedes vollständigen Kreislaufes
betrug etwa 4 Minuten. Die erste Meßstelle lag etwa 5 cm von der Wandung 54 der
Masse 13 entfernt, und die nachfolgenden Messungen wurden in jeweils etwa 5 cm größerem
Wandabstand vorgenommen.
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Die Meßergebnisse zeigten, daß für jeden beliebigen Punkt längs der
Masse 13 die durchschnittlich Crack-Temperatur an dieser Stelle von der mittleren
Temperatur von 795° C nur um ± 15° C abweicht und daß die durchschnittliche Temperatur
aller Stellen 791° C betrug.
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Während eines ähnlichen zyklischen Arbeitsganges wurden die durchschnittlichen
Massentemperaturen in verschiedenen Abständen von der Fläche 32 längs der Masse
13 gemessen. Diese Temperaturen nahmen mit wachsendem Abstand von 910 auf 350° C
ab.