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Sicherheitseinrichtung an einem Zerstäuber-Erhitzer für die Herstellung
von Schutzgas zur Wärmebehandlung von Metallen Die industrielle Anwendung eines
wirtschaftlichen Verfahrens zur Herstellung einer Atmosphäre für das Einsatzhärten,
die Karbonitrierung oder den Schutz während des Härtens mittels Abfallstickstoff
oder Stadtgas und zerstäubtem Methylalkohol verlangt, daß der Alkohol vollständig
verdampft ist, ehe das Gas in den Ofen eintritt, und daß Sicherheitsmaßnahmen vorgesehen
sind, die eine Unterbrechung der Nachlieferung der Gase verhindern.
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Um die Forderung nach einer aus dem Trägergas und dem Verdampfungsgas
bestehenden homogenen Gasmischung vor Eintritt in den Ofen zu verwirklichen, kann
man beispielsweise eine Vorrichtung zur Herstellung einer Gasatmosphäre benutzen,
wie sie Gegenstand des deutschen Patentes 1190 436 ist.
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Das Trägergas ist beispielsweise Stickstoff, Stadtgas oder Naturgas;
der Dampf wird aus einer Flüssigkeit erzeugt, die beispielsweise durch ein alkoholisches,
ketonisches oder aldehydisches Radikal und durch ein unter 100 liegendes
Molekulargewicht gekennzeichnet ist.
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Ein solcher Apparat besteht aus einem durch eine dichte Verbindung
mit einem Erhitzer verbundenen Zerstäuber. Das Gas tritt mit konstantem und regelbarem
Druck in den Zerstäuber ein und entweicht in den Erhitzer unter Spannungsabfall
durch eine ringförinige Öffnung. Die Flüssigkeit tritt unter konstantem und regelbarem
Druck in den Zerstäuber ein und entweicht in den Erhitzer durch ein in der Achse
der vorerwähnten Ringöffnung gelegenes Endrohr. Da der Durchmesser der Ringöffnung
klein ist, bekommt das zugeführte entspannte Gas eine große Geschwindigkeit und
zerstäubt die Flüssigkeit unter Bildung eines Nebels. Der so erhaltene Nebel wird
im Erhitzer auf eine Temperatur verdampft, die leicht über dem Taupunkt der erzeugten
Gasmischung liegt.
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Der Erhitzer besteht aus einem wärmeisolierten Rohr mit elektrischer
Widerstandsheizung, die in der Nähe der Rohrwandung liegt, und zwar innen oder außen
derart, daß dem eintretenden Flüssigkeitsnebel kein querschnittsverengender Widerstand
entgegensteht.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Sicherheitssystem
zu schaffen, das es gestattet, die Wärmeleistung des Erhitzers im Falle des Ausbleibens
des Trägergases oder der Flüssigkeit so zu regeln, daß die richtige Erwärmung des
Gases, wenn dieses erst einmal in Fluß ist, sichergestellt oder der Erhitzer während
des momentanen Ausbleibens des Gases oder der Flüssigkeit auf der richtigen Temperatur
gehalten wird, um eine Zerstörung durch Überhitzung zu verhindern. Drei Fälle anomaler
Funktion können unterschieden werden: 1. Speisung des Zerstäubers mit Gas
und Flüssigkeit, wenn der Erhitzer nicht sicher funktioniert, sei es, daß der Widerstand
der Heizeinrichtung abgeschaltet, sei es, daß er eines Schadens wegen nicht mit
elektrischem Strom versorgt.ist.
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2. Speisung des Zerstäubers nur mit Flüssigkeit, also ohne daß Gas
durch ihn hindurchgeht, wobei der Erhitzer in Funktion sein kann oder nicht.
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3. Anomale Erwärmung des Erhitzers ohne Gas-und/oder Flüssigkeitsstrom.
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Die anomale Funktion nach Punkt 1 und 2 führt zur Bildung einer
für die Verwendung im Ofen .ungeeigneten Atmosphäre.
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Der unter Punkt2 angegebene Funktionsfehler kann auch zu einer Zerstörung
des Erhitzers führen, was beispielsweise der Fall ist, wenn allein die Flüssigkeit
ihn durchströmt, sich bei Berührung mit der elektrischen Widerstandsheizung zersetzt
und so für das Metall des Widerstandes korrodierende Stoffe erzeugt.
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Im Fall der dritten Funktionsanomalität ist die Zerstörung des Erhitzers
infolge Überhitzung der Widerstandsheizung quasi unausweichlich gegeben.
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Je größer der Gasdurchsatz des Erhitzers ist, desto schwerer wiegen
auch die Nachteile, da ja dann auch -die Leistung entsprechend größer ist, so daß
man in industriellen Anlagen eine Sicherheitseinrichtung vor--sehen sollte.
Die
Erfindung betrifft daher eine Sicherheitseinrichtung an einem Zerstäuber-Erhitzer
zur Herstellung von Schutzgas zur Wärmebehandlung von Metallen mittels eines Trägergases,
z. B. Stickstoff, Stadtgas oder Naturgas, und einer Flüssigkeit mit einem alkoholischen
ketonischen oder aldehydischen Radikal und einem Molekulargewicht unter
100, wie z. B. Methanol, die erlindungsgemäß gekennzeichnet ist durch ein
im Flüssigkeitsstrom liegendes, elektrisch gesteuertes Ab-
sperrventil, einen
Thermokontakt außerhalb des Erhitzers, welcher durch parallel zu schaltende Widerstände
erhitzt wird, die in Serie mit dem Zerstäuber-Heizwiderstand geschaltet sind, sowie
einen Druckschalter in der Gaszufuhr.
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Die Erfindung ist nachfolgend beispielsweise unter Bezugnahme auf
die Zeichnung näher beschrieben; es stellt dar F i g. 1 einen Längsschnitt
durch den Zerstäuber allein, F i g. 2 eine Ansicht des Zerstäubers zusammen
mit dem im Schnitt gezeigten Erhitzer, F i g. 3 ein Schaltschema der Sicherheitseinrichtung
für die mit ihr verbundene Einrichtung nach den F i g. 1 und 2, F i
g. 4 (1) bis (III) Schaltungen der Widerstände bei den verschiedenen
möglichen Funktionen der Zerstäuber-Erhitzer-Einrichtung.
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Wie aus F i g. 1 ersichtlich, besteht der Zerstäuber aus einem
Rohr 1 mit festverbundenem Einsatzteil 2 und aus einem Innenrohr
3, das durch eine Kappe 4 verschlossen ist. Das Innenrohr 3 ist in
das Rohr 1
mit leichter Reibung eingeschoben, wobei eine Kautschukdichtung
5 beide Teile gegeneinander abdichtet.
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Eine aus Mutter 6 und Schraubenmuffe 7 gebildete Einrichtung
gestattet es, die Eindringtiefe des Innenrohres 3 im Teil 1 einzustellen
und in der richtigen Lage zu fixieren.
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Das Gas dringt in die Ringkammer 8 zwischen dem Teil
1 und dem Innenrohr 3 durch das Zuführungsrohr 9 ein und verläßt
es durch die Kreisöffnung 10
im Einsatzteil 2.
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Die zu zerstäubende Flüssigkeit wird durch ein Rohr 11 zugeführt,
das koaxial zum Innenrohr 3 liegt. Die Flüssigkeit verläßt das Rohr durch
eine in die Kappe 4 eingespannte Füllhalterfeder 12, wie sie von normalen Füllfederhaltern
her bekannt ist. Die Feder 12 ist dicht in der Kappe 4 mittels einer Gegenmutter
13 und einer Dichtscheibe 14 befestigt.
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Der Erhitzer (F i g. 2) besteht im wesentlichen aus einem Rohr
16 größeren Querschnitts, das durch ein Element 17 auf eine verhältnismäßig
geringe Temperatur erwärmt wird, so daß eine Verdampfung des Nebels eintritt, ohne
daß jedoch eine mögliche Zersetzung desselben hervorgerufen wird. Das Heizelement
besteht aus einem Widerstandsring 20 in einer metallischen Schutzhülle. Der gesamte
Erhitzer ist durch eine Hülle 18 isoliert.
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Der Erhitzer ist so ausgelegt, daß die erforderliche Wärine der Mischung
-über eine große Fläche zugeführt wird. Er ist mit dem Zerstäuber durch ein konisches
Verbindungsstück 19 verbunden.
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In der schematisch in F i g. 3 dargestellten Sicherheitseinrichtung
ist R, der Zerstäuber-Heizwiderstand, R> R, Widerstände zur Spannungserniedrigung,
die in Serie mit dem Heizwiderstand geschaltet werden können, R, R5, R, Heizwiderstände
eines Thennokontaktes, der den Kontakt T steuert, V ein elektrisch gesteuertes Absperrventil,
das in den Flüssigkeitskreisstrom nach dem nicht dargestellten Regelventil für die
Flüssigkeit geschaltet ist, D ein Durchflußmesser, der beim Schließen Kontakt
erhält und vor das Regelventil der Flüssigkeit geschaltet ist, M ein Druckschalter,
der beim Schließen Kontakt erhält und hinter das nicht dargestellte Gasregelventil
geschaltet ist, a ein durch D
gesteuertes Relais, das es gestattet, R2 in
den Nebenschluß und R, und R, parallel zu schalten, al, a2 die vom Relais
a gesteuerten Kontakte, b ein nur zusammen durch T und M gesteuertes Relais,
mit dem R2 im Nebenschluß und R, mit R" parallel geschaltet werden kann und die
Signallampe S erleuchten wird, b 1 bis b 4 die vom Relais
b gesteuerten Kontakte, L eine Signallampe, I, J Unterbrecher,
die den bei A und B an eine Stromquelle angeschlossenen Stromkreis
vervollständigen.
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F i g. 4 stellt schematisch die elektrischen Stromkreise für
die verschiedenen Funktionsfälle dar, wie nachstehend beschrieben -
1.
Bei Normalbetrieb gibt der Zerstäuber-Heizwiderstand R, eine Leistung P, ab, die
so hoch ist, daß die Erhitzung des Gasstrahls und die Verdampfung des Alkohols,
der den Erhitzer innerhalb vorgegebener Grenzen speist, sichergestellt ist.
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Der durch den Widerstand R, gehende Strom zirkuliert auch in den den
Thermokontakt heizenden Widerständen, so daß der Kontakt T geschlossen und das Relais
b erregt werden kann.
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Wenn die Durchströmmenge des Gasstrahls durch ein nicht dargestelltes
Ventil auf einen Wert eingeregelt ist, der genügend hoch ist, damit der Gasdruck
in dem Röhrenwerk höher ist als der Schließdruck der Abschaltung des Druckschalters
M, wird das Relais b
erregt und dadurch der Widerstand R, in den Nebenschluß
gebracht, der Widerstand R, parallel mit dem Widerstand R, geschaltet und die Kontrollampe
erleuchtet, wobei das Absperrventil Y offen ist und das Durchströmen von
Alkohol ermöglicht.
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Die Alkoholmenge wird durch ein ebenfalls nicht dargestelltes Ventil
auf einen Wert geregelt, der genügend hoch ist, um den Kontakt D geschlossen
zu halten. Dadurch wird das Relais a erregt und demzufolge der Widerstand R, in
den Nebenschluß gebracht und der Widerstand R4 parallel mit R5 und R" geschaltet.
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In diesem Augenblick nimmt die Leistung im Erhitzer ihren höchsten
Wert an, der in der Nähe von
liegt, wobei in den f Olgenden Formeln P die in den Widerständen RI, R2 und
R3 umgesetzte Leistung in Watt, U die Spannung zwischen den Klemmen
A
und B in Volt, I die Stromstärke in Ampere und R den Widerstandswert in
Ohm bedeutet. Der den drei parallelen Heizwiderständen R4, R5, R, äquivalente
Widerstand ist gegenüber R, vernachlässigbar.
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Die im Erhitzer fließende Stromstärke weist ein Maximum auf, und die
drei Heizwiderstände R, R5
und R, müssen parallel mit dem Thermokontakt geschaltet
werden, um nicht eine zu große Steigerung seiner Temperatur zu riskieren.
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2. In dem Fall, in dem, sei es infolge der Aufheizung der Röhren,
sei es, daß das Durchströmen von Alkohol aufhört, der Kontakt D sich öffnet,
wird das Relais a stromlos, wodurch der Widerstand R2 in Serie mit R,
und
R, der außerhalb des Stromkreises liegt, geschaltet wird. Die vom Erhitzer abgegebene
Leistung nimmt einen Wert Pm an, der in der Nähe von
liegt und der ausreicht, um den Gasstrahl zu erhitzen, der aber trotzdem tief genug
liegt, um bei Berücksichtigung der durch den Gasstrom mitgenommenen Wärmemenge keine
Zerstörung des Erhitzers hervorzurufen, die eintreten würde, falls die Leitung P,
erhalten bliebe. Im übrigen ist auch die Stromstärke im Stromkreis viel schwächer
als bei Normalbetrieb und etwa gleich
so daß man den Heizwiderstand des Thermokontaktes erhöhen muß, und das ist der Grund,
weshalb der Widerstand R4 außerhalb des Stromkreises liegt.
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3. Wenn wegen irgendeines Fehlers der Druck des Gases sich
in dem Röhrenwerk derart verringert, daß eine genügende Durchströmmenge nicht mehr
sichergestellt ist, so tritt der Schalter M, dessen Schließdruck entsprechend geregelt
oder eingestellt ist, in Tätigkeit. Der Schalter M öffnet, das Relais
b
wird stromlos und dadurch das Absperrventil V geschlossen, was die Speisung
des Hitzers und des Ofens mit Alkoholdampf ohne Gasstrahl genügender Stärke verhindert.
D öffnet sich, a wird stromlos, der Widerstand R3 mit R, und R, in Serie
geschaltet, wodurch die entsprechende im Erhitzer erzeugte Leistung Pb auf einen
Wert in der Nähe von
absinkt, der genügend niedrig ist, um die Zerstörung des Erhitzers zu vermeiden,
die unbedingt eintreten würde, wenn die Leistung den Wert P. oder gar P, beibehalten
würde. Gleichzeitig wird der Widerstand Ri so in den Außenstromkreis gebracht, daß
die in R, erzeugte Leistung ausreicht, um die Erhitzung des Thermokontaktes auf
eine Temperatur oberhalb der Grenztemperatur sicherzustellen, die die Öffnung von
T bewirkt, und schließlich geht die Lampe S aus.
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Wenn durch irgendeinen Zwischenfall der ErhitzerR, nicht mehr gespeist
wird, insbesondere, wenn dieser Widerstand sich abschaltet, so geht kein Strom mehr
durch R, R, R, der Thermokontakt erkaltet, was die Öffnung von T zur Folge
hat und demzufolge die Ausschaltung des Relais b. Es kann dann kein
Alkohol fließen, und die Kontrollampe geht aus. Man riskiert dabei nicht, daß flüssiger
Alkohol in den Ofen gelangt oder sich im Erhitzer kondensiert, weil dieser nicht
mehr erwärmt.
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Die Art und Weise der Erwärmung des Thermokontaktes durch die Widerstände
R4, R5, R, und die Abschalttemperatur sind derart gewählt, daß die Ansprechzeit
auf Erhitzung in der Größenordnung der thermischen Trägheit des Erhitzers liegt,
die etwa 1 Minute beträgt, und die Ansprechzeit auf Erkaltung in der Größenordnung
von nur einigen Sekunden. Auf Grund dieser Tatsache einmal in Betrieb gesetzt, kann
der Alkohol, einmal auf dem Weg, nur in einen warmen Erhitzer gelangen, und sein
Durchströmen wird in wenigen Sekunden unterbrochen, wenn der Stromkreis geöffnet
ist.
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Die Gegenstand der Erfindung bildende Einrichtung gestattet es also,
jede anomale Funktion zu verhindern, nämlich: - Das Durchströmen einer Flüssigkeit
bei kaltem oder nicht stromgespeistem Erhitzer.
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- Das Durchströmen einer Flüssigkeit in Ab-
wesenheit
eines genügenden Gasstromes.
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- Die Erwärmung des Erbitzers auf zu hohe Temperatur regelt
automatisch seine Leistung auf die Werte P" P., Pb, je nachdem, ob
ein Gas-und Flüssigkeitsstrom, nur Gas oder nur Flüssigkeit eingespeist wird. Der
Wert von Pe, liegt beträchtlich über dem von P"" um die Verdampfung der Flüssigkeit
sicherzustellen. Der Wert von P. liegt im allgemeinen über dem von Pb, da man die
Erwärmung des Gases sicherstellen muß, damit das Röhrenwerk auf einer Temperatur
bleibt, die die Rückkondensation des Alkohols verhindert. Außerdem müssen die Werte
Pb und P. beide begrenzt sein, damit keine zu große Erwärmung des Erhitzers eintreten
kann.
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Nachstehend sind einige Beispiele für die Größenordnungen von Pb,
P. und P" bei verschiedenen speziellen praktischen Fällen einer Zerstäuber-Erhitzer-Einrichtung,
wie vorstehend beschrieben, angegeben, wobei Stickstoff, Stadtgas oder Naturgas
als Trägergas und Methylalkohol rein oder zusammen mit Wasser als Flüssigkeit verwendet
wird. In der Aufstellung sind die Werte für Pb, Pm, Pe angegeben, die erforderlich
sind, um
15 bis
30 cbm Schutzgas
je
Stunde herzustellen.
| Verhältnis Gesamtmenge des |
| Gas Flüssigkeit Liter Gas erzeugten Gases
P', p- p. |
| Gramm Flüssigkeit m'/Std. m IWI M |
| Stickstoff Methanol 3,75 15 250 bis 300 500 bis
700 1600 bis 1800 |
| 30 900 bis 1000 3200 bis 3400 |
| Stadtgas Methanol 8 15 250 bis 300 250
bis 300 800 bis 900 |
| 30 500 bis 600 1600 bis 1800 |
| Naturgas Methanol 8 15 250 bis 300 700 bis
800 1600 bis 1800 |
| 30 1200 bis 1300 3200 bis 3400 |
| Stadtgas Methanol 5,3 15 250 bis 300 500
bis 700 1600 bis 1800 |
| mit 33 0/, Wasser 30 900 bis 1000 3200
bis 3400 |
Der verwendete Stickstoff ist ein Nebenprodukt der Sauerstoffherstellung
und kann von
0 bis
10/,
Sauerstoff enthalten.
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Das verwendete Stadtgas ist Gas, das in den städtischen Leitungen
zur Verfügung gestellt wird und eine variable Zusammensetzung hat, die meist in
der Nähe der folgenden liegt. CO2 30/,; CO 180/1; CH4 16 0/0; C.H.
2,2 0/0; H, 4111/0; 0, 0,8 "/,; N, 19 11/0.
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Der Methylalkohol ist technischer vergällter Alkohol.