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Die Erfindung betrifft einen Laboratoriums- oder Kleinofen und bezweckt
das meßtechnisch verfolgbare Brennen bzw. Kühlen von keramischen Gegenständen, insbesondere
Prüfkörpern.
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Es sind bereits kleine, für Laboratorien verwendbare Öfen beschrieben
worden, die Vorwärmkanäle aufweisen, um die der Behandlungskammer zuzuführenden
Gase vorzuwärmen.
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Bei dem einen Ofen dieser Art ist nur ein geschlossener Luftkreislauf
vorhanden, der eine Konstanthaltung der Temperatur des Brenngutes sicherstellen
soll. Eine Konditionierung des Luftzustandes ist nicht möglich.
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Der andere Ofen dieser Art weist lediglich einen um den Brennraum
angeordneten Rekuperator auf, in dem die Brenngase von den Abgasen vorgewärmt werden.
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Mit den Merkmalen des einen oder des anderen Ofens oder ihrer Kombination
ist das eingangs erwähnte Ziel, in das die verfahrenstechnische Nachahmung des Tunnelofenbrandes
einbezogen ist, nicht durchführbar.
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Es ist bekannt, daß die Ergebnisse von Bränden keramischer Rohstoffe
in den bekannten Laboratoriumsöfen nicht unmittelbar auf die Praxis zu übertragen
sind. Die Ursache ist darin zu suchen, daß die Verhältnisse, unter denen die Probekörper
im Laboratoriumsofen gebrannt sind, sich wesentlich von denen in Betriebsöfen unterscheiden.
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Ein Laboratoriumsofen besteht üblicherweise im wesentlichen aus einer
allseitig geschlossenen Kammer, in der die den Prüfling umgebende Atmosphäre ruht.
Betriebsöfen sind meist als Ring- und Tunnelöfen ausgebildet und werden als Gegenstromaustauscher
betrieben. In Gegenstromaustauschern strömen Brenngase bzw. Luft. In Laboratoriumsöfen
herrscht zu Beginn der Aufheizung stets eine rein oxydierende Atmosphäre. Mit zunehmender
Temperatur nimmt je nach Gehalt an brennbaren Stoffen der Gehalt an Sauerstoff ab.
Bei hohem Gehalt an brennbaren Stoffen herrscht eine reduzierende Atmosphäre. Im
Gegenstromaustauscher ist dagegen der Sauerstoffgehalt im unteren Temperaturbereich
am geringsten und nimmt mit der Erwärmung zu. In Laboratoriumsöfen ist bei der Kühlung
bei Anwesenheit brennbarer Stoffe im Prüfling noch ein Abgasrest in der Kammer enthalten,
während die Kühlung in Gegenstromaustauschern durch reine Luft bewirkt wird.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen vielseitig abwandelbaren,
den verschiedensten Großofen-Betriebsverfahren leicht anpaßbaren Laboratoriums-
oder Kleinofen zum meßtechnisch verfolgbaren Brennen bzw. Abkühlen von keramischen
Gegenständen zu schaffen, der über den Brenn- bzw. Abkühlvorgang des behandelten
Gegenstandes eindeutige Ergebnisse liefert, die sich mit denen vom oder zum Großofen
vergleichen lassen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in der Hauptsache dadurch gelöst,
daß der Ofen aus einer Anzahl konzentrisch zueinander angeordneter Kammern und einer
Vorwärmeinrichtung besteht, in die nur rohrförmige Zuführungen reichen, von denen
für das vorzuwärmende gasförmige, aus Luft (Primärluft) und/oder Rauchgas bestehende
Medium, die Sekundärluft und/oder -gase bzw. die Kühl- bzw. Frischluft sowie für
das Abgas nur je ein einziger Anschluß vorgesehen ist, wobei zwischen der von einer
stirnseitig offenen Muffel, auf deren äußerer Mantelfläche eine sich über deren
gesamte Länge erstreckende elektrische Heizwicklung angebracht ist, gebildeten Behandlungskammer
und der Vorwärmeinrichtung koaxial liegende Vorwärmkammern angeordnet sind und die
Ofendecke die in die Kammern einmündende Zuführung sowie die Abgasabführung und
der Ofenboden die Zuführung in einer isolierenden Schicht enthalten.
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Vorzugsweise ist zur Erwärmung des der Behandlungskammer zuzuführenden
gasförmigen Mediums eine aus einer Anzahl Kammern bestehende zusätzliche Führung
vorgesehen. Im besonderen wird das der Behandlungskammer zuzuführende gasförmige
Medium durch hinter- und/oder ineinanderliegende Kammern auf einer zickzackförmigen
und/oder spiraligen Bahn geführt, um 1. eine ausreichende Luft- oder Gasvorwärmung
auf oder über die Temperatur der Behandlungskammer und 2. eine Temperaturvergleichmäßigung
der Behandlungskammer selbst zu erzielen.
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Um die Wärmeübertragungsflächen auf kleinem Raum möglichst groß zu
gestalten, kann auch die Ofenwandisolierung aus einer losen körnigen oder luftdurchlässigen
porösen festen Masse bestehen, durch die das aufzuheizende Medium hindurchgedrückt
wird; zugleich läßt sich damit während der Kühlperiode der ganze Ofen sehr schnell
abkühlen, ohne daß die Behandlungskammer ihre Temperaturgleichmäßigkeit verliert.
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Damit wird eine weitgehende Zwangsführung aller Gase bis in die Behandlungskammer
sichergestellt und in der Kühlperiode die gleichzeitige und gleichmäßige Abkühlung
aller Ofenteile gewährleistet. Das Gasgemisch verläßt die Behandlungskammer auf
kürzestem Weg ins Freie.
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Mit Hilfe von diesen erfindungsgemäßen Maßnahmen können in dem neuen
Laboratoriumsofen die gleichen Verhältnisse wie im großtechnischen Ofen geschaffen
werden. Man erhält somit auch ein gleiches Brennergebnis, und es ist die Möglichkeit
gegeben, bei Zugrundelegung der am Großofen ermittelten Ergebnisse direkte Rückschlüsse,
z. B. in bezug auf die Farbe, die Brenntemperatur, Garbrandzeit, die zulässige Kühlgeschwindigkeit
usw., zu ziehen. Umgekehrt kann man durch Versuche im Laboratoriumsofen die optimalen
Betriebsverhältnisse ermitteln und diese alsdann auf den Betriebsofen übertragen.
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Im Aufbau ist der neue Ofen einfach und übersichtlich sowie im Betrieb
in hohem Grade wirtschaftlich, da die Abwärme zugleich auf vielfältige Weise zur
Aufheizung des gasförmigen Mediums verwandt wird. Der neue Laboratoriumsofen läßt
sich auch leicht und definiert mit entsprechenden Geräten zur Messung der Temperaturen
am und im Prüfling ausstatten, so daß auch die endothermen und exothermen Prozesse
unter betriebsgleichen Verhältnissen genau ermittelt werden können. In dem neuen
Ofen können die Abgase und die Gewichtsverluste beim Brand sicher erfaßt und analysiert
werden, so daß unter betriebsnahen Verhältnissen die Zeitbereiche der Vorgänge zu
ermitteln sind, in denen z. B. Schwefel ausgeschieden wird oder ausbrennbare Stoffe
austreten.
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Insbesondere sind auch in die Behandlungskammer einführbare Abhörvorrichtungen
vorgesehen,
die zum Studium des zeitlichen Verlaufes von Kühlrissen
verwendet werden. Diese Abhörvorrichtungen ermöglichen das früher als sonst erkennbare
Auftreten der Kühlrisse, insbesondere bei Anwendung der Schnellkühlung, die ein
bedeutsamer Vorteil des vorgeschlagenen Ofens gegenüber den bekannten Öfen ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nunmehr an Hand der Zeichnung
näher erläutert. Darin ist F i g. 1 ein Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen
Ofen und F i g. 2 ein Querschnitt durch diesen Ofen längs der Linie I-1 der F i
g. 1.
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In F i g. 1 und 2 ist ein Laboratoriums- oder Kleinofen dargestellt,
der aus einem im allgemeinen geschlossenen Kammersystem aus einer Anzahl konzentrisch
zueinander angeordneter Kammern 1, 1 b, 4, 5 und der Vorwärmeinrichtung 6 besteht,
in die nur rohrförmige Zuführungen 8, 9, 11,
17 reichen, von denen für das
vorzuwärmende gasförmige, aus Luft (Primärluft) und/oder Rauchgas bestehende Medium,
die Sekundärluft und/oder -gase bzw. die Kühl- bzw. Frischluft sowie das Abgas nur
je ein einziger Anschluß vorgesehen sind. Die innenliegende Behandlungskammer 1
ist von einer zylindrischen, stirnseitig offenen keramischen Muffel oder Brennmuffel
2 umschlossen.
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Der Ofen ist elektrisch beheizt. Die Wicklung der Heizvorrichtung
3 ist auf der Außenfläche der Brennmuffel 2 gelegen, die aus einem dickwandigen
und/oder körnigen bzw. porösen Material besteht.
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Die an der Brennmuffel 2 angebrachte Heizvorrichtung liegt innerhalb
der Vorwärmeinrichtung 6. Außer der indirekt auf den Prüfkörper 16 in der Behandlungskammer
1 einwirkenden Heizvorrichtung 3 ist an der anderen Stirnseite der Behandlungskammer
eine zusätzliche, direkt wirkende, nach Bedarf einschaltbare Heizvorrichtung
10 vorgesehen. In der äußeren Kammer des konzentrischen Kammersystems befindet
sich die Vorwärmeinrichtung 6. Vorzugsweise hat diese einen Abstand von dem Außenmantel
1 a des Ofens. Die Vorwärmeinrichtung 6 selbst besteht aus einer körnigen, von Sieben
6 a, 6 b ummantelten porösen Schicht.
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Die zur zusätzlichen Luftführung dienenden Kammern 4 und 5
werden durch konzentrisch ineinanderstehende Blechmäntel 4' und 5' gebildet,
die zwischen der Behandlungskammer 1 und der Vorwärmeinrichtung 6 angeordnet sind.
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Die Kammern 4 und 5 weisen spiralförmig ausgebildete Einsätze oder
Ansätze 7, 7 a zwischen bzw. an den Blechmänteln 4', 5' auf.
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Dieses Kammersystem wird stirnseitig von einer Ofendecke
13 und von einem Ofenboden 14 abgeschlossen. Diese Bauteile des Ofens
sind ebenfalls konzentrisch ausgebildet. Die Ofendecke 13 enthält eine isolierende
Schicht 12, die sich innerhalb des Außenmantels 1 a befindet. Sie ist durchsetzt
von der Zuführung 8 für die Luft und der Abgasabführung 11
die aus
mehreren Einzelrohren bestehen kann.
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Das mittlere dieser Rohre ist z. B. für die Abgase, die beiden anderen
Rohre sind zum Einführen von an sich bekannten Vorrichtungen zur Erfassung der Temperatur
oder anderer Meßgrößen bestimmt. Der Ofenboden 14 ist ähnlich der Ofendecke 13 ausgebildet.
Er enthält die isolierende Schicht 15 und die Heizvorrichtung 10 sowie eine
Zuführung 17, die zur Zufuhr von Frisch- bzw. Kühlluft oder für Meßzwecke,
z. B. der Einführung von Abhöreinrichtungen zum Studium des zeitlichen Verlaufes
von Kühlrissen u. dgl., verwendet werden kann. Die Isolierschichten 12 und
15 sind wie die Vorwärmeinrichtung 6 aus körnigem oder porösem Material hergestellt.
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Alle Bauteile des Ofens sind so ausgeführt, daß sie leicht auswechselbar
sind.
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Das bei 9 eintretende gasförmige Medium, das aus Luft oder Rauchgas
oder einem Gemisch beider bestehen kann, durchströmt - wie die Pfeile anzeigen -
zunächst die Vorwärmeinrichtung 6, die Kammer 1 b und tritt aus dieser unten
in die Kammer 5. Aus dieser strömt das gasförmige Medium oben in die Kammer
4 und aus dieser unten in die Behandlungskammer 1 hinein. Innerhalb
der Kammern 1 b, 4 und 5 nimmt somit das gasförmige Medium
einen zickzackförmigen Weg. Das bereits in der Vorwärmeinrichtung 6 vorgewärmte
Medium durchläuft außerdem die innerhalb der Kammern 4
und/oder 5 befindlichen
Ein- oder Ansätze 7, 7 a, um dem Medium einerseits eine entsprechend große Oberfläche
zur Erwärmung bzw. Abkühlung zu geben, andererseits diese zu einer Bewegung in einer
Spiralbahn zu veranlassen, um im Erwärmungsfall möglichst viel Wärme von der Heizwicklung
3 aufzunehmen. Wenn der Ofen schnell gekühlt werden soll, wird Luft durch
die Zuführung 9 bzw. 8 eingeblasen.
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Hier liegt somit eine Kombination einer Zwangsführung mit einer ungezwungenen
Führung des gasförmigen Mediums durch eine poröse Schicht vor. Erfindungsgemäß könnte
auch der gesamte äußere Mantel 1 a,1 b, 4', 5' und die Vorwärmeinrichtung 6 ganz
durch Zwangsführungsschichten gebildet werden, in denen die Luft oder die Abgase
zickzackförmig, parallel oder in spiraligen Bahnen geführt würden, oder die Luft
könnte auch ganz durch eine Schicht aus einem körnigen Schüttgut oder durch eine
poröse Schicht geführt werden. In der als Beispiel aufgeführten Kombination ist
der innere Teil des Mantels 4, 5 mit relativ dünnen Schichten ausgeführt
und die Wicklung um diesen gelegt. Würde die Wicklung, wie vielfach üblich, an die
Innenwand der Behandlungskammer 1 gelegt, so würde das Brenngut vornehmlich
durch Strahlung aus den Heizwicklungen erwärmt werden, und die Luft würde weniger
hoch aufgeheizt werden. Sollen jedoch die Luft oder das Abgas höher aufgeheizt werden
und demgegenüber die Strahlung durch die Heizwicklung vermindert werden, dann wird
die Heizung, wie im Beispiel, um die eigentliche Brennmuffel 2 gelegt, und es wird
ihr Mantel um so dicker ausgebildet, je höher die Luft oder die Abgase aufzuheizen
sind und je mehr die unmittelbare Bestrahlung des Brenngutes zu dämpfen gewünscht
wird.
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Bei den bisher beschriebenen Maßnahmen ist nur eine begrenzte Einflußnahme
auf die Temperatur der Luft oder der Abgase dadurch möglich, daß man mehr oder weniger
Luft durch das System streichen läßt. Will man jedoch die Umströmungsgeschwindigkeit
des gasförmigen Mediums auf die im Großofen gegebenen Verhältnisse einstellen, so
wird im Sinn der Erfindung zusätzlich Luft zugegeben, die nur den Mantel
1 a, 1 b, 4', 5' und 6, teilweise
4 und 5 bestreicht und die demgemäß weniger aufgewärmt wird.
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In der Zeichnung ist als Beispiel hierfür eine Luftzuführung
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vorgesehen, die unmittelbar in den zwangsgeführten Teil der Aufheizungsmäntel
4 und 5
führt. Durch Dosierung der Luft, die durch den ganzen Mantel
1 a, 4, 5, 6, und der Luft, die nur durch einen Teil des Mantels 4
und 5 streicht, kann das strömende Medium sowohl auf die gewünschte Temperatur als
auch die gewünschte Menge eingestellt werden. Durch Dosierung der Luft bzw. des
Abgases kann auch die Zusammensetzung der Atmosphäre in der Behandlungskammer
1 in gewünschter Weise eingestellt werden. Es ist hiernach möglich, in der
Behandlungskammer 1 nach Menge, Temperatur und Zusammensetzung die Atmosphäre
und Strömungsgeschwindigkeit gegenüber den gewünschten Verhältnissen entsprechend
einzustellen und damit im Laboratoriums- oder Kleinofen jeweils die gleichen Verhältnisse
zu schaffen wie im Industrieofen.