DE486874C - Einrichtung zur Erzeugung hoher Temperaturen durch elektrisch ueberhitzte Flammen - Google Patents

Description

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AUSGEGEBEN AM 28.N0VEMBER 1929

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21h GRUPPE 19

Patentiert im Deutschen Reiche vom 8. März 1923 ab

ist in Anspruch genommen.

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung· zur Erzeugung hoher Temperaturen durch elektrisch überhitzte Flammen. Bei derartigen Einrichtungen ist es bereits bekannt, zweikonzentrische Elektroden vorzusehen, zwischen denen der freie Raum mit einem für Gase durchlässigen Stoff von spezifisch hohem elektrischen Widerstand ausgefüllt ist. Durch Anlegung einer Spannung an die Elektroden wird das Widerstandsmaterial zwischen den beiden Elektroden glühend und durch die glühende Masse das durch den Ringraum hindurchgeleitete Gasluftgemisch entzündet. Die aus der ringförmigen Öffnung heraustretende überhitzte Stichflamme wird gegen einen Schmelztiegel geleitet. Eine weitere Überhitzung tritt dadurch ein. daß der Schmelztiegel mit einer dritten Spannungsklemme-verbunden wird, so daß ein elektrischer Strom durch die Stichflamme fließt. Um die Bildung eines elektrischen Lichtbogens und dessen unerwünschte Folgen zu vermeiden, wird die Richtung- des elektrischen Stromes der Flammenströmung entgegengesetzt gerichtet. Es ist ferner vorgeschlagen worden, durch hohle Elektroden einen Strom brennbaren- Gases hindurchzuschicken, der sich dem Lichtbogen überlagert.

Nach der Erfindung wird das Brennstoff-Luft-Gemisch ebenfalls durch ein mit schwer schmelzbarem Stoff, z. B. Koks, gefülltes Düsenrohr hindurchgeführt, dessen Füllung von der Flamme bespült wird; der austretenden Stichflamme wird dann ein Lichtbogen, überlagert, der im wesentlichen durch die Mitte der Düsenöffnung austritt.

Dadurch wird eine bedeutend verlängerte Betriebsdauer der Elektroden erzielt und die Verwendung einer hohen elektrischen Spannung möglich. Während sich die bekannten Einrichtungen nur für Laboratoriumszwecke eignen, ist der Erfindungsgegenstand für Anlagen größten Umfanges verwendbar.

Auf der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung beispielsweise dargestellt. Es zeigt:

Abb. 1 eine Elektrode und Gasdüse gemäß einer Ausführungsform der Erfindung im Mittellängsschnitt,

Abb. 2 eine Einzelheit der Vorrichtung aus Abb. ι (Rohranordnung) im Schnitt nach Linie 2-2,

Abb. 3 einen mit dem Erfindungsgegenstand ausgerüsteten Hochofen im Betriebszustand. Der obere linke Teil des Ofens ist in Ansicht und alles übrige als Mittellängsschnitt dargestellt.

Abb. 4 zeigt einen nach Linie 4-4 der Abb. 3 geführten Horizontalschnitt.

Gleiche Bezugszeichen bedeuten in allen Abbildungen gleiche Teile.

Der hohle Gußkörper 11 stellt eine Düse dar, durch' welche die Gase, teilweise verbrannt, in den Wirkungsbereich 12 eingeführt werden. Der Gußkörper 11 dient auch als bereits erwähnte Elektrode. Um ein Schmelzen bzw. Verbrennen und schnelle Abnutzung zu verhindern, wird der Gußkörper 11 einer besonderen Kühlung unterworfen, indem zweckmäßig· in dem Hohlraum 13 ein Wasserstrom in Umlauf gebracht wird. Mit der Düse 11 ist ein metallisches Blasrohr 14 verbunden, durch welches ihr die Gase zugeführt werden. Das brennbare Gase führende Rohr 15 ist mit dem Blasrohr 14 verbunden. Iii das Rohr 15 ist ein Ventil 16 und ein hohler elektrischer Isolator 17 eingesetzt, der das Blasrohr 14 von allen übrigen Teilen des Rohres 15, außer dessen, dem Blasrohr 14 zunächst gelegenen Ende isoliert. Das andere Ende des Rohres 15 ist mit irgendeinem Gas unter Druck vorrätig haltenden Behälter iS verbunden. Des weiteren steht mit dem Blasrohr 14 ein sauerstoffhaltiges Gas führendes Rohr 19 in Verbindung. In dieses Rohr 19 ist ebenfalls ein Ventil 20 und ein hohler elektrischer Isolationskörper 21 eingesetzt. Das andere. Ende des Rohres ist mit dem sauerstoffhaltiges Gas unter Druck vorrätig haltenden Behälter 22 verbunden. Es läßt sich jedes sauerstoffhaltige Gas, am besten aber .Luft, verwenden.

An der Düsenelektrode 11 sitzt eine Anschlußklemme 23, die durch einen Leiter 24 mit einer beliebigen Stromquelle in Verbindung zu setzen ist.

Die Düse 11 und ein Teil des Blasrohres 14 in Nähe der Düse ist mit elektrisch leitendem, wärmebeständigem Material, z. B. mit Kohlestückchen, angefüllt. Es läßt sich jede Kohle in jeder zur Bewegung* durch Blasrohr und Düse geeigneten Form verwenden. Zweckmäßig· wird wegen seiner Billigkeit Koks verwendet, und zwar grobstückiger, jhohes ■elektrisches Leitvermögen und große Gasdurchlässigkeit besitzender Koks.

Das Blasrohr geht in Richtung entgegengesetzt der- Düse 11 in einen Zylinder über, in dem sich ein mit Kolbenstange 27 versehener Kolben 26 befindet. Zur Absperrung, bzw. Unterteilung des Blasrohres ist ein Schieberventil 28 eingebaut. Des weiteren ist am rückwärtigen Ende eine Einfüllvorrichtung für die vorerwähnten Koksstücke in Form eines Einfülltrichters 29 angeordnet. Für die Kühlwasserzufuhr zur Düse 11 muß eine besondere Vorrichtung vorgesehen werden, damit die Düse keinen Erdschluß bekommt bzw. durch den Wasserstrom keinen elektrischen Kurzschluß erfährt. Es wird daher eine Vorrichtung geschaffen, mittels welcher das Kühlwasser in unterbrochenem Strom der Düse zu- und ebenso von dieser wieder abgeführt wird, wobei eine metallische oder irgendeine andere feste Verbindung zwischen Düsei und Wasserzu- bzw. -ableitung überhaupt nicht vorliegt. Bekannt ist, daß ein unterbrochener Wasserstrom gefahrlos mit einem hohe Spannung besitzenden Leiter in Verbindung treten kann, und daß zufolge der Abstände der einzelnen Wassertropfen voneinander keine bemerkenswerte elektrische Leitung in solchem unterbrochenen Wasserstrom auftritt.

Wie aus Abb. 2, teilweise auch aus Abb. 1. hervorgeht, zweigt von der Wasserzuleitung 30 ein Rohr 31 ab, an dessen Ende eine' Düse 33 sitzt, die den Wasserstrom 34 zu feiner Verteilung bringt. Das Ventil 32 dient zur Regelung der Menge des aus der Zuleitung 31· austretenden Wassers. Das Sprühwasser fällt in den Trichter 35, um von hier durch ein Rohr zur Düse 11 weitergeleitet zu werden. Von Düse 11 wird das Wasser in ähnlicher Weise wieder über Rohr 37, Düse ■38 bei 39 fein verteilt einem Trichter 40 und von hier über Rohr 41 der Abflußleitung 42 zugeführt.

Kommt die Vorrichtung nach der Erfindung an einem Schmelzofen zur Anwendung, so wird die Düse 11 in einem Ring 43 eingebaut, der in ähnlicher Weise, wie mit Bezug auf Abb. 2 beschrieben, gekühlt wird. Der Ring 43 muß von metallischen Ofenteilen isoliert werden.

In Abb. 3 und 4 wird" die Nutzbarmachung der Vorrichtung an einem Hochofen veranschaulicht. . Die Vorrichtung wird in geeigneter Höhenlage in der Ebene der Bläser 44, 45 eingebaut.

Indem die Düsenelektroden in gleicher Ebene zwischen den" Bläsern angeordnet werden, gewinnt man einen besonderen Vorteil insofern, als die aus den Düsenelektroden austretenden Gase eine innige Vermischung mit der aus den Bläsern kommenden Luft eingehen. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung liegt darin, daß durch die übliche Schauöffnung 46 am Ende jedes Bläsers 45 der Zustand im Innern des Ofens, und zwar nicht nur die Wirkung der durch die Bläser einge- no blasenen Luft, sondern auch die Wirkung 3er Flammen von den Düsenelektroden 11 beobachtet werden kann.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich da, wo ein früher gänzlich mit Brennstoff beheizter Ofen jetzt ganz oder teilweise elektrisch beheizt wird, oder wo ein schon mit dem Erfindungsgegenstand ausgerüsteter Ofen eine gewisse Zeit nur allein durch die Wärme eines Brennstoffes beheizt werden soll, insofern, als die für den Einbau der Blasrohre 44 dienenden Kühlringe' 47 in gleicher Weise: wie die

Ringe 43, in denen die Elektroden 11 gehalten werden, durchgebildet und gekühlt werden können, so daß demzufolge unter diesen Ringen und deren Zubehörteilen eine beliebige Auswechslung vorgenommen werden kann. Die Bedienung des neuen Apparates geschieht wie folgt:

Die Düsenclektrode 11 und ein Teil des Blasrohres 14 wird mit Koksstücken aufgefüllt: das Ventil 20 und ebenso Ventil 16 wird teilweise geöffnet, so daß die Gase durch die Düsenelektrode hindurchfließen können. Das Mischgas wird dann auf irgendeine Weise zur Entzündung gebracht, brennt zwischen und .durch die Koksstücken in der Düse 11 und erhitzt so den Koks. Zu Beginn mag ein Überschuß an sauerstoffhaltigem Gas gegenüber der zur richtigen Vermischung mit dem brennbaren Gas erforderlichen Menge ao zur stärkeren bzw. schnelleren Erwärmung des Kokses verwendet werden. Nach der Erhitzung des Kokses jedoch werden die beiden Gasventile so reguliert, daß eine zur vollkommenen Verbrennung des einen Gases nicht ausreichende Menge an sauerstoffhaltigem Gas, aber ein genügender Gesamtstrom vorliegt, der in der Düsenelektrode eine sehr heiße Flamme entwickelt.

Während des weiteren Betriebes verbraucht sich der Koks in der Düsenelektrode und im Blasrohr allmählich, so daß sich der Zusammenhang desselben etwas lockert. Um den Koksinhalt in Düse und Blasrohr in inniger Berührung zu halten, wird gelegentlich der Kolben 26 an der Kolbenstange 27 von Hand vorgeschoben. Wenn notwendig, kann dann nach Zurückziehung des Kolbens 26 und Schließung des Schieberventils 28 von- neuem Koks aus dem Einfülltrichter 29 nachgefüllt werden. Das Schieberventil wird dann wieder geöffnet und die neue Kokscharge durch den Kolben gegen den alten Koks vorgeschoben. Während dieses Vorganges muß der Strom entweder auf kurze Zeit ausgeschaltet werden; oder es muß sich die Bedienungsperson zu ihrer Sicherheit auf eine isolierende Unterlage stellen.

Obgleich gemäß der Erfindung der Flamme

ein besonderes Gas zugeführt und der Koks zeitweise erneuert wird, so kann statt des Kokses und des besonderen brennbaren Gases bituminöse Kohle o. dgl. Verwendung finden.

da durch die Destillation der bituminösen Kohle gleichzeitig und fortgesetzt in den Zonen des Blasrohres 14 und der Düse 11 Koks und brennbares Gas gebildet wird.

Ist der Apparat im Dauerbetrieb, so wird ein aus einer äußeren Stromquelle kommender Strom durch die Düsenelektrode 11 und durch einen in und längs der Flamme 12 sich ausdehnenden Flammenbogen geschlossen. Wenn die Vorrichtung in einem Ofen mit mehreren Düsenelektroden benutzt wird, kann der von einer Düsen elektrode kommende Strom durch die längs den verschiedenen Flammen verlaufenden Lichtbogen geschlossen werden. Es können z. B. insgesamt drei solcher Elektroden und drei Lichtbogen enthaltende Flammen vorliegen, die dann, wie in Abb. 3 und 4 dargestellt, eine dreiphasige Verbindung ergeben. Wird die Vorrichtung zur Erhitzung, zum Schneiden oder auch zum Schweißen oder Schmelzen von Metall verwendet, ist nur eine Düsenelektrode mit dem nötigen Zubehör erforderlich; der Stromkreis wird in die,-sem Fall über das betreffende Metall geschlossen.

Wenn der Strom durch die Flamme in der beschriebenen Weise hindurchgeht, werden die Wirkungen der elektrischen Flammenbögen noch verstärkt. Dies betrifft insbesondere die Heizwirkung der elektrischen Flammenbögen zusätzlich der Wärme der brennenden Gasflamme. Der Widerstand zwischen Elektrode und Flammbogen wird durch die hohe Erhitzung der großen Oberfläche des Kokses in der Elektrodendüse verringert, so daß damit die Wärmemenge —J- · R, wie gewünscht, weniger an den Elektroden und mehr in der Flamme erzeugt wird.

Zur Regelung des Beitrages elektrischer Energie zur Flamme kann die den Düsenelektroden aufgedrückte EMK verändert wer-

den, wodurch sich der Quotient -^-, welcher „-der in Wärme umgesetzten elektrischen Energie entspricht, entsprechend ändern wird. Ebenso läßt sich aber auch der Widerstand durch Veränderung des Gasbeitrages zur Flamme veränderlich gestalten.

Der Verbrauch an Koks in den Elektroden ist verhältnismäßig gering, da das brennende Mischgas, welches durch die Elektrodendüse und die Koksmasse strömt, ein Reduktionsgas ist; wie bereits schon erwähnt, ist in dem Gasgemisch ein Mangel an sauerstoffhaltigem Gas vorhanden. Obwohl die Anordnung vorteilhaft so getroffen wird, daß ein geringer oder gar kein Verlust des Kokses durch Verbrennung auftritt, wird nicht beabsichtigt, den Verbrauch von elektrischer Energie in diesem Material zu vermeiden. Wenn keine Abnutzung an den Elektroden einträte, könnte nur eine ununterbrochene Koronaentladung stattfinden, bei der nur sehr geringe Mengen von Wärme frei werden, die für die Mehrzahl der praktischen Anwendungen nicht ausreichen. Bei der neuen Einrichtung wird daher der Koks allmählich aufgebraucht, wie bei den Elektroden gewöhnlicher Flammenbogen.

Wird die neue Vorrichtung an einem Ofen benutzt, so kann ein Teil der Beheizung des-

selben durch, das Verbrennen des brennbaren Teiles der durch die Düsenelektroden eingeführten Materie und irgendeines anderen, dem Ofen zugeführten Brennstoffes erfolgen. Die restliche Erwärmung bzw. Beheizung erfolgt durch die Umwandlung der elektrischen Energie in Wärme innerhalb des durch den Betrieb der neuen Vorrichtung beeinflußten Wirkungsbereiches.

Claims (6)

1. Patentansprüche:
2. I. Einrichtung zur Erzeugung hoher Temperaturen durch elektrisch überhitzte Flammen, dadurch, gekennzeichnet, daß das Brennstoff-Luft-Gemisch, durch ein mit schwer schmelzbarem Stoff., z. B. Koks, gefülltes Düsenrohr hindurchgeführt νάτά, dessen Füllung von der Flamme bespült wird, und daß die elektrische Überhitzung der Flamme durch einen längs der Flamme verlaufenden Lichtbogen erfolgt, der wesentlich, durch die Mitte der Düsenöffnung austritt.
   ' 2. Einrichtung nach Anspruch, i," dadurch, gekennzeichnet, daß zum Ergänzen der Koksstücke am Düsenrohr eine Füllvorrichtung, z. B. ein Fülltrichter und ein Absperrschieber, angeordnet sind.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch. 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Vorschieben der Koksstücke bis zur Düsenöffnung ein Kolben angeordnet ist.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch. 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daii der der Flamme unmittelbar ausgesetzte Teil des Düsenrohres gekühlt ist.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der Menge des der Flamme zugeführten Brennstoff-Luft-Gemisches und der elektrischen Energie im gleichen Sinne erfolgt.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anordnung mehrerer Düsenelektroden diese radial auf den Mittelpunkt eines Kreises gerichtet unter gleichen Winkeln zueinander angeordnet sind, so daß der elektrische Strom durch die Flamme bogenförmig von der einen Elektrode zur anderen übergeht.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen

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