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Verfahren zum Betrieb von Öfen fürmetallurgische, chemische, keramische
und glastechnische Zwecke und Öfen dazu Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zum Beheizen von Arbeitsräumen in Ofen-u. dgl. verschiedener Art, z. B. für chemische,
keramische, metallurgische, glastechnische Zwecke, insbesondere für Trocknungs-,
Röst-, Reduktions-, Glüh- und Wärmezwecke, unter Hindurchführung eines heißen, gar
nicht oder nur zu einem kleinen Teil durch eigene Reaktionswärme erhitzten Gases;
d. h. es werden in an sich bekannter Weise rekuperativ oder regenerativ erwärmte
Gase durch den Arbeitsraum geführt, bevor sie zur Aufheizung der Wärmeaustauscher
verbrannt werden.
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Für eine solche Arbeitsweise ist es ferner an sich bekannt, die unmittelbare
Gasbeheizung durch Wärmestrahlung einer Flamme zii ergänzen.
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Gemäß der Erfindung erfolgt nun diese Ergänzung derart, daß die Abgase
dieser Flamme oder überhaupt einer Wärme liefernden Reaktion dem Arbeitsraum fernbleiben
und unmittelbar in offen zum Arbeitsraum angeordnete Wärmeaustauscher ziehen, die
ebenfalls strahlende Wärme in den Arbeitsraum zu senden vermögen. Dabei kann unter
Zugwechsel und jeweiliger entsprechender Verlegung des Reaktionsortes oder bei gleichbleibender
Zugrichtung und unverändertem Reaktionsort gearbeitet werden.
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Die Reaktionsgase (Flammengase) werden also sogleich nach ihrer Entstehung
derart in Wärmeaufspeicherer geführt, daß auch die obersten Strecken dieser Wärmeaufspeicherer
Wärme in den Arbeitsraum zu strahlen vermögen; außerdem aber kann der Arbeitsraum
auch noch von außen beheizt werden.
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Soweit es ferner irgend mit dem besonderen industriellen Anwendungszweck
des Verfahrens vereinbar ist, soll die dem Arbeitsraum lediglich Strahlungswärme
spendende Reaktion, z. B. Flamme, von den aus dein Arbeitsraum kommenden Spülgasen
selbst unterhalten bzw. gespeist werden, wobei die Hocherhitzung der durch den Arbeitsraum
hindurchzuführenden Behandlungsgase entweder rekuperativ im Dauerstrom oder in an
sich bekannter Weise regenerativ unter Zugwechsel erfolgt, und zwar zweckmäßig in
der obengenannten Wärmeaufspeicherungs-" anordnung.
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Noch weitere Ausbildungen des Verfahrens sowie die Ofeneinrichtungen
ergeben sich aus nachstehendem.
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Durch das neue Verfahren wird der wichtige Vorteil erreicht, daß in
der besonderen
Art der Wärmebestrahlung des Arbeitsraumes gemäß
der Erfindung ein Mittel gefunden ist, um das Durchspülverfahren=-unter Aufrechterhaltung
jeder gewollten bestimmten, hocherhitzten Atmosphäre innerhalb des Arbeitsraumes
wärmewirtschaftlich aufs wirksamste zu unterstützen, ohne den Arbeitsvorgang nach
der chemischen Seite hin irgendwie zu beeinträchtigen bzw. zu gefährden.
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An einem Beispiel aus dem Hüttenwesen sei erläutert, @vie sich das
neue Heizverfahren auszuwirken vermag.
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Bekanntlich glüht man im Hüttenwesen Stücke aus, um sie weich zu machen.
In den Ausglühöfen, irf:denen die Erwärmung'durch Flammen oder durch Verbrennungsgase
bewirkt wird, sind die zu erwärmenden Stücke der oxydierenden Wirkung der Flamme
ausgesetzt, selbst wenn man mit einer Verbrennung bei Luftmangel arbeitet. Die Verbrennungsgase
enthalten große Mengen Wasserdampf und Kohlensäure, die bei hoher Temperatur oxydierend
wirken können; selbst wenn die Verbrennungsgase auch reduzierende Gase enthalten,
sind diese doch mit so großen Mengen neutralen Gases verdünnt; daß ihre Wirkung
stark abgeschwächt, wenn nicht sogar aufgehoben wird.
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Zwar sind Vorrichtungen bekannt, bei welchen das Werkstück durch einen
heißen, reduzierenden Gasstrom umspült und ausschließlich durch die fühlbare Wärme
des Gases geglüht wird.
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Dieses bekannte Verfahren hat aber den Nachteil, daß wegen der geringen
spezifischen Wärme des Heizgases die Temperaturspannung zwischen Heizgas und Werkstück
rasch sinkt und keine nennenswerte Wärmeübertragung stattfindet. Mit sinkender Temperatur
wächst das spezifische Gewicht des Gases, so daß das kältere Gas die auf dem Herd
liegenden Werkstücke umhüllt und das Durchdringen der Wärme aus den heißeren, höheren
Gasschichten durch Leitung hemmt. Deshalb muß die Erwärmung durch die strahlende
Wärme einer Flamme und von festen Körpern begleitet werden, um einen Erfolg zu erzielen.
Um dieses zu erreichen, hat man auch vorgeschlagen, den Arbeitsraum dadurch zu erhitzen,
indem man auf dem Herd einen reduzierenden Gasstrom und längs dem Gewölbe eine Flamme
führt. Durch diese Vorrichtung werden jedoch in den Arbeitsraum Luft und Verbrennungsprodukte
eingeführt, so daß die Gefahr besteht, daß das Werkstück angegriffen wird.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung lassen sich bei einem solchen Ofen
zum Erwärmen in einer Gasatmosphäre diese Übelstände wirksam vermeiden, indem der
Ofen aus einem Herd mit angeschlossener Verbrennungskammer nebst Wärmespeicher in
der Weise besteht, daß alle diese Teile durch ein Gewölbe überdeckt sind, so daß
die Wärmespeicher unmittelbar am Arbeitsraum münden.
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Durch diese Anordnung ist es möglich, das Werkstück durch in dem Wärmespeicher
vorgewärmtes Gas durch Berührung und gleichzeitig durch die Strahlungswärme der
darauffolgenden Verbrennung und des oberen Teiles der Füllung der Wärmespeicher
zu erhitzen, ohne daß dabei eine Flamme oder Verbrennungsprodukte über den Herd
ziehen.
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Der Arbeitsraum kann an einen Satz paarweise angeordneter Wärmespeicher
(Regeneratoren) angeschlossen sein. In einen Regenerator wird unten das Gas eingeführt,
entweder das brennbare oder das die Verbrennung unterhaltende, je nachdem, ob die
Heizung in reduzierender oder oxydierender Urngebung stattfinden soll. Dieser Regenerator
ist beim vorhergehenden Arbeitsgang in der unten beschriebenen Weise geheizt worden.
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Beim Durchgang durch diesen Regenerator wird das Gas auf hohe Temperatur
gebracht und durchstreicht dann den Arbeitsraum des Ofens, ohne zuvor mit dem verbrennungsunterhaltenden
oder dem brennbaren Gas in Berührung gekommen zu sein; es erhitzt also das in dem
Arbeitsraum befindliche Gut durch Abgabe eines Teiles seiner fühlbaren Wärme. Dieses
Gas verläßt dann den Arbeitsraum und tritt in die Verbrennungskammer über dem Regenerator
ein, der mit demjenigen, durch welchen das Gas in den Ofen eingetreten ist, ein
Paar bildet. Auf seinem Wege vom Austritt aus dem Arbeitsraum zum Regenerator mischt
sich das Gas mit dem die Verbrennung unterhaltenden Gase oder dem Brennstoff in
der Verbrennungskammer, entzündet sich beize Eintritt in den Regenerator und bringt
diesen auf hohe Temperatur; die Verbrennungserzeugnisse verlassen den Regenerator
durch einen Wechselschieber und gehen zum Kamin oder zu einem im Dauerstrom arbeitenden
Winderhitzer (Rekuperator).
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Im folgenden Arbeitsabschnitt wird der Eintritt des Gases mit Hilfe
des Wechselschiebers und der Eintritt der Luft durch geeignete Mittel, z. B. durch
Klappen usw., umgeschaltet. Das Gas kommt jetzt durch den Regenerator, der zuvor
geheizt worden ist, durchstreicht den Arbeitsraum des Ofens und gelangt in den Regenerator,
der ,zuvor gekühlt worden ist; ehe es aber in diesen Regenerator eintritt, trifft
das Gas wiederum auf verbrennungförderndes oder auf brennbares Gas, entzündet sich
und erhitzt die kegeneratorfüllung: Durch Betätigung der Umkehrschieber für Brenngas-
und verbrennungunterhaltendes
Gas erhält man in der Arbeitskamtner
des Ofens eine Atmosphäre heißen reduzierenden oder oxydierenden Gases zwischen
Temperaturgrenzen, die von der Häufigkeit des Wechsels, von den Abmessungen der
Regeneratoren usw. abhängen.
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Man kann auch beide zur Heizung dienenden Gase in einem Wärmespeicher
oder Wärmerückgewinner mit Dauerstrom oder in beulen Arten von Geräten vorwärmen.
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Die Abb. i bis 3 zeigen als Ausführungsbeispiel der Erfindung einen
Ofen zum Ausglühen von Blechen in reduzierender Atmosphäre. Als reduzierendes Heizmittel
kann man z. B. Generatorgas benutzen. Das andere Gas ist in diesem Falle kalte oder
vorgewärmte Luft. Die weiteren Abbildungen sind auch auf Ofen für andere Zwecke
zu beziehen.
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Abb. i ist ein Schnitt längs der Linie 1-K der Abb.2.
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Abb.2 ist ein Horizontalschnitt durch Abb. i, und zwar teilweise längs
der Linie A-B-C-D, teilweise längs der Linie A-B-G-H.
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Abb.3 ist ein Schnitt längs der Linie N-O-P-O der Abb. 2.
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A.bb. q. ist die Gesamtdarstellung des Ofens, des Wärmerückgewinners,
der Umschaltmittel und des Kamins.
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Abb. 5, 6, 7 und 8 stellen schematisch die Anordnung des Ofens, der
Wärmespeicher und Wärmerückgewinner für etwas andere Arbeitsverfahren dar.
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In Abb. 9 ist ein Ausführungsbeispiel mit zusätzlicher Außenheizung
dargestellt.
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In der Anordnung nach Abb. i bis 4 kommt das Gas durch den Kanal i
(Abb. 2 und 3) zum Wechselschieber 2. Von da verteilt es sich durch den Kanal3 und
die mit Regelmitteln ,4 versehenen Züge auf die verschiedenen, auf der einen Seite
des Ofens gelegenen Wärmespeicher. Das Gas erhitzt sich in den Kammern 5, verteilt
sich in die Verbrennungskammer 6 und gelangt in den Arbeitsraum des Ofens. Es erhitzt
die Bleche 8 und tritt durch die Verbrennungskammer 9 aus dem Ofen aus.
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Die vorgewärmte oder nichtvorgewärmte Luft kommt durch den Sammelkanal
i i und die Röhre 12 zu den Ventilen 13, und da die Klappen 14 offen stehen,
verteilt sie sich durch die Kanäle i 5 und mischt sich in der Verbrennungskammer
9 mit dem Gas und entzündet dieses. Die Flammengase erhitzen die Kammern 17, kehren
.durch die Regelmittel i9 und den Kanal2o zum Wechselschieber zurück und gehen durch
den Kanal 2i zum Kamin oder zu einem in Dauerstrom arbeitenden Wärmerückgewinner.
Wenn man den Wechselschieber 2 umlegt, die Klappen i4 schließt und die Klappen 24
öffnet, kommt das Gas durch den Kanal 2o und geht in den Wärmespeicher i7;` wo es
sich erhitzt, und gelangt durch die Verbrennungskammer 9 in den Arbeitsraum des
Ofens. Das Gas verläßt den Ofen durch die Verbrennungskammer 6 und gelangt in die
Wärmespeicher 5. Die Luft kommt durch die Klappen 24 und die Öffnungen 16 und mischt
sich in der Verbrennungskammer g mit denn Gas, welches sich entzündet und die Kammer
5 heizt. Gegebenenfalls kann man in bekannter Weise dem Gas vor seiner Einführung
in den Arbeitsraum etwas Luft zusetzen und dadurch eine Teilverbrennung hervorrufen.
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Der Arbeitsraum des Ofens kann nach Abb.3 eingerichtet sein, die die
Ausziehöffnung des Ofens zeigt. Die zu glühenden Bleche liegen auf Kugelwagen und
sind so gestapelt, daß zwischen den einzelnen Blechpaketen ein Zwischenraum bleibt.
Die Wagen werden so in den Ofen eingeschoben, daß sie beim Ausziehen die in der
Zeichnung dargestellte Stellung haben.
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Man läßt den Schieber 31 herab und öffnet den Schieber 32, wodurch
die Kammer 30 von dem übrigen Ofenraum abgesperrt ist. Man kann nun den in der Kammer
3o befindlichen Wagen herausziehen. Danach schließt man den Schieber 32 und öffnet
den Schieber 31, worauf man einen neuen Wagen in die Kammer 30 einschieben
kann.
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Man kann natürlich den Arbeitsraum des Ofens in mehrere Kammern nach
Art der Kammer 30 teilen. Das Einsetzen in den Ofen nimmt man vorzugsweise
in der gleichen Art vor. Um die Bleche in der Kammer zu kühlen, kann man hier durch
den Kanal 28 und die Kanäle 28a kaltes Gas einleiten, das vom Kanal i kommt und
durch den Schieber 25 geregelt werden. kann. Die andere Seite der Kammer erhält
in der gleichen Weise Gas durch den Kanal --97 und den unterirdischen Zug 26. Das
Gas erwärmt sich durch die Berührung mit den heißen Blechen und kann in den Arbeitsraum-
des Ofens geführt werden und zur Erhitzung der Speicherkammer beitragen.
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Eine doppelte Zuleitung von Gas ist erforderlich, weil das Gas der
Hauptleitung i entnommen wird und nicht durch das Umsteuerventil2 geht. Dieses Gas
fließt bei aufgehobenem Schieber 31 und geschlossenem Schieber 32 kontinuierlich
durch die Kammer 30, kühlt hier die Blechpakete und strömt je nach Lage des Wechselschiebers
2 zu den Verbrennungskammern 6 oder 9 und trägt zur Vorwärmung der Regeneratoren
bei.
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Man kann auch Kanäle zwischen den beiden Wärmespeichern eines Paares
herstellen und auf diese Weise einen Speicher durch das von dem zugehörigen Speicher
kommende
Gas heizen, ohne daß dieses zuvor den Arbeitsraum des Ofens
durchströmt. In diesem Fall geht nur ein Teil des heißen Gases durch den Arbeitsraum
des Ofens. Man kann auch während des Heizens dem Wärmespeicher Gas unmittelbar zuführen,
das bei dem Wechselschieber durch besondere Umsteuervorrichtungen abgenommen worden
ist.
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Wenn man z. B. eine Verbindung zwischen dem Kanal 2o und den Kammern
5 und zwischen dem Kanal 3 und den Kammern 17 unter Einschaltung geeigneter Regelungsmittel
herstellt, kann man jede Kammer während der Heizung mit nicht vorgewärmtem Gas speisen.
Die Verbindung zwischen zwei Kammern kann natürlich derart gemacht werden, daß man
die zugeführte Gasmenge regeln kann.
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Durch eine Verbindung zwischen den Regeneratoren oder durch die Beheizbarkeit
der Regeneratoren mit nicht vorgewärmten Gasen oder durch beide ist es möglich,
mittels Verbrennung einer größeren Menge Gas in den Regeneratoren und Erwärmung
einer geringeren Menge des Behandlungsgases die Temperatur des letzteren zu erhöhen.
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Die gleiche Gesamtanordnung ermöglicht es auch, den Arbeitsraum mit
einer oxydierenden Atmosphäre, z. B. mit heißer Luft, zu heizen. Zu diesem Zweck
braucht man nur das Gas durch. den Kanal i i und die Luft durch den Kanal i zuzuführen.
In diesem Fall durchstreicht die in den Kammern erhitzte Luft den Arbeitsraum des
Ofens und kommt beim Ausgang aus dem Arbeitsraum des Ofens mit dem Gas in Berührung.
Man kann diese beiden Heizungsarten auf viele Arten von Ofen in der metallurgischen,
keramischen, chemischen und Glasindustrie anwenden.
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In der Metallurgie, besonders in den Blechwalzwerken, ermöglichen
diese Ofen das Ausglühen der Bleche ohne Muffeln. Man kann blank und zunderfrei
glühen.
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Man kann auch Drahtbündel ohne Töpfe ausglühen.
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In der chemischen Industrie muß man häufig eine Reaktion in der Hitze
oxydierender oder reduzierender Umgebung vornehmen, so daß dieses Heizverfahren
in der chemischen Industrie vielfache Anwendung finden kann. Man kann es auch auf
andere Gase als auf brennbare und verbrennungfördernde im engen Wortsinne anwenden.
Zwei beliebige Gase, die unter Wärmeentwicklung miteinander reagieren, können zu
diesem Heizverfahren dienen. Es ist hauptsächlich verwendbar für die Destillation
und Trocknung brennbarer Stoffe sowie für das Rösten und Reduzieren von Erzen.
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Die paarweise angeordneten Wärmespeicher können alle auf derselben
Seite des Arbeitsraumes liegen. Die erhitzten Gase können teilweise oder ganz durch
den Arbeitsraum streichen und dann zu einem Teil in einen Wärmerückgewinner mit
Dauerstrom geführt werden, an dessen Eintrittsöffnung sie entzündet werden, während
der andere Teil durch den Arbeitsraum hindurch oder unmittelbar zu den Wärmespeichern
geht, wo er ebenfalls vor dem Eintritt durch geeignete Luftzufuhr entzündet wird.
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Das neue Heizverfahren gestattet sehr mannigfache Ausführungsformen,
wie die Schemata Abb. 5 bis 8 zeigen.
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Die Abb. 5 stellt den Fall dar, wo beide in Reaktion tretenden Gase
in Regeneratoren vorgewärmt werden. Das zur Wärmeübertragung auf das Heizgut dienende
Gas kommt durch den Umkehrschieber 2, erhitzt sich in den Regeneratoren 5, durchströmt
den Arbeitsraum 33 des Ofens, wo es das Heizgut erwärmt, und tritt dann in die Regeneratoren
17 ein. Die Luft kommt durch die Umkehrschieber 34 und erhitzt sich in den
Regeneratoren 35, die durch die Kanäle 36 mit den Regeneratoren 17 in Verbindung
stehen. Da die Regeneratoren 17 unter Zug stehen, durchstreichen die Luft
und das Gas sie brennend und erhitzen die Füllungen dieser Regeneratoren. Die Regeneratoren
35 stehen durch Kanäle 45- mit den Regeneratoren 37 in Verbindung, die auch an den
Zug angeschlossen sind. Diese Regeneratoren stehen mit den Regeneratoren 5 durch
Kanäle 38 in Verbindung. Das aus den Regeneratoren 5 kommende Gas brennt also in
den Regeneratoren 37 und erhitzt deren Füllungen. Wenn man die Umkehrschieber 2
und 34 umschaltet, geht das Gas in umgekehrtem Sinne durch den Arbeitsraum, und
die Regeneratoren 5 und 17 werden geheizt. Der Arbeitsraum wird also ständig von
einem heißen Gasstrom bei vollständiger. Abwesenheit von Luft durchstrichen.
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Die Abb.@6 zeigt eine Ausführungsform mit zwei Regeneratoren 5 und
17 für das Gas und einen Winderhitzer 39, für den das Gas dem Arbeitsraum 33 des
Ofens entnommen wird. Die Luft aus dem Winderhitzer wird umschichtig den Regeneratoren
5 und 17 und der Eintrittsstelle des Gases an deni Winderhitzer zugeführt.
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Abb.7 zeigt eine andere Anordnung, bei der die Regeneratoren 5 und
17 auf derselben Seite des Arbeitsraumes 33 liegen und bei der der Winderhitzer
39 durch die aus den Regeneratoren herausschlagenden Flammen geheizt wird.
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Abb. 8 ist eine Anordnung, in der die Regeneratoren 5 und
17 auf derselben Seite des Arbeitsraumes 33 liegen, während der Winderhitzer
39
auf der anderen Seite liegt. Dieser wird von einem Teil des Gases, das den Ofen
durchstrichen hat, geheizt und schickt seine Luft umschichtig zu den Regeneratoren
5 und 17 und zu der Eintrittsöffnung des Winderhitzers. Natürlich kann das in die
Regeneratoren oder den Winderhitzer eintretende Gas auch mit kalter Luft brennen.
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Abb. 9 zeigt eine Anordnung, bei der der Arbeitsraum des Ofens so
ausgebildet sein kann, daß ein Teil des Gases ein Doppelgewölbe durchläuft, wo es
mit Luft zusammentrifft und sich entzündet.
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Man kann auf diese Weise einen Muffelofen herstellen, dessen Wände
von einer Flamme geheizt werden und dessen Ofenrauen von heißem Gas durchströmt
wird. In Abb. 9 tritt z. B das Gas durch die Kammer 17 ein, durchläuft den Arbeitsraum
33 und gelangt, nachdem es durch den Kanal 12 Luft aufgenommen hat, in die Kammer
5. Ein anderer Teil des von der Kammer 17 kommenden Gases durchläuft den Kanal 4o
und entzündet sich in dem Raum 42 mit einem durch den Kanal 41 kommenden Luftstrom.
Diese Flamme heizt das Gewölbe, und die Rauchgase gehen durch den Kanal 44 und treten
in den Regenerator 5, der im Aufheizen begriffen ist. Während dieses Arbeitsabschnittes
ist der Lufteintritt 43 in das Gewölbe geschlossen. Wenn man umschaltet, läuft die
Flamme im entgegengesetzten Sinne, und der Kanal 43 ist offen, während der Kanal
.11 geschlossen ist.