DE68911868T2 - Verfahren und Apparat für die Heizung eines Gefässes. - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zum Beheizen eines Kessels, z.B. Tiegelöfen, Kesselöfen oder Heizkessel, sowie auf ein Verfahren zum Beheizen eines Kessels.
• Solche Öfen oder Kessel können zum Erhitzen und Schmelzen von Metallen, zum Erhitzen und Enthalten von Salzen für Vergütungskomponenten oder zum Erhitzen von aufgewirbelten Pulvern für Kalzinierung verwendet werden oder um als Wärmeübertragungsmedium zu wirken.
• Wenn öl- oder gasbefeuerte Systeme verwendet werden, um die Hitze zu liefern, ist es bekannt, daß ein Brenner an der einen Stelle angebracht werden kann, so daß heiße Verbrennungsproduktgase um den Tiegel herum strömen und dann aus dem System an einer anderen Stelle ausströmen. Bei solchen Systemen gibt es jedoch Änderungen in der Temperatur um den Tiegel herum, und zwar als Folge davon, daß die heißen Gase abgekühlt werden, da sie Wärme an den Tiegel abgeben. Eine gleichmäßigere Temperaturverteilung kann erzielt werden durch Umwälzung der Gase mehrmals um den Tiegel herum, wobei z.B. Düsen-Mitreißtechniken angewandt werden. Immerhin kann erwartet werden, daß die dem Ausstoß der Gase nächstgelegene Stelle auf der niedrigsten Temperatur liegt.
• Bei einem weiteren bekannten System zum Vorsehen einer gleichförmigeren Temperaturverteilung, welches z.B. bei großen Schmelztiegelöfen oder Kesseln in Galvanisierungsprozessen anwendbar ist, wird eine Vielzahl von Brennern an zwei oder mehr beabstandeten Stellen um den Tiegel oder Kessel herum angeordnet. Solche Brenner werden angeordnet, damit sie so feuern, daß die heißen Gase von den Brennern in der gleichen Richtung um den Tiegel oder Kessel herum strömen, so daß gewisse Ungleichmäßigkeiten in der Temperaturverteilung auftreten können.
• Bei einem anderen bekannten System ist ein Gerät zum Beheizen eines Kessels vorgesehen (nachfolgend als "Gerät des erwähnten Typs" bezeichnet), mit einer den Kessel umgebenden Hülle, einem Umkehr-Brennersystem mit mindestens ersten und zweiten Brennern, die abwechselnd als feuernde Brenner oder als Rauchgasabzüge für heiße Verbrennungsproduktgase betreibbar sind, mit einem Strömungsweg für die heißen Verbrennungsproduktgase, wobei der Strömungsweg zwischen der Hülle und dem Kessel und nahe dem Äußeren des Kessels angeordnet ist und sich vollständig um den Kessel herum erstreckt, und zwar so, daß sowohl eine Zirkulation als auch eine Rezirkulation der heißen Verbrennungsproduktgase stattfinden kann.
• Bei dem Gerät des erwähnten Typs zirkulieren die heißen Verbrennungsproduktgase von den Brennern in der gleichen Richtung entlang dem Strömungsweg, so daß wiederum eine gewisse Ungleichmäßigkeit der Temperaturverteilung auftreten kann.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät des erwähnten Typs vorzusehen, bei dem eine gleichmäßigere Erhitzung um den Kessel herum erzielt werden kann und somit eine gleichmäßigere Temperaturverteilung innerhalb des Kessels.
• Erfindungsgemäß ist ein Gerät des erwähnten Typs dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Brenner so angeordnet sind, daß heiße Verbrennungsproduktgase vom feuernden ersten Brenner in der einen Richtung entlang dem Strömungsweg strömen, und zwar in dem Betriebszyklus der Brenner, während welchem der zweite Brenner als Rauchgasabzug arbeitet, und daß heiße Verbrennungsproduktgase vom feuernden zweiten Brenner in der entgegengesetzten Richtung entlang dem Strömungsweg strömen, und zwar in dem anderen Betriebszyklus, während welchem der erste Brenner als Rauchgasabzug arbeitet.
• Eine Zirkulation der heißen Gase abwechselnd in entgegengesetzten Richtungen um den Kessel herum ergibt eine gleichmäßigere Erwärmung um den Kessel herum und eine gleichmäßigere Temperaturverteilung innerhalb desselben.
• Das Gerät kann mit zwei Brennern ausgestattet sein, die als ein Paar betreibbar sind, oder kann alternativ mit mehr als zwei Brennern ausgestattet sein, z.B. Mehrfache von zwei, wobei eine Vielzahl von Brennern die heißen Gase dazu bringt, in der einen Richtung entlang dem Strömungsweg zu strömen, während eine Vielzahl anderer Brenner die heißen Gase dazu bringt, in der entgegengesetzten Richtung zu strömen.
• Vorteilhaft ist jedem Brenner jeweils ein Wärme- Regenerator oder Speichermedium zugeordnet, der bzw. das durch die heißen Verbrennungsproduktgase erwärmt wird, wenn der Brenner als Rauchgasabzug arbeitet, und der bzw. das die Verbrennungsluft vor Eintritt in den Brenner erwärmt, wenn dieser in der Feuerungsbetriebsweise arbeitet.
• Der Einsatz von Wärme-Regeneratoren oder Speichermedien, wie beispielsweise wärmeregenerative Betten, für die Wärme- Rückgewinnung kann den thermischen Wirkungsgrad des Gerätes wesentlich erhöhen. Die Betten können durch loses Wärmespeichermaterial gebildet werden, das zwischen beabstandeten porösen Keramikplatten enthalten ist, die für eine Verteilung der Gase durch das Bettmaterial hindurch sorgen.
• Bei einer Ausführungsform des Gerätes kann der Strömungsweg allgemein kreisförmig sein und jeder Brenner kann so angeordnet sein, daß er im wesentlichen tangential in den Strömungsweg feuert, wenn er sich in der Feuerungs- Betriebsweise befindet.
• Bei einer anderen Ausführungsform kann der Strömungsweg allgemein quadratisch oder rechteckig sein, und die Brenner können auf entsprechend aneinandergrenzenden Seiten des Strömungsweges allgemein quer zueinander angeordnet sein.
• Der Strömungsweg kann teilweise durch ein Teilstück der äußeren Oberfläche des Kessels bestimmt sein.
• Zweckmäßig ist der Kessel von der Hülle abnehmbar und/oder gegenüber dieser kippbar.
• Das Gerät kann ein Tiegelofen oder ein Kesselofen sein.
• Ein Verfahren zum Betreiben des Gerätes ist im Anspruch 11 gekennzeichnet.
• Die Erfindung wird nunmehr mit Bezug auf die Zeichnungen beispielsweise erläutert. Dabei zeigt
• Fig. 1 eine schematische Ansicht von der einen Seite eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Gerätes,
• Fig. 2 einen Schnitt durch das Gerät nach der Linie II-II in Fig. 1,
• Fig. 3 einen Schnitt in einer horizontalen Ebene eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Gerätes,
• Fig. 4 schematisch perspektivische Ansichten der Brennerblöcke im Gerät nach Fig. 3,
• Fig. 5 eine Draufsicht auf den linken Brennerblock nach Fig. 4, versehen mit einem Luft-Öffnungseinsatz, und
• Fig. 6 einen Schnitt durch den Brennerblock nach Fig. 5 entlang der Linie VI-VI.
• Nach den Fig. 1 und 2 der Zeichnungen hat das Gerät die Form eines Kesselofens. Das Gerät weist ein äußeres Gehäuse 1 auf, das beispielsweise aus Stahl besteht, dessen Wände 2 und Boden 3 innen mit Wärmeisoliermaterial ausgekleidet sind, um Seitenwände 4 und einen Boden 5 einer Hülle zu bilden. Innerhalb dieser Hülle und im Abstand von den Seitenwänden 4 der Hülle befindet sich ein Kessel in Form eines Beckens 6 zur Aufnahme von beispielsweise geschmolzenem Zink für die Feuerverzinkung.
• Ein ringförmiger Strömungsweg 7, entlang welchem heiße Verbrennungsproduktgase zirkulieren können, wird durch die Innenoberflächen der Hüllenwände und durch die im Abstand gegenüberliegenden Außenoberflächen des Beckens selbst begrenzt. Der Boden des Strömungsweges 7 wird durch das Isoliermaterial auf dem Grund des Gehäuses 1 gebildet, das so ausgespart ist, daß der Grund des Beckens unterhalb des Bodens des Strömungsweges liegt, um die mit dem Strömungsweg in Kontakt stehende Fläche der Seitenwände zu begrenzen. Der obere Abschluß des Strömungsweges wird durch Isoliermaterial 8 bestimmt, das sich zwischen dem Becken 6 und den Seitenwänden 4 erstreckt. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist der Strömungsweg 7 von allgemein rechteckiger Form.
• Das Gerät ist mit zwei gasbefeuerten, reversierenden Brennern 9, 10 versehen, die entsprechende Brennerblöcke 9a, 10a aufweisen, welche in aneinandergrenzenden Wänden der Hülle in der Nähe und auf entgegengesetzten Seiten einer Ecke 11 der Hülle angeordnet sind. Die Brennerblöcke sind in verschiedenen, aber unmittelbar benachbarten horizontalen Ebenen angeordnet, wie auch vertikal zueinander versetzt. Die Brennerblöcke 9a, 10a haben zentrale Durchgangsbohrungen oder Passagen 12 bzw. 13 und sind so angeordnet, daß letztere im wesentlichen im rechten Winkel zueinander liegen. Die zentralen Durchgangsbohrungen jedes Brennerblocks dienen abwechselnd dazu,sowohl heiße Verbrennungsproduktgase in den Strömungsweg 7 zu richten, als auch die Gase aus dem Strömungsweg zu leiten.
• Wenn sich der Brenner 9 in der Feuerungsbetriebsweise befindet, dann befindet sich der Brenner 10 in der Abgasbetriebsweise, und heiße Verbrennungsproduktgase werden veranlaßt, vom Brenner 9 in der einen Richtung entlang dem und um den Strdmungsweg 7 herum zu strömen, wie durch die Richtung der Pfeile entlang dem Strömungsweg in Fig. 2 veranschaulicht, bis die Gase über die zentrale Durchgangsbohrung 13 des Brennerblocks 10a austreten. Wenn die Betriebsweisen der Brenner mittels eines Luft/Abgas- Umschaltventils (nicht dargestellt), das mit den Brennern verbunden ist, umgekehrt werden, dann strömen die Verbrennungsproduktgase in der entgegengesetzten Richtung um den Strömungsweg herum.
• Das aufeinanderfolgende Wechseln oder Umkehren der Feuerungs/Abgas-Betriebsweisen der Brenner ermöglicht ein einheitlicheres oder gleichmäßigeres Erhitzen um das Becken 6 herum und somit eine gleichförmigere Temperaturverteilung innerhalb des Beckens.
• Nach den Fign. 3 bis 5 hat das Gerät die Form eines Tiegelofens und weist eine Hülle mit einem äußeren Gehäuse 20, das innen mit wärmeisolierendem Material ausgekleidet ist, beispielsweise mit schichtweise gebundener Keramikfaser, um eine Hüllenwand 21 zu bilden, und einen Kessel oder Tiegel 22 auf, der im Abstand von der Hüllenwand angeordnet ist und mit dieser einen allgemein runden Strömungsweg 23 für heiße Verbrennungsproduktgase um den Tiegel herum begrenzt. Ein abnehmbarer isolierter Deckel kann sich über dem Strömungsweg 23 von der Wand 21 zum Tiegel 22 erstrecken. In der Hüllenwand sitzt ein Brennersystem, das ein Paar von Brennern 24, 25 aufweist, die im Abstand voneinander in einer horizontalen Ebene angeordnet sind und aufeinanderfolgend in abwechselnden Feuerungs- und Abgas- Betriebsweisen über ein Luft/Abgas-Umschaltventilsystem 26 betreibbar sind. Das Verfahren zum Betreiben der beiden Brenner für abwechselndes Feuern und Abgasen kann ähnlich demjenigen sein, das in der veröffentlichten britischen Patentanmeldung Nr. 2136553 A beschrieben ist.
• Die Brenner 24, 25 weisen feuerfeste Brennerblöcke 24a, 25a mit zentralen Durchgangsbohrungen 27, 28 auf. Die feuerfesten Brennerblöcke sind so angeordnet, daß, wenn die Brenner 24, 25 sich in ihrer Feuerungsbetriebsweise befinden, sie durch die zentralen Durchgangsbohrungen 27, 28 hindurch im wesentlichen tangential in den runden Strömungsweg feuern.
• Die Öffnungen der zentralen Durchgangsbohrungen 27, 28 der Brennerblöcke 24a, 25a, entfernt von dem Tiegel, sind mit ringförmigen, geraden durchbohrten Einsätzen 31 versehen, so daß Öffnungen 29, 30 in die Blöcke hinein von ähnlichem Durchmesser sind wie die Öffnungen 32, 33 in den Blöcken an den entgegengesetzten Enden der Bohrungen 27, 28. Die Achse der geraden Bohrung jedes Einsatzes 31 verläuft im wesentlichen koaxial mit der Achse der entsprechenden zentralen Durchgangsbohrung. Die Einsätze 31 haben je ein Flanschteilstück 31a, das an der Endfläche des jeweiligen Brennerblocks 24a oder 25a, entfernt vom Tiegel 22, anliegt. Die Einsätze werden in den Bohrungen 27, 28 durch Festsitz gehalten.
• Ein Bereich 34, 35 jeder zentralen Durchgangsbohrung 27, 28 unmittelbar einwärts von den Einsätzen 31 aus ist von größerem Durchmesser, um ein Mischen und eine gewisse Verbrennung von Brenngas mit Luft zuzulassen, wenn sich der jeweilige Brenner in der Feuerungsbetriebsweise befindet. Von den Bereichen 34, 35 von größerem Durchmesser aus verjüngen sich die zentralen Durchgangsbohrungen bei 36, 37 in Richtung auf den Tiegel bis zu den Öffnungen 32, 33. Jeder Brennerblock 24a, 25a hat eine Einlaßbohrung 38, 39 für Brenngas, beide im rechten Winkel und tangential zu den Bereichen 34, 35 von größerem Durchmesser, zum Einführen von Brenngas in den Brenner. Jeder Brennerblock 24a, 25a hat außerdem Bohrungen 40, 41, die radial zu den Bereichen 34, 35 von größerem Durchmesser angeordnet sind und mit diesen in Verbindung stehen und einen Flammen-Ermittlungszugang vorsehen.
• Mit dem einen Ende jedes Brennerblocks 24a, 25a ist eine entsprechende Wärme-Regeneratoreinheit 42 verbunden, wobei jede im Abstand voneinander angeordnete poröse Keramikplatten 43, 44 aufweist, die zwischen sich ein Bett aus Wärmespeichermaterial 45 enthalten. Der Zweck der porösen Platten besteht darin, einkommende Luft oder abgehende Abgase allgemein gleichmäßig zum Bett hin und vom Bett weg zu verteilen. Das Luft/Abgas-Umschaltventilsystem 26 ist mit den freien Enden der Regeneratoreinheiten verbunden. Jeder Brenner 24 oder 25 und die zugehörige Regeneratoreinheit 42 können zusammen eine einzige Gesamteinheit bilden, die in einem einzigen einstückigen starren modularen Gehäuse enthalten ist, um als eine Einheit austauschbar zu sein.
• Während des Betriebs des Gerätes, bei in Feuerungsbetriebsweise befindlichem Brenner 25, gelangt Luft über das Ventil 26 durch die zugehörige Regeneratoreinheit 42 hindurch und wird darin vorgewärmt, und sie gelangt dann durch den Brennerblockeinsatz 31 hindurch in den Bereich 35 von größerem Durchmesser des Brennerblocks 25a hinein. Brenngas für den Brenner 25 wird in den Bereich 35 von größerem Durchmesser hinein über den Brenngaseinlaß 39 im Brennerblock 25a eingeführt. Die heißen Verbrennungsproduktgase werden aus der Öffnung 33 im Brennerblock 25a allgemein tangential in den Strömungsweg 23 ausgestoßen und wandern in Richtung der voll gezeichneten Pfeile um den Strömungsweg und um den Tiegel 22 herum, um dadurch letzteren aufzuheizen. Die Gase verlassen das System über die Öffnung 32 im Brennerblock 24a des Brenners 24, der in der Abgasbetriebsweise arbeitet. Wie erkennbar ist, gelangen die Abgase durch das Bettmaterial 45 in der Regeneratoreinheit 42, die mit dem Brenner 24 verbunden ist; hindurch und wärmen dieses auf, wobei als Vorbereitung zur Bettaufheizung einkommende Luft in den Brenner 24 gelangt, wenn die Betriebsweisen der beiden Brenner umgekehrt werden. Bei solchen umgekehrten Betriebsweisen sind die Wege, denen das Brenngas, Luft und heiße Verbrennungsproduktgase folgen, durch unterbrochen dargestellte Pfeile in Fig. 3 angedeutet.
• Um genauer die Temperatur des Tiegels 22 zu steuern oder zu kontrollieren, kann dafür gesorgt werden, daß die Verbrennungsluft oder Gas mit im wesentlichen konstanter Rate in das System während jedes Zyklus eingelassen wird, daß aber das Brenngas für nur einen Teil der Zeit, in der sich der Brenner in der Feuerungsbetriebsweise befindet, eingeführt wird.
• Die wechselnden Feuerungszyklen liegen vorzugsweise im Zeitbereich von 30 Sekunden bis 5 Minuten. Eine noch mehr bevorzugte Feuerungszeit ist etwa 2 Minuten. Die letztere Zeit hat insbesondere zu einer verbesserten Wärmeverteilung um den Tiegel herum geführt. Die Verbesserung der Temperaturverteilung wird beim Vorsehen einer Erhöhung des Wärmewirkungsgrades,verbesserter Tiegel-Lebensdauer und einer Reduzierung des Wärmeverlustes über das isolierte Gehäuse 20, 21 als vorteilhaft angesehen.
• Wenn auch bestimmte Ausführungsformen der Erfindung oben beschrieben wurden, so versteht es sich doch, daß verschiedene Abänderungen möglich sind, ohne den Erfindungsbereich zu verlassen. Beispielsweise können vielfache Brennersystempaare in geeigneter Weise im Gerät angeordnet werden.

Claims (11)

1. Gerät zum Beheizen eines Kessels (6; 22), mit einer den Kessel umgebenden Hülle (1, 4; 20, 21), einem Umkehr- Brennersystem mit mindestens ersten und zweiten Brennern (9, 10; 24, 25), die abwechselnd als feuernde Brenner oder als Rauchgasabzüge für heiße Verbrennungsproduktgase betreibbar sind, mit einem Strömungsweg (7; 23) für die heißen Verbrennungsproduktgase, wobei der Strömungsweg zwischen der Hülle und dem Kessel und nahe dem Äußeren des Kessels angeordnet ist und sich vollständig um den Kessel herum erstreckt, und zwar so, daß sowohl eine Zirkulation als auch eine Rezirkulation der heißen Verbrennungsproduktgase stattfinden kann, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Brenner (9, 10; 24, 25) so angeordnet sind, daß heiße Verbrennungsproduktgase vom feuernden ersten Brenner (9; 24) in der einen Richtung entlang dem Strömungsweg (7; 23) strömen, und zwar in dem Betriebszyklus der Brenner, während welchem der zweite Brenner (10; 25) als Rauchgasabzug arbeitet, und daß heiße Verbrennungsproduktgase vom feuernden zweiten Brenner (10; 25) in der entgegengesetzten Richtung entlang dem Strömungsweg (7; 23) strömen, und zwar in dem anderen Betriebszyklus, während welchem der erste Brenner (9; 24) als Rauchgasabzug arbeitet.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Brenner (24, 25) ein entsprechender Wärme-Regenerator oder entsprechendes Speichermedium (42) zugeordnet ist, der bzw. das durch die heißen Verbrennungsproduktgase beheizt wird, wenn der Brenner in der Rauchgasabzug-Betriebsweise arbeitet, und der bzw. das Verbrennungsluft oder Gas vor dem Eintritt in den Brenner erwärmt, wenn dieser in der Feuerungs-Betriebsweise arbeitet.

3. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsweg (23) allgemein kreisförmig ist.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Brenner (24, 25) so angeordnet ist, daß er allgemein tangential in den Strömungsweg (23) feuert, wenn er sich in der Feuerungs-Betriebsweise befindet.

5. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsweg (7) allgemein quadratisch oder rechteckig ist.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenner (9, 10) auf entsprechend aneinandergrenzenden Seiten des Strömungsweges (7) quer zueinander angeordnet sind.

7. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichent, daß die Brenner (9, 10) in verschiedenen horizontalen Ebenen sitzen und vertikal gegeneinander versetzt sind.

8. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsweg (7; 23) teilweise durch die äußere Oberfläche des Kessels (6; 22) bestimmt ist.

9. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kessel (6; 22) von der Hülle (1, 4; 20, 21) abnehmbar und/oder gegenüber dieser kippbar ist.

10. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät ein Tiegelofen, Kesselofen oder Heizkessel ist.

11. Verfahren zum Beheizen eines Kessels in einem Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder erste und zweite Brenner (9, 10; 24, 25) abwechselnd in Feuerungs- und Rauchgasabzugs-Betriebsweisen betrieben werden; wenn der erste Brenner (9; 24) feuert, strömen heiße Verbrennungsproduktgase vom ersten Brenner entlang dem Strömungsweg (7; 23) in der einen Richtung um den Kessel (6; 22) herum und verlassen den Strömungsweg über den zweiten Brenner (10; 25), der als Rauchgasabzug wirksam ist, und wenn der zweite Brenner (10; 25) feuert, strömen heiße Verbrennungsproduktgase vom zweiten Brenner entlang dem Strömungsweg (7; 23) in der entgegengesetzten Richtung um den Kessel (6; 22) herum und verlassen den Strömungsweg über den ersten Brenner (9; 24) der als Rauchgasabzug wirksam ist.