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Verfahren zum Betriebe von Industrieöfen mit gasförmigem oder/und
flüssigem Brennstoff und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zum Betriebe von Industrieöfen mit gasförmigem oder/und flüssigem
Brennstoff.
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Beim Betriebe von Industrieöfen, z. B. Siemens-Martin-Ofen, mit gasförmigem
Brennstoff, z. B. mit Kaltgas oder mit flüssigem Brennstoff, der durch Zentrifugalwirkung
in Form eines Büschels in einen Luft-oder Gasstrom eingeführt wird, bestehen Schwierigkeiten
in der Führung und Regelung der Flamme.
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Wird das Gas mittels einer einfachen zylindrischen oder konischen
Gasdüse mit konstantem Querschnitt zugeführt, so sinkt mit abnehmender Gasmenge
die Gasgeschwindigkeit; dadurch leidet aber erfahrungsgemäß die Flammenführung,
für die in erster Linie die Energie und die damit verbundene Tiefenwirkung des Strahls
maßgeblich ist. Man hat deshalb schon versucht, diesen Schwierigkeiten durch verschiedene
Maßnahmen zu begegnen. Eine dieser bekannten Maßnahmen besteht in der Anwendung
mehrerer einfacher Düsen mit konstantem Querschnitt, die für sich abschaltbar
sind,
so daß bei verringerter Gasmenge eine Düse oder mehrere dieser Düsen abgeschaltet
werden können. Diese Anordnung bedingt aber erheblich größere Baukosten, umständliche
Bedienung des Ofens, sowie auch den Nachteil einer nur stufenweisen, also verhältnismäßig
groben Regelung; für eine einwandfreie Flammenführung ist aber eine kontinuierliche
Regelung von großer Wichtigkeit. Außerdem tritt bei der Aufteilung der Gasmenge
auf mehrere Ströme eine Verkürzung der Flammen ein.
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Eine andere bekannte Maßnahme zur Beseitigung der eingangs erwähnten
Schwierigkeiten besteht in der Anordnung einer regelbaren Düse, bei der durch Ein-oder
Ausschieben eines Stempels oder durch Einsetzen bzw. Entfernen eines Ringes der
Austrittsquerschnitt der Düse so verändert wird, daß bei wechselnder Belastung die
Gasaustrittsgeschwindigkeit annähernd gleich bleibt. Was die Querschnittsänderung
mit Hilfe von Ringen anbelangt, so ist auch hier wiederum nur eine grobe stufenweise
Regelung, keineswegs aber eine stetige Anpassung an den jeweiligen Brennstoffverbrauch
möglich. Zudem ist diese Ausführung auch sehr kompliziert, da die Düse zum Wechseln
der Ringe ausgebaut werden muß. Außerdem ergeben sich Schwierigkeiten bei der Kühlung
der Düse, deren Außenrohr wegen der hohen Temperatur immer gekühlt sein muß. Werden
nun in das wassergekühlte Düsenrohr Ringe zur Verkleinerung des Querschnitts eingesetzt,
so sind diese Ringe nur indirekt, also mangelhaft gekühlt, was ein Verziehen und
gegebenenfalls sogar ein Verbrennen dieser Ringe zur Folge hat. Aber auch die Änderung
des Gasaustrittsquerschnitts durch Verschieben eines Stöpsels bedingt schwerwiegende
Nachteile. So ergibt eine solche Düse nur bei vollkommen zurückgezogenem Stöpsel
einen Vollstrahl, dagegen aber einen Hohlstrahl, wenn zum Zwecke der Verkleinerung
des Austrittsquerschnitts der Stöpsel vorgeschoben wird. Dieser Hohlstrahl besitzt
ungefähr den gleichen Außendurchmesser wie der bei ungedrosselter Düse entstehende
Vollstrahl und einen Hohlraum, der sich bei abnehmender Gasmenge vergrößert. In
diesem Hohlraum tritt zusätzlich innere Turbulenz durch Wirbelerscheinungen ähnlich
den in Totwasserräumen ein. Diese Innenturbulenz verbraucht einerseits Gasstromenergie,
die dadurch für die Flammenführung verloren geht, und verursacht andererseits eine
starke Vermischung mit der Luft und somit eine kürzere Flamme. Da überdies der äußere
Durchmesser des Gasstroms immer der gleiche bleibt, ändert sich nicht die Mantelfläche
des Gasstroms, an der die Mischung von Gas mit Luft stattfindet, d. h. bei geringerer
Gasmenge besteht die gleich große Mischungsfläche wie bei voller Gasmenge. Auch
aus diesem Grunde wird die Flamme bei geringerer Gasmenge kürzer.
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Die gleichen Schwierigkeiten treten auch beim Be-, trieb von Industrieöfen
mit flüssigem Brennstoff auf, bei welchen das für die Flammenform maßgebliche Medium,
Luft oder Gas, geregelt wird. Werden flüssige Brennstoffe durch Zentrifugalwirkung
zerstäubt, so bildet sich eine buschige, schlecht geführte Flamme. Bei Feuerungen
für Industrieöfen, wie Siemens-Martin-Ofen o. dgl., ist aber eine solche Flamme
nicht verwendbar. Hier muß' sogenannte Führungsluft oder Führungsgas zur Anwendung
kommen, das nach den bisher bekannten Ausführungen in Form eines Hohlstrahls parallel
oder annähernd parallel zur Achse der Oldüse über diese hinwegstreicht. Dieser Hohlstrahl
hat aber die gleichen, im vorstehenden bei der Stöpselregelung dargelegten Nachteile.
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Erfindungsgemäß sollen die aufgezeigten Schwierigkeiten und Nachteile
beim Betriebe von gas- oder ölbeheizten Industrieöfen beseitigt werden. Erfindungsgemäß
wird dies dadurch erreicht, daß in den Ofen geregelte Mengen von Gas oder Luft in
Form eines wirbelfreien vollen Hartstrahls zur Flammenführung eingeführt werden,
dessen Durchmesser proportional zur jeweils eingeregelten Menge des Gases oder der
Luft ist. Es handelt sich also bei dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren für Industrieöfen
um einen aus Gas oder Luft bestehenden Strahl von ähnlicher Beschaffenheit wie der
aus der Hvdraulik zum Betriebe von Freistrahlturbinen (Peltonräder) bekannte Flüssigkeitsstrahl.
Während aber beim Hartstrahl der Freistrahlturbinen die Strömungsenergie in einer
gewissen Entfernung von der Düse in Arbeit umgesetzt wird, wird beim erfindungsgemäßen
Betriebsverfahren für Industrieöfen die Strömungsenergie auf der gesamten Länge
des Hartstrahls und vor allem dessen Steifheit und die proportiönal zur Gas- oder
Luftmenge sich ändernde Umfläche des Strahls nutzbar gemacht. Auf diese Weise werden
alle Bedingungen für eine ideale Flammenführung im Ofen mit großer, stets gleichbleibender
Tiefenwirkung erfüllt; das sind die Bedingungen, daß die Gas-oder Luftströmung bei
jeder eingestellten Gas- oder Luftmenge den jeweils kleinsten Querschnitt aufweist
und eine konstante, über den gesamten Querschnitt gleichmäßig verteilte Geschwindigkeit
besitzt.
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Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren eignet sich sowohl für gasgefeuerte
Industrieöfen als auch für Öfen, die mit flüssigem Brennstoff betrieben werden.
Im ersteren Falle ist es der gasförmige Brennstoff, der in Form eines Hartstrahls
in den Ofen eingeführt wird. Bei flüssigem Brennstoff kann dieser zentral in den
vollen Hartstrahl eingeführt werden, und zwar an jener Stelle, wo der Hartstrahl
erstmalig gebildet wird, also dort, wo der ringförmig aufgeteilte Strom zum Hartstrahl
zusammengeführt wird. Hierbei kann der Hartstrahl entweder aus Verbrennungsluft
oder aus einem brennbaren Gas selbst bestehen, wenn der flüssige Brennstoff nicht
als Hauptbrennstoff, sondern bloß zur Anreicherung des gasförmigen Brennstoffs (Karburierung)
verwendet werden soll.
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Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,
daß es zu seiner Durchführung nur einfacher Vorrichtungen bedarf. Diese Vorrichtungen
bestehen im Wesen aus einer gegen das Bad des Ofenshingerichteten und an eine Druckgas-
bzw. Druckluftleitung angeschlossenen Düse mit einstellbarer Nadel nach Art der
Nadeldüsen von Freistrahlturbinen. Bei Verwendung von flüssigem Brennstoff ist die
Düsennadel an ihrer Spitze mit einer Zerstäubereinrichtung ausgestattet, die durch
eine in der Achse der Düsennadel verlaufende Bohrung mit einer Zufuhrleitung für
flüssigen Brennstoff in Verbindung steht. Ein besonderer Vorzug derartiger Düsen
besteht in der leichten Regelungsmöglichkeit, so daß die Gas- oder
Luftmenge
jederzeit genau den jeweiligen Arbeitsstufen des Ofenbetriebes leicht angepaßt werden
kann.
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In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Vorrichtung zur
Durchführung des Betriebsverfahrens gemäß der Erfindung dargestellt.
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Fig. i zeigt einen Siemens-Martin-Ofen im Längsschnitt mit eingebauten
Düsen gemäß der Erfindung. In Fig. 2 ist die Düse zum Betriebe eines Industrieofens
mit Gasheizung vergrößert im Längsschnitt dargestellt. hig. 3 zeigt eine Düse im
vergrößerten Längsschnitt für den Betrieb eines Industrieofens mit flüssigem Brennstoff.
Die notwendige `'Wasserkühlung für die Düsen ist in den Darstellungen der Einfachheit
halber weggelassen.
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Fig. i zeigt den Ilerdraum i mit der Herdsohle 2 und dem darin befindlichen
Bad 3 sowie der Herd-(lecke 4. Die von den Luftkammern 6 hochsteigenden Luftzüge
5 verlaufen mit ihrem Teil 5' schräg gegen (las Bad 3. In den äußeren Stirnwänden
der Luftzüge 5 sind Düsen io eingebaut, die zum Zuführen des gasförmigen Brennstoffs,
z. B. eines Kaltgases, dienen. Die Düsen io sind in Fig. 2 in einem Ausführungsbeispiel
irrgrößerem Maßstabedargestellt. Sie bestehen aus einem Düsenrohr ii mit sich verjüngen-(lern
Ende 12, in dem eine Austrittsöffnung 13 vorgesehen ist. Im Innern des Düsenrohrs
ii ist ein rotationssvmmetrischer Regelkörper 14 axial verschiebbar angeordnet,
der in der Strömungsrichtung des G;L,es in eine Spitze 14' ausläuft. Der Regelkörper
14, nachstehend Nadel genannt, ist von außen verschiebbar, z. B. mittels eines Handrads
23, so daß der zwischen Außenfl=äche der Nadel und der Öffnung 13 verbleibende Ringspalt
vergrößert oder verkleinert werden kann. Die Einrichtung zum Verschieben der Nadel
14 kann natürlich verschieden ausgebildet sein, und stellt die dargestellte Einrichtung
nur eines der vielen möglichen Ausführungsbeispiele dar. Bei dieser ist die verschiebbar
geführte Spindel 15 der Nadel 14 durch einen in eine Längsnut 22 eingreifenden Stift
21 gegen Drehung gesichert und mit Außengewinde 25 versehen, (las mit den Innengewinden
des Nabenkörpers des am Ort drehbaren Handrads 23 zusammen arbeitet. Bei Drehung
des Handrads 23 in einem Drehsinn wird die Nadel 14 in die Öffnung 13 hineinbewegt,
wodurch der zwischen der Öffnung 13 und der Außenfläche der Nadel 14 verbleibende
Ringspalt verkleinert wird. Durch diesen Ringspalt tritt das Gas aus und vereinigt
sich an der Spitze 14' zu einem vollen Hartstrahl 8, dessen Durchmesser proportional
mit der Querschnittsfläche der Düse, also mit der geregelten Gasmenge, sich ändert.
Wird dagegen die Nadel 14 durch entgegengesetztes Drehen des Handra(ls 23 zurückgezogen,
so wird dadurch ein immer größerer Ringquerschnitt der Öffnung 13 freigegeben. In
ganz zurückgezogenem Zustand ist die Öffnung 13 vollständig frei, und der Hartstrahl
8 nimmt in diesem Fall den Durchmesser der Öffnung 13 an.
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Bei der Bewegung des Hartstrahls 8 zum Bad 3 mischt sich derselbe
auf Grund des Mischungsvorganges mit der Umgebungsluft und erweitert sich unter
einem Winkel von etwa 13', wie dies in Fig. i mit gestrichelten Linien angedeutet
ist. Das Ausführungsbeispiel für flüssigen Brennstoff gemäß Fig. 3 ist ähnlich dem
gemäß Fig. 2, und sind die gleichen Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Unterschiedlich ist nur, daß die Spindel 15 eine Längsbohrung 3o aufweist, und auch
die Nadel 14 mit einer Längsbohrung 31 versehen ist, die zu einer an der Nadelspitze
vorgesehenen Zerstäubereinrichtung führt. Diese Zerstäubereinrichtung kann z. B.
aus einem an der Nadelspitze ausmündenden Zerstäuberkana132 und einem mit spiralförmigen
Führungsflächen versehenen Einsatz 33, der dem zugeführten Brennstoff eine rotierende
Bewegung erteilt, bestehen, so daß dieser innerhalb des Streukegels 35 büschelförmig
auszutreten versucht. Zum Ausbreiten des zerstäubten flüssigen Brennstoffs kommt
es aber nicht, da die aus der Düsenöffnung 13 austretende und an der Nadelspitze
zu einem Hartstrahl 8 zusammengeführte Luft den zerstäubten flüssigen Brennstoff
erfaßt und sich mit diesem zu einem brennbaren Gemisch vereinigt. Die Zuführung
des Brennstoffs zur Bohrung 3o erfolgt von der Brennstoffzuleitung 38 aus.
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Die in Fig.3 dargestellte Düse kann auch zum Anreichern eines gasförmigen
Brennstoffs mit flüssigem Brennstoff verwendet werden.; in diesem Fall führt der
Krümmer und das anschließende Düsenrohr ii statt Luft ein brennbares Gas.
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Bei den in den Fig. 2 und 3 dargestellten Düsen sind im Austritts-
bzw. Endquerschnitt des Düsenrohrs und unmittelbar vorher die Erzeugenden oder die
entsprechenden Tangenten des Düsenrohrs stärker zur Achse geneigt als die Erzeugenden
bzw. die entsprechenden Tangenten des Nadelkörpers. Die Erzeugenden oder entsprechenden
Tangenten des Düsenrohrs und Nadelkörpers können aber auch mit gleicher Neigung
zur Achse angeordnet sein.
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Wie aus Fig. i ersichtlich, sind die Düsen io schräg zum Bad 3 gerichtet,
so daß ihre Achse und damit der gebildete Hartstrahl 8 durch den schrägen Kanalteil
5' der Luftzüge verläuft. Beim Betriebe ergibt der Hartstrahl 8 bei jeder eingestellten
Menge eine gute Flammenführung mit einer großen, stets gleichbleibenden Tiefenwirkung,
da sich mit der eingestellten Menge auch proportional der Durchmesser des Strahls,
also dessen für die Mischung mit der Luft maßgebliche Umfläche ändert und dadurch
im Verlauf des Strahls eine stets gleichbleibende Verbrennung erhalten wird.