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Anlage zum Erzeugen eines möglichst wasserdampffreien Ofenschutzgases
Es ist bekannt, zum Erzeugen eines wasserdampfarmen Ofenschutzgases das Brenngas
und die Luft für sich zu verdichten und dann unter dem Verdichtungsdruck zu verbrennen,
worauf man die entstandenen, unter Druck stehenden Verbrennungsgase kühlt und nach
Durchlaufen von Reinigungsvorrichtungen auf den Gebrauchsdruck expandieren läßt.
Dieses Verfahren besitzt den Nachteil, daß das zur Verbrennung kommende Gasgemisch,
welches bei den für die Erzeugung von Ofenschutzgasen erforderlichen Mischungsverhältnissen
bei normalem Atmosphärendruck eine ruhige Verbrennung gewährleistet, unter erhöhtem
Druck explosiv ist. Durch die Verpuffungsgefahr ist also dem Druck, unter dem die
Anlage arbeiten kann, eine sehr enge Grenze gezogen. Bei einer nur mäßigen Verdichtung
sind aber auch die erreichbaren Trocknungsgrade nicht befriedigend. Weiterhin ist
bei Anwendung je eines gesonderten Verdichters für Gas und Luft, insbesondere, wenn
diese Verdichter gemäß dem bekannten Vorschlag von je einem besonderen Motor angetrieben
werden, die Aufrechterhaltung des für die Schixtzgaserzeugung richtigen Mischungsverhältnisses
schwierig, da die jeweilige Förderleistung von den zufällig vorhandenen Stromverhältnissen,
vom Erwärmungszustand des Verdichters sowie des Arbeitsmittels und von anderen Zufälligkeiten
abhängt.
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Diese Nachteile werden vermieden, wenn erfindungsgemäß zur Förderung
des brennbaren Gases und der Luft ein einziger Verdichter dient, der das durch Teilverbrennung
entstandene Schutzgas auf
einen zur restlosen Wasserdampfentfernung
geeigneten hohen Druck zu verdichten vermag und zwischen einem der Verbrennungskammer
nachgeschalteten N iederdruckkühler und einem in der Druckleitung befindlichen Hochdruckkühler
angeordnet ist. Bei dieser Anordnung befindet sich die Verbrennungskammer in den
Ansaugwegen des Verdichters,'-wo infolge des niedrigen Druckes keine Verpuffungsgefahr
besteht. Das Mischungsverhältnis der beiden vom Verdichter angesaugten Verbrennungsbestandteile
kann genau überwacht und im Bedarfsfalle durch selbsttätige Regeleinrichtungen an
sich bekannterArt genau den Erfordernissen entsprechend eingeregelt werden. Die
Betriebssicherheit wird auch noch dadurch wesentlich erhöht, daß bei Unregelmäßigkeiten
in der Förderung des Verdichters lediglich die Fördermenge, nicht aber das Mischungsverhältnis
schwankt. Bei den bekannten Anlagen dagegen können beim Ausfall eines der beiden
Verdichter schwerwiegende Folgen entstehen. Da nur das durch Teilverbrennung entstandene
Gas verdichtet wird, dessen Volumen geringer ist als die Volumensumme der beiden
Verbrennungsanteile, ist die je Kubikmeter Schutzgas aufzuwendende Verdichtungsleistung
kleiner als bei den bekannten Anlagen.
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Da ferner das verdichtete Gas keinen mit erheblicher Wärmeentwicklungverbundenen
Umsetzungsvorgängen mehr ausgesetzt ist, kann ein wesentlich höherer Druck als bisher,
vorzugsweise von mindestens 6 atü, angewendet werden, der, insbesondere wenn das
Arbeitsmittel nach Abführung der Verdichtungswärme unter Arbeitsleistung entspannt
wird, ein praktisch vollkommen wasserdampffreies Schutzgas zur Folge 'hat. Ferner
kann auch die infolge der hohen Verdichtung entstehende hohe Temperatur ausgenutzt
werden, um solche chemischen Umsetzungen durchzuführen, die nur bei diesen hohen
Temperaturen eintreten, beispielsweise kann ein im Verbrennungsgas zunächst noch
vorhandener Sauerstoffrest entfernt werden. Schließlich begünstigt der hohe Verdichtungsdruck
auch die restlose Beseitigung des Kohlendioxydgehaltes.
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Die weiterhin in den Ansprüchen gekennzeichneten Merkmale und deren
Vorteile sind erläutert in der nachfolgenden Beschreibung, die sich auf die in der
Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele bezieht.
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Fig, i zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel, Fig. 2eineAbwandlungder
in Fig. i dargestellten Anlage und Fig. 3 eine weitere Ausführungsform.
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Ein Gemisch von Brenngas und Luft, dessen einzelne Bestandteile durch
.eine mit einem Regelventil 12 versehene Gasleitung i i und über ein Filter 13 durch
eine Luftleitung 14 in einen Brenner 15 zusammengeführt werden, wird in einer Verbrennungskammer
io verbrannt. Die für die Zuführung der Luft erforderliche Strömungsenergie kommt
dadurch zustande, daß ein Verdichter 3o die entstehenden Verbrennungsgasmengen absaugt.
Die Luftzufuhr entspricht etwa dem theoretischen Luftbedarf oder einem Teilbetrag
davon; die Luft- und Gasmengen können unter Zuhilfenahme geeigneter Meßgeräte, z.
B. durch die beispielsweise angedeuteten Schwimmergasmesser 16 und 17, beobachtet
und zweckentsprechend eingeregelt werden. Das Regelventil 12, das bei der gezeichneten
Anlage einen geringen Unterdruck von etwa i o mm W S einregelt, kann auch ersetzt
oder ergänzt werden durch einen an sich bekannten Gemischregler, der ein bestimmtes,
einstellbares Mischungsverhältnis selbsttätig aufrechterhält. Zur Anzeige des jeweils
vorhandenen Mischungsverhältnisses kann ein Meßgerät verwendet werden.
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Das entstandene Verbrennungsgas strömt durch eine Leitung 18 in einen
Niederdruckkühler 25, in dessen Ummantelung 22 Kühlwasser zur Aufnahme der im Gas
noch enthaltenen Verbrennungswärme eingeleitet wird. Das dabei sich niederschlagende
Wasser wird durch ein mit Siphonverschluß 24 versehenes Standrohr 23 abgeführt.
Durch eine seitlich an dieses Standrohr angeschlossene Ansaugleitung 26 gelangt
das Verbrennungsgas in den Ansaugstutzen eines durch einen Elektromotor 29 angetriebenen
ein- oder mehrstufigen Verdichters 30 und verläßt diesen Verdichter durch die Leitung
27 unter einem Druck von mindestens 6, vorzugsweise 12 atü und mehr. An die Druckleitung
27 ist ein Hochdruckkühler 35 angeschlossen, der bei dem gezeichneten Ausführungsbeispiel
innerhalb der Ummantelung 22 untergebracht und dadurch mit dem Niederdruckkühler
25 und der Ummantelung 22 zu einer Baueinheit vereinigt ist.
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Der größte Teil .der im Gase in dampfförmigem Zustand noch enthaltenen
Feuchtigkeit wird infolge der höhen Verdichtung und der innerhalb des Hochdruckkühlers
35 erfolgenden Wärmeabfuhr niedergeschlagen. Das Niederschlagswasser rinnt in ein
Sammelgefäß 34, aus dem ein jeweils einen bestimmten Mindeststand überschreitender
Überschuß durch ein Schwimmerventil 33 abgeführt wird. Das nunmehr von der Feuchtigkeit
befreite Gas, das infolge der hohen Verdichtung einen für viele technische Anwendungszwecke
vollkommen ausreichenden Trocknungsgrad besitzt, gelangt durch eine Leitung 37 zu
einer Entspannungsvorrichtung.-Beim erstenAusführungsbeispiel bildet ein Druckreduzierventil
36. die Entspannungsvorrichtung, in der das trockene Schutzgas auf den Gebrauchsdruck
entspannt wird. Um bei geringem Schutzgasverbrauch unzulässig hohe Drucksteigerungen
zu vermeiden, ist in einer die Leitungen 37 und26 kurzschließenden Nebenleitung
38 ein überdrucksicherheitsventil 42 angeordnet, durch das der nicht benötigte Schutzgasanteil
in die Ansaugleitung 26 des Verdichters 30 zurückströmen' kann. Das in der
Entspannungsvorrichtung auf den Verbrauchsdruck entspannte Schutzgas gelangt über
eine Leitung 43 in einen die Verbrennungskammer io umgebenden Mantel 44 und verhütet
dabei, daß durch Undichtigkeiten Luftsauerstoff in diese Kammer eintreten kann,
die hohen Temperaturen und Wärmebeanspruchungen ausgesetzt ist. Dabei werden die
Kammerwandungen gekühlt, und das Schutzgas wird vorgewärmt. Ein Eindringen von Luftsauerstoff
in den
Arbeitsraum des Verdichters wird dadurch verhütet, daß der
durch den Verdichterkolben begrenzte, antriebsseitige Gehäuseraum, der sogenannte
Kurbelkasten, mittels einer Zweigleitung 46 an eine schutzgasführende Leitung, nämlich
an die Verbrauchsleitung 43, angeschlossen ist.
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Wie aus Fig. 2 hervorgeht, kann das unter hohem Druck stehende Schutzgas
auch unter Arbeitsleistung in einer Kraftmaschine 4o entspannt werden, die mit dem
Verdichter 30 gekuppelt ist und dadurch zu dessen Antrieb beiträgt. Der entsprechend
klein bemessene Motor 29 benötigt nur eine geringe Anschlußleistung. Ein weiterer
Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß die Ansaugleitung 26 des Verdichters
den einen Strang eines Gastemperaturwechslers bilden kann, dessen anderer Rohrstrang
47 in die Verbrauchsleitung 43 eingeschaltet ist. Hierdurch können bei dem innerhalb
der Anlage erzeugten, hohen Druckgefälle in diesem dem Hochdruckkühler nachgeschalteten
Teil sehr tiefe Endtemperaturen erzeugt werden, die zu einer praktisch vollkommenen
Entfeuchtung des Schutzgases verwendet werden können.
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Der vom Verdichter 30 erzeugte hohe Druck kann zur wirksamen
Abscheidung weiterer, für den praktischen Gebrauch unerwünschter Bestandteile des
Schutzgases ausgenutzt werden. Insbesondere ist bei der Wärmebehandlung von kohlenstoffreichem
Stahl, aber auch beim Hartlöten von Messing, das Kohlendioxyd unerwünscht. Dieser
Bestandteil kann nun auf einfache Weise und ohne den Gebrauch von Chemikalien innerhalb
eines in die Leitung 28 (vgl. Fig. 3) eingeschalteten Hochdruckwaschgefäßes 45 (vgl.
Fig. 3) zusammen mit den in jedem Falle störenden Schwefelverbindungen in Wasser
gelöst werden, das durch eine Leitung 48 zweckmäßigerweise mittels einer mit dem
Verdichter 3o bzw. mit dem Antriebsmotor gekuppelten, nicht gezeichneten Dosierpumpe
eingeführt wird und nach Aufnahme der genannten Bestandteile vorzugsweise durch
eine selbsttätig wirkende Vorrichtung abgeführt wird. Beim Ausführungsbeispiel dient
ein Schwimmerventil 53 zur Abführung der wässerigen Lösung, die unter dem hohen
Druck erhebliche Kohlendioxydmengen aufnehmen kann. Diese Wirkung kann noch erheblich
gesteigert werden, wenn der als Temperaturwechsler dienende, in die Verbrauchsleitung
43 eingeschaltete Leitungsteil 47 im Hochdruckgefäß 45 untergebracht wird, dessen
Flüssigkeits- und Gasinhalt dabei in gleicher Weisewirksam gekühlt wird. Das Absorptionsvermögen
des Wassers kann damit weiterhin beträchtlich gesteigert werden.
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Bei dieser Anordnung können der in Fig. i und :2 dargestellte Flüssigkeitssammler
34und der Schw immer 33 in Fortfall kommen, da ihre Aufgaben vom Schwimmerventil
53 mit übernommen werden können. Das im Hochdruckkühler 35 niedergeschlagene Wasser
gelangt mit dem vorgekühlten Gas über den Leitungsteil 28 in das Waschgefäß, durch
dessen Flüssigkeitsinhalt das Gas hindurchperlt. Dieser Strömungsvorgang ergibt
eine starke Temperaturerni edrigung innerhalb der durch die Rohrschlange 47 stark
gekühlten Flüssigkeit. Das bei der Tiefkühlungstemperatur zwar gesättigte, aber
wegen dieser niedrigen Temperatur nur einen sehr niedrigen, absoluten Wasserdampfgehalt
aufweisende Schutzgas gibt das mitgerissene Wasser an eine Trockn.erschicht 54 ab
und w ird sodann durch dieLeitung 37 der Entspannungsmaschine 40 zugeführt, die
bei diesem Ausführungsbeispiel mit dem Verdichter3o zu einer an sich bekannten Doppelmaschine
vereinigt ist. In der Leitung 37 befindet sich ein nach Art eines Überdruckventils
gestaltetes Venti149. Dieses Ventil hat die Aufgabe, den für den Betrieb der Anlage
erwünschten hohen Druck auch dann aufrechtzuerhalten, wenn das von der Entspannungsmaschine
40 verarbeitete Gasvolumen größer werden sollte, als die vom Verdichter
30 gelieferte Fördermenge. Falls nur ein Teil der im Verdichter
30 verarbeiteten Schutzgasmenge entnommen wird, kann der Schutzgasüberschuß
durch eine von der Verbrauchsleitung 43 abgezweigte und mit einem Ventil 52 versehene
Umgehungsleitung 51 zur Ansaugleitung 26 des Verdichters 30 zurückgeführt
werden.
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Der durch den hohen Förderdruck des Verdichters 30 bedingte
Vorteil, den Wasserdampfgehalt des Schutzgases in bisher unerreichtem Ausmaße zu
vermindern und dabei gleichzeitig große Kohlensäuremengen mit geringem Aufwand an
Vorrichtungen und ohne Verwendung von chemischen Reaktionsmitteln zu binden, bietet
auch die Möglichkeit, noch einen weiteren bei vielen metallurgischen Vorgängen störenden
und außerdem seiner Giftigkeit wegen sehr unerwünschten Bestandteil, nämlich das
Kohlenmonoxyd, zu entfernen, ohne daß dadurch das Schutzgas seine reduzierenden
Eigenschaften einbüßt. Dieser im Erfindungsgegenstand begründete Vorteil kann dadurch
ausgenutzt werden,. daß in die zum Niederdruckkühler 25 führende Leitung i8 eine
Synthesekammer 20 eingeschaltet wird. In dieser Kammer (Konverter) tritt das heiße
Verbrennungsgas unter Mitwirkung eines geeigneten Katalysators mit dem dampfförmigen
Verbrennungswasser dergestalt in Wechselwirkung, daß das Kohlenmonoxyd durch Aufnahme
von Sauerstoff unter Freigabe eines entsprechenden Wasserstoffvolumens in Kohlendioxyd
umgewandelt wird. Falls das ursprünglich vorhandene Verbrennungswasser für diesen
Vorgang nicht ausreicht, kann noch eine Wasserzuführung i9 vorgesehen sein, in der
zweckmäßigerweise ein Dosierventil oder eine Dosierpumpe zur genauen Bemessung der
zuzusetzenden Wasser- oder Wasserdampfme.nge angeordnet wird. Die in diesem Konvertierungsvorgang
entstandene Kohlensäure geht im Druckwascher 45 restlos in Lösung. Die Kammer 20
ist von einem Schutzgasmantel 55 umgeben, der das Eindringen von Luft verhindert.
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Der hohe Förderdruck des Verdichters 30 und die dadurch bedingte
hohe Verdichtungstemperatur bieten schließlich noch die Möglichkeit, die im Schutzgas
gegebenenfalls noch vorhandenen Sauerstoffspuren ohne größeren zusätzlichen Wärmeaufwand
in einer Kammer 50 zu entfernen, die in die Druckleitung 27 eingeschaltet
ist und einen sauerstoffbindenden Stoff, beispielsweise Kupferoxyd-Gel,
enthält,
das bei erhöhter Temperatur den Sauerstoff an den Wasserstoff des Schutzgases anlagert.
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Da das in der Anlage vorhandene, hohe Druckgefälle, insbesondere wenn
die Entspannung des Gases gemäß den Ausführungsbeispielen nach Fig. 2 und 3 unter
Arbeitsleistung erfolgt, große Temperaturgefälle bedingt, können die Kühler 25 und
35 beispielsweise in Gestalt von Rippenrohren für Luftkühlung eingerichtet werden.
In diesem Falle emptiehlt sich jedoch die Anordnung des in Fig. 2 dargestellten
Gastemperaturwechslers, in dem das unter Arbeitsleistung entspannte und daher sehr
kalte Schutzgas zur Kühlung des in den Verdichter 30 eintretenden Gases herangezogen
wird.