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Verfahren und Vorrichtungen zur Gewinnung und Nutzbarmachung der latenten
Wärme von nicht zündfähigen Gasgemischen, insbesondere Abgasen Der Wirkungsgrad
von Feuerungen ist, abgesehen von deren Nutzeffekt bezüglich der Wärmeübertragung
selbst, in erheblichem Maße davon abhängig, ob der gesamte Brennstoff zu seiner
höchsten Verbrennungsstufe und damit zur Abgabe seines gesamten Heizwertes gelangt.
Dieser Wirkungsgrad ist allgemein noch verbesserungsbedürftig, denn in den Abgasen
entweichen einerseits bedeutende Mengen fühlbarer Wärme, welche dem Zweck der Feuerung
nicht nutzbar gemacht worden ist, andererseits enthalten sie noch erhebliche Mengen
von Gasen unvollständiger Verbrennungsstufe, deren Heizwert noch nicht in fühlbare
`'Wärme umgesetzt ist, vielmehr latent in den Abgasen verlorengeht.
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`Vohl hat man den Wirkungsgrad von Feuerungen dadurch verbessert,
daß man die den Abgasen innewohnende fühlbare Wärme zur Vorwärmung der Verbrennungsluft
und damit zur Verbesserung des Ergebnisses benutzt, jedoch ist es bisher nicht gelungen,
auch die latente Wärme der Abhitze einer Feuerung vollkommen zu erfassen und zu
gewinnen. Die Erreichung dieses Zieles verhindern nämlich Schwierigkeiten, die sich
sowohl aus den technischen Verhältnissen der Feuerung als auch aus den physikalischen
Grundlagen der Verbrennung ergeben.
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Zum Zweck der Gewinnung der latenten Wärme ist nämlich eine Nachverbrennung
der noch nicht vollständig verbrannten Gase, z. B. bei kohlenstoffhaltigem Brennstoff
CO, unter Zuführung von sekundärer Verbrennungsluft erforderlich.
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Die Aufgabe besteht also darin, ein Gasgemisch, in welchem noch ein
Mengenanteil brennbarer Gase enthalten
ist, zur Entzündung und
Verbrennung zu bringen. Nun ist aber ein CO-haltiges Gas-Luft-Gemisch erst zündfähig
bei einer Temperatur von etwa 60o° C und bei einem CO-Gehalt desselben von mindestens
12,5 °/,,. In dem Maße aber.,. wie eine Feuerung rationell geführt wird, sinkt der
prozentuale Gehalt von C O in den Abgasen. Ungeachtet dessen ist die Menge der verlorengehenden
Wärme derselben noch so beachtlich, daß ein gewisser Aufwand für ihre Gewinnung
und Verwertung wirtschaftlich gerechtfertigt erscheint.
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Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die brennbaren
Bestandteile von den nicht brennbaren durch Vermindern der Strömungsgeschwindigkeit,
durch Diffusion oder durch Zentrifugieren des Gasgemisches wenigstens teilweise
getrennt werden und die Luft den so gebildeten Teilströmen mit höherer Konzentration
der brennbaren Anteile zugeführt wird.
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Zum Verständnis dieses Gedankens sei der Fall der Abgasverwertung
eines Kupolofens nach dem Zöller-Verfahren der Beschreibung des Verfahrens im einzelnen
zugrunde gelegt. Das genannte Verfahren arbeitet grundsätzlich mit einem hohen Betrag
an fühlbarer, dem Schmelzprozeß mittelbar rückgeführter Abhitze, für deren Gewinnung
ohnehin besondere Vorrichtungen mit wirtschaftlichem Ergebnis angeordnet sind. Außerdem
ist durch die hohe Abgastemperatur die erforderliche Zündtemperatur für ein Abgas-Luft-Gemisch
gesichert, und eine nach dem Ofenkopf zu starke Erweiterung des Ofenschachtes bietet
zugleich eine günstige Möglichkeit zu restloser Entaschung der Gase vor Eintritt
in die Zündkammer.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung kann mit gleichem Erfolge bei jeder
anderen industriellen Feuerung verwertet werden.
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Das angestrebte Ziel kann durch Auswirkung der Strömungsgesetze auf
die Ordnung der Gase und durch Diffusion erreicht werden.
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Das Verhalten der Gase bzw. von Gasgemischen wird in diesen Beziehungen
durch das Molekulargewicht der Bestandteile derselben beeinflußt. Diesem entsprechen
deren spezifische Gewichte, also z. B.
| Gas Ha CHQ CO IN 2 Luft 02 m
so, |
| spezifisches Gewicht kg/m3, |
| (o° C, 76o mm Hg) ....... 0,o898 0,7z7 1,25 1,25i
z,293 1,429 1977 2927 |
| bezogen auf Luft = i ...... 0,o69 o,55 o,965 o,967 i,o
I,=06 1,53 2,26 |
Offenbar besitzen bereits die Moleküle der verschiedenen Gase die gleiche Bewegungsenergie.
Zudem wird ihnen durch den Windstrom eine einheitliche .Energie (mv2) mitgeteilt.
Infolgedessen wird das Gasmolekül mit der geringeren Masse eine höhere Geschwindigkeit
erhalten, während dasjenige mit größerer Masse eine geringere Geschwindigkeit, aber
ein größeres Beharrungsvermögen besitzt. Aus dieseln Grunde wird angenommen, daß
schon im freien Gasstrom, im Gaskanal oder im Ofenschacht, vor allem, wenn dieser
nach oben kegelförmig erweitert ist, die leichteren Gasmoleküle von den schwereren,
welche ein starkes Bestreben haben, die ihnen erteilte Bewegungsrichtung beizubehalten,
abseits der Hauptrichtung des Stromes gedrückt werden und sich auch möglichst in
den Zonen geringsten Widerstandes bewegen. Diese Auswirkung wird in verstärktem
Maße bei Richtungsänderungen des Gasstromes im Ofenschacht als Folge des Widerstandes
der einzelnen Einsatzstücke zu erwarten sein, so daß bereits im Schacht bei genügender
Höhe desselben eine gewisse Bildung verschiedener Gasfäden eintreten kann, und zwar
so, daß die leichteren Gase mehr an der Ofenwand entlangstreichen.
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Erfindungsgemäß werden nun außer der Erweiterung des Schachtoberteiles
(Gaskanals) Organe angewendet, die besonders zur Ausnutzung der vorstehend geschilderten
Gaseigenschaften geeignet sind.
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Die Eigenschaft der Gase, durch poröse Wandungen zu diffundieren,
hängt in ihrem Ausmaß ebenfalls von dem Molekulargewicht des Gases ab. Da den verschiedenen
Molekülen eines Gasgemisches die gleiche Bewegungsenergie innewohnt (mv2), so wird
angenommen, daß die Moleküle mit geringerer Masse, also geringerem Molekulargewicht,
schneller als diejenigen mit größerer Masse, d. h. größerem Molekulargewicht, diffundieren.
Infolgedessen werden selbst bei gleichmäßiger Verteilung der verschiedenen Moleküle
solche von geringerem Gewicht in größerer Zahl diffundieren als die schwereren.
Dieser Unterschied kann um so stärker in die Erscheinung treten, wenn der Gasstrom
durch geeignete Ausbildung des Diffusionskörpers, also z. B. durch allmähliche Verengerung
des Ausflußquerschnittes, unter einen gewissen Druck gesetzt wird. Mithin kann angenommen
werden, daß durch die Wandung des Diffusionskörpers überwiegend die leichten Gasmoleküle
treten, während die schwereren dem freien Ausflußquerschnitt kraft ihres größeren
Beharrungsvermögens zuströmen. Andererseits wird durch die am Ausfluß des Diffusionskörpers
entstehende Saugwirkung und die Vergrößerung des äußeren Querschnittes der Diffusionskammer
das Auftreten eines Überdruckes in dieser verhindert, so daß stets im Innern der
Überdruck gewahrt bleibt. Es ist mithin zu erwarten, daß, nachdem bereits durch
die Vorordnung des Gasstromes der größere Teil der schweren Gasmoleküle sich im
Kern desselben bewegt, hauptsächlich die leichteren, also H2, CH, und
CO, nach außen diffundieren werden. Die Ausführung und Anordnung der Diffusionsaggregate
im einzelnen ist aus den nachfolgenden Ausführungsbeispielen zu ersehen.
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In der Zeichnung sind vier Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
dargestellt.
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Abb. 1 zeigt einen Kupolofen. Es bezeichnet a den Ofenschacht, der
nach oben eine kegelförmige Erweiterung aufweist. Oberhalb der Einfüllöffnung liegt
die Strahlplatte b, welche die strahlende Wärme der Brenngase in den Ofen zurückstrahlt
und mit Auslaßöffnungen geeigneter Form für die Brenngase versehen ist. Diese Platte,
die gleichzeitig bei der geringen
Gasgeschwindigkeit als Prallplatte
für die Aschenteilchen dient, wirkt beim Durchgang der Gase auf diese wie ein Sieb
und soll die bereits im Ofenkopf begonnene Ordnung der verschiedenen Teile des Gasgemisches
erleichtern und verstärken. Die mit k bezeichneten Pfeile zeigen den Weg der leichten
Gase, also in erster Linie H., CH" C O und Anteilmengen von N.. Es wird erwartet,
daß sich diese in dem äußeren ringförmigen Raum bewegen, während in der Mitte hauptsächlich
die schwereren Bestandteile, also CO., SO, und wiederum Teile von N., entweichen.
Diese treten dann über der St=ahlplatte b in den kegelförmigen Diffusionskörper
d, in welchem sie infolge Verringerung des Durchgangsquerschnittes allmählich unter
höheren Druck gelangen, wodurch die Diffusion etwa noch in den Diffusionskegel gelangter
leichter Gase gegen solche, die sich noch in dem Außenraum befinden, beschleunigt
werden kann. Es werden sich demnach in dem Ringraum Stromfäden von den leichten
Gasen bilden, welche bei Zuführung von sekundärer Verbrennungsluft durch die Brenner
g ein entzündbares Gemisch geben, so daß durch ihre Verbrennung die latente Wärme
derselben frei wird und zur Aufheizung der Rekuperatorröhren f nutzbar gemacht werden
kann.
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In Abb. 2 ist eine Ausführung zum Ausdruck gebracht, in welcher die
St=ahlplatte zur Vergrößerung ihrer wirksamen Fläche aus zwei gegeneinander geneigten
Flächen b besteht, deren Durchflußöffnungen ebenfalls eine Zerteilung des Gasstromes
bewirken soll. Es können auch mehrere solcher Plattenpaare übereinander angeordnet
werden und in Kombination mit diesen mehrere Diffusionskörper von beliebiger Länge.
Im übrigen bezeichnen in Abb. 2 a den Ofenschacht, e die Rekuperatorkammer, f den
Rekuperator, g den Brenner, die Pfeile k den Weg der leichten Gase, L den kegelförmig
erweiterten Ofenkopf, w die Windleitung.
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In der Ausführung Abb. 3 besteht der St=ahldeckel aus drei Balken,
zwischen denen und zur Seite derer Schlitze zum Durchlaß der Abgase angeordnet sind.
faber dieser St=ahlkappe steht wiederum ein Diffusionskörper, entweder als kegelförmiges
Rohr ausgebildet oder aus gegeneinander geneigten Platten bestehend, erforderlichenfalls
in mehreren Vorrichtungen hintereinander. Die Bezeichnungen sind die gleichen wie
in den Abb. i und 2.
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Abb. 4 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher die St=ahlkappe aus
vier im Winkel von 45" gegeneinander versetzten, übereinanderliegenden Balken besteht.
Diese Anordnung zwingt die Abgase, den Ofenschacht in schneckenförmiger Windung
zu verlassen. In der hierdurch hervorgerufenen Wirbelung sollen die Gasmoleküle
der Einwirkung der Zentrifugalkraft je nach ihrer Masse verschieden Folge leisten,
und zwar so, daß entgegengesetzt zu den vorher angeführten Ausführungsformen die
leichten Gase den Kern des Gasstromes bilden, daher die Verbrennungsluft auch entsprechend
eingeführt wird. Eine Kombination dieser Anordnung mit Diffusionsaggregaten kann
natürlich ebenfalls vorgesehen «=erden. Die Bezeichnungen in Abb. 4 sind die gleichen
wie in den früheren.