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Feuerfester Regenerativofen, insbesondere zur Erzeugung von Heizgas
Gegenstand der Erfindung ist eine neue, schnell installierbare Doppelregenerativofenkonstruktion
mit großer thermischer Wirksamkeit, welche nur einen Bruchteil des feuerfesten isolierenden
Materials erfordert, wie es bisher für wesentlich bei solchen Konstruktionen. gehalten
wurde.
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Der Ofen ist besonders geeignet für die gleichzeitige Durchführung
endothermer und exothermer Gasreaktionen, wodurch Heizgase niederer Dichte erzeugt
werden können. Hierbei kommen die Gase mit nur sehr kleinen feuerfesten Wandflächen
in Berührung.
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In dem erfindungsgemäßen Ofen können insbesondere aus üblichen Kohlenwasserstoffausgangsmaterialien
Heizgase niederer Dichte von solchem Heizwert hergestellt werden, daß sie an Stelle
von Erdgas in gewerblichen und technischen Heizanlagen brauchbar sind. Dieses Ergebnis
kann durch übliche feuerfeste Regenerativöfen der bisherigen Bauart nicht erzielt
werden.
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Die Erfindung wird durch die Zeichnungen erläutert.
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Fig. r zeigt eine Ansicht in senkrechtem Querschnitt eines Ofens nach
einer Ausführungsform der Erfindung, Fig. a eine Ansicht in senkrechtem Schnitt
des Ofens in rechten Winkeln zu der Schnittansicht der Fig. r, und zwar entlang
der Linie A-A der Fig. r, Fig. 3 eine Ansicht im Querschnitt nach Linie B-B von
Fig. r ;
Fig.4 zeigt die senkrechte Schnittansicht eines zweiten
Ofens nach einer anderen und in mancher Hinsicht bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung, Fig. 5 eine Aufsicht auf den Ofen von Fig. :4 und Fig. 6 die perspektivische
Ansicht einer bevorzugten Form des bei der Ausführungsform nach Fig. 4 gebrauchten
feuerfesten tragenden Gehäuses.
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Von den Zeichnungen beziehen sich die Pig. i, 2 und 3 auf eine Ausführungsform
der Erfindung, bei welcher der Ofen senkrecht angeordnet und von Stützen io getragen
ist. Das Ofengehäuse besteht aus einem unteren Mantel i i mit Bodenplatte 12 und
einer oberen Deckelplatte 13, wobei die Bodenplatte 12 an den Stützen io in einer
beliebigen Weise befestigt ist. Bodenplatte 12 besitzt Öffnungen 14, und Deckelplatte
13 besitzt Öffnungen 15. Die Deckelplatte 13 ist vorzugsweise mit Verstärkungsrippen
16 versehen. Gehäuse 17 aus nichtrostendem Stahl oder anderem geeignetem wärmefestem
Metall hängen von dem Umfang der Öffnungen 15 in Platte 13 herab. Nach Fi.g. 3 sind
die Öffnungen 15 und Gehäuse 17 rechteckig. Die Gehäuse 17 enden in kurzem Abstand
oberhalb der Bodenplatte 12 und nehmen teleskopartig in ihren unteren Enden kurze
Roste 18 auf. Die Randkanten der unteren Enden .der Gehäuse 17 sind mit der Bodenplatte
12 durch mit i9 angedeutete Expansionsverbindungen verbunden. Die Anordnung ist
eine solche, daß die- Gehäuse 17 sich in Längsrichtung zusammenziehen oder ausdehnen
können innerhalb solcher Grenzen, wie sie für die Temperaturänderungen erforderlich
sind, welchen sie beim Betrieb des Ofens unterworfen werden können. Kurze Endgehäuse
2o sind an und unterhalb der Platte 12 befestigt, verringern sich in ihrem Querschnitt
nach ihren freien. Enden zu und enden in mit geeigneten Öffnungen versehenen Abschlußplatten
21, an welchen Anschlüsse befestigt sind, die unten näher beschrieben ,werden.
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Mantel i i und Platten 12 und 13 umgrenzen eine geschlossene, die
Gehäuse 17 völlig umgebende Kammer. Mantel i i ist mit einer oder mehreren durch
geeignete entfernbare Schließplatten 22 bedeckte Zugangsöffnungen versehen. Die
Platten können entfernt werden, um die die Gehäuse 17 umgebende Kammer mit geeignetem
Isoliermaterial 23, z. B. Vermiculit, zu füllen. Als Isoliermaterial können auch
andere leichte, wärmeisolierende Stoffe, wie Magnesiablöcke oder Isolierzement,
verwendet werden.
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Die Hochtemperaturzone des Ofens ist von einem oberen Mantel 24 eingeschlossen,
welcher entlang des Flansches 25 an Deckelplatte 13 des unteren Mantels i i befestigt
ist und geeigneterweise eine gebogene Deckelplatte 26 besitzt. Die Hochtemperaturzone
des Ofens besteht aus senkrechten Wänden 27 aus feuerfesten Ziegeln und der mittleren
Brückenwand 28 aus gleichem Material. Die Wände 27 tragen das feuerfeste Gewölbe
29, welches ebenfalls aus feuerfesten Ziegeln besteht und von der Deckelplatte 26
durch eine Zwischenschicht aus geeignetem Isoliermaterial 30, wie zerkleinertem
Vermiculit oder Magnesiablöcken, isoliert ist. Die Deckelplatte 26 ist vorzugsweise
zu einem Stück mit dem oberen Mantel 24 verschweißt. Die Wände 2r7 sind über einen
wesentlichen Teil ihrer Länge ein kurzes Stück vom Mantel 24 entfernt angeordnet,
und der Zwischenraum ist zweckmä;Big ebenfalls mit geeignetem Isoliermaterial 31
ausgefüllt. Ein geeigneter Brenner 32 mündet in die unmittelbar ühter dem Gzwölbe
29 angeordnete Verbrennungskammer 33. Ein Sehrohr 34 im Gewölbe 29 ermöglicht die
Beobachtung.
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,Feuerfeste Regenerativmassen 35 und 36 mit Kanälen 37 sind in den
Gehäusen 17 angeordnet und erstrecken sich zwischen den senkrechten Wänden.
27 und der mittleren Brückenwand 28 bis an die Verbrennungskammer 33 in die
Hochtemperaturzone des Ofens hinein. Die unteren Endender Massen 35 und 36 werden
auf den Rostei 18 abgestützt.
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Das zur feuerfesten Masse 35 gehörige Endgehäuse 2o ist mit Leitung
38, Ventil 39 und Leitung 4o versehen, welche mit einer nicht gezeigten Quelle für
das Ausgangsmaterial verbunden ist. Die andere Leitung 41, welche mit einer nicht
gezeigten Gasreinigungsanlage verbunden ist, ist durch Ventil 42 und Leitung 43
an Leitung 38 angeschlossen. In gleicher Weise ist das zur feuerfesten Regenerativmasse
36 ,gehörende Endgehäuse zo mit Leitung 44 versehen, welche durch Ventil 45 und
Leitung 46 zu einer nicht gezeigten Quelle für Ausgangsmaterial führt. Die andere
Leitung 47, welche mit einer nicht gezeigten, Gaorein.igungsanlage verbunden ist,
führt über Ventil 4$ und Leitung 49 zu Leitung 44.
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Zur Entfernung von Abfallprodukten dienen Leitung 5o, Ventil 51 und
Leitung 52 sowie Leitung 53, Ventil 54 und Leitung 55 an den Endgehäusen 2o. Die
Leitungen 52 und 55 führen zu nicht gezeichneten Schornsteinen.
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Der in den Fig. 1, 2 und 3 gezeigte Ofen kann zur Herstellung von
Heizgas niederer Dichte aus Propan wie folgt im kontinuierlichen Betrieb gegefahren
werden. Der Ofen wird vorerhitzt, um ihm ein geeignetes Temperaturgefälle und die
geeignete Wärmemenge zu geben. Zu diesem Zweck werden die Ventile 39, 42, 45 und
48 geschlossen und die Ventile 51 und 54 geöffnet. Brenner 32 wird dann in Betrieb
gesetzt; die heißen Verbrennungsgase strömen abwärts durch die Kanäle 37 der feuerfesten
Regenerativmassen 35 und 36 und die angeschlossenen Roste 18 in die Endgehäuse 2o,
weiter durch die Leitungen 5o und 53, werden durch die Ventile 5 i und 54 gesteuert
und verlassen den Ofen durch die Leitungen 52 und 55. Die heißen Verbrennungsgase
geben den größeren Teil ihrer Wärme an die Teile der Massen 35 und 36 ab, welche
über die Platte 13 nach oben hervorragen. Diese Gase werden auf ihrem weiteren Weg
fortschreitend kühler, wodurch ein Temperaturgefälle
in den Regenerativmassen
35 und 36 hervorgerufen wird.
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Die Vorerhitzung wird zweckmäßig so lange fortgesetzt, bis die oberen
Enden der Regenerativmassen 35 und 36 eine Temperatur über 90o °, vorzugsweise eine
Temperatur von etwa iooo bis 130o° erhalten haben. Infolge der außerordentlichen
thermischen Wirksamkeit des Ofens werden die unteren Enden der Regenerativmassen
35 und 36 dabei auf eine Temperatur von nur etwa ioo bis 50o ° gekommen sein. Im
allgemeinen kann diese Vorerhitzu,ngsstufe in der Zeit von etwa i Minute vollendet
werden.
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Nach beendeter Vorerhitzung werden die Ventile 51 und 54 .geschlossen
und die Ventile 39 und 48 geöffnet. Eine hauptsächlich .aus Propan und Luft in nicht
entzündbaren Verthältnisse,n bestehende Mischung von etwa i Volumenteil des Kohlenwasserstoffs
auf etwa 2 Volumenteile Luft wird dann durch Leitung 40, Ventil 39 und Leitung 38
über das zugehörige Endgehäuse 2o mit Rost 18 in die Kanäle 37 der feuerfesten Regenerativmasse
35 eingeführt. Die Ausgangsmischung erreicht die beginnende Spalttemperatur des
Kohlenwasserstoffs im oberen Teil des Durchgangs, wobei eine begrenzte Verbrennungsreaktion-
einsetzt. Dieses entzündbare Gemisch strömt dann aus den Kanälen 37 der Masse 35
in die Verbrennungskammer 33, wo die zuvor eingeleitete Spaltreaktion durch die
gleichzeitig auftretende Verbrennungsreaktion fortgesetzt und das gewünschte Produkt
erzeugt wird. Das so erhaltene Produkt wird dann auf dem Wege von der Verbrennungskammer
33 nach unten durch die entsprechenden Kanäle 37 der feuerfesten Regenerativmasse
36 abgeschreckt und tritt aus dem Ofen durch den zugehörigen Rost r8, Endgehäuse
20, Leitungen 44, 49, Ventil 48 und Leitung 47 zu einer nicht gezeichneten Gasreinigungsanlage
aus. Dieser Betrieb wird für etwa i Minute fortgesetzt und der Gasstrom durch den
Ofen, dann durch Schließen der Ventile 39 und 48 und Öffnen der Ventile 42 und 45
umgekehrt. Das Ausgangsmaterial wird dann durch Leitung 46, Ventil 45 und Leitung
44 über das zugehörige Endgehäuse 20 und Rost i8 in die Kanäle 37 der Regenerativmasse
36 eingeführt. Wie bei der vorherigen Stufe des Zyklus tritt dabei im oberen Teil
des Durchgangs @ Spaltung auf. Hierbei wird wieder eine verbrennbare Mischung gebildet,
welche in die Verbrennungskammer 33 strömt, wo wiederum die Spaltreaktion durch
die gleichzeitig auftretende begrenzte Verbrennungsreaktion in der bereits beschriebenen
Weise fortgesetzt wird. Das in der Verbrennungskammer erzeugte Produkt wird dann
durch Abwärtsströmen durch die entsprechenden Kanäle 37 der feuerfesten Regenerativmasse
35 abgeschreckt, aus welchen es den Ofen über den -zugehörigen Rost i8, Endgehäuse
2o, Leitungen 38 und 43, Ventil 42 und Leitung 41 zu einer nicht gezeigtenGasreinigungsanlage
verläßt. Nach einem Betrieb von etwa i Minute wird die Strömungsrichtung der Gase
durch den Ofen wiederum umgelehrt und der beschriebene Zyklus wiederholt. Bei dieser
Behandlung wird die fühlbareWärme der Gasmischung auf die Entzündungstemperatur
der Verbrennungsreaktion gesteigert, die oberhalb der zur Einleitung der thermischen
Änderung oder Spaltung des Ausgangsmaterials erforderlichen liegt. Daher sind die
erzeugten Gase im Erzeugungszustand wesentlich heißer als die feuerfeste Masse,
mit welcher sie in Berührung kommen. Die oberen »Spaltabteilungen« der feuerfesten
Regenerativmassen, welche zum Abschrecken der erzeugten Gase gebraucht werden, werden
daher in wirksamer Weise auf die für das beginnende Spalten des Ausgangsmaterials
erforderliche Temperatur gebracht, wenn die Strömungsrichtung der Gase durch den
Ofen umgekehrt wird. In dieser Weise kann das Verfahren kontinuierlich mit hoher
thermischer Wirksamkeit ausgeführt werden.
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Eine abgeänderte und bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird
in den Fig. 4, 5 und 6 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform besitzt der Ofen einen
länglichen äußeren Mantel 56, gewöhnlich von rechteckigem Querschnitt und aus getrennten,
nicht gezeichne-tenAbschnitten zusammengesetzt. Mantel 56 trägt gleiche Endplatten
57 mit Öffnungen 58. Innerhalb des Außenmantels 56 ist eine zentrale Hochtemperaturzone
59 mit einer feuerfesten Wand 6o angeordnet, welche einen Kanal 61 mit gleichen
Auslaßöffnungen 62 umgrenzt.
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Ebenfalls innerhalb des äußeren Mantels 56 befinden sich zwei gleiche
Endabschnitte 63, von welchen je einer an jedem Auslaß des Kanals 61 angeordnet
ist. Die Endabschnitte 63 umfassen von Kanälen durchdrungene feuerfeste tragende
Gehäuse 64 aus wärmefestem Metall, vorzugsweise nichtrostendem Stahl, welche sich
nach außen durch die Öffnungen 58 der Endplatte 57 erstrecken. Die Gehäuse 64 können
sich frei in den Öffnungen 58 bewegen, um die normale Zusammenziehung und Ausdehnung
des Ofens während des Betriebes zu ermöglichen. .Der Raum zwischen den Gehäusen
64 und dem äußeren Mantel 56 ist mit zerkleinertem Vermiculit als Isoliermaterial
65 ausgefüllt. Die Gehäuse 64 sind an ihren äußeren Enden mit gasdichten Abschlußplatten
66 versehen. Die inneren Enden der Gehäuse 64 sind mit Flanschen 67 aus wärmefestem
Material, vorzugsweise nichtrostendem Stahl, ausgerüstet, stoßen gegen die Enden
der wärmefesten Wand 6o und sind gasdicht am äußeren Mantel 56 befestigt.
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Gleiche feuerfeste Regenerativmassen 68 und 69 aus feuerfestem Material
mit sieh längs durch sie erstreckenden ununterbrochenen Kanälen oder Schlitzen
70 sind in den Gehäusen 64 aus. nichtrostendem Stahl angeordnet und ragen
ein wesentliches Stück in den Kanal 61 hinein. Die inneren Enden der Massen 68 und
69 sind voneinander getrennt und bilden die Endwände der Verbrennungskammer 71,
die mit Heizvorrichtungen 72, z. B. Brennern, ausgerüstet ist.
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Die äußeren Enden der Massen 68 und 69 sind von den Endplatten 66
räumlich getrennt angeordnet, um Verteilerkammern 73 und 74 zu bilden.
Perforierte
Platten 75 sind in den Verteilerkammern 73 und 74 angeordnet, um eine gleichförmigere
Verteilung von Gas zu den feuerfesten Regenerabivmassen 68 und 69 zu bewirken.
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Auch bei dieser Ofenausführung sind Gaseinlaß-und -abzugsvorrichtungen
und Einrichtungen zur Umkehrung der Strömungsrichtung der Gase durch den Ofen vorgesehen.
Nach Fig. 4 bestehen solche Einrichtungen aus Leitung 76, Ventil 77, Leitung 78
und Dreiwegventil 79., welches durch Leitungen 8o und 8i mit den Verteilern 73 und
74 verbunden ist. Eine andere Leitung 82 ist über Ventil 83 und Leitung 84 mit Leitung
78 verbunden.
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In gleicher Weise ist Leitung 85 über Ventil 86 und Leitung 87 mit
dem Dreiwegventil 88 ver-. bunden, welches seinerseits durch Leitungen 89 und 9o
mit den Verteilerkammern 73 und 74 verbunden ist. Eine Leitung 91 ist über Ventil
92 und Leitung 93 mit Leitung 87 verbunden. Die Leitungen 8o, 81, 89 und 9o sind
in geeigneter Weise mit balgartigen Expansionsverhindungen 94 ausgerüstet, um Ausdehnung
und Zusammenziehung des Ofens ausgleichen zu können.
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Jede der Verteilerkammern 73 und 74 ist mit einem Gasauslaß versehen,
bestehend aus Leitung 95, Ventil 96 und Leitung 97 sowie Leitung 98, Ventil 99 und
Leitung ioo. Die Leitungen 97 und ioo führen zum nicht gezeichneten Schornstein.
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Die Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 4, 5 und 6 wird in gleicher
Weise wie die Ausführungsform nach Fig. 1, 2 und 3 betrieben.
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Bei der Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 4 sind die feuerfesten
Regenerativmassen 68 und 69 mit ihren Kanälen 7o koaxial zueinander angeordnet und
durch eine zwischen den Enden der zwei Massen angeordnete Verbrennungskammer 71
beschränkten Volumens getrennt. Diese Ausführungsform hat denVorteil, daß die heißesten
Enden der Regenerativmassen im wesentlichen gegeneinanderstoßen. Der Wärmeverlust
durch Strahlung ist daher erheblich vermindert. Ferner ist ein Druckabfall der die
Behandlung erfahrenden Gase im Ofen insoweit verringert, als die Gase ihre Richtung
beim Durchgang von einer Regenerativmasse zur anderen nicht ändern.
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Die bei dem Ofen der Erfindung gebrauchten, von Kanälen durchdrungenen,
feuerfesten Regenerativmassen können jede geeignete Form besitzen und auch aus unregelmäßig
geformten Massen bestehen. Bevorzugt wird jedoch ein feuerfestes Regenerativschachbrettmauerwerk
mit längs hindurchgehenden ununterbrochenen Kanälen oder Schlitzen. Eine besonders
geeignete Art von Schachbrettziegeln zur Verwendung bei der Konstruktion dieses
Regenerativmauerwerkes kann aus jedem üblichen, beispielsweise Oxyde von Calcium,
Magnesium, Aluminium, Silicium, Eisen oder Chrom oder deren Gemische enthaltenden
feuerfesten Material hergestellt werden. Ziegel aus Tonerde oder mit einem hohen
Tonerdegehalt werden insoweit bevorzugt, als diese Ziegel durch hohe Wärmekapazität,
thermische Stabilität und chemische Widerstandsfähigkeit ausgezeichnet sind,. Die
neue Anordnung der Kanäle oder Gasdurchlässe in den feuerfesten Regenerativziegeln
oder daraus gebautem Mauerwerk ist schematisch in Fig. 3 wiedergegeben. Alle Kanäle
sind von den ihnen benachbarten gleich weit entfernt, so ,daß die Wände zwischen
den Kanälen die gleiche Dicke aufweisen. Nach den Zeichnungen haben die Kanäle z.
B. kreisförmigen Querschnitt.
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Der Ofen nach der Erfindung dient besonders zur Herstellung von Heizgasen
niederer Dichte aus Kohlenwasserstoffen. Eine hierzu besonders geeignete Form des
Ofens ist durch gewisse Abmessungen einzelner Bauelemente gekennzeichnet.
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Bei .dieser besonderen Ofenform werden feuerfeste Regenerativmanerwerke
mit sich längs durch sie ,erstreckenden und 4,6o m in der Länge nicht überschreitenden
ununterbrochenen Kanälen oder Schlitzen verwendet. Vorzugsweise sind die Regenerativmauerwerke
etwa 1,80 bis 3,00 m lang. Die Kanäle in den Regenerativmassen sollen 1,9
cm als größtem Durchmesser bei krei.s,förmigem Querschnitt bzw. als größte Weite
bei anderen Querschnittsformen nicht überschreiten. Im allgemeinen können Kanäle
mit einem Durchmesser bzw. größ -ter Weite von 1,9 bis o,6 cm verwendet werden.
Kanäle mit einem Durchmesser bzw. größter Weite von 0,95 bis 1,3 cm werden
bevorzugt. Die untere Grenze des zulässigen Durchmessers ist so bemessen, daß kein
übermäßiger Druckabfall im Ofen auftritt.
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Es ist auch bei dieser besonderen Ausführungsform des Ofens wesentlich,
daß das Verhältnis des Gesamtvolumens. der Kanäle zu dem des. Regenerativmauerwerkes,
in welchem die Kanäle angeordnet sind, 1:3 nicht überschreitet. Bevorzugt wird ein
Verhältnis von 1:4 bs i: i o; die untere Grenze liegt bei i : 2o, d. h. der Abstand
von der Mitte jedes Kanals zur Mitte der benachbarten Kanäle soll 2,5 cm nicht überschreiten.
Der bevorzugte Abstand beträgt 1,6 bis 2,2 cm. Die Dicke der feuerfesten, die Kanäle
trennenden Wand soll 1,9 cm nicht überschreiten. Vorzugsweise liegt die Dicke der
Wände zwischen o,9 bis 1,6 cm.
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Ebenso soll das Volumen der Verbrennungszone bei dieser Ofenform 6o
°/o des Gesamtvolumens der Kanäle in den zwei Regenerativmauerwerken .des Ofens
nicht überschreiten. Vorzugsweise soll das Volumen der Verbrennungszone 2o bis 4o0/9
des Gesamtvolumens der Kanäle betragen.
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Obwohl der Ofenbetrieb am Beispiel eines kontinuierlichen Regenerativverfährenserläutert
wurde, kann selbstverständlich der Ofen auch zur Durchführung üblicher unterbrochener
Regenerativverfahren mit Aufheiz- und Erzeugungsstufe verwendet werden.
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Der erfindungsgemäße feuerfesteRegenerativofen benötigt wesentlich
weniger feuerfestes Isoliermaterial, als es üblicherweise bei der Konstruktion solcher
Öfen gebraucht wird. Er ermöglicht insbesondere in einfacher Weise die Umwandlung
von Kohlenwasserstoffen zu Heizgas niederer Dichte mit auffallend hohem Heizwert,
das an Stelle,von Erdgas in gewerblichen und technischen Heizanlagen
brauchbar
ist. Übliche Gasumwandlungsöfen können für solche Zwecke nicht verwendet werden.