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Verfahren zum Beheizen oder Kühlen von Brennöfen sowie
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Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zum Beheizen oder Kühlen von Brennöfen, bei dem Luft oder Heizgas
durch wenigstens eine Düse mit hoher Geschwindigkeit in eine freie Brennergasse
in den Ofeninnenraum eingeblasen wird, und infolge der Injektorwirkung gasförmiges
Medium mitgenommen wird.
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Unter der Bezeichnung "Hochgeschwindigkeitsprinzip" oder "Umwälzprinzip"
oder "Iso-Jet-Prinzip" bzw. "innere Rotation" ist ein Verfahren zum Beheizen oder
Kühlen von Brennöfen bekannt, bei dem direkt in den Ofeninnenraum eingeblasenes
Heizgas oder Kühlluft durch aus dem Ofenraum injektorartig angesaugte Altgase oder
Altluft heruntergekühlt bzw.
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aufgeheizt werden. Dieses gegenwärtig vielfach angewandte
Hochgeschwindigkeitsprinzip
ermöglicht das sogenannte Schnellbrandverfahren.
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Bei dem Betrieb von Brennöfen nach dem bekannten Hochgeschwindigkeitsverfahren
wird zwar auf die Altgase im Ofen eine hohe Ansaugwirkung ausgeübt. Die hohe Austrittsgeschwindigkeit
des Heizgases aus dem Brenner hat jedoch hohe Temperaturen der Frischgase zur Folge,
die bei Verwendung von kalter Verbrennungsluft in der Größenordnung von 1600 bis
17000C liegen. Die Altgastemperatur im Brennofen liegt in jedem Fall über der mittleren
Brennguttemperatur, so daß ein Herunterkühlen der heißen Frischgase auch bei hoher
Ansaugwirkung nur bis zu einem verbleibenden Temperaturgefälle von ca. 1000 bis
3000C möglich ist. Je rascher die Aufheizgeschwindigkeit bei periodischen Öfen ist,
umso größer ist das Temperaturgefälle im Öfeninneren. Aus diesem Grunde muß am Ende
die Ausgleichszeit umso länger bemessen sein, um gleichmäßige Ware zu erzeugen.
Bei dicht besetztem Keramikbesatz werden im Extremfall bis zu zwölf Stunden Ausgleichszeit
benötigt. Dieser Umstand steht der Verwendung von vorgewärmter Verbrennungsluft
bei den Hochgeschwindigkeitsbrenner entgegen, wenn nicht Brenntemperaturen über
ca. 16000C gefordert werden.
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Der Erfindung liegt generell die Aufgabe zugrunde, das bekannte Hochgeschwindigkeitsverfahren
zu verbessern und insbesondere die Verwendung vorgewärmter Verbrennungsluft auch
für Brenntemperaturen ab etwa 10000C und damit eine Brennstoffersparnis zu ermöglichen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
vorgesehen, daß infolge der Injektorwirkung Abgas oder Abluft, welches bzw. welche
den Ofeninnenraum verlassen hat, zurückgesaugt und mitgenommen wird. Bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren werden somit in den eigentlichen Ofeninnenraum nicht lediglich die verhältnismäßig
kleinen Frischgas- bzw. Frischluftmengen eingeblasen, sondern ein durch die Ansaugwirkung
um ein Vielfaches vergrößertes Volumen. Dieses Volumen, welches etwa zehnmal so
groß ist wie das Frischgas bzw. Frischluftvolumen, durchströmt das Ofeninnere zwangsweise.
Durch Ansaugung von Abgas oder Abluft, welches bzw. welche den Ofeninnenraum bereits
verlassen hat, werden die Temperaturunterschiede insgesamt verringert bzw.
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ein rascheres Aufheizen bzw. Kühlen möglich, da bei den den Wärmeübergang
bestimmenden Faktoren eine Verlagerung von dem Faktor Temperaturgefälle zu den Faktoren
Geschwindigkeit und intensive Durchströmung auftritt. Durch Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird das Herunterkühlen der Heizgase bzw. das Aufheizen der Kühlluft
verstärkt. Bei periodisch arbeitenden Brennöfen, vor allen Dingen bei kleineren
Brennöfen, wird durch die Wärme der zurückgesaugten Abgase die Speicherwärme der
seitlichen Isolierung und eines Teils des Innenmauerwerks gedeckt. Die Vorteile
des erfindungsgemäßen Verfahrens, nämlich eine Brennstoffersparnis durch nunmehr
mögliche Luftvorwärmung, ein geringerer aus dem Frischgas zu dekkender Anteil der
Speicherwärme sowie ein schnelleres Aufheizen und damit kürzere Ausgleichszeiten,
zeigen sich inbesondere bei dem Betrieb eines kleineren periodischen Brennofens
nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren. Bei periodischen Öfen kommt außerdem noch der Vorteil
hinzu, daß der Nutzraum durch Wegfall der bisher erforderlichen Umwälzbrenner-Ansauggassen
vergrößert werden kann.
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Der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens bringt auch bei kontinuierlich
betriebenen Brennöfen Vorteile. Bei den bekannten derartigen Öfen, beispielsweise
bei Tunnelöfen zum Brennen von keramischen Produkten, sind die bei der Erstrebung
gleichmäßiger Temperaturkurven im oberen und unteren Teil der Öfen auftretenden
Probleme nicht unerheblich und bisher trotz Verwendung von Umwälzventilatoren, Hochgeschwindigkeitsbrennern,
Injektorddsen, Unterbrennern bis weit in die Vorwärmzone hinein, Vorbrennkammern
mit Sekundärluft etc. nur unzureichend gelöst. Hinzu kommt, daß diese Lösungsvorschläge
erhebliche Investitionskosten verursachen. Demgegenüber kann durch die Anwendung
des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Verteilung der erzeugten Wärme ohne hohen
Energieaufwand dorthin erfolgen, wo sie benötigt wird. Weiterhin ermöglicht das
Verfahren extrem kurze Durchlaufzeiten.
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Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei kontinuierlich
arbeitenden Brennöfen bleibt die eigentliche Brennzone ab einer Aufheiztemperatur
von ca. 900°C im wesentlichen unverändert. In der davor gelegenen Aufheizzone sind
unterhalb von 9000C, auch dann, wenn nur Unterbrenner verwandt werden, die Temperaturen
oben im Tunnel bereits höher als unten, da in diesem Bereich die Brennerleistungen
so gering sind,
daß die heißen Gase durch den Auftrieb nach oben
strömen.
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Wenn unter Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens im Bereich der
Aufheizung zwischen ca. 7000 und 9000C eine Rückansaugung von Rauchgasen erfolgt,
so hat das vergrößerte Volumen einen ausreichenden Schub, unter den Ofenbesatz zu
gelangen. Da die Temperatur der eingeblasenen Gase nicht viel höher liegt als die
des Brenngutes, ist eine Schockwirkung ausgeschlossen. In Ergänzung der Wirkung
der Unterbrenner kann in diesem Bereich an der Oberseite des Tunnels, also unter
dem Gewölbe, vorgesehen sein, daß Rauchgas von Kühldüsen zurückgesaugt wird.
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Im vorderen Bereich der Aufheizung, also im Bereich von etwa 2000
bis 7000C, kann unter Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Kilhldüsen,
die auf einer Seite unter das Gewölbe und auf der anderen Seite unter den Besatz
blasen, erreicht werden, daß durch die Ansaugung mehr oder minder großer Mengen
von Abgasen oder mehr oder minder heißer Abgase der gewünschte Temperaturverlauf
sehr genau eingestellt wird. In der Kühlzone kann mit umgekehrtem Effekt eine gleichmäßige
Kühlung erreicht werden. Die bisher vorwiegend eingesetzte teure indirekte Wandkühlung
kann entfallen, die nur die Außenpartien des Besatzes erfaßt und im empfindlichen
Bereich vielfach mehr geschadet als genutzt hat.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Anwendung
in einem Tunnelofen besteht darin, daß die Blasrichtung der Düsen und damit die
Strömung quer zur Längsrichtung
des Brennofens gerichtet sein
kann. Dadurch kann die bisher kaum beeinflußbare Längsströmung durch eine durchgehende
Querströmung ersetzt werden, die die Abgase bzw. Kühlluft länger im Ofenraum beläßt
und mit Hilfe der ständigen Wiederansaugung schneckenförmig durch den Ofen transportiert.
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Es ist zweckmäßig, den oben und unten im Tunnelofen angeordneten Düsen
jeweils gesonderte Zuführungskanale für Abgas bzw. Abluft zuzuordnen, da die unten
liegenden DUsen in der Regel heißere Abgase bzw. heißere Abluft ansaugen müssen,
als die oben liegenden.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,
daß es sich vor allem für die gezielte Verbesserung bestehender Ofenanlagen in den
Fällen eignet, in denen die Produktionskapazität stagniert, und bei denen sich daher
ein neuer Ofen auch dann nicht amortisiert, wenn damit eine spUrbare Verringerung
des Energieverbrauches und eine Qualitätsverbesserung erzielt wird.
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Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Kammeröfen können
die Abgase aus dem Bodenkanal vom Brenner oder den Sekundärluftdüsen zurückgesaugt
werden, wodurch eine Verkürzung des Zyklus und eine Verringerung des Brennstoffverbrauchs
erzielt wird. Die für den Umbau erforderlichen Investitionen sind verhältnismäßig
gering.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen
dargestellten
Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen: Fig. 1 Die Schnitt darstellung einer
Draufsicht auf einen zum Betrieb mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehenen
periodischen Ofen; Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1; Fig. 3
einen schematischen Längsschnitt durch einen zum Betrieb nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren vorgesehenen Tunnelofen; Fig. 4 eine Diagrammdarstellung der über die
Länge des Tunnelofens erstrebten Soll-Temperaturkurve; Fig. 5 eine Schnittdarstellung
entsprechend der Linie V-V in Fig. 3, wobei lediglich der in Transportrichtung gesehen
linke Teil des Tunnelofens dargestellt ist; Fig. 6 einen Schnitt entsprechend der
Linie VI-VI in Fig.
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3, wobei jedoch in Transportrichtung gesehen lediglich der rechte
Teil des Tunnelofens dargestellt ist; Fig. 7 eine Schnittdarstellung in vergrößertem
Maßstab entsprechend der Linie VII-VII in Fig. 3; Fig. 8 einen Schnitt entsprechend
der Linie VIIIa-VIIIa bzw. VIIIb-VIIIb in Fig. 3; Fig. 9 eine Schnittdarstellung
durch die Anordnung gemäß Fig. 3, und zwar längs der Linie IX-IX.
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Bei dem in Fig. 1 und 2 dargestellten periodischen Ofen sind in einem
Isoliermauerwerk 1 Brenner 2, 3, 4 und 5 vorgesehen, durch deren Düsen Heizgas mit
hoher Geschwindigkeit in Brennergassen 6a, 6b bzw. 7a, 7b eingeblasen wird. In den
jeweiligen Ausströmbereich 2a, 3a, 4a bzw. 5a der Düsen mündet ein Abgaskanal 7
bzw. 8 ein. Das Isoliermauerwerk 1 des Brennofens bildet die Außenwand der Abgaskanäle,
während die Innenwand durch ein Innenmauerwerk 9 bzw. 10 gebildet wird.
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Der mit 11 bezeichnete Besatz des Ofens ist auf einer Setzplatte 12
angeordnet. Das aus dem Brenner mit großer Geschwindigkeit in Richtung des Pfeiles
A in die Brennergasse austretende Heizgas saugt infolge der Injektorwirkung aus
dem jeweiligen Abgaskanal etwa die zehnfache Menge an Abgas an. Dieses Gasvolumen
wird infolge der Ausbildung des Innenmauerwerkes durch den Ofenbesatz geleitet und
strömt dann durch in dem Innenmauerwerk 9 bzw. 10 vorgesehene Öffnungen 13 in den
Abgaskanal, in welchem es wiederum von dem aus der Düse austretenden Heizgas mitgenommen
wird. Ein sich an einen der Abgaskanäle anschließender Abzug ist mit 14 bezeichnet.
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Während bei dem bekannten Verfahren die Frischgase den Ofen verlassen,
ohne die Wärme direkt an das Brenngut in die Stapelmitte abzugeben, werden die aus
einer Mischung von Frischgas und Abgas bestehenden Gase im vorliegenden Fall zwangsweise
durch den Besatz geleitet. Ehe die Abgase den Ofen endgUltig verlassen, sind sie
im Durchschnitt etwa zehnmal in den Brennraum zurückgeführt worden. Dies bringt
einen hohen Wirkungsgrad
und eine gleichmäßige Erwärmung mit sich.
Während bei dem bekannten Hochgeschwindigkeitsverfahren die Speicher- und Abstrahlwärme
voll aus der Primärwärme der Frischgase gedeckt wird, wird die Speicher- und Abstrahlwärme
der seitlichen Isolierung und eines Teils der Innenwand bei der nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren arbeitenden Vorrichtung durch Abgaswärme gedeckt. Weiterhin werden die
frischen Heizgase ausreichend gekühlt, was dazu führt, daß eine Vorwärmung der Verbrennungsluft
in rationeller Weise erfolgen kann.
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In Fig. 3 ist schematisch ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
arbeitender Tunnelofen dargestellt. Das Brenngut wird auf schematisch dargestellten
und mit 20 bezeichneten Wägelchen durch den insgesamt mit 21 bezeichneten Tunnelofen
kontinuierlich durchgeführt. In dem Tunnelofen sind eine mit B bezeichnete Vorwärmzone,
eine mit C bezeichnete Aufheizzone, eine mit D bezeichnete Brennzone, sowie eine
mit E bezeichnete Sturzkühlzone und eine sich daran anschließende Kühlzone F vorgesehen.
Die Soll-Temperaturkurve dieser Zonen ist in dem in Fig. 4 gezeigten Diagramm ersichtlich,
in welchem die Temperatur über die Länge des Tunnelofens aufgetragen ist.
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Von dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in der Vorwärmzone B, in
der Aufheizzone C und in der Sturzkühlzone E bzw. der Kühlzone F Gebrauch gemacht,
während die eigentliche Brennzone D gegenüber herkömmlichen Tunnelöfen unverändert
bleibt. Dementsprechend sind die in dieser Zone angeordneten Brenner der besseren
übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Im Bereich
der Aufheizzone
C sind, wie aus Fig. 6 ersichtlich, Brenner 22 vorgesehen, deren Austrittsrichtung
quer zur Längsrichtung des Tunnelofens gerichtet ist, wie aus Fig. 7 ersichtlich.
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Unterhalb einer Isolierung 23 ist ein Gewölbe 24 angeordnet, wobei
die Gewölbewandung eine vertikal angeordnete Verlängerung 24a aufweist. Zwischen
der Isolierung 23 und dem Gewölbe 24 ist ein Abgaskanal 25 gebildet. Der Abgaskanal
25 mündet im Bereich des Austritts des Brenners 22 ein, wodurch erreicht wird, daß
durch die Injektorwirkung der Düse des Brenners 22 Abgas abgesaugt und in Richtung
des Pfeiles 26 in das Ofeninnere und damit in den Bereich des Brenngutes 27 geführt
wird. An der gegenüberliegenden Seite sind, wie aus Fig. 5 und Fig. 7 ersichtlich,
im oberen Bereich Luftdüsen 28 zur Zufuhr von Kalt- oder Warmluft angeordnet. In
den Austrittsbereich dieser Düsen mündet ein Abgas- oder Abluftkanal 29 ein. In
der Aufheizzone C wird somit Frischgas unter gleichzeitiger Rückansaugung von Rauchgasen
in den unteren Bereich eingeblasen, wobei dieses vergrößerte Volumen einen ausreichenden
Schub hat, unter den Ofenbesatz 27 zu gelangen.
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Da die Temperatur der eingeblasenen Gase nicht viel höher liegt als
die des Brenngutes, ist eine Schockwirkung ausgeschlossen. In Ergänzung der Wirkung
der Unterbrenner kann in diesem Bereich an der Oberseite des Tunnels, also unter
dem Gewölbe 24, vorgesehen sein, daß Rauchgas von (nicht dargestellten) Kühldüsen
zurückgesaugt wird. Den Abgaskanälen sind jeweils Sammelkanäle 30 bzw. 31 zugeordnet,
die letztlich zu Abzügen 33 bzw0 34 führen.
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In der Kühl- und Vorwärmzone F bzw. B weist das Gewölbe 24 eine vertikal
verlaufende Verlängerung 24b auf, sowie Düsen 28a bzw. 32, in deren Austrittsbereichen
wiederum die Abgaskanäle 25 bzw. 29 einmünden. In Fig. 9 ist dargestellt, wie der
Ofeninnenraum mit den Längskanälen 30 und 31 verbunden ist. Hierzu weist das Gewölbe
Öffnungen 33 bzw. 34 auf, die im Prinzip der Wirkung der Öffnungen 13 bei der Darstellung
gemäß Fig. 1 und 2 entsprechen.