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Wärmebehandlungsofen Oie Erfindung bezieht sich auf einen Wärmebehandlungsofen,
mit einer Ofenkammer sowie zumindest einem Brenner, der im Ofeninneren eine offene
Flamme führt und Heizgase zur Beaufschlagung des Behandlungsgutes erzeugt.
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Bekannte Wärmebehandlungsöfen dieser Art lassen mitunter hinsichtlich
der Umwälzung im Inneren der Ofenkammer, vor allem aber hinsichtlich der relativ
hohen Energiekosten für den Betrieb zu wünschen übrig. So sind bisherige Wärmebehandlungsdfen
und auch Brenner,die an den Wandbereichen angesetzt sind, so gestaltet, daß die
im oberen Bereich der Ofenkammer anfallenden, zur Beaufschlagung des Behandlungsgutes
nicht mehr oder nicht wesentlich herangezogenen Heizgase und Abgase über Abgasleitungen
in die Atmosphäre abgegeben werden. Die für den Betrieb jedes Brenners zuzuführende
Zuluft wird in kaltem Zustand direkt zugeführt, so daß der Wirkungsgrad der Brenner
relativ niedrig ist, vor allem deswegen, weil die der Misch- und Brennkammer im
Brenner zugeführte, kalte Luft in dieser Kammer auf Entflammtemperatur des Brennstoffes
aufgeheizt werden muß. Dadurch wird dem Brennstoff ein beachtlicher Teil der innewohnenden
Hsizenergie entzogen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmebehandlungsofen
eingangs genannter Art zu schaffen, bei dem mit nur geringem Aufwand eine gute Umwälzung
im Inneren der Ofenkammer erzielt wird und außerdem hinsichtlich der einzelnen Brenner
praktisch ohne jeglichen Zusatzaufwand der Wirkungsgrad erheblich verbessert wird,
ohne daß dabei hinsichtlich der einzelnen Brenner irgendwelche sonstigen Nachteile,
wie z.B. Zerstörungsgefahr durch Verzunderung des Brennermetalls, in Kauf genommen
werden müßten.
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Oie Aufgabe ist bei einem Wärmebehandlungsofen eingangs genannter
Art erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs
1 gelöst. Dadurch ist es mit einfachen Mitteln, nämlich allein dem zusatzlichen
Heizgasabfuhrkanal und Brenneraußenstutzen, möglich gemacht, im Inneren der Ofenkammer
enthaltene, zur Aufheizung oder Temperierung des Beheizungsgutes ohnehin nicht mehr
herangezogene Heizgase einerseits dem Ofenraum zu entziehen, um eine gute Durchmischung
und gleichmäßige Temperierung und Stromung im Ofeninneren zu erhalten, andererseits
aber wieder dem Ofeninneren zuzuführen, und damit den Energieinhalt, der sonst ungenutzt
bleibt, der Heizgase wieder dem Prozeß und Ofen zuzuführen. Von Vorteil ist dabei,
daß für die Rückleitung der Heizgase in die Ofenkammer nicht etwa besondere Offnungen
in der Ofenwandung vorgesehen werden müssen, sondern daß hierzu die Stellen herangezogen
werden, an denen die einzelnen Brenner angesetzt und eingesetzt sind. Ein besonderer
Mehraufwand ist damit nicht erforderlich. Ein weiterer wesentlicher Vorteil liegt
ferner darin, daß nun in einfacher Weise die für den Brennerbetrieb notwendige Zu
luft, die kalt zugeführt wird, mittels der rückgeführten Heizgase vorgewärmt werden
kann.
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Unter Nutzung des Energieinhaltes dieser Heizgase kann also der Wirkungsgrad
jedes einzelnen Brenners mit denkbar einfachen Mitteln, die praktisch keinen Mehraufwand
bedeuten, beachtlich verbessert werden. Eine vorteilhafte
Ausführungsform
hierzu ergibt sich aus Anspruch 2. Der zusätzliche Wärmeaustauscher bewirkt eine
besonders gute Vorwärmung der zugeführten Kaltluft.
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Wärmebehandlungsöfen, insbesondere z.B. Durchlauföfen,haben Zonen
verschiedener Temperaturstufen. So ist z.B. für die erste Zone des Ofens, wo das
eingeführte Behandlungsgut möglichst schnell auf Solltemperatur gebracht werden
soll, eine relativ hohe Temperatur notig. Oies besorgen mehrere entsprechend angeordnete
Brenner. In diesem Bereich fallen Heizgase und Abgase hoher Temperatur an, die dem
Ofen entzogen und bisher einfach an die Umgebung als Verluetwärme abgegeben werden.
Dabei haben z.B. Durchlauföfen in Ourchlaufrichtung anschließende Bereiche, bei
denen das Behandlungsgut mittels dort sitzender Brenner auf entsprechender Temperatur
gehalten werden soll. Um dort die entsprechenden Temperaturen zu erreichen und beizubehalten,
muß man dort also ebenfalls Brenner verwenden und Heizenergie aufwenden. Oie Erfindung
hat sich insoweit zur AuFgabe gesetzt, die bisher nutzlos abgeführte Energie im
heißen Abgas moglichst nutzbringend zu verwenden und dem Prozeß und Ofen wieder
zuzuführen. Eine wesentliche Lösung ergibt sich aus Anspruch 3 sowie den Ansprüchen
4 und 5.
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Ober den Abgaskanal kann also das sonst nutzlos abgeführte, heiße
Abgas, das je nach Betriebstemperatur im Ofen Temperaturen zwischen 800 0C und 9000C
oder auch zwischen 6000C und 700°C haben kann, dazu herangezogen werden, an anderen
Bereichen des gleichen Ofens oder eines anderen Ofens die dort gewünschten Temperaturen
einzustellen und zu sichern, und dies entweder bei zugleich betriebenem Brenner
an dieser Stelle oder auch, ohne daß es überhaupt der Einschaltung des Brenners
an dieser Stelle bedarf, sofern die dort wieder zugeführte Heizenergie im Abgas
noch ausreichend ist. Ist der Brenner ohnehin mit einem Brenneraußenstutzen versehen,
über den abgezweigtes Heizgas entweder direkt oder über einen Wärmeaustauscher vom
Heizgasabfuhrkanal wieder zurück in den Ofen geleitet werden kann, so kann
auch
die Rückführung der über den Abgaskanal abgezogenen Abgase über diesen Brenneraußenstutzen
erfolgen. Besonderer Oeffnungen im Ofenmantel oder Einführrohre bedarf es dann also
nicht. Als einzige Zusatzteile sind ein Rohr fur den Abgaskanal und die einzelnen
Abzweigstutzen sowie ein Umwälzer, z.B. Ventilator oder Pumpe, nötig, der das Abgas
in den Abgaskanal fördert. Damit ist also ein wesentlicher Beitrag zur Energieersparnis
geleistet, ohne daß dies praktisch einan Zusatzaufwand und Zusatzkosten bedeutet.
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In den übrigen Ansprüchen 6 - 14 sind weitere vorteilhafte Ausführungsformen
enthalten.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung.
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Der vollständige Wortlaut der Ansprüche ist vorstehend allein zur
Vermeidung unnötiger Wiederholungen nicht wiedergegeben, sondern lediglich durch
Nennung der Anspruchsnummer darauf bezug genommen, wodurch jedoch alle Anspruchsmerkmale
als an dieser Stelle erfindungewesentlich offenbart zu gelten haben.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen gezeigten
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1, 2 und 3 jeweils einen
schematischen Schnitt eines Wärmebehandlungsofens mit zumindest einem Brenner, gemäß
einem ersten bzw. zweiten bzw. dritten Ausführungsbeispiel, Fig. 4 eine schematische
Seitenansicht des Wärmebehandlungsofens gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel in
Fig.3,
Fig. 5 einen schematischen Schnitt mit teilweiser Seitenansicht
des Wärmebehandlungsofens gemäß Fig. 3 und 4, in vergrößerem Maßstab, Fig. 6 einen
Schnitt entlang der Linie VI-VI in Fig. 5.
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Beim ersten Ausführungsbeispiel in Fig. 1 ist schematisch ein Wärmebehandlungsofen
10 angedeutet, der im Einzelfall z.B. als Stoßofen, Kammerofen, Herdwagenofen, Durchlaufofen
oder dergl. gestaltet sein kann. Jede spezielle Ofenform ist möglich. Der Wärmebehandlungsofen
10 ist in üblicher Weise gemauert und außen von einem Metallmantel umgeben. Er ist
als Hochtemperaturofen, der eine Arbeitstemperatur von etwa 10000C ermöglicht, oder
auch als Niedertemperaturofen ausgebildet, bei dem die Arbeitstemperatur etwa 6000
- 7000C beträgt. Der Wärmebehandlungsofen 10 ist mit mehreren in Abstand gruppierten
Brennern versehen, von denen schematisch nur der eine Brenner 11 angedeutet ist.
Der Brenner 11 führt im Inneren der Ofenkammer 12 eine offene Flamme und erzeugt
dort Heizgase zur Beaufschlagung des im Ofen befindlichen Behandlungsgutes. Der
Brenner ist beispielsweise im wesentlichen so gestaltet, wie aus OE-GM 79 30 338
ersichtlich ist, jedoch mit den nachfolgend beschriebenen Besonderheiten.
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Der Brenner 11 weist einen im wesentlichen rohrförmigen BrennerauBenstutzen
13 auf, der die Grundelemente des Brenners, nämlich den schematisch angedeuteten
Zuluftstutzen 14, sowie die restlichen Elemente, die nicht sichtbar sind, nämlich
den Gas- oder Olstock, die Prallscheibe und die Zündelektroden, des Brenners 11
umgibt.
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Der Brenneraußenstutzen 13 mündet über eine Offnung 15 in die Ofenkammer
12.
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In Abstand oberhalb des Brenners 11 weist die Ofenkammer 12 einen
zugeordneten Heizgasabfuhrkanal 16 auf, der über die Offnung 17 mit dem Inneren
der Ofenkammer 12 in Verbindung steht und nur schematisch angedeutet ist. Der Heizgasabfuhrkanal
16 ist zum Brenner 11 geführt. Er führt letzterem die Heizgase im Inneren der Ofenkammer
12 zu, und zwar die Heizgase aus dem Bereich des Ofens 10, wo die Heizgase zur Behandlung
des Behandlungsgutes ohnehin § nicht mehr oder nicht mehr wesentlich beitragen.
Die Zuführung der Heizgase geschieht in den Brenneraußenstutzen 13, so daß die zugeführten
Heizgase in Pfeilrichtung den Ringraum passieren können, der zwischen dem Brenneraußenstutzen
13 und dem die einzelnen Elemente des Brenners umgebenden Zuluftstutzen 14 gebildet
ist. Mithin werden die Heizgase dem Prozeß wieder zugeführt. Sie werden in der Flamme
des Brenners 11 verbrannt oder als Gasstrom wieder eingeleitet. Die zur Verbrennung
des Brennstoffes, z.B.
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Gas oder Ol, im Brenner 11 notwendige Frischluft wird über den Zuluftstutzen
14 zugeführt, der mittels eines Ventilators 18 mit Frisch luft gespeist wird.
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Bei dem in Fig. 2 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel sind für die
Teile, die dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechen, um 100 größere Bezugszeichen
verwendet, so daß dadurch zur Vermeidung von Wiederholungen auf das erste Ausführungsbeispiel
gemäß Fig. 1 bezug genommen ist.
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Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel
in Fig. 1 dadurch, daß der Zuluftstutzen 114 einen in den Zuluftstrom geschalteten
Wärmeaustauscher 120 aufweist. Dieser sitzt mit seiner Tauschkammer 121 im Heizgasabfuhrkanal
116, so daß die Tauschkammer 121 von den Heizgasen durchströmt ist. Dadurch wird
die im Zuluftstutzen 114 geführte Frischluft über die Heizgase vorgewärmt, so daß
die in den Heizgasen enthaltene Wärmeenergie mitgenutzt wird. Wie beim ersten Ausführungsbeispiel
in Fig. 1 und dort im Inneren der Ofen-
kammer 12 durch Pfeile
angedeutet ist, bleibt auch beim zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 die erzielte
Umwälzung im Inneren der Ofenkammer 12 erhalten, die durch oberes Abziehen der Heizgase
mittels des Heizgasabfuhrkanales 16 bzw. 116 und dadurch erreicht wird, daß im unteren
Bereich des Brenners 11 bzw. 111 wieder die Zuführung und dort außerdem die Flammbildung
erfolgt.
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Beim dritten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 - 6 sind für die Teile,
die dem ersten oder zweiten Ausführungsbeispiel entsprechen, um 200 größere Bezugezeichen
aus den genannten Gründen verwendet.
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Der Wärmebehandlungsofen 200, der entsprechend der Darstellung in
Fig. 4 z.B. ein Ourchlaufofen ist, weist im als Hochtemperaturbereich 230 fungierenden
vorderen Bereich der Ofenkammer eine Vielzahl einzelner Brenner 231 auf, die herkömmlicher
Art oder auch gemäß dem bereits beschriebenen Brenner 11 ausgebildet sind. Auch
in den in Durchlaufrichtung folgenden Bereichen etwas niedriger Temperatur ist der
Wärmebehandlungsofen 200 mit einzelnen Brennern 211 jeweils erläuterter Ausbildung
versehen. Sieht man von der Besonderheit des Brenners 211 ab, liegt die Besonderheit
dieses Wärmebehandlungsofens 10 darin, daß die Brenner 231 und/oder die Brenner
211 - in Fig. 4 ist nur letzteres gezeigt - an einen Abgaskanal 232 dieses Ofens
200 angeschlossen und aus diesem gespeist sind. Der Abgaskanal 232 ist mit einer
Isolierschicht 233 umgeben (Fig. 5). Er weist je Brenner 211 einen Abzweigstutzen
234 auf, der ein gesteuertes oder geregeltes Verschluorgan, z.B. in Form einer Klappe
235 (Fig. 5) enthält.
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Der Abgaskanal 232 weist an der in Fig. 4 vorderen Abzweigstelle einen
Umwälzer 236, z.B. einen Ventilator oder eine Pumpe, auf, der aus dem Hochtemperaturbereich
230 die heißen Abgase in Pfeilrichtung absaugt und in den Abgaskanal 232 hineinfördert.
Oie über den Abzweigstutzen 234 abgezweigten Abgase, die je nach Temperatur
im
Ofenbereich 230 noch Temperaturen um 800°- 9000 C EHochtemperaturofen) oder etwa
6000 C (Niedertemperaturofen) haben können, werden dem Wärmeaustauscher 220 (Fig.3,
5 und 6) über einen Injektor 237 zugeführt. Ansonsten entspricht der Ofen und Brenner
dem in Fig. 2 gezeigten und beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel. Es versteht
sich, daB die Speisung mit Abgasen über den Abgaskanal 232 alternativ dazu auch
beim ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 zur Anwendung kommen kann, also nicht
an die Vorwärmung der Frischluft durch den Wärmeaustauscher. 220 gebunden ist. In
diesem Zusammenhang ist sie gleichwohl besonders vorteilhaft. Der schematisch angedeutete
Injektor 237 arbeitet nach dem Prinzip der Wasserstrahlpumpe. Er ist hiermit den
aus dem Abgaskanal 232 kommenden Abgasen als Antriebsmedium gespeist, so daß dadurch
die im Heizgasabfuhrkanal 216 abgeführten Heizgase durch Injektorwirkung abgesaugt
und zugemischt werden. Oie Verhältnisse können aber auch vertauscht sein.
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Weitere konstruktive Einzelheiten des Wärmebehandlungsofens 200 gemäß
dem dritten Ausführungsbeispiel sind nun anhand von Fig. 5 und 6 eingehender erläutert.
Soweit die nachfolgende Beschreibung den Brenner und die erzielte Rekuperast ion
der Heizgase und Umwälzung und Vorwärmung der Zuluft betrifft, gilt diese Beschreibung
gleichermaßen auch für das zweite Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2.
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Der Brenneraußenstutzen 213 ist zur Ofenkammer 212 hin düsenförmig
verjüngt. Dieser düsenförmige Abschnitt ist mit 238 bezeichnet. Zusammen mit dem
ebenfalls in diesem Bereich verjüngten Zuluftstutzen 214 bildet der Brenneraußenstutzen
213 einen Injektor 239, mittels dem die Heizgase im Heizgasabfuhrkanal 216 abgesaugt
und in Pfeilrichtung 240 zugemischt und in das Innere der Ofenkammer 212 zusammen
mit der Flamme eingeführt werden.
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Der Wärmeaustauscher 220 ist als Bündelrohraustauscher 241 ausgebildet,der
mehrere kreisförmig gruppierte Rohre 242 enthält. Letztere sind hier lotrecht ausgerichtet,
wobei der Eingang in Fig. 5 oben und der Abgang in Fig. 5 unten liegt. Der untere
Abgang aller Rohre 242 mündet ein in den Zuluftstutzen 214. Letzterer enthält im
Inneren den Gas- und oder Olstock 243, die vordere Prallscheibe 244 und die Zündelektroden
245.
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Der obere Eingang aller Rohre 242 ist über einen lotrecht verlaufenden
Zyklonschacht 246 vom Zufuhrrohr 247 des Zuluftstutzens 214 gespeist. Das Zufuhrrohr
247, dem in beschriebener Weise über den Ventilator 18 (Fig. 1) Zuluft zugeführt
wird, enthält ein gesteuertes oder geregeltes VerschluBorgan z.B. in Form einer
Klappe 248.
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Aus Fig. 5 ist ersichtlich, daß der oben befindliche Eingang aller
Rohre 242 etwa in Höhe des von der Ofenkammer 212 abgehenden Heizgasabfuhrkanales
216 angeordnet ist.
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Oas Zufuhrrohr 247 liegt etwa in Höhe des Zuluftstutzens 214. Es ist
tangential an eine Ringkammer 249 (Fig. 6) angeschlossen, die den Zyklonenschacht
246 enthält und bildet. Die Ringkammer 249 enthält im unteren Bereich den darin
verlaufenden Brenneraußenstutzen 213, der den Fußteil eines z. B. zylindrischen
Abschnittes 250 des Heizgasabfuhrkanales 216 bildet. Der Abschnitt 250 bildet die
innere Begrenzung der Ringkammer 249. Er enthält im Inneren den Bündelrohraustauscher
241 mit den Rohren 242.
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Am in Fig. 5 oberen, dem Brenner 211 abgekehrten Ende ist der Abschnitt
250 an den Abzweigstutzen 234 des Abgaskanales 232 und an den Heizgasabfuhrkanal
216 angeschlossen, so daß also beide in Richtung der Pfeile 251 bzw.
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252 heiße Gase in das Innere des Abschnittes 250 einleiten, die zum
Brenneraußenstutzen 213 führen und die in Richtung der Pfeile 253 die einzelnen
Rohre 242 durchströmende Frischluft vorwärmen.
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Ist die Zuführung heißen Abgases über den Abzweigstutzen 234 bei geschlossener
Klappe 235 gesperrt, arbeitet der Brenner so wie derjenige gemäß zweitem Ausführungsbeispiel
in Fig. 2. Die in Pfeilrichtung 252 mittels des Heißgasabfuhrkanales 216 aus der
Ofenkammer 212 abgeführten Heizgase werden zur Vorwärmung der für die Verbrennung
zugeführten Frischluft herangezogen. Im Inneren der Ofenkammer 212 ergibt sich eine
sehr gute Umwälzung. Der Erfolg sind § einerseits eine außerordentlich günstige
Energiebilanz und zum anderen relativ gleichmäßige Ofentemperaturen und eine gute
und gleichmäßige Beaufschlagung des Behandlungsgutes. Berücksichtigt man, daß sonst
im oberen Bereich der Ofenkammer 212 anfallende Heizgase, die zur Wärmebehandlung
des Behandlungsgutes nicht mehr beitragen können, ungenutzt an die Atmosphäre abgegeben
werden, so zeigt sich der große Gewinn an Heizenergie und damit die große Ersparnis
an Energiekosten.
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Bei geöffneter Klappe 235 wird außerdem von anderen Ofenbereichen
über den Abzweigstutzen 234 noch heißes Abgas zugeführt, das hier ebenfalls zur
Rekuperation herangezogen, also nutzbringend verwendet wird.
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Wenn die Temperatur des Abgases, das im Abgaskanal 232 geführt wird,
allein ausreichend ist, um im Bereich des Brenners 211 im Inneren der Ofenkammer
212 ausreichende Temperaturen zu erzeugen, kann der Brenner 211 auch abgeschaltet
und im Zufuhrrohr 247 dessen Klappe 248 geschlossen werden. Dann wird das heiße
Abgas im Abgaskanal 232, dort gefördert mittels des Umwälzers 236, über den Abzweigstutzen
234, ggf. unter Vermischung mit Heizgasen, die vom Heizgasabfuhrkanal 216 geführt
werden, im Abschnitt 250 des Brenneraußenstutzens 213in Richtung der Pfeile 240
und in das Innere der Ofenkammer 212 geleitet, so daB bei diesem Betrieb die im
heißen Abgas (Pfeil 251) enthaltene Energie noch nutzbringend verwendet und dem
Ofen zurückgeführt wird.
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Bei einem anderen, nicht gezeigten Ausführungsbeispiel kann der Brenner
11, 111, 211 auch im oberen Bereich des Ofens sitzen, wobei dann der Heizgasabfuhrkanal
16, 116r 216 zweckmäßigerweise im unteren Bereich des Ofens angeordnet ist. Auch
andere Strömungsführungen des aus der Ofenkammer abgezweigten Heizgases und/oder
mittels des Abgaskanales abgeleiteten Abgases liegen im Rahmen der Erfindung.
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L e e r s e i t e