[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur impulsweisen Einbringung eines
brennbaren Gases oder von Luft in einen Brennraum oder dgl., insbesondere zur Befeuerung
eines oberhalb der Zündtemperatur betriebenen Tunnelofens der keramischen Industrie
mit Gas, mittels einer in den Brennraum ragenden Lanze, die an eine mit einem impulsweise
steuerbaren Magnetventil versehenen Zuführungsleitung für das einzubringende Medium
angeschlossen ist.
[0002] Ein Großteil der in der keramischen Industrie verwendeten öfen sind als Tunnelöfen
ausgebildet. Diese bestehen prinzipiell aus zwei hintereinander geschalteten Gegenstrom-Wärmetauschern
mit dazwischenliegender Brennzone. Der zur Erwärmung und Kühlung des Brenngutes erforderliche
Luftmassenstrom entspricht in etwa dem Massenstrom des Brenngutes und wird ganz oder
großenteils durch die Brennzone geführt. Dadurch steht in der Regel in der Brennzone
zwischen 7oo und 125o Grad C aufgeheizte Luft mit für die Verbrennung ausreichendem
Sauerstoffgehalt zur Verfügung.
[0003] Den hierbei verwendeten Brennern kommt die Aufgabe zu, die erforderliche Temperatur
bei homogener Temperaturverteilung und oxidierender Ofenatmosphäre zu erzeugen. Außerdem
ist zur Einstellung der Leistungsverteilung über den Ofenquerschnitt bzw. die Ofenlänge
eine individuelle Einstellung jeden Brenners erforderlich.
[0004] Zur Erzeugung der für eine homogene Temperaturverteilung notwendigen Austrittsgeschwindigkeit
und der oxidierenden Verbrennung werden die weitaus meisten Brenner heute unter Zugabe
von Sekundärluft betrieben.
[0005] Aufgrund des Gegenstromprinzips beim Tunnelofen können aber die Luftmengen in der
Aufheiz- und Kühlzone nicht frei gewählt werden. Daher muß bei Sekundärluftzugabe
an den Brennern ein entsprechender Teil der zum Wärmetausch in der Kühlzone benötigten
Luft vor Eintritt in die Brennzone vom Ofen abgezogen werden. Diese Heißluft wird
im allgemeinen zur Trockung verwendet. Allerdings stimmt der Wärmebedarf des Trockners
häufig weder zeitlich noch quantitativ mit dem Wärmebedarf des Ofens überein, so daß
neben Wärmeverlusten in den Leitungen besonders am Wochenende die Ofenabwärme nicht
vollständig verwertet werden kann. Neben häufig anzutreffenden Wärmemengen zur Decken-
und Wandkühlung führen Maßnahmen zur Verringerung der Rauchgasmenge und die Rückgewinnung
der im Rauchgas enthaltenen Wärme zu einer stetigen Vergrößerung des Wärmeangebots,
das weder vom Trockner noch von anderen Einrichtungen sinnvoll verwertet werden kann.
Der Wirkungsgrad des Trockners steigt zudem in dem Maße, in dem der zur Trocknung
verwendeten Luft die Energie durch Zwischenaufheizung zugeführt wird. Auch im Sinne
eines optimalen Trocknerwirkungsgrades sind somit große vom Ofen zur Verfügung stehende
Luftmengen nicht wünschenswert.
[0006] Um die vom Ofen abzuführende Heißluftmenge zu verringern, ist es bereits bekannt,
Luft und Gas zu mischen, wobei durch die mechanische Energie des Gasdrucks Heißluft
aus der Kühlzone des Ofens über Rohrleitungen vom Brenner angesaugt wird. Die Steuerung
der Brennerleistung erfolgt dabei über Gasimpulse, deren Dauer und Häufigkeit individuell
eingestellt werden kann.
[0007] Mit diesem Verfahren können ohne Einsatz von Ventilatoren zwar Sekundärlufttemperaturen
bis 6
00 Grad C erzielt werden, nachteilig ist hierbei aber, daß die Sekundärlufttemperatur
erheblich unter der Ofenraumtemperatur bleibt und ein isoliertes Rohrleitungssystem
zur Zuführung der Verbrennungsluft erforderlich ist.
[0008] Ferner ist es bekannt, mittels einer Brennerlanze impulsweise Gas unter hohem Druck
in den Brennraum zu injizieren. Die Mischung des Gases mit der Ofenatmosphäre erfolgt
durch die Injektorwirkung. Die Leistung der Brenner wird durch ein Drosselventil individuell
eingestellt.
[0009] Nachteilig ist hierbei, daß die Mischung des Gases mit der Ofenatmosphäre erst im
Brennraum erfolgt und dort durch eine stark gelbe Flamme eine reduzierende Atmosphäre
erzeugt wird. Um dem örtlichen Sauerstoffmangel entgegenzuwirken, werden die Brenner
sequenziell einzeln geschaltet. Auch auf diese Weise kann allerdings nicht verhindert
werden, daß örtliche Reduktionen auftreten, welche zu Verfärbungen am Brenngut führen.
Weiterhin ist insbesondere im Bereich des Vorfeuers und bei hohen Brennerleistungen
eine vollständige Verbrennung des Gases nicht sichergestellt, da die Gaswolke mit
der Ofenatmosphäre in den Bereich von Temperaturen unterhalb der Zündtemperatur gelangen
kann, ohne daß eine ausreichende Mischung mit der sauerstoffhaltigen Ofenatmosphäre
erfolgt wäre. Daher sind in den ersten Brennerreihen dieses Systems herkömmliche Brenner
mit Sekundärluftzugabe vorgesehen.
[0010] Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der vorgenannten Art zu schaffen,
die ohne jede Zugabe von Sekundärluft eine oxidierende, flammenfreie Verbrennung bzw.
eine Homogenisierung der Atmosphäre in dem Brennraum ermöglicht. Die Vermischung des
zugegebenen Brenngases bzw. der Luft mit dem in dem Brennraum vorhandenen Gas soll
hierbei äußerst intensiv sein, außerdem soll durch den austretenden Freistrahl eine
intensive Umwälzung und eine weitere Vermischung erreicht werden. Der Bauaufwand,
mit dem dies zu bewerkstelligen ist, soll gering gehalten werden, ferner soll ein
störungsfreier Betrieb gewährleistet sein.
[0011] Gemäß der Erfindung wird dies bei einer Vorrichtung zur impulsweisen Einbringung
eines brennbaren Gases oder von Luft in einen Brennraum oder dgl. mittels einer in
diesen ragenden Lanze dadurch erreicht, daß auf diese eine den aus dieser austretenden
Strahl des in den Brennraum einzubringenden Mediums aufnehmende Mischdüse aufgesetzt
ist, die in Strömungsrichtung einen sich stetig verjüngenden Querschnitt aufweist
und die mit einer oder mehreren öffnungen versehen ist, über die zur Vermischung des
injizierten Mediums mit der Ofenatmosphäre Gas aus dem Brennraum ansaugbar und mittels
der Mischdüse in diesen als gebündelter Strahl einbringbar ist.
[0012] Zweckmäßig ist es hierbei, die Mischdüse im Bereich vor der Austrittsöffnung mit
kegelig ausgebildeten und/oder konvex gekrümmten Innenmantelflächen zu versehen und
die in diese eingearbeiteten öffnungen zum Ansaugen von Gas aus dem Brennraum seitlich
der Lanze in deren Endbereich in der Wandung anzuordnen, wobei die öffnungen als Bohrungen
mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet und in einem zylindrischen Teil der Mischdüse
vorgesehen sein sollten, an die sich der im Querschnitt stetig verjüngende Bereich
der Mischdüse anschließt.
[0013] Um die Geschwindigkeit des aus der Lanze austretenden Gasstrahles zu erhöhen, kann
an deren in die Mischdüse ragenden Ende eine Drossel vorgesehen werden.
[0014] Angebracht ist es ferner, die Mischdüse mit einer mit Abstand zu der Lanze angeordneten
einen Strömungskanal bildenden Ummantelung auszustatten, durch den der Mischdüse vorzugsweise
über deren öffnungen Frischluft oder ein anderes Gas zuführbar ist. Hierbei ist es
vorteilhaft, die Ummantelung höhenverstellbar anzuordnen und durch diese die seitlichen
öffnungen der Mischdüse ganz oder teilweise abzudecken. Auf diese Weise kann im Bedarfsfall
der Mischdüse sowohl Frischluft zugegeben als auch diese teilweise mit der Ofenatmosphäre
gemischt werden.
[0015] Die Lanze, die Mischdüse und/oder die Ummantelung sollten wegen der in dem Brennraum
herrschenden hohen Temperaturen ganz oder teilweise aus einem hitzebeständigen Werkstoff,
vorzugsweise aus Siliziumcarbid, hergestellt sein.
[0016] Zur Einbringung unterschiedlicher Medien in den Brennraum kann, um mittels der Vorrichtung
somit verschiedene Brennstoffe verbrennen zu können, die Lanze mit einer Mischkammer
ausgestattet werden, an die jeweils mit einem impulsweise steuerbaren Magnetventil
versehene Zuführungsleitungen anzuschließen sind. Die Befeuerung eines Brennofens
kann beispielsweise von einer Befeuerung mit Gas auf eine Befeuerung mit öl demnach
in sehr kurzer Zeit und ohne daß bauliche Maßnahmen erforderlich sind, umgestellt
werden, wobei als Treibgas und zur Zerstäubung des Öls Preßluft verwendet werden kann.
[0017] Wird die erfindungsgemäß ausgebildete Mischdüse zur Befeuerung eines Brennofens verwendet,
ist es zweckmäßig, jeweils mehrere Mischdüsen zu einer gemeinsam gesteuerten Gruppe
zusammenzufassen, der jeweils ein Steuergerät zuzuordnen ist, mittels dem die Magnetventile
der Mischdüsen individuell derart steuerbar sind, daß bei veränderbarer, konstanter
öffnungsdauer die öffnungsfrequenz in Abhängigkeit von der Temperatur im Brennraum
über einen Regler einstellbar ist. Die Schaltung der Magnetventile sollte hierbei
stets versetzt erfolgen, auch sollte im Bereich zumindest einer Mischdüse einer Gruppe
im Brennraum ein Thermoelement angeordnet werden, das mit dem Regler verbunden ist.
[0018] Die gemäß der Erfindung ausgebildete Vorrichtung zur impulsweisen Einbringung eines
brennbaren Gases oder von Luft in einen Brennraum oder dgl. ist nicht nur sehr einfach
in ihrer konstruktiven Ausgestaltung und demnach ohne Schwierigkeiten auf wirtschaftliche
Weise herzustellen, sondern auch betriebssicher, vor allem aber wird eine oxidierende
flammenfreie Verbrennung ohne Zusatz von Sekundärluft ermöglicht. Wird nämlich auf
die Lanze eine Mischdüse aufgesetzt, die einen sich stetig verjüngenden Querschnitt
und öffnungen aufweist, so wird in der Mischdüse eine intensive Vermischung des injizierten
Mediums unter Ausnutzung des vollen zur Verfügung stehenden Gasdruckes von ca. 1 -
3 bar mit der Ofenatmosphäre vorgenommen, da durch die öffnungen Gas aus dem Brennraum
angesaugt und in diesen als gebündelter Strahl eingebracht wird. Durch die Injektorwirkung
tritt somit innerhalb der Mischdüse eine intensive Vermischung des zugeführten Mediums
aus dem Brennraum ein. Außerdem wird durch die hohe Temperatur der Ofenatmosphäre
und den durch die Injektorwirkung erzeugten, mit steigendem Gasdruck sich vergrößerndenLuftüberschuß
eine stark oxidierende Verbrennung bereits in der Düse erreicht, so daß aus der Düse
ein gebündelter Heißgasstrahl austritt, dessen Geschwindigkeit weitgehend vom Gasdruck
bestimmt wird und in der Größenordnung von herkömmlichen mit Sekundärluft betriebenen
Brennern liegt. Eine ausreichende Umwälzung der Ofenatmosphäre ist somit sichergestellt.
[0019] Der austretende gebündelte Strahl saugt nach dem Injektorprinzip wiederum Ofenatmosphäre
an und bewirkt neben dem Umwälzeffekt eine weitere Zumischung von heißer Ofenatmosphäre.
Versuche haben ergeben, daß bei Gasdrücken von mehr als o,8 bar eine oxidierende,
häufig flammenfreie Verbrennung erreicht wird. Auf diese Weise wird die reduzierende
Atmosphäre bei direkter Injektion vermieden und dabei eine maximal mögliche Luftvorwärmung
ohne jegliche Rohrleitungen erreicht. Wird über die erfindungsgemäß ausgebildete Mischdüse
kein brennbares Gas, sondern Luft in einen Raum eingebracht, ist auf einfache Weise
eine Umwälzung der vorhandenen Atmosphäre und eine Vergleichmäßigung zu erreichen.
[0020] In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der gemäß der Erfindung ausgebildeten
Vorrichtung zur impulsweisen Einbringung eines gasförmigen Mediums in einen Brennofen
oder dgl. dargestellt, das nachfolgend im einzelnen erläutert ist. Hierbei zeigen:
Fig. 1 die in einem Brennraum eines Tunnelofens angeordnete Vorrichtung, teilweise
im Schnitt,
Fig. 2 die Vorrichtung nach Fig. 1 mit einer der die Mischdüse tragenden Lanze zugeordneten
Ummantelung und
Fig. 3 mehrere zu einer Gruppe zusammengefaßte und gemeinsam regelbare Mischdüsen
nach Fig. 1 in schematischer Darstellung.
[0021] Die in Fig. 1 dargestellte und mit 1o bezeichnete Vorrichtung dient zur Einbringung
eines Mediums in den Brennraum 4 eines Tunnelofens 1 und besteht aus einer mittels
einer Platte 12 in einem in der Decke 2 des Tunnelofens 1 eingearbeiteten Schürloch
3 gehaltenen Lanze 11 sowie einer auf deren in den Brennraum 4 ragenden Ende aufgesetzten
Mischdüse 21. Um eine möglichst hohe Austrittsgeschwindigkeit des in die Mischdüse
21 injizierten Mediums zu erzielen, ist an dem Ende der Lanze 11 eine Drossel 13 angebracht.
[0022] Die Mischdüse 21 besteht aus einem zylindrischen Teil 23 und einem sich im Querschnitt
stetig verjüngenden Bereich 24, dessen Innenfläche 25 konvex gekrümmt ausgebildet
ist. In den zylindrischen Teil 23 der Mischdüse 21 sind Öffnungen 26, bei dem gezeigten
Ausführungsbeispiel sind dies zwei einander gegenüberliegende Bohrungen, eingearbeitet,
durch die, wie dies durch die mit 32 bezeichneten Pfeile dargestellt ist, durch den
aus der Drossel 13 austretenden Strahl 31 Gas aus dem Brennraum 4 angesaugt wird.
In der Mischdüse 21 erfolgt somit bereits eine intensive Vermischung des zugeführten
Mediums mit aus dem Brennraum 4 angesaugtem Gas. Und dieses Gemisch tritt als gebündelter
Strahl 33 aus der Austrittsöffnung 22 der Mischdüse 21 aus und wird flammenfrei in
dem Brennraum 4 verbrannt.
[0023] Um mittels der Mischdüse 21 unterschiedliche Medien in den Brennraum 4 einbringen
zu können, ist die Lanze 11 mit einer Mischkammer 14 versehen, an die Zuführungsleitungen
15, 17 und 19 angeschlossen sind. In jede der Zuführungsleitungen 15, 17 und 19 ist
jeweils ein Magnetventil 16, 18 und 2o eingesetzt, so daß, um z. B. wechselweise eine
Befeuerung mit Gas oder zerstäubtem öl vornehmen zu können, über die Leitung 15 ein
brennbares Gas, das die Mischkammer 14 durchströmt, oder dieser über die Leitungen
17 und 19 öl und Preßluft, die in der Mischkammer 14 miteinander vermischt werden,
zugeführt wird. Im Bedarfsfall kann somit rasch und ohne daß bauliche Maßnahmen erforderlich
sind, eine Änderung der Befeuerung vorgenommen werden. Die Leistungssteuerung erfolgt
durch Schalten der Magnetventile 16 bzw. 18 und 2
0, dessen Schalthäufigkeit und öffnungsdauer der Leistung der Mischdüse 21 proportional
sind.
[0024] Tritt aufgrund der Ofenbetriebsweise in Fällen, in denen der Tunnelofen 1 nicht oder
nur teilweise als durchgehender Wärmetauscher betrieben wird, Sauerstoffmangel in
dem Brennraum 4 auf, so kann der Mischdüse 21 zusätzlich Luft zugeführt werden. Dazu
ist, wie dies bei der Vorrichtung 1
01 in Fig. 2 gezeigt ist, die Lanze 11 mit einer um den Weg s höhenverstellbar angeordnete
Ummantelung 27 versehen, so daß ein Strömungskanal 28 geschaffen ist. Je nach Stellung
der Ummantelung 27 kann somit Frischluft (untere Lage) Gas aus dem Brennraum 4 (obere
Lage) oder eine Mischung aus beiden (mittlere Lage) angesaugt werden. Neben der Einsparung
der Ventilatorenenergie und der stufenlosen Einstellung des Ofenatmosphären-Luftverhältnisses
hat dieses Zugabeprinzip den Vorteil, daß Luft nur dann angesaugt wird, wenn Gas strömt.
[0025] Zur Vergrößerung des Austritts-Impulses kann die Luft auch unter Druck zugeführt
werden. Hierbei erfolgt eine teilweise Steuerung der Luftmenge durch den Gasfluß,
da während der Gasinjektion der Widerstand in der Mischdüse 21 sehr stark vermindert
und die Luftmenge erheblich vergrößert wird.
[0026] Wird die Mischdüse zur Befeuerung eines Tunnelofens verwendet, so ist es angebracht,
wie dies in Fig. 3 schematisch gezeigt ist, jeweils mehrere Mischdüsen 21', 2111,
21"', denen das brennbare Gas über eine gemeinsame Gaszuführungsleitung 15' sowie
impulsweise steuerbare Magnetventile 16', 16'', 16"', zuströmt, zu einer Gruppe zusammenzufassen.
Mittels eines Steuergerätes 41 wird die Öffnungszeit eines der Magnetventile 16',
16'' oder 16''' nach der erforderlichen Leistungsverteiling individuell eingestellt,
während die öffnungsfrequenz für die Mischdüsen einer Gruppe gemeinsam von einem Regler
42 in Abhängigkeit von der Temperatur in dem Brennraum 4, die über ein Thermoelement
43 gemessen wird, über das Steuergerät 41 vorgegeben wird.
1. Vorrichtung zur impulsweisen Einbringung eines brennbaren Gases oder von Luft in
einen Brennraum oder dgl., insbesondere zur Befeuerung eines oberhalb der Zündtemperatur
betriebenen Tunnelofens der keramischen Industrie mit Gas, mittels einer in den Brennraum
ragenden Lanze, die an eine mit einem impulsweise steuerbaren Magnetventil versehenen
Zuführungsleitung.für das einzubringende Medium angeschlossen ist,
dadurch gekennzeichnet , daß auf die Lanze (11) eine den aus dieser austretenden Strahl
des in den Brennraum (4) einzubringenden Mediums (31) aufnehemende Mischdüse (21)
aufgesetzt ist, die in Strömungsrichtung einen sich stetig verjüngenden Querschnitt
aufweist und die mit einer oder mehreren Öffnungen (26) versehen ist, über die zur
Vermischung des injizierten Mediums (31) mit der Ofenatmosphäre Gas (Strahl 32) aus
dem Brennraum (4) ansaugbar und mittels der Mischdüse (21) in diesen als gebündelter
Strahl (33) einbringbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet , daß die Mischdüse (21) im Bereich vor der Austrittsöffnung
(22) mit kegelig ausgebildeten und/oder konvex gekrümmten Innenmantelflächen (25)
versehen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet , daß die in die Mischdüse (21) eingearbeiteten öffnungen (26)
zum Ansaugen von Gas (Strahl 32) aus dem Brennraum (4) seitlich der Lanze (11) in
deren Endbereich in der Wandung der Mischdüse (21) vorgesehen sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet , daß die Öffnungen (26) als Bohrungen mit kreisförmigem Querschnitt
ausgebildet sind.
5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet , daß die Öffnungen (26) in einem zylindrischen Teil (23) der
Mischdüse (21) eingearbeitet sind und daß sich an diese der sich im Querschnitt stetig
verjüngende Bereich (24) der Mischdüse (21) anschließt.
6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet , daß die Lanze (11) an ihrem in die Mischdüse (21) ragenden
Ende mit einer Drossel (13) versehen ist.
7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Mischdüse (21) mit einer mit Abstand
zu der Lanze (11) angeordneten einen Strömungskanal (28) bildenden Ummantelung (27)
versehen ist, durch den der Mischdüse (21) vorzugsweise über deren Öffnungen (26)
Frischluft oder ein anderes Gas zuführbar ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet , daß die Ummantelung (27) höhenverstellbar angeordnet ist
und daß durch diese die seitlichen öffnungen (26) der Mischdüse (21) ganz oder teilweise
abdeckbar sind.
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet , daß die Lanze (11), die Mischdüse (21) und/oder die Ummantelung
(27) ganz oder teilweise aus einem hitzebeständigen Werkstoff, vorzugsweise aus Siliziumcarbid
hergestellt sind.
10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet , daß zur Einbringung unterschiedlicher Medien in den Brennraum
(4) die Lanze (11) mit einer Mischkammer (14) versehen ist, an die jeweils mit einem
impulsweise steuerbaren Magnetventil (16, 18, 20) versehene Zuführungsleitungen (15, 17, 19) angeschlossen sind.
11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet , daß jeweils mehrere Mischdüsen (21', 21'', 21''') eines Brennofens
(1) zu einer gemeinsam steuerbaren Gruppe zusammengefaßt sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet , daß der Gruppe (Mischdüsen 21', 21'', 21''') jeweils ein
Steuergerät (41) zugeordnet ist, mittels dem die den Mischdüsen (21', 21'', 21''')
zugeordneten Magnetventile (16', 16'', 16"') individuell derart steuerbar sind, daß
bei veränderbarer, konstanter öffnungsdauer die öffnungsfrequenz in Abhängigkeit von
der Temperatur im Brennraum (4) über einen Regler (42) einstellbar ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet , daß die Schaltung der Magnetventile (16', 16'', 16''') seitlich
versetzt erfolgt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet , daß im Bereich zumindest einer Mischdüse (21') einer Gruppe
im Brennraum (4) ein Thermoelement (43) angeordnet ist, das mit dem Regler (42) verbunden
ist.