DE2427548A1

DE2427548A1 - Fluidised bed convection furnace for heating metals - uses flat coil of perforated tubing to supply fluidising gas

Info

Publication number: DE2427548A1
Application number: DE19742427548
Authority: DE
Inventors: Eugene Faucherand
Original assignee: UGINE INFRA
Current assignee: UGINE INFRA
Priority date: 1974-06-07
Filing date: 1974-06-07
Publication date: 1975-12-18
Also published as: DE2427548B2

Abstract

Fluidised bed convection furnace, consisting of a sealed heating chamber contg. a furnace chamber inside which, and near its base, is a distributor system consisting of a flat, horizontal coil of tubing provided with holes. The holes in the tubing are located on the underside of the coil which is located in a tubular insert, the vertical wall of the insert being a few cm. from the furnace chamber wall thus forming an annular cavity in which a ring-shaped injector for blowing in convection gas is situated. Used e.g. for heating metal parts. Provides high heat transfer and no diaphragms are used in the construction of the furnace.

Description

B e s c h r e i b u n g zu der Patentanmeldung betreffend Wirbelschicht-Konvektionsofen Im Folgenden wird "Sand" ganz allgemein verwendet und bezeichnet jedes pulverige rrodlkt, das als Wirbelschicht Verwendung finden kann, unabhängig von seiner Beschaffenheit (Wirbelgut).Description of the patent application relating to fluidized bed convection ovens In the following, "sand" is used very generally and denotes any powdery rrodlkt, which can be used as a fluidized bed, regardless of its nature (Eddy material).

Als "Trägergas" wird jedes Gas oder Gasmisch bezeichnet, das zum Aufbau der Wirbelschicht geeignet ist, insbesondere luft oder ein Inertgas."Carrier gas" is any gas or gas mixture that is used to build up the fluidized bed is suitable, in particular air or an inert gas.

Es ist bekannt, in einer Wirbelschicht Metalltei.le oder andere Gegenstände zu erwärmen.It is known to have metal parts or other objects in a fluidized bed to warm up.

Ein Wirbelschift-Ofen umfaßt eine meist metallische vertikale Kammer in einem beheizbaren Ofenmantel. Die Kammer ist durch ein horizontales Diaphragma in zwei Zonen geteilt, die obere enthält den Sand für die Wirbelschicht, in die untere tritt das Trägergas ein. Das-Diaphragma gestattet eine möglichst homogene Verteilung des Trägergases über den gesamten Kammerquerschnitt, hält jedoch das Wirbelgut zur-ack. Das Wirbelgut wird auf die gewünschte Tempe ratur gebracht und auf dieser gehalten.A vortex furnace comprises a mostly metallic vertical chamber in a heatable furnace jacket. The chamber is through a horizontal diaphragm divided into two zones, the upper one contains the sand for the fluidized bed into which the lower one is where the carrier gas enters. The diaphragm allows it to be as homogeneous as possible Distribution of the carrier gas over the entire chamber cross-section, but holds back the vortex. The fluidized material is heated to the desired temperature brought and kept on this.

Die Entwicklung der Wirbelsehicht-Öfen ist durch technologische Schwierigkeiten begrenzt, die insbesondere auf der Notwendigkeit der vollständigen Abdichtung zwischen Diaphragma und Kammerwand beruhen. Jeder Dichtungsfehler zwischen dem Unfang des Dlaphragmas und der Kammerwand führt nämlich zu einer bevorzugten Gas zirkulation auf Kosten einer guten Fluidisierung; es genügen mehrere solche Fehlat-ellcn, um überhaupt die Aufrechterhaltung der Wirbelschicht in Frage zu stellen.The development of the vortex furnace is due to technological difficulties limited, in particular to the need for full sealing between Diaphragm and chamber wall are based. Any sealing error between the circumference of the The diaphragm and the chamber wall lead to a preferential gas circulation at the expense of good fluidization; several such errors are sufficient to to question the maintenance of the fluidized bed at all.

Die Diaphragmas bestehen aus billigen porösen keramischen Platten, sind jedoch schwierig anzuwenden wegen des Problems der vollstandig dichten Verbindung zwischen keramischem Werkstoff und einem Blech, allgemein aus warmfestem Stahl.The diaphragms are made of cheap porous ceramic plates, however, they are difficult to use because of the problem of the completely tight connection between ceramic material and a sheet, generally made of heat-resistant steel.

Diese Verbindung ist zwar in der Kälte leicht zu erreichen, bleibt jedoch in der Warme nicht bestehen infolge der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des keramischen und metallischen Werkstoffs. Andererseits fand man bisher auch noch keine Dichtung, die bei den üblicherweise erforderten Temperaturen beständig war Das Diaphragma kann aus handelsüblichen Sintermetallplatten bestehen und eine feine und homogene Fluidisierung des Wirbelguts sicherstellen. Die Platten können auf die Kammer wand aufgeschweißt sein. Die unterschiedliche Ausdehnung von Diaphragma und Kammerwand führt jedoch bei Temperaturen über 60000 zum Aufreißen der Schweißnaht, zu einer Deformation oder auch zu Rissen im Diaphragma.Although this connection is easy to reach in the cold, it remains however, in the warmth it does not exist due to the different expansion coefficients of the ceramic and metallic material. On the other hand, one also found so far no seal that could withstand the temperatures typically required The diaphragm can consist of commercially available sintered metal plates and a fine one and ensure homogeneous fluidization of the fluidized material. The panels can be on the chamber wall must be welded on. The different expansion of the diaphragm and chamber wall, however, causes the weld seam to tear at temperatures above 60,000, deformation or cracks in the diaphragm.

Wird keine außerordentliche Feinheit der Pluidisierung benötigt, so kann man anstelle eines Diaphragmas eine gelochte Metallplatte verwenden, wobei jedes Loch mit einer pilzförmigen Kappe abgedeckt ist. Die Dichtungsprobleme werden hierdurch vereinfacht, aber die Verteilung des Trägerga3es ist nicht so fein und homogen wie mit einer KeramiRplatte.If no extraordinary delicacy of the pluidization is required, so you can use a perforated metal plate instead of a diaphragm, whereby each hole is covered with a mushroom-shaped cap. The sealing problems will this simplifies, but the distribution of the carrier grain is not so fine and homogeneous as with a ceramic plate.

Unabhängig von der Art ist der Ersatz eines beschädigten Diaphragmas aufwendig. Andererseits ist die Wärmebilanz der Wirbelsohicht-Öfen relativ schlecht durch den schlechten transversalen Wärmeübergang.Regardless of the type, a damaged diaphragm is replaced laborious. On the other hand, the heat balance of the Vortex ovens is relatively poor due to the poor transverse heat transfer.

Da die Kammer von außen beheizt wird, ist die Kammerwand eigentlich die Heizfläche für die Wirbelsohicht. Dieser Wärmeübergang ist nicht gut, weil sich an der Kammerwand eine Gasschicht ohne Wirbelgut ausbildet, die eine gute Wärmeübertragung verhindert. Der gleiche Nachteil findet sich in der I.iähe der Wände aller in die Wirbelschicht eingebrachten Gegenständen wie zu behandelnde Werkstücke, Ofeneinbauten, zum Beispiel Temperaturfühler.Since the chamber is heated from the outside, the chamber wall is actually the heating surface for the vertebral layer. This heat transfer is not good because of itself a gas layer without fluidized material forms on the chamber wall, which ensures good heat transfer prevented. The same disadvantage is found in the closeness of the walls to all of the Objects brought into the fluidized bed such as workpieces to be treated, furnace fixtures, for example temperature sensors.

Daraus ergibt sich eine schlechte Ofenleistung und ein beträchtlicher Temperaturunterschied zwischen Wirbelgut und Kammerwand, verbunden mit einer Überhitzung des Heizelementes und dies trotz des großen Vorteils von WirDelschichten, in denen sonst ein sehr guter Wärmeübergang zwischen den Wirbelgutteilohen herrscht.This results in poor furnace performance and considerable Temperature difference between the fluidized material and the chamber wall, combined with overheating of the heating element and this despite the great advantage of WirDelschichten in which otherwise there is very good heat transfer between the vertebral parts.

Gegenstand der Erfindung ist ein Wirbelschicht-Konvektionsofen, mit dem die bekannten Nachteile vermieden werden, in dem jegliches Problem der Abdichtung des Diaphragmas entfällt undsder eine sehr gute Wärmeübertragung sicherstellt.The invention relates to a fluidized bed convection oven with which avoids the known drawbacks and eliminates any problem of sealing of the diaphragm is omitted and ensures very good heat transfer.

Der erfindungsgemäße Ofen umfaßt eine dichte Heizkammer, in der sich die eigentliche Ofenkammer befindet.The furnace according to the invention comprises a sealed heating chamber in which the actual furnace chamber is located.

In der Nähe des Bodens der Ofenkammer befindet sich ein Verteilerohr-system, bestehend aus einem Bündel von kommunizierenden und horizontal angeordneten Rohren. Die Rohre sind im wesentlichen entlang ihrer unteren Mantellinie gelocht und werden von Trägergas durchströmt Die Erfindung wird im folgenden anhand einiger Ausführungsbeispiele und der beigefügten Zeichnung näher beschrieben. There is a distribution pipe system near the bottom of the furnace chamber, consisting of a bundle of communicating and horizontally arranged pipes. The tubes are perforated essentially along their lower surface line and are flowed through by carrier gas. The invention is explained below with reference to some Embodiments and the accompanying drawings are described in more detail.

Fig. 1 ist ein Aufriß des erfindungsgemäßen Wirbelschichtofens.Fig. 1 is an elevation of the fluidized bed furnace of the present invention.

Die Fig. 2-5 zeigen Beispiele für die horizontal angeordneten und zu einem flächigen Gebilde vereinigten Verteilerrohre.Figs. 2-5 show examples of the horizontally arranged and Distribution pipes combined to form a flat structure.

Der in Fig. 1 gezeigte Konvektionsofen besteht aus einer Heizkammer 1, deren Gehäuse 2 dicht ausgeführt und mit einer wärmeisolierenden Schicht 3 versehen ist. Die Heizelemente 4 konnen elektrische Widerstände oder (nichtgezeigte) Brenner sein. Am Boden der Heizkammer sind Eintrittsöffnungen 5 für Trägergas 6 vorgesehen. Im oberen Teil der Heizkammer sind Austrittsöffnungen 7 für dieses Gas sowie eine breite Öffnung vorgesehen.The convection oven shown in Fig. 1 consists of a heating chamber 1, the housing 2 of which is made tight and provided with a heat-insulating layer 3 is. The heating elements 4 can be electrical resistors or burners (not shown) be. Inlet openings 5 for carrier gas 6 are provided at the bottom of the heating chamber. In the upper part of the heating chamber there are outlet openings 7 for this gas and one wide opening provided.

In diese breite Öffnung ist die Ofenkammer 8 mit ihrem oberen umgebogenen Rand 9 auf die Kammer 1 eingehängt.Zwischen diesem Rand und dem oberen Wandteil 10 der Reinkammer ist eine Dichtung 11 vorgesehen, die zum Beispiel mit Bolzen 12 gepresst wird.The furnace chamber 8 is bent over with its upper part in this wide opening Edge 9 is hung on chamber 1, between this edge and the upper part of the wall 10 of the clean chamber, a seal 11 is provided, for example with bolts 12 is pressed.

In der Nähe des Bodens der Ofenkammer befindet sich ein Verteilersystem 13 in Form eines Rohrbündels von kommunizierenden Rohren in einer horizontalen Ebene 14, durch das das Trägergas strömt, das über ein oder mehrere vertikale Rohre 15 zugeführt wird. Die Yerteilerrohre sind im wesentlichen entlang ihrer unteren Mantellinie gelocht; die kleinen Locher 16 sind mehr oder weniger einander benachbart, je nach der angestrebten Feinheit der Fluidisierung. Die vertikalen Rohre 15 sind nicht gelocht; sie treten in den oberen Teil der Ofenkammer ein und stehen 311t den Öffnungen 7 der Heizkammer 1 über die wärmeisolierten Leitungen 17 in Verbindung. In der Heizl.ammer wird das Trägergas vorgewärmt und tritt über 17, 15, 14 in die Ofenkammer ein.A distribution system is located near the bottom of the furnace chamber 13 in the form of a tube bundle of communicating tubes in a horizontal plane 14, through which the carrier gas flows, which via one or more vertical tubes 15 is fed. The divider pipes are essentially along their lower surface line perforated; the small holes 16 are more or less adjacent to each other, depending on the desired fineness of the fluidization. The vertical tubes 15 are not perforated; they enter the upper part of the furnace chamber and stand 311t the openings 7 of the heating chamber 1 via the thermally insulated lines 17 in connection. In the Heating hammer the carrier gas is preheated and enters the furnace chamber via 17, 15, 14.

Am Boden der Ofenkammer 8 steht ein muffelartiger Einsatz 18 im Abstand von einigen Zentimetern von der Wand 19 in gleicher Form, so daß sich zwischen Wand und Muffel ein Ringraum 20 bildet. Damit dieser Ringraum mit dem zentralen Bereich der Ofenkammer in Verbindung stehen kann, ruht der Einsatz nicht direkt am Boden 21 sondern auf Füßen 22.At the bottom of the furnace chamber 8 there is a muffle-like insert 18 at a distance of a few centimeters from the wall 19 in the same shape, so that between wall and muffle forms an annular space 20. So that this annulus with the central area the furnace chamber can be in connection, the insert does not rest directly on the floor 21 but on feet 22.

Im unteren Bereich des Ringraumes 20 ist ein Gebläse 23 für die Förderung von Trägergas oder einem anderen Gas durch ein Ringrohr 24 mit einem oder mehreren vertikalen Rohren 25 vorgesehen. Das Ringrobr 24 ist im unteren Teil mit einer Reihe von kleinen Löchern 26 versehen, die vorzugsweise nach außen gerichtet sind.In the lower area of the annular space 20 is a fan 23 for the promotion of carrier gas or another gas through an annular tube 24 with one or more vertical tubes 25 are provided. The ring tube 24 is in the lower part with a row provided by small holes 26, which are preferably directed outwards.

Die Ofenkammer ist gegebenenfalls mit einem Deckel 27 geschlossen, in dem sich eine nichtgezeigte Austrittsöffnung für die Gase befindet. Über 28 des Einsatzes 18 gelangt das Wirbelgut aus dem Ringraum 20 in den zentralen Raum 29, in welchem sich die zu behandelnden Gegenstände befinden.The furnace chamber is optionally closed with a lid 27, in which there is an outlet opening (not shown) for the gases. About 28 des Insert 18 the fluidized material passes from the annular space 20 into the central space 29, in which the objects to be treated are located.

Die Rohre 14 sind Je nach Dimension und Form der Ofenkammer ausgebildet.The tubes 14 are designed depending on the dimensions and shape of the furnace chamber.

Bei kreisförmigem Kammerquerschnitt kann das Rohrsystem 13 (Fig.2) aus konzentrischen kreisförmigen Rohren 30, die durch radiale Rohre 31 verbunden sind, oder (Fig.3) durch ein Spiralrohr 32 gebildet sein.In the case of a circular chamber cross-section, the pipe system 13 (Fig. 2) of concentric circular tubes 30 connected by radial tubes 31 or (FIG. 3) be formed by a spiral tube 32.

Bei rechteckigem Kammerquerschnitt, insbesondere dann, wenn die Länge viel größer als die Breite ist, können gemäß Fig.4 zwei Rohre 33 in Längsrichtung angeordnet sein, die durch quer verlaufende Rohre 34 verbunden sind; es kann auch ein gebogenes Rohr 35 verwendet werden (Fig.5).With a rectangular chamber cross-section, especially when the length is much larger than the width, two tubes 33 can according to Figure 4 in the longitudinal direction be arranged connected by transverse tubes 34; it can also a bent tube 35 can be used (Fig. 5).

Das Gehause der Heizkammer besteht aus einem Werkstoff ausreichender Festigkeit, allgemein aus Metall wie Stahl und die Ofenkammer 8 sowie das Rohrsystem 14 aus einem warmfesten Werkstoff. Bei großen Ofeneinheiten können mehrere obige Rohrsysteme vorgesehen sein.The housing of the heating chamber consists of a material sufficient Strength, generally made of metal such as steel and the furnace chamber 8 and the pipe system 14 made of a heat-resistant material. In the case of large furnace units, several of the above can be used Pipe systems can be provided.

Durch den erfindungsgemäßen Ersatz des Diaphragmas der bekannten Öfen durch einenleichtdemontierbaren Rohrverteiler 13 entfallen alle Dichtungsprobleme. Andererseits kann im Palle des vorgesehenen Muffeleinsatzes 18 und des Gebläses 23 der Durchgangsquerschnitt am unteren Teil des Einsatzes verringert werden derart, daß die zentrale Wirbelschicht ständig in seinem unteren Bereich angesaugt, in einem aufsteigenden erzwungenen Strom in den Ringraum 20 gepumpt und hier in Berührung mit der Heizfläche gebracht wird und dann über den Einsatz bei 28 in den Ringraum gelangt. Die zu gewährleistende Leistung hängt ab von der Wirbelgutmasse und der angestrebten Heizleistung. Das Wirbelgut wird dauernd im geschlossenen Kreislauf geführt, wodurch ein guter Wärmeübergang auf die zu behandelnden Gegenstände sichergestellt wird.By replacing the diaphragm of the known ovens according to the invention An easily removable manifold 13 eliminates all sealing problems. On the other hand, the intended muffle insert 18 and the blower can in the Palle 23 the passage cross-section at the lower part of the insert can be reduced in such a way that that the central fluidized bed is constantly sucked in its lower area, in one rising forced current is pumped into the annular space 20 and here in contact with the heating surface and then via the insert at 28 into the annulus got. The performance to be guaranteed depends on the mass of the fluid and the desired heating output. The fluid is continuously in a closed cycle out, which ensures a good heat transfer to the objects to be treated will.

Man erhalt eine ausreichende Leistung und eine leichte Regelbarkeit mit Hilfe des Gebläses 23 mit Ringrohr 24, welches mit Luft oder Gas niederen Druckes gespeist wftd und nach dem Prinzip der Wasserstrahlpumpe arbeitet. Das zentrale Wirbelgut wird auf diese Weise ständig 2 Einflüssen ausgesetzt, nämlich der Fluidisierung und der Konvektion in entgegengesetztem Sinn; hierdurch wird der Wärmeaustausch mit den zu behandelnden Werkstücken begünstigt.You get sufficient power and easy controllability with the help of the fan 23 with ring tube 24, which with air or gas of low pressure fed wftd and works on the principle of the water jet pump. The central one In this way, fluidized material is constantly exposed to two influences, namely fluidization and convection in the opposite sense; this increases the heat exchange favored with the workpieces to be treated.

Die Bedeutung der Konvektionsvorrichtung für das Wirbelgut bestehend aus dem Einsatz 18 und dem Gebläse 23 wird in der Tabelle gezeigt; diese bezieht sich auf sechs Stahl-Knüppel, 50 mm, Länge 780 mm, Gesamtgewicht 72 kg. Die Bedeutung der Konvektion ist überraschend.The importance of the convection device for the vortex material from the insert 18 and the blower 23 is shown in the table; this relates on six steel billets, 50 mm, length 780 mm, total weight 72 kg. The meaning the convection is surprising.

Tabelle ohne mit Konvektion Konvektion Zeit bis zum Erreichen der stabilisierten Tem- 9 h 30 min peratur von 5000C in der Wirbelschicht Zeit zum Durchwärmen der Knüppel auf 500 °C 75 min 12 min Überschreiten der Temperatur im Innern der Knüppel 10 °C 5 °C neuerliche Stabilisierung auf 500 °C 60 min 3 min Gesamtzeit zum Durchwärmen der Knüppel 135 min 15 min Temperatur in der Heizkammer Wärmeangebot der Wirbelschicht an die Knüppel 4,5 kWh/h 28 kWh/h Wärmeangebot der Helzfläiche 2 2 an die Wirbelschicht 0,25 W/cm² 4,5 W/cm² Für den Ofenbetrieb wird das Wirdbelgut, zum Beispiel Kieselerde, Tonerde, in die Ofenkammer gebracht und über 5 Trägers, beispielweise Luft, Stickstoff oder Argon, zugeführt. Die Heizelemente 4 werden in Betrieb gesetzt; darauf wird über das Rohr 25 das Konvektionsgas eingeleitet; im allgemeinen entspricht dies dem Trägergas, stellt jedoch unter einem geringeren Druck. Man braucht nun nur noch atzuwarten, bis das Wirbelgut die angestrebte Temperatur erreicht hat, und führt dann in die Ofenkammer 8 die zu behandelnden Gegenstände ein. Diese können selbstverständlich auch früher eingebracht werden. Der Ersatz oder Austausch des Rohrverteilers 13 geht sehr schnell ohne Abkühlen der Ofenkammer und sogar ohne Unterbrechung der Beheizung. Das gleiche gilt für den Einsatz 18 und für das Gebläse 23. Die Ofenkammer braucht dazu nicht demontiert werden. Table without convection with convection time to reach the stabilized temperature of 5000C in the fluidized bed time to warm up the stick to 500 ° C 75 min 12 min exceeding the temperature inside the Stick 10 ° C 5 ° C renewed stabilization at 500 ° C 60 min 3 min total time for warming the billets 135 min 15 min temperature in the heating chamber heat supply the fluidized bed to the billets 4.5 kWh / h 28 kWh / h heat supply of the helm area 2 2 to the fluidized bed 0.25 W / cm² 4.5 W / cm² for example silica, alumina, brought into the furnace chamber and over 5 carriers, for example air, nitrogen or argon, supplied. The heating elements 4 are put into operation; then the convection gas is introduced through the pipe 25; in general, this corresponds to the carrier gas, but places a lower value Pressure. All you have to do now is wait until the eddy the Has reached the desired temperature, and then leads into the furnace chamber 8 to be treated Objects. These can of course also be brought in earlier. The replacement or exchange of the manifold 13 is very quick without cooling the furnace chamber and even without interrupting the heating. The same applies the insert 18 and for the fan 23. The furnace chamber does not need to be dismantled for this will.

Beachtenswert ist die große Wärmeübergangsgeschwindigkeit zwischen Kammerwand und Wirbelgut 29, großes Wärmeangebot in dem zentralen Bereich der Wirbelschicht, eine ausgezeichnete Temperaturverteilung im zentralen Bereich und sehr kleine Temperaturunterschiede zwischen Wirbelschicht und Heizelementen, die infolgedessen in keiner Weise unnötig überhitzt werden. Daraus ergibt sich, daß die Temperatur sehr leicht und einfach geregelt werden kann.Noteworthy is the high speed of heat transfer between Chamber wall and fluidized material 29, large heat supply in the central area of the fluidized bed, an excellent temperature distribution in the central area and very small temperature differences between the fluidized bed and heating elements, which as a result is in no way unnecessary get overheated. It follows that the temperature is very easy and simple can be regulated.

AnsprücheExpectations

Claims

Claims 1. fluidized bed convection oven, consisting of a tight Heating chamber (1), therein a furnace chamber (8), in which there is a distribution pipe system near the floor (13) from a perforated, communicating tube bundle (14) in a horizontally flat Arrangement, in that the holes (16) are located essentially along the lower surface line of the pipes and the system (13) located a few centimeters from the chamber wall (19) of the furnace chamber (8). Muffle-like insert (18) is arranged, wherein in the annular space (20) between Use and. Chamber wall a fan (23) made of a perforated in the lower part (26) Ring tube (24) for convection gas is located.

2. Furnace according to claim-1, thereby g e k e n n -z e i c h n e t that the holes (26) are directed obliquely inward to the annular tube (24).

3. Oven according to claim 1 or 2, characterized in that g e -k e n n z e-i c h n e t that at least one vertical pipe (15) connected to the distribution pipe system (13,) from the upper part of the heating chamber via a thermally insulated pipe (17) is arranged.

L e r s e i t e