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Einrichtung zum Erhitzen durch einen einem Flammenstrom überlagerten
Lichtbogen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erhitzen mittels eines einen
Flammenstrom überlagernden Lichtbogens derjenigen bekannten Art, bei -welchem der
Lichtbogen mittels eines Gasstrahles in den Flammenstrom hinein- und an ihm entlanggefülirt
wird und besteht darin, daß die Lichtbogenquelle von der Flammenstromquelle getrennt
und die Geschwindigkeit des Gasstrahles so bemessen ist, daß das Zurückschlagen
des Lichtbogens auf die Flammenstromquelle verhindert wird. Die Einrichtung -wird
am besten so ausgeführt, daß der aus einer Mischung von Brennstoff und oxydierendem
Gas bestehende Strahl aus einer Dilse in einen Flammenstrom und über die Elektroden,
die im Abstand von der Düse und an verschiedenen Punkten längs des Flammenstromes
liegen, mit einer solchen Geschwindigkeit gestoßen wird, daß der Lichtbogen nicht
in die Düse zurückschlagen kann.
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Die Vorrichtung besteht aus einer in eine Düsenelektrode eingebauten
Düse, deren Bohrung zum Ausstoßen von Brennstoff und Luft in den Flammenstrom dient
und eine starre Elektrode, deren den Lichtbogen bildender Teil über die Düse hinausragt,
mit Reibung gleitbar aufnimmt.
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Bei den bekannten Verfahren und Vorriebtungen zum Erhitzen durch den
einen Flarnmenstrom überlagernden Lichtbogen, bei welchen der Lichtbogen mittels
eines Gasstrahles in den Flammenstrom und an ihm entlang geführt wird, ist keine
Vorkehrung getroffen, um das Zurückschlagen des Lichtbogens auf die Flammenquelle
zu verhindern, weil der Lichtbogen entweder innerhalb der Düse oder zu nahe ihrer
Mündung gebildet wird. Im übrigen haben die bekannten Verfahren und Vorrichtungen
nur das eine Merkmal mit der Erfindung gemein, daß der Lichtbogen inittels des Gasstrahles
am Flammenstrom entlanggeführt wird.
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In der Zeichnung stellen dar: Abb. i einen Längsschnitt der Düsenelektrode,
Abb. 2 einen Querschnitt nach der Linie 2-9" Abb. 3 die Zu- und Abführung
des Kühlwassers zu und von der Düse, Abb. 4 einen Grundriß von drei Düsenelektroden
für den Dreiphasenbetrieb in einer geschlossenen Kammer,
Alb.
5 den Grundriß von zwei Düsenelektroden zum Betrieb mit verschiedenen Stromspeisungen
mit den Anschlüssen an die büsenelektroden und die Fläche, auf welche die elektrischen
und Brennstoffflammen stoßen, Abb. 6 die Anwendung der Erfindung auf eihen
Schmelzofen, teils im Aufriß, teils im Längsschnitt, Abb. 7 einen Längsschnitt
nach der Linie 7-7
der Abb. 8,
Abb. 8 einen Querschnitt nach
der Linie 8-8
der Abb. 6 und 7.
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i i sind die Düsen, durch welche Brennstoff und ein ihn tragendes
Verbrennungsgas eingeführt und in die Verbrennungsflamme 12 gestoßen werden. jede
Düse besteht aus Metall und besitzt doppelte Wandungen zur Herstellung eines geschlossenen
zylindrischen Hohlraumes 13, durch welchen das Kühlwasser umlaufen kann.
Brennstoff und Luft können gärennt dem Austrittsende der Düse, wo die Durchmischung
erfolgt, zugeführt werden; einfacher ist es aber, wenn man Brennstoff und Luft zusammen
am hinteren Ende der Düsenbohrung 14 einführt. Ein Y-förmiger Einlaß i4#a schließt
sich an die Bohrung 14 an zur Bildung eines Blasrohres, welches mit Brennstoff durch
Rohr 15 nebst Ventil 16 (Abb. 6) gespeist wird; diese Teile sind von
dem Blasrohreinlaß isoliert und mit ihm durch die Isolierhülse 17 verbunden. Das
Rohr 15 wird von einem Hauptrohr 18 mit flüssigem oder gasförmigem
Brennstoff gespeist. Für staubförmigen Brennstoff wird das Hauptrohr mit einer Fördervorrichtung,
z. B. einer Schnecke, versehen, um den Brennstoff schnell zum Einlaß i4#a zu bringen.
Luft oder ein anderes oxydierendes Gas wird dem Blasrohr 14 mittels eines Rohres
ig nebst Ventil 2o und Isolierhülse 21 aus derh Hauptrohr 22 (Abb. 6) zugeführt.
Eine Stromklemme 23 und Leitungsdraht:24 schließen die Düse an eine elektrische
Kraftquelle an.
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In der Bohrung 14 einer jeden Düse i i befindet sich als Elektrode
25 entweder ein fester Kohlen- oder Graphitstab oder eine mit kohlenstoffhaltiger
Masse gefüllte Metallröhre oder eine durch Flüssigkeit gekühlte Metallröhre mit
einer ersetzbaren Licht:bogenspitze. Wenn die festen Stäbe oder gefüllten Röhren
mit Gewindeenden 26 versehen werden, dann können neue Teile an die äußeren
Enden der aufgebrauchten Elektrode angesetzt und die Stümpfe bis zum vollständigen
Verbrauch vorgestoßen werden. Um guten elektrischen Kontakt zwischen der Elektrode
und der Düse zu sichern und eine unbeabsichtigte Bewegung der Elektrode zu verhindern,
ist die Düse mit einer dicht umschließenden Gleithülse 27 versehen. Wenn
die Vorrichtung in einem Ofen verwendet wird, der unter einem höheren als Atmosphärendruck
arbeitet, dann wird das äußere E, nde der Gleithülse mit einer Stopfbüchse
28 abgedichtet. Die Gleithülse wird zweckmäßig bis über die Düse ii hinaus
durch einen feuerfesten Teil:29 verlängert, der die Elektrode gegen übermäßige Oxydation
durch die Flamme 12 schützt.
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Der Düse ii wird das Kühlwasser in ununterbrochenem Strom zugeführt
und von ihr abgeführt, und zwar so, daß keine elektrische Verbindung zwischen Düse
und Wasserzusowie -abführung besteht. Gemäß Abb. 3 ge-'angt das Wasser aus
dem HauptrOhr 30 in das Speiserohr P; dieses läuft in die DÜse
33
aus, welche den Wasserstrom zu einem aus kleinen Tropfen bestehenden Strahl
34 versprüht. Ventil 3:2 in dem Rohr 3 1 dient zur Regelung der Wassermenge.
Das versprühte Wasser fällt in einen Trichter 35 und wird aus diesem durch
Rohr 36 um die Brennstoffdüse i i geführt. Von der Brennstoff düse i i wird
das verbrauchte Wasser in ähnlicher Weise abgeführt durch Rohr 37, DÜse
38,
Sprühkegel 39, Trichter 40, Rohr 41 und Abflußrohr 4:2.
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Im Ofen wird jede Düse durch eine Isolierhülse 43 gelagert. Diese
besteht aus feuerbeständigem Material, das unmittelbar in das Mauerwerk des Ofens
eingebaut werden kann. In den Bohrungen der Isolatoren sind Kanäle 44 angeordnet,
die durch Leisten 44a voneinander getrennt sind; die Leisten bilden die Auflage
für die Düsenelektroden. Die Isolatoren reichen in den Ofen hinein bis zu den Düsenenden,
um diese vor Überhitzung durch Ausstrahlung aus dem Ofeninnern zu schützen und gleichzeitig
durch Vergrößerung der Oberfläche die elektrische Isolierung zu verel bessern. Die
äußeren Enden der Düsenelektrode sind durch einen Windkasten 45 (Abb. 4) abgeschlossen,
der durch Rohr 45" (Abb. 6) mit Luft aus einem Gebläse gespeist wird. Aus
dem Windkasten 45 gelangt die Luft in den Ofen durch die Kanäle 44 als zusätzlicher
Luftstrom, um die vollständige Verbrennung des durch -die Düse mit dem Luftstrom
gestoßenen Brennstoffes zu sichern und die in dem Ofen entwickelten unoxydierten
Gase zu verbrennen. Dieser zusätzliche Luftstrom kühlt die Düsen und der die Stromleitungen
umhüllende Windkasten 45 bildet einen Schutz für die Arbeiter. Ein Schauglas 46
ist in der angelenkten Tür 47 des Windkastens vorgesehen. Die Tür 47 stellt den
Kontakt 48 (Abb. 6) des Stromkreises mit einem Relais auf dem Hauptschalter
her; die Kraft-und Relaisstromkreise sind so angeordnet, daß die elektrischen Teile
innerhalb des Windkastens nicht stroffizuführend sind, wenn der Relaisstromkreis
unterbrochen ist. Bei geöffneter
Tür 47 wird der Relaisstronikreis
an dem Kontakt 48 geöffnet, und der Hauptschalter wird selbsttätig geöffnet, aber
bleibt, wenn er unbeabsichtigterweise geschlossen wird -, nicht geschlossen. Die
isolierten elektrischen Drähte treten in den Windkasten 45 durcb eine metallische
Leitung 48a ein; zum Schutz für den Arbeiter und die Vorrichtung werden Windkasten
45, Luftleitung 45a und Leitung 48a geerdet.
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Wenn flüssiger Brennstoff verwendet wird, dann wird die Düse i i an
ihrem inneren Ende eingezogen zur Bildung eines verengten Mundstückes 49 (Abb. i),
welches nicht nötig ist, wenn gas- oder staubförmiger Brennstoff benutzt wird.
- Das verengte Mundstück 49 wird zweckmäßig durch eine Muffe.5o gebildet,
welche über die Gleithülse 27 dort, wo sie an den feuerfesten Ansatz 29 stößt,
übergezogen ist und Gleithülse sowie Ansatz verbindet. Die Muffe 5o wird in der
Brennstoffdüse i i durch schmale niedrige Leisten 5 1 (--Nbb. 2) zentriert.
Flüssiger Brennstoff, z. B. 01 -, tritt an dem Y-förmigen Einlaß i4#a aus
der Röhre 15 ein, wird in der Düsenbohrung 14 mit dem Luftstrom fortgerissen sowie
gemischt und beim Austritt aus dem engen Mundstück 49 zerstäubt und in die Verbrennungsflamme
versprüht.
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Abb. 6, 7 und 8 zeigen einen Ofen mit einem Kamin
5:2 und Herd 53. Die Beschikkung 54 sinkt in dem Kamin abwärts, wird
darin vorgewärmt sowie vorgeschmolzen und in dem Herd weiter geschmolzen, wo die
phy-
sikalischen und chemischen Umsetzungen stattfinden. Der Herd ist mit
einem AbstichlOch 55 und einem Schauloch 56 versehen. Da für die Verbrennung
des Brennstoffes ein weiter Raum vorgesehen ist, können verhältnismäßig lange Lichtbogen
57 gebildet und die im Großbetrieb üblichen Spannungen verwendet werden.
So sind elektrische Kräfte mit Spannungen von 6oo bis 6 ooo Volt sowohl für
Wechsel- als auch Gleichströme mit E,rfolg benutzt worden.
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Gemäß Abb. 4 und 6 brauchen die elektrischen Lichtbogen nicht
die Ofenbeschickung zu erreichen, sondern können sich in dem Raum oberhalb des Bades
vereinigen. Bei dreiphasigem Wechselstrom wird eine Gruppe von drei Düsenelektroden
verwendet; jede Phase des Speisestromkreises ist an eine besondere Düse angeschlossen.
Eine neutrale Verbindung ist nicht notwendig; falls sie verwendet werden soll, kann
sie in üblicher Weise an das Bad gelegt werden. Zwei Düsenelektroden können verwendet
werden, ebenso verschiedenartige Anordnungen für Einphasen- oder Mehrphasenstromkreise
oder Stromkreise mit Teilspannungen, wie in Abb. 5 dargestellt. Der Lichtbogen
kann durch Auseinanderziehen gebildet werden odier die Bogengabel kann auf eine
Fläche, wie die Ofenheschickunz, aufstoßen, und diese kann an den neutralen oder
einen Dreileitergleichstrom- oder Wechselstromkreis angeschlossen werden.
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Um die Vorrichtung in Betrieb zu setzen, werden die Elektrodenspitzen
so eingesetzt, daß sie etwas über die Düsenenden hinausragen, Brennstoff und Luft
werden den Düsenbohrungen zugeführt; die Verbrennungsflamme wird dann irgendwie
entzündet, die Ventile so eingestellt, daß eine ziemlich steife Gebläseflamme um
die Elektrodenspitzen herum und über sie hinaus brennt. Beim Schließen des Hauptschalters
werden die elektrischen Lichtbogen von dem einen Ende jeder Elektrode in und längs
der jeweiligen Verbrennungsflanime bis zu. ihrer Verbindungsstelle oder zu der gemeinsamen
Fläche, auf welche sie auftreffen, spielen. Die Geschwindigkeit, mit welcher die
Brennstoffinischung ausgestoßen wird, wird so geregelt, daß die Lichtbogen nicht
längs der Flammen zurückschlagen und mit den Bauteilen der Anlage in Berührung kommen
können. Die Bogenbildung ist für alle ausreichend, ob die Verbrennungsflamme eine
reduzierende, neutrale oder oxydierende ist; bei einer oxydierenden Flamme jedoch
sind die Elektroden aus Metallröhren, die mit kohlenstoffhaltiger Masse gefüllt
sind, den einfachen Kohlen-oder Graphitstäben überlegen, weil sie der Oxvdation
besser widerstehen. Wenn die Elektroden durch die Lichtbogenverbrennung abbrennen,
wird die Regulierung der Stromstärke erreicht, indem man die Stäbe in bekannter
Weise entweder von Hand oder durch eine elektromagnetische Einrichtung vorschiebt.
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Gewöhnlich wird der größere Teil der Energie vom Brennstoff bestritten
und nur vom elektrischen Strom ein so kleiner Teil, als die gewünschte Steigerung
der gemeinsamen Temperatur durch die äußerst hohe Temperatur des Lichtbogens erfordert.
Die Erfindung gestattet die Verwendung eines jeden Verhältnisses von elektrischer
Energie zur Brennstoffenergie und dieses in einem vollkommen stetigen Betrieb. Bei
Ofen, welche verhältnismäßig große Beschickungen enthalten, so große, daß ein bedeutender
Vorrat an hoher Wärmeintensität zum Verbrauch kommt, kann Elektrizität nur intermittierend
verwendet werden, insbesondere während der Tageszeiten, wo die Elektrizität billig
berechnet wird, sie kann jedoch auch vorteilhaft verwendet werden, wenn eine hohe
Durchschnittstemperatur und ein hoher Durchsatz durch intermittierende Steigerung
an intensiver Überhitzung aufrechterhalten werden soll.
Die Einrichtung
kann mit Brennern für Gas, 01 oder staubförmige Brennstoffe verwendet werden,
wie sie gewöhnlich unter Dampfkesseln zur Erzielung höherer Temperaturen benutzt
werden, und besonders in stetigerem Betriebe, wo minderwertiger oder brüchiger Brennstoff
verwendet wird. Bei dieser oder anderen Anwendungen der Erfindung brauchen die Elektroden
nicht durch die Düsen hindurchzutreten' sondern können schräg durch die Verbrennurigsflamme
bis über das Ende der Düse hinaus hindurchtreten. Bei einer einzigen Brennstoff
düse und Flamme werden zwei Elektroden in der Flamme verwendet, die eine liegt der
Düse näher, die andere weiter von ihr ab.
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Stoffe, welche der intensiven Hitze der Flammenbogen unterworfen werden
sollen, können- durch die Düsen in gasförmiger, flüssiger oder granulierter Form
eingeführt oder sie können den Elektroden agglomeriert werden. Bei hoher Spannung
werden Gleichströme verwendet. Die Einführung von Dämpfen gewisser Stoffe in die
Flamme vermehrt das elektrische Leitungsvermögen und verbessert die stetige Bogenwirkung
der Flamme. Körnige Stoffe, welche Feuchtig# keit oder Gase in unbeständigem Zustande
erhalten, werden in einen viel feineren Zustand zerlegt, wenn sie in die Flammen
eingeführt werden. Z. B. wird ein fein gepulverter ungelöschter Kalk erhalten, wenn
körniger Kalkstein durch die Düse und in die Verbrennungsflarntne geführt wird.
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Die Düsen können aus feuerfestem Material, mit Ausnahme von Metall,
hergestellt werden, und ein flüssiges Kühlmittel für die Düse ist nicht notwendig,
wenn flüssiger Brennstoff verwendet wird. Die Träger 43 können auch aus Metall sein;
es wird eine Isolierung vorgesehen, wenn Träger und Düsen metallisch sind. Ein einziger
Träger kann mit mehreren öffnungen versehen werden, um darin mehrere Düsen einer
einzigen Gruppe aufzunehmen.
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Anstatt den Lichtbogen innerhalb und längs der Flamme zu bilden, kann
er längs der Flamme und dicht neben ihr gebildet werden. Andererseits kann eine
besonders enge Beziehung zwischen den Verbrennungsflanimen und den Elektroden erreicht
werden, wenn ein Bündel von kleinen, voneinander getrennten Stäben anstatt eines
einzigen Stabes für die Elektroden verwendet wird; die Verbrennungsgase der Flamme
werden dann auch durch die Zwischenräume zwischen den Stäben hindurchgeschleudert.
Gewünschtenfalls kann eine oder mehrere der Düsenelektroden einer Gruppe drehbar
befestigt werden, um den Konvergenzwinkel zwischen den Elektroden zu verändern.