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Diese Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungsvorrichtung vom
Wärmerückgewinnungstyp nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1, die
aufgebaut ist, um die Wärme des Abgases aus der Verbrennung zum Heizen der
Luft, die für die Verbrennung verwendet wird, zu verwenden.
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Bei der Anordnung von Verbrennungsvorrichtungen, wie sie bei Industrieöfen,
wie beispielsweise Schmiedeöfen, Ausglühöfen und Frischungsöfen verwendet
werden und wie sie in Dampferzeugungsvorrichtungen für Turbinen verwendet
werden, erfreuen sich Verbrennungsvorrichtungen vom Wärmerückgewinnungstyp
einer zunehmenden Akzeptanz, welche konfiguriert sind, um die Wärme der von
der Verbrennung stammenden Abgase für die Heizung der Luft zu verwenden, die
für die Verbrennung benutzt wird.
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Der Rekuperator, der bei dieser Art von Verbrennungsvorrichtungen verwendet
wird, ist allgemein mit einem spezifischen Wärmeaustauscher versehen, der
zwischen einer Abgasleitung und einer Verbrennungsluftleitung angeordnet ist, die
nahe zueinander angeordnet sind. Somit wird der Wärmeaustausch zwischen der
Luft und dem Abgas, die durch die zwei Leitungen fließen, ermöglicht und die
Wärme des Abgases, die aus der Verbrennung resultiert, kann verwendet werden,
um die Luft für die Verbrennung aufzuheizen. Die Wärme, die durch diesen
Rekuperator wiedergewonnen wird, entspricht ungefähr 50% des
Temperaturpegels. Im Falle eines Industrieofens, der das Abgas beispielsweise
auf eine Temperatur von 1200ºC ansteigen läßt, besitzt sodann die
Verbrennungsluft, die die Wärme mit dem Abgas ausgetauscht hat, eine
Temperatur von ungefähr 600ºC.
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Der Rekuperatur ist streng, nicht nur hinsichtlich des Materials für seinen Aufbau
begrenzt, sondern ebenfalls hinsichtlich des Raumes für seine Installierung. Er
kann möglicherweise mehr Bodenfläche als das Hauptgehäuse des Ofens oder der
Heizvorrichtung beanspruchen.
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Jüngst hat der vorliegende Erfinder eine Verbrennungsvorrichtung vorgeschlagen
(nicht geprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr.222,102/1989), die
aufgebaut ist, wie dies in den Figuren 9 und 10 veranschaulicht ist.
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Diese Verbrennungsvorrichtung 100 ist mit einem Brenner 112 zum Aufheizen
einer Substanz W innerhalb des Hauptgehäuses R eines Ofens versehen. In dem
Ofen in der Nähe des Brenners 112 ist ein regeneratives Element 122 angeordnet,
das aus einem luftdurchlässigen keramischen Material besteht, welches eine
zylindrische Form besitzt und gemäß dem Muster einer Honigwabe unterteilt ist.
Das regenerative Element 122 absorbiert die Wärme des heißen Abgases, wenn
dieses Abgas aus dem Hauptgehäuse R abgegeben wird und gestattet dieser
Wärme die Anhebung der Temperatur der Verbrennungsluft, die durch eine
Luftleitung 119 hindurchgeführt wird. Die Zuführung der Wärme zu der
Verbrennungsluft wird verursacht durch Hervorrufung einer Rotation des
regenerativen Elements 133 durch die Drehung mittels eines Motors M über die
Zwischenschaltung einer Drehwelle 123.
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Da jedoch die Verbrennungsvorrichtung 100 das regenerative Element 122 drehen
muß, das dem Innern des Hauptgehäuses R ausgesetzt ist und das bestimmt ist,
auf eine hohe Temperatur anzusteigen, ist es entweder erforderlich, zwischen der
Drehwelle 123 und dem Motor M eine wärmeisolierende Vorrichtung
anzuordnen, die in der Lage ist, die Wärme abzufangen, die von dem
regenerativen Element 122 über die Drehwelle 123 zu dem Motor übertragen
wird oder den Motor M in einer Position so weit entfernt anzuordnen, daß der
thermische Effekt des regenerativen Elements 122 abgeschirmt wird. Das
Vorsehen dieser Mittel trägt zu dem Umfang der Verbrennungsvorrichtung 100
bei oder macht ihren Gesamtaufbau kompliziert.
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Ferner verbleibt das regenerative Element 122 dieser Verbrennungsvorrichtung
100 auf einer angehobenen Temperatur, während es im Betrieb ist und auf einer
niedrigen Temperatur, während es außer Betrieb ist und es dehnt sich
abwechselnd aus, obgleich es aus einem keramischen Material ist. Wenn das aus
einem keramischen Material hergestellte regenerative Element, welches sich wie
zuvor beschrieben, abwechselnd ausdehnt und zusammenzieht, gedreht wird, kann
dem notwendigen Größenzuwachs nur mit Schwierigkeit Rechnung getragen
werden. Eine Verbrennungsvorrichtung mit einer großen Verbrennungskapazität,
die im großen Umfang Verbrennungsluft verbraucht und Abgase abgibt, kann
daher nicht leicht erzielt werden.
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Ferner ist es schwierig, den Brenner an einem zentralen Ort anzuordnen, wenn
sich die regenerative Vorrichtung abwechselnd ausdehnt und zusammenzieht und
zur gleichen Zeit rotiert. Sie leidet daher an dem Nachteil, daß der Brenner und
die Luftleitung voneinander getrennt sind und daß die Flexibilität, mit der die
Größe, Schärfe, usw. einer von dem Brenner ausgegebenen Flamme gesteuert
wird, herabgemindert wird und die Fähigkeit zur Steuerung bzw. die
Vielseitigkeit abnimmt. Obgleich verschiedene elektrische Steuereinrichtungen
zum Zwecke der Verbesserung der Steuerbarkeit des Brenners verwendet werden
können, ist die Verwendung dieser Einrichtungen nicht erwünscht aufgrund
dessen, daß sie die Kosten der Vorrichtung als Ganzes erhöhen.
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Diese Erfindung ist bezweckt worden für die Lösung der Probleme, an denen die
bekannten Techniken, wie zuvor beschrieben, gelitten haben. Die erste Aufgabe
dieser Erfindung liegt in der Vorgabe einer Verbrennungsvorrichtung vom
Wärmerückgewinnungstyp, welche in der Lage ist, die Intensität des Feuers und
die Temperatur der Verbrennung zu verbessern, welche einfach im Aufbau ist,
eine Flexibilität bei der Bildung der Flamme aufweist und in der Lage ist, eine
zusätzliche Größe zu gestatten und wirksam Energie spart, einen sicheren Betrieb
erlaubt und eine lange Lebensdauer besitzt.
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Die zweite Aufgabe dieser Erfindung liegt in der Vorgabe eines Asche
abgebenden Ofens, welcher die Temperatur der Verbrennungsluft auf einen Pegel
über die obere Grenze anhebt, die durch herkömmliche Wärmeaustauscher
erzielbar ist, um die Temperatur der Verbrennung ausreichend für die Abgabe der
Asche anzuheben und zur gleichen Zeit die Innenwand des Ofens mit der
abgegebenen Asche beschichtet und so dabei hilft, einen Verlust des Ofens durch
Durchschmelzen zu verhindern.
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Die GB-A-22 08 420 offenbart eine Verbrennungsvorrichtung vom
Wärmerückgewinnungstyp mit einem Brenner, einer Verbrennungsluftleitung,
einer Abgasleitung und einem luftdurchlässigen regenerativen
Wärmeaustauschglied. Die Verbrennungsluftleitung und die Abgasleitung sind
innerhalb eines drehbaren Kanales gebildet.
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Die DE-A-26 24 874 offenbart eine Verbrennungsvorrichtung mit einem
regenerativen Element, das in ihrer Wand angeordnet ist. In diesem Fall ist das
Abgas selbst der Verbrennung unterworfen.
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Demgemäß sieht die vorliegende Erfindung vor: einen Brenner zum Verheizen
einer Substanz innerhalb des Hauptgehäuses der Verbrennungsvorrichtung; eine
Luftleitung zum Liefern von Verbrennungsluft zu dem Brenner; eine Abgasleitung
zur Abführung von Abgasen der Verbrennung von dem Hauptgehäuse der
Verbrennungsvorrichtung; und ein Wärmetauscherelement zur Verwendung der
Wärme der Abgase, um die Verbrennungsluft zu heizen, die durch die Luftleitung
fließt; wobei das Wärmetauscherelement die Form eines luftdurchlässigen
regenerativen Elementes aus einem keramischen Substrat besitzt; einen drehbaren
Kanal, der innerhalb der Hauptgehäuseumhüllung angeordnet ist, um mit dem
regenerativen Element im Austausch zu stehen; wobei die Luftleitung und die
Abgasleitung unabhängig voneinander über die ganze Länge von dem Einlaß zu
dem Auslaß in dem drehbaren Kanal gebildet sind; ein Brennstoffrohr zur
Zuführung von Brennstoff zu dem Brenner, das innerhalb des drehbaren Kanales
installiert ist und sich über eine im wesentlichen zentrale Position des
regenerativen Elements erstreckt; wobei der drehbare Kanal durch eine
Dreheinrichtung drehbar ist und angeordnet ist, um die Verbrennungsluft entlang
der Luftleitung durch das regenerative Element in das Hauptgehäuse der
Verbrennungsvorrichtung fließen zu lassen und das Abgas durch das Innere des
regenerativen Elements und entlang der Abgasleitung fließen zu lassen; und die
dadurch gekennzeichnet ist, daß das regenerative Element innerhalb einer Wand
des Hauptgehäuses der Verbrennungsvorrichtung angeordnet ist; die Luftleitung
und die Abgasleitung innerhalb des drehbaren Kanales in Nachbarschaft zu einer
Oberfläche des regenerativen Elements an einem entsprechenden Luftauslaß und
Abgaseinlaß enden; und der Luftauslaß und der Abgaseinlaß der Reihe nach in
Umfangsrichtung um die Achse des drehbaren Kanales angeordnet sind, wobei die
Drehung des drehbaren Kanales dazu führt, daß sich der Luftauslaß und der
Abgaseinlaß progressiv nacheinander über die Oberfläche des regenerativen
Elementes bewegen.
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Der drehbare Kanal ist vorzugsweise so angeordnet, daß die Luftleitung und die
Abgasleitung abwechselnd in Umfangsrichtung positioniert werden können. Es ist
erwünscht, den vorderen Anschluß der Luftleitung mit einer Endplatte zu
verschließen, die zahlreiche kleine Löcher enthält. Der drehbare Kanal ist
vorzugsweise so angeordnet, daß er eine vorgeschriebene Lücke zwischen sich
und dem regenerativen Element erlaubt.
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Vorzugsweise ist ein Luftrohr vorgesehen zur Zuführung von beweglicher Luft zu
dem Zentrum des Brennstoffrohres. Das Hauptgehäuse des Verbrennungsofens
kann gleichzeitig als das Gehäuse eines Asche-abgebenden Ofens dienen. In
diesem Fall ist es erwünscht, daß das Hauptgehäuse der Verbrennungsvorrichtung
mit Kühlmitteln versehen ist, die in der Lage sind, ein Fluid mit relativ geringer
Temperatur in der Form eines Filmes auf die seitliche Endfläche des
Ofengehäuses des regenerativen Elementes zu sprayen oder zu richten.
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Während sich die Verbrennungsvorrichtung, die wie zuvor beschrieben aufgebaut
ist, in Betrieb befindet, wird das regenerative Element durch die Strahlungshitze
aufgeheizt, die aus der Verbrennung und dem heißen Abgas entsteht, das durch
die Abgasleitung fließt. Während die Vorrichtung außer Betrieb ist, kann sich das
regenerative Element abkühlen. Da das regenerative Element mit dem
Hauptgehäuse der Verbrennungsvorrichtung befestigt ist, stellt es kein Problem
dar, auch dann nicht, wenn es einen relativ großen Umfang aufweist. Es ist daher
möglich, eine hohe Verbrennungskapazität mit einer einfachen Konstruktion
vorzugeben.
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Durch Drehung der vorbeistreichenden Luftseite, nämlich der Seite der
Luftleitung und der Abgasleitung anstelle der Drehung des regenerativen
Elementes wird die Verbrennungsluft, die aus der Luftleitung fließt, aufgeheizt,
während die Luft, die durch das Innere des regenerativen Elementes in einem
geheizten Zustand fließt und das heiße Abgas, das durch die Abgasleitung fließt,
das regenerative Element aufheizt. Selbst wenn die Verbrennungsluft das
regenerative Element abkühlt, erleidet sie keine Temperaturabnahme, da sie zu
den zunehmend heißen Teilen des regenerativen Elementes durch Drehung des
Kanales geführt wird. Der Betrieb der Verbrennung, der mit der heißen
Verbrennungsluft bewirkt wird, schreitet mit extrem hohen Temperaturen fort und
das Intervall zwischen der Zeit, zu der die Verbrennung gestartet wird und der
Zeit, zu der die zuvor beschriebene angehobene Temperatur erreicht wird, wird
verkürzt.
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Durch Verschließen des vorderen Anschlusses der Luftleitung mit einer Endplatte,
die zahlreiche kleine Löcher enthält und durch Abgabe der Luft mit hoher
Geschwindigkeit aus der Luftleitung in Richtung des regenerativen Elementes,
kann der Betrag an Abgas, das zwischen dem regenerativen Element und dem
drehbaren Kanal entweichen kann, beschränkt werden.
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Da der Brenner ferner im wesentlichen in einer zentralen Position des
regenerativen Elementes angeordnet ist, wird die Verbrennungsluft während des
Verbrennungsprozesses in Richtung des Umfanges der Flamme herausgeblasen,
die durch den Brenner gebildet wird und kann daher die nach oben gerichtete
Verschiebung der Flamme, die von dem Brenner abgestrahlt wird, regulieren und
zur gleichen Zeit die vollständige Verbrennung des Brennstoffes fördern. Die
beschriebene Lücke zwischen dem drehbaren Kanal und dem regenerativen
Element veranlaßt das Abgas, das durch die Verbrennung entsteht, zur
Neuzirkulation und gestattet eine Absenkung bzw. Steuerung des Betrages an
abgegebenem Stickstoffoxid.
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Darüber hinaus gestattet die Zuführung der beweglichen Luft zu dem Luftrohr in
dem Brennstoffrohr die Einstellung der Größe bzw. der Schärfe der von dem
Brenner abgestrahlten Flamme und erhöht die Flexibilität der Flamme und
verbessert die Steuerbarkeit und Vielseitigkeit der Vorrichtung.
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Wenn diese Erfindung in einem Asche-abgebenden Ofen verwendet wird, wird,
da die Verbrennungsluft durch die Verwendung des regenerativen Elementes
aufgeheizt wird, welches seinerseits durch das Abgas aufgeheizt wird, eine
hinreichend hohe Temperatur erzielt, um sogar die Asche zu lösen, die infolge
von in der Verbrennungsflamme zurückgehaltenem Brennstoff erzeugt wird. Der
Asche-abgebende Ofen bewirkt daher die Lösung der Asche und die Beschichtung
der Innenwand des Ofens mit einer verfestigten Kruste aus gelöster Asche und
verhindert demzufolge einen Verlust des Ofens durch Durchschmelzen. Dieser
Ofen gestattet die Verwendung des in der Flamme zurückgehaltenen Brennstoffes
als gewöhnlicher Brennstoff. Das Abgas kann als ein Brennstoff mit niedrigem
Brennwert erneut verwendet werden.
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Die Erfindung kann in der Praxis in verschiedenen Arten umgesetzt werden und
einige Ausführungsbeispiele seien nunmehr anhand eines Beispieles unter
Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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Figur 1 ein schematischer Querschnitt einer Verbrennungsvorrichtung vom
Wärmerückgewinnungstyp gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser
Erfindung ist;
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Figur 2 ein Querschnitt entlang Linie II-II in Figur 1 ist;
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Figur 3 ein detaillierterer Querschnitt ist, der den wesentlichen Teil der
Vorrichtung von Figur 1 veranschaulicht;
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Figur 4 ein Diagramm ist, das die Charakteristik der Steuerung des
Betrages an beweglicher Luft veranschaulicht;
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Figur 5 eine Darstellung ist, die Testresultate zeigt, welche bei der
Verwendung der Vorrichtung gemäß der Erfindung erhalten
werden;
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Figur 6 ein schematischer Querschnitt ist, der ein weiteres
Ausführungsbeispiel dieser Erfindung veranschaulicht;
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Figur 7 ein schematischer Querschnitt ist, der ein weiteres
Ausführungsbeispiel dieser Erfindung veranschaulicht;
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Figur 8 ein schematischer Querschnitt ist, der ein noch weiteres
Ausführungsbeispiel dieser Erfindung veranschaulicht;
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Figur 9 ein schematischer Querschnitt ist, der eine herkömmliche
Verbrennungsvorrichtung veranschaulicht; und
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Figur 10 ein vergrößerter Querschnitt des wesentlichen Teiles der
Vorrichtung von Figur 9 ist.
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In Figur 1 ist eine Verbrennungsvorrichtung 30 vom Wärmerückgewinnungstyp
mit dem unteren Teil des Hauptgehäuses 31 der Verbrennungsvorichtung in der
Form eines Schmiedeofens verbunden, der als eine Wärmequelle zum Aufheizen
einer Substanz, wie beispielsweise einer Bramme, verwendet wird, die innerhalb
des Hauptgehäuses 31 angeordnet ist und der Aufheizung unterworfen wird.
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Die Verbrennungsvorrichtung 30 vom Wärmerückgewinnungstyp ist versehen mit
einem Brenner 32 zum Richten einer Flamme in Richtung der Substanz, die
innerhalb des Hauptgehäuses 31 angeordnet und der Verbrennung unterworfen ist,
mit einer Luftleitung 33, die in der Nähe des Brenners 32 angeordnet ist und
einen Fluß von Verbrennungsluft dem Inneren zuführen kann, einer Abgasleitung
34 (Figur 2), die in der Nähe der Luftleitung 33 angeordnet ist und Abgase
abgeben kann, die bei der Verbrennung im Inneren des Hauptgehäuses 31
entstehen und mit einem Wärmeaustauschglied 35, das in der Lage ist, die
Wärme des Abgases auf die Verbrennungsluft zu übertragen, die durch die
Luftleitung 33 fließt.
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Das Hauptgehäuse 31 der Verbrennungsvorrichtung ist aus einem feuerfesten
Material, wie beispielsweise feuerfesten Backsteinen hergestellt. Es besitzt eine
Öffnung 31a, die in einer seitlichen Wand gebildet ist. Das zuvor erwähnte
Wärmeaustauschelement 35 ist innerhalb dieser Öffnung 31a angeordnet. Dieses
Wärmeaustauschelement 35 ist durch ein luftdurchlässiges regeneratives Element
37 gebildet, das aus einer keramischen Substanz hergestellt ist und wie eine
Honigwabe geformt ist. Das regenerative Element 37 ist durch einen Mörtel 36
abgestützt, der zwischen dem Element 37 und der Wand der Öffnung 31a
angeordnet ist. Der Brenner 32 ist im Zentrum des regenerativen Elements 37
angeordnet, wobei dessen vorderes Ende in das Hauptgehäuse 31 der
Verbrennungsvorrichtung hineinragt. Dieser Brenner 32 ist ein gewöhnlicher
Gas- oder Ölbrenner. Die Verbrennungsluft von der Luftleitung 33 wird durch das
regenerative Element 37 geführt, welches den Brenner 32 umgibt. Da die
Verbrennungsluft über den Umfang des Brenners 32 geführt wird, wird ein
sekundärer Effekt abgeleitet, der eine nach oben gerichtete Verschiebung der
Flamme des Brenners 32 durch die Verbrennungsluft verhindert.
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Eine Platte 38 zur Abstützung des Brenners 32 wird entlang der Außenkante der
Öffnung 31a gebildet. Ein Flansch 40 einer Hauptgehäuseumhüllung 39 ist mit
dieser Platte 38 verbunden, wobei dies durch Bolzen 41 unter Zwischenfügung
eines Dichtringes G erfolgt, so daß eine Verbindung zwischen der
Hauptgehäuseumhüllung 39 und dem regenerativen Element 37 gebildet wird.
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Die Hauptgehäuseumhüllung 39 ist versehen mit einem Lufteinlaßteil 42 zur
Zuführung von Verbrennungsluft, beispielsweise mittels eines Gebläses, einem
Auslaßteil 43 für die Abgabe von Abgas aus dem Innern des Gehäuses, einem
drehbaren Kanal 44, der zwischen dem Lufteinlaßteil 42 und dem regenerativen
Element 37 angeordnet ist und mit einer Antriebseinrichtung 45 für die Drehung
des drehbaren Kanales 44.
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Ein Teil 44a mit großem Durchmesser des drehbaren Kanales 44 ist innerhalb des
Gehäuses 33a des Auslaßteiles 43 angeordnet.
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Das Teil 44a mit großem Durchmesser bildet einen Teil der Luftleitung 33 und
besitzt einen Querschnitt in der Form eines stumpfen Sektors, wie dies in Figur 2
veranschaulicht ist. Innerhalb des Gehäuses 43a sind die Luftleitungen 33 und die
Abgasleitung 34 so angeordnet, daß sie sich in Umfangsrichtung einander
abwechseln. Der Teil 44a mit großem Durchmesser, der die Form eines
spitzwinkligen Sektors besitzt, bildet eine Luftleitung 33 und der Teil, der so
gebildet ist, daß er einen Querschnitt in der Form eines stumpfen Sektors
aufweist, dient als die Abgasleitung 34.
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Die Luftleitung 33 und die Abgasleitung 34 sind so geformt, daß sie zwei
getrennte Durchführungen über die gesamte Länge von dem Einlaß zu dem
Auslaß bilden. Insbesondere ist die Luftleitung 33 so ausgestaltet, daß die in den
Lufteinlaßteil 42 einfließende Luft durch den drehbaren Kanal 44 fließt, der sich
von einem Teil 44b mit geringem Durchmesser zu einem Teil 44a mit großem
Durchmesser allmählich aufweitet und sodann in Richtung auf das regenerative
Element 37 abgegeben wird. Bei der Luftleitung 33 in diesem
Ausführungsbeispiel ist der vorderseitige Anschluß des regenerativen Elements 37
mit einer Endplatte 48 verschlossen, die zahlreiche kleine Löcher 47 enthält, so
daß die Verbrennungsluft, die durch diese kleinen Löcher 47 abgegeben wird, in
einen Luftfluß mit hoher Geschwindigkeit umgewandelt wird und aufgrund des
sich daraus ergebenden Venturi-Effektes irgendwelches Abgas in die Luftleitung
33 zieht, das auf eine Leckage zwischen dem regenerativen Element 37 und dem
drehbaren Kanal 44 zurückzuführen ist, wodurch der Betrag an Abgas, der auf
eine Leckage zurückzuführen ist, auf ein Minimum gebracht wird.
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Die Abgasleitung 34 ist so angeordnet, daß das von dem regenerativen Element
37 abgegebene Abgas durch den Teil verläuft, der einen Querschnitt in Form
eines stumpfen Sektors aufweist und zu dem inneren leeren Raum 43b des
Gehäuses 43a in dem Auslaßteil 43.
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Die Antriebseinrichtung 45 stützt drehbar den drehbaren Kanal 44 mit
Abdichtelementen S und einem Lager J ab. Diese sind entsprechend in dem
inneren Anschlußteil einer Verschlußplatte 49 angeordnet, welche angeordnet ist,
um die Seite des Gehäuses 43a gegenüber dem regenerativen Element 37 in dem
Auslaßteil 43 und ebenfalls in dem inneren Anschlußteil einer Stützplatte 50 zu
schließen, die am freien Ende des Teiles 44b mit geringem Durchmesser in dem
drehbaren Kanal 44 angeordnet ist. Die Antriebseinrichtung 45 umfaßt eine Kette
53, welche ein Zahnrad 51, das zwischen den zwei Lagern J und J befestigt ist,
mit einem Antriebszahnrad 52 verbindet, das durch einen Motor M gedreht wird.
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Da bei diesem Ausführungsbeispiel der drehbare Kanal 44 in einem ideal
abgeglichenen Zustand zwischen den zwei Lagern J und J in der zuvor
beschriebenen Weise abgestützt ist, kann er mit einer relativ hohen
Geschwindigkeit gedreht werden und es kann die thermische Wirksamkeit des
Ofens durch die Erhöhung der Drehgeschwindigkeit verbessert werden.
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Ein Experiment wurde ausgeführt, um die Beziehung zwischen der
Rotationsgeschwindigkeit des drehbaren Kanales 44 und der thermischen
Wirksamkeit des Ofens zu bestimmen. Die Ergebnisse sind in Figur 5 gezeigt.
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Dieses Experiment wurde ausgeführt durch Betrieb der Verbrennungsvorrichtung
dieses Ausführungsbeispiels unter Verwendung von LPG als Brennstoff, um die
Temperatur des Abgases, die Temperatur der vorgeheizten Luft und die innere
Temperatur des Ofens, bezogen auf die Rotationsgeschwindigkeit des drehbaren
Kanals 44 festzustellen. In Figur 5 repräsentiert die horizontale Achse die
Drehgeschwindigkeit des drehbaren Kanales 44 und die vertikale Achse die
Temperatur.
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Es wird den Ergebnissen dieses Experiments klar entnommen, daß die
Temperatur des Abgases scharf ansteigt, wenn die Rotationsgeschwindigkeit des
drehbaren Kanales 44 unter eine Umdrehung pro Minute fällt.
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Die thermische Wirksamkeit kann hier gefünden werden aus der Beziehung
zwischen dem Betrag der eingeführten Wärme und dem Betrag der durch das
Abgas verlorenen Wärme, wie durch die folgende Formel angezeigt.
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η : (Q - cp.G.T)).100/Q
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wobei
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η : für die thermische Wirksamkeit steht
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Q : für die thermische Kapazität steht
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Cp : für die spezifische Wärme des Abgases steht
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G : für den Betrag des Abgases steht
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T : für die Temperatur des Abgases steht.
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Die thermische Wirksamkeit wird gefunden durch Verwendung der Ergebnisse
des zuvor erwähnten Experimentes in dieser Formel. Nimmt man einen Fall, bei
dem die Drehung mit relativ hoher Geschwindigkeit erfolgt, z.B. mit 2
Umdrehungen pro Minute, so beträgt die entsprechende Abgastemperatur 250ºC.
Die thermische Wirksamkeit wird in diesem Fall daher wie folgt gefunden.
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η = (25000 - 0.32.26.250) x 100/25000 = 91.68 (%)
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Dies zeigt an, daß der Verbrennungsofen eine herausragende thermische
Wirksamkeit bietet, die 90% übersteigt.
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Die sich während der Drehung mit einer solch relativ hohen Geschwindigkeit
bietende exzellente thermische Wirksamkeit wird logisch durch ein Postulat
erklärt, daß, wenn die Rotationsgeschwindigkeit des drehbaren Kanales 44 erhöht
wird, die von dem drehbaren Kanal 44 abgegebene Luft beträchtlich die
Temperatur des regenerativen Elementes absenkt und somit in größerem Umfang
die Temperatur der eingeführten Luft erhöht. Infolgedessen wird die thermische
Wirksamkeit verbessert.
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Der Lufteinlaßteil 42 wird gebildet durch Verbindung eines Grundrohres 54 mit
einem Verzweigungsrohr 55 gemäß dem Muster eines umgekehrten T. Ein Ende
dieser Grundleitung 54 ist mit einem Abdeckglied 56 verschlossen und das andere
Ende ist mit der Stützplatte 50 des Teiles 54b mit kleinerem Durchmesser
verbunden, um eine Verbindung mit dem drehbaren Kanal 44 zu ermöglichen.
Die Bezugsziffer "57" in Figur 1 stellt eine Fluß-Regulierplatte dar.
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Ein Brennstoffrohr 58 zur Zuführung von Brennstoff zu dem Brenner 32 verläuft
entlang der zentralen Achse des drehbaren Kanales 44 und des Brennstoffrohres
58 und eine Luftleitung 59 (Figur 3) zum Zuführen beweglicher Luft
(Ansteuerluft) zu dem Brenner 32 ist innerhalb des Brennstoffrohres 58
angeordnet. Die Größe bzw. Schärfe der Flamme, die von dem Brenner 32
abgestrahlt wird, wird durch Steuerung des Betrages der beweglichen Luft
eingestellt, die von diesem Luftrohr 59 freigegeben wird. Bezüglich der
Beziehung zwischen der Schärfe der Flamme, die mit dem theoretischen Betrag
an Luft erzeugt wird und dem Wärmeverlust, wird der geeignete Betrag der
bewegten Luft ungefähr im Bereich zwischen 2 und 5% gefunden. Durch
Einstellung der bewegten Luft kann die Flexibilität, die Steuerbarkeit bzw. die
Anpassungsfähigkeit der Flamme erweitert werden.
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Wie in Figur 3 veranschaulicht, erstreckt sich die Luftleitung 33 nicht bis zu der
Endfläche des regenerativen Elements 37, sondern ist so gebildet, daß sie einen
Spalt t zwischen sich und dem regenerativen Element 37 läßt. Dieser Spalt t kann
als ein Verbindungsteil 60 verwendet werden, um einem Teil der Abgase den
Vorbeigang zu gestatten, wie dies durch den gestrichelten Pfeil in dem Diagramm
angezeigt ist. Infolgedessen kann der Betrag an Stickstoffoxyd in dem Abgas
eingestellt werden, da ein Teil des Abgases in die Luftleitung 33 durch Sog
gezogen wird und erneut für die Verbrennung verbraucht wird. Die Verwendung
eines Teils des Abgases für diesen Verbrauch wird erleichtert, indem die
Verbrennungsluft zur Abgabe mit einer hohen Geschwindigkeit mittels der
zahlreichen kleinen Löcher 47 veranlaßt wird die in der Endplatte 48 des
drehbaren Kanales 44 gebildet sind.
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Nun sei die Arbeitsweise des vorliegenden Ausführungsbeispieles beschrieben.
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Die Verbrennungsvorrichtung 30 vom Wärmerückgewinnungstyp ist mit einem
Schmiedeofen verbunden und der Brenner 32 wird gezündet, während der Motor
M in Drehung gehalten wird und ein Gebläse betrieben wird, um
Verbrennungsluft zuzuführen.
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Der durch das Brennstoffrohr 58 verlaufende Brennstoff wird von dem Brenner
32 ausgespritzt und mit Sauerstoff durch die Verbrennungsluft versorgt, die über
die Luftleitung 33 und das regenerative Element 37 eingeführt wird. Die durch
die Verbrennung erzeugte Flamme erstreckt sich unter Verwendung der mit
Sauerstoff angereicherten Verbrennungsluft in Richtung der Substanz, die der
Verbrennungswärme unterworfen ist, beispielsweise eine Bramme. Infolgedessen
wird die Innentemperatur des Schmiedeofens allmählich angehoben und nachdem
die zuvor beschriebene Periode verstrichen ist, wird die Bramme in dem
Schmiedeofen erhitzt und aufgeweicht.
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Das Abgas verläuft durch das regenerative Element 37 und wird durch die
Abgasleitung 34 abgegeben. Das regenerative Element 37 wird auf eine hohe
Temperatur durch den Vorbeilauf des Abgases aufgeheizt.
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Wenn die durch die in Drehung gehaltene Luftleitung abgegebene
Verbrennungsluft in das regenerative Element 37 daher eingeführt wird, wird
diese Verbrennungsluft durch das regenerative Element 37 aufgeheizt. Diese
Aufheizung kann als momentan in dem Sinn betrachtet werden, daß die
Verbrennungsluft unmittelbar durch Blasen von Luft aus der Luftleitung 33 in
Richtung auf das regenerative Element 37 aufgeheizt wird. Somit beinhaltet sie
keinen Wärmeverlust während des Heizprozesses und gestattet eine effiziente
Verwendung der auf eine hohe Temperatur aufgeheizten Luft. Die Verbrennung
unter Verwendung dieser heißen Luft schreitet mit einer sehr hohen Temperatur
fort. Somit wird das Intervall zwischen der Zeit, wo die Verbrennung beginnt und
der Zeit, wo die zuvor beschriebene Temperatur erreicht wird, kurz. Das Abgas
verläuft nach der Übertragung seiner Wärmeenergie auf das regenerative Element
37 entlang des Außenumfängs der Luftleitung 33 fort, welche Luft mit relativ
geringer Temperatur führt und wird sodann von der Abgasleitung 34 abgegeben.
Die Verbrennungsvorrichtung dieses Ausführungsbeispieles erfordert daher nicht
immer einen Schornstein.
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Wenn ein Teil des Verbrennungsgases durch den Verbindungsteil 60 zwischen
dem drehbaren Kanal 44 und dem keramischen regenerativen Element 37 während
des Verbrennungsprozesses fließt, kann der Betrag an Stickstoffoxid, der in dem
Abgas verbleiben kann, auf einen Wert unterhalb eines vorgeschriebenen Pegels
beschränkt werden, da ein Teil des Abgases mit der Luft auf der Luftleitungsseite
33 gemischt wird und demzufolge erneut bei der Verbrennung verbraucht wird.
Das Vorsehen dieses Verbindungsteiles 60 besitzt ferner den Vorteil, daß die
Gesamtkonfiguration der Vorrichtung vereinfacht und die Wirksamkeit der
Vorrichtungsanordnung verbessert wird, da dieser Verbindungsteil 60 die
Notwendigkeit vermeidet, die Lücke zwischen der Luftleitung 33 und der
Abgasleitung 34 abzudichten.
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Figur 6 veranschaulicht eine Verbrennungsvorrichtung gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel dieser Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die
Verbrennungsvorrichtung 30 mit einem Strahlungsrohr 61 verbunden. Das Abgas
wird nicht in das Innere des Ofens abgegeben, sondern es wird ihm gestattet,
innerhalb des Strahlungsrohres 61 zu fließen und es wird aus der Abgasleitung 34
abgegeben, nachdem die der Hitze ausgesetzte Substanz alleine durch die Hitze
der Umgebungsluft aufgeheizt worden ist. Da die Verbrennungsvorrichtung 30
strukturell identisch zu der des vorangehenden Ausführungsbeispieles ist, bildet
sie ein sauberes System unter dem Gesichtspunkt der Umwelt.
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Figur 7 veranschaulicht eine Verbrennungsvorrichtung gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel dieser Erfindung. Diese Verbrennungsvorrichtung soll der
Verwendung in einem aschelösenden Ofen dienen, der betrieben wird durch die
Verbrennung einer Rohbrennstoff-zurückhaltenden Flamme, wie beispielsweise
CWM (Kohlen/Wasser-Mischung) usw., welche bei der Verbrennung Asche
erzeugt (nachstehend einfach als "Brennstoff-zurückhaltende Flamme" bezeichnet)
und gelöste Asche aus dem eigentlichen Ofen fortwährend abgibt. Wenn
allgemein eine solche Brennstoff-, wie beispielsweise CWM oder
Feinkohlenstaub-zurückhaltende Flamme, die bei der Verbrennung Asche erzeugt,
abgebrannt wird, so wird der Aschegehalt des Brennstoffes geschmolzen oder
teilweise in der Flamme mit hoher Temperatur geschmolzen und sodann auf der
Innenwand des Ofens abgelagert, was möglicherweise zu einer unerwünschten
Verstopfung führt. Um dies zu vermeiden, besteht eine bekannte Praxis darin, die
Innentemperatur des Ofens über dem Schmelzpunkt der Asche zu halten, wodurch
die Asche positiv geschmolzen wird und die Asche aus dem Ofen in der Form
eines geschmolzenen Körpers abgegeben wird.
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Wenn der Schmelzpunkt der Asche beispielsweise höher als ungefähr 1,450ºC
liegt, so ist der Teil der eliminierten Asche gewöhnlicherweise gering aufgrund
der sorgfältigen Schmelzung und die Ablagerung der Asche kann nicht mit der
gewöhnlichen Luft erzielt werden.
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Für die Lösung dieses Problems sind unter anderen Systemen vorgeschlagen
worden
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a) ein Verfahren, das den Schmelzpunkt der Asche vermindert durch
Einschluß eines den Schmelzpunkt absenkenden Lösungsmittels, wie
beispielsweise Kalk in der Asche,
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b) ein Verfahren, das die Verbrennungstemperatur erhöht durch Vorheizen
der Luft mittels Verwendung eines Wärmetauschers,
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c) ein Verfahren, das die Verbrennungstemperatur erhöht durch die
Verwendung irgendwelcher, mit Sauerstoff angereicherter Luft.
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Das Verfahren a) ist unerwünscht, da es nicht nur lediglich die Kosten der
Verbrennung erhöht, sondern ebenfalls den Betrag an erzeugter Asche erhöht.
Das Verfahren b) kann keine genügende Temperaturerhöhung bewirken aufgrund
der dem Wärmeaustauscher selbst auferlegten Grenze. Das Verfahren c) leidet an
einer ungebührlichen starken Erhöhung der Verbrennungskosten aufgrund der
durch die Zuführung von Sauerstoff auferlegten Grenze.
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Wenn die oben beschriebene Verbrennungsvorrichtung verwendet wird, wird die
Erhöhung der Verbrennungstemperatur und die sanfte Abgabe der gelösten Asche
aus der Asche des Ofens erzielt, ohne daß es erforderlich ist, mit Sauerstoff
angereicherte Luft zu verwenden.
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Ein Asche-aufschließender Schmelzaschenofen 70, wie er in Figur 7
veranschaulicht ist, ist mit einem Ofengehäuse 72 versehen, das eine
Verbrennungskammer 71 und die Verbrennungsvorrichtung 30 besitzt, die
betrieben wird durch die Verbrennung einer Brennstoff-zurückhaltenden Flamme,
wie beispielsweise CWM (Kohle/Wasser-Mischung).
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Das Ofengehäuse 72 besitzt eine wassergekühlte Ofenwand mit einer
Wasserleitung 74, die außerhalb einer Ofenwand 73 angeordnet ist, welche aus
einem gießfähigen, feuerfesten Material besteht. Das Ofengehäuse 72 besitzt eine
Öffnung 72a, die in dem oberen Teil einer Seitenwand gebildet ist und ein Asche-
Abführloch 72b, das in der Bodenwand gebildet ist.
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Die Verbrennungsvorrichtung 30 ist mit der Öffnung 72a verbunden. Eine
Heizeinrichtung 74, wie beispielsweise ein Boiler, kann mit dem Auslaß der
Abgasleitung 43 der Verbrennungsvorrichtung 30 verbunden sein, wobei der
Boiler in der Lage ist, als Brennstoff das Abgas zu verwenden, das über die
Abgasleitung 43 abgegeben wird. Wenn unzureichende Luft für eine vollständige
Verbrennung der den Brennstoff zurückhaltenden Flamme, die in den Ofen
eingeführt wird, als Verbrennungsluft verwendet wird, so wird der Brennstoff
teilweise verbrannt und führt zu der Abgabe von Abgas, das brennbare Gase, wie
CO und H&sub2; in großen Anteilen enthält, obgleich dieses nur einen geringen
kalorimetrischen Wert besitzt. Dieses Gas mit niedrigem kalorimetrischen Wert
kann erneut als Brennstoff verwendet werden.
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Wenn die Verbrennungsvorrichtung 30 in einem aschelösenden Ofen verwendet
wird, steigt zu dem Zeitpunkt, wo das innerhalb des Ofens erzeugte
Verbrennungsgas durch das regenerative Element 37 abgegeben wird, die
Möglichkeit an, daß etwas von der geschmolzenen Asche durch das Abgas
mitgezogen wird und demzufolge veranlaßt wird, in das regenerative Element 37
einzutreten, wo es bis zu einem Ausmaß abgelagert werden kann, daß dieses
verstopft wird. Es ist daher erwünscht, eine Kühleinrichtung 75 innerhalb des
Ofens des regenerativen Elements 37 zu installieren und die Kühleinrichtung 75
zu veranlassen, ein Fluid mit niedriger Temperatur, wie beispielsweise Luft
einzusprayen, um die Temperatur der geschmolzenen Asche unter ihren
Schmelzpunkt abzusenken.
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In einem Asche-lösenden Ofen, der die zuvor beschriebene
Verbrennungsvorrichtung 30 verwendet, wird Verbrennungsluft mit sehr hoher
Temperatur wirksam erzeugt, da das regenerative Element 37 auf eine hohe
Temperatur durch das Abgas aufgeheizt wird, das durch die Verbrennung der den
Brennstoff zurückhaltenden Flamme erzeugt wird und demzufolge die
Verbrennungsluft aufheizen kann. Somit verläuft die Verbrennung, die mit der
heißen Luft ausgeführt wird, auf einer sehr hohen Temperatur.
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Aufgrund der Tatsache, daß die Verbrennung auf einer hohen Temperatur
stattfindet, wird dem Aschegehalt der den Brennstoff zurückhaltenden Flamme
gestattet, die Innenwand der Verbrennungskammer 71 zu kontaktieren und sich
rasch auf dem Ofengehäuse 73 abzulagern, das mit der Wasserleitung 74 gekühlt
wird. Zu diesem Zeitpunkt wird die Asche alleine rasch im geschmolzenen
Zustand auf der Innenwand abgelagert, wenn der Brennstoff bereits vollständig
verbraucht ist. Wenn Feinkohlenstaub sich noch im Verfahren der Verbrennung
befindet und eine Schicht aus geschmolzener Kohle sich auf der Innenwand der
Verbrennungskammer 71 bildet, so verbleibt die abgelagerte Kohlenschicht in
Takt und die Verbrennung wird vervollständigt.
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Auf diese Weise wird die Innenwand der Verbrennungskammer 71 mit der
geschmolzenen Kohlenschicht abgedeckt, die allmählich an Dicke gewinnt und
sich unter Schwerkraft auf dem Boden des Ofens sammelt und schließlich nach
unten durch die Schlacken-Abzugslöcher 72b fällt. Insbesondere, wenn die Asche
gelöst ist, wird die Innenwand des Ofens mit der verfestigten Kruste der
geschmolzenen Asche beschichtet und infolgedessen wird der Ofen selbst am
Durchschmelzen gehindert.
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Wenn unzureichend Luft für eine vollständige Verbrennung des Brennstoffes, der
in den Ofen eingeführt wird, verwendet wird, so wird der Brennstoff teilweise
verbrannt und das Abgas, das durch die Abgasleitung 43 abgegeben wird, besitzt
nahezu keinen Aschegehalt trotz der ziemlich hohen Temperatur. Es enthält
jedoch solche entzündbaren Gase wie CO und H&sub2; in großen Anteilen, die einen
niedrigen kalorimetrischen Wert besitzen. Wenn dieses Abgas einer
Heizeinrichtung, wie beispielsweise einem Boiler zugeführt wird, kann es als ein
gasförmiger Brennstoff verwendet werden. Somit kann sogar eine
Ascheenthaltende und Brennstoff-zurückhaltende Flamme in einen leicht handhabbaren
gasförmigen Brennstoff umgewandelt werden, der effizient verwendet werden
kann.
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Die zuvor beschriebene Verbrennungsvorrichtung 30 kann vertikal konfiguriert
werden, wie dies in Figur 8 veranschaulicht ist und mit dem oberen Teil des
Ofengehäuses 72 befestigt werden, wobei ein Schlacken-Abgriffloch 72b im
Zentrum der Bodenwand des Ofengehäuses 72 gebildet wird.
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Diese Erfindung kann nicht nur in solchen Öfen, wie Schmiedeöfen und
Aschelösenden Öfen verwendet werden, die zuvor beschrieben worden sind, sondern
ebenfalls in verschiedenen Einrichtungen, die für die Anwendung von Wärme,
wie beispielsweise Trockeneinrichtungen und dampferzeugende Einrichtungen,
wie sie Turbinen darstellen, beabsichtigt sind. Während die beschriebenen
Ausführungsbeispiele Fälle darstellen, in denen Luftleitungen 33 und
Abgasleitungen 34 jeweils zu zweit gebildet werden durch Unterteilung des
Inneren des drehbaren Kanales 44, ist durch diese Erfindung ebenfalls die Bildung
mehrerer Luftleitungen und Abgasleitungen beabsichtigt. Obgleich der drehbare
Kanal 44 so dargestellt worden ist, daß er an seinem Eingang mit einem
Luftkanal 59 zum Liefern bewegter Luft versehen ist, ist bei der Vorrichtung
dieser Erfindung nicht immer das Erfordernis für diesen Luftkanal vorhanden.