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Elektrischer Widerstandsofen mit Innenheizung
| Bei elektrischen Widerstandsöfen, die bei: hohen |
| Temperaturen betrieben werden, ist die Frage. der |
| möglichst verlustlosen Ausnutzung oder zugeführten |
| Heizenergie von besonderer Bedeutung. Das gilt vor |
| allem für solche Ofen, in denen aus Gründen. der |
| Temperaturbeständigkei:t odertdes,Korrosionsw ider- |
| standes keramische Baustoffe eingesetzt werden |
| müssen, in denen bei der üb:lichenArt der Bebei;zung |
| von außen her erhebliche Wärmeverluste zwischen |
| der Heizung und dem Ofeninnern auftreten. Ach |
| bei (der Durchführung endothermer Reaktionen, ist |
| man besonders (darauf angewiesen; idie Heizenergie |
| möglichst verlustlos im Ofeninnern in Wärme um- |
| zusetzen. Man bat aus diesem Grund bereits Ofen |
| in Vorschlag gebracht, bei idenen die Hei,z,elemente |
| im Innern,des Ofenraumes angeordnet sintd, so daß |
| die Heizenergie im Ofenraum wirksam und un- |
| mittelbar auf das zu erwärmende Gut übertragen |
| wird. Es ,ist jedoch nicht möglich, für alle Wärme- |
| behandlungsvongän:ge oder chemischen Reaktionen, |
| namentlich- bei hoher Temperatur, die bekannten |
| metallischen Heizleiterwerkstoffe zu benutzten, da |
| sie vielfachen Korrosionseinflüssen unterliegen, |
| ,durch die :die Heizleiter, wenn nicht zerstört, so |
| doch in ihren elektrischen Eigenschaften verändert |
| werden. In diesen Fällen ist ein gleichmäßiger unid |
| sicherer Betrieb. solcher Ofen auf 1die Dauer nicht |
| gewährleistet. Aus "diesem Grund ist man dazu |
| übergegangen, insbesondere bei innenbeheizten |
| Ofen, Heizkörper .aus nichtmetalliischem, halblieiiten- |
| dem Material zu. verwenden und benutzt dazu ins- |
| besondere die sogenannte Nernst-Masse aus Zirkon- |
| oxyd und Yttriumoxyd oder auch Massen nach Art |
| ,der Auermischung aus Thori@umoxyd mit geringen |
| Anteilen an. Ceroxyrd. Diese und ähnliche Massen |
| haben die Eigenschaft, ihren spezifischen Widerstand |
mit ansteigender Temperatur stark zu verringern, so daß eine für
die Erzeugung von hohen Ofentemperaturen genügende Stromaufnahme erst dann möglich
ist, wenn ider Heizkörper auf eine gewisse Temperatur, die im allgemeinen unterhalb
iooo bis iioni° liegt, vorerhitzt ist. Die Notwendigkeit, für die Vorerhitvung solcher
Halbleiterheizkörper besondere Heizvorrichtungen im Ofen vorzusehen, hat ihre Verwendung
bisher stark beeinträchtigt, um so mehr, als bei Wärmebehandlungsvorgängen, drei
bei hohen Temperaturen -die Verwendung von n:ichtmetallnsohen Heizleitern nach Art
edier Nernst-Massen z. B. aus Gründen ides Korrosionsverhaltens erforderlich machen,
Vorerhi.tzungseinrichtungen, :die im albgemeinen metallische Heizleiter aufweisen,
nicht zu verwenden, sind oder aber wach Abschluß ,der Vollerhitzung jedesmal aus
dem Ofenraum entfernt werden müssen. Es ist zwar schon vorgesohlab n worden, Ofen
mit Wirderstandshe:izkörpern aus Nern.st-Mussen auszurüsten und diese mit Platin-
oder Chromnickelheizelementen vorzuwärmen, die im Ofen verbleiben, jedoch :ist man
dann auf idie Einhaltung von Aribeitsbedingungen beschränkt, :durch ;die die Vorleizeinnichtungen
nicht beschädigt werden. Es kann also der Offen nur bei. verhältnismäßig niedrigen
Temperaturen und mit inerten, das Platin bzw. ,das nicht angrei#feniden# Stoffen
betrieben werden.
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Die Erfinrdung zeigt nun einen einfachen Weg zur Vermeidung der Nachteile
und Beschränkungen in der Anwendung, denen die bisherigen, mit Nernst-Massen als
Heizleiter ausgestatteten innenbeheizten Öfen unterlagen. Erfindungsgemäß werden
im Ofenraum in der Nähe ides eigentlichen Hei;zleiters Gasbrenner .aus hochfeuerfesten.
keramischen Stoffen ungeordinet, :die beliebig iaus idem Ofen entfernt werden oder
aber auch nach Absehluß :deir Vorerhitzu@ng im Ofenraum verbleiben können, ohne
-durch Iden Ofenbetrieb, auch bei noch so hoher Temperatur, oder unter ungünstigen
korrosionschemischen Bedingungen in irgendeiner Weis: gefährdet zu weirden. Auf
diese Weise wild (das bisher notwewdige umständliche Herausnehmen die, Vbrheiizeinridhtungen
vermieden und andererseits jede mögliche Bes:chäidiigung der Vorerhitzungs:körper
mit Sicherheit ausgeschaltet, @dia (der Werkstoff; aus dem sie bestehen, widerstandsfähig
gegen. Iden Ei:nfluß hoher Temperatur und korrodiierender Medien ist.
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Besonders: bewährt haben sich für,diese vorzugsweise im Ofen verbleibenden
Vorerhitzungsbrenner hochfeuerfeste oxydkeramischrei Werkstoffe, wie Aluminiumoxyd,
Beryllium:oxyd, Zirkonoxyd, Ti .anoxyd; Thori:umoxyd, Magnes:iurnoxyd oder entsprechende
Gemische idieser Stoffe.. Derartige Oxyde werden .im allgemeinen idurch, Sin.terung
,bei Temperatu.nen bis zu 2o:oo° zu: Formkörpern verarbeitet, die außerordentlich
widerstandsfähig gegen, hohe Temperaturen, chemische Einflüsse und Temperaturwechsel
sind.
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Nach einer besonders zweckmäßigen Arbeitsweise werden die Vorwärmbrenner
für die Heizkörper in Form von einsseitig geschlossi:nen Rohren in :dem Ofenraum
verteilt, wobei sich die Anzahl oder Brennerrohre nach tder Anzahl,der verwendeten
Heizkörper richtet. Die Brenmerrohre sind mit Bohrungen für Iden Austritt ider Brenngase
bzw. die, Bildung der Gasflammen versehen. Diabei können die Brennerrohre je nach
ihrer Anordnung zu den vorzuwärmenrden Heizkörpern auf Länge unrd/odier Umfang ganz
oder teilweise mit Gasaustrittsboh.rungen versehen. sein. Insbesondere bei, senkrecht
angeordneten Öfen von größerer Länge, die. lange Heizkörper und Üamdt auch lange
Brennerrohre für idiieVorwärmung erfordern, hat es sich als äußerst zweckmäßig erwiesen,
(den Durohm@esser der Bohrungen .im unteren Teil ider Brennerrahre größer zu halten
als, im oberen Teil, wobei die Durchmesseränderung gegebenenfalls kontinuierlich
von unten nach oben erfolgen kann. Außerdem kann es für die Erzeugung eines mögl@i:chst
breiten Flammenraumes: zweckmäßig sein, (die Austrittsöffnungen für die j Brenngase
an :den Brennerrohren in. ider Lä;ngsrichtung gegeneinander zu versetzen. DieAnordnung
undAusführung derGasau:s:trittsbohrungen in Iden Brennerrohren richtet sich im wesentlichen
nach tder Anzahl der Brennerrohre und :ihrer Anordnung gegenüber dien Heizkörpern,
wofür in dien Abb. i bis 5 einige beispielsweise Ausfüh;rungsformen wiedergegeben
sind.. In Abb. i sind schematisch einige tHeiizstäbe a aus Nerust-Masse dargestellt,
zwischen denen jeweils Brennerrohre b angeordnet sind. Die B.renne:rrohre b sind
mit Gasaustrittsöffnungen c versehen, an denen das Gas unter Flammenbildung entzündet
wird, so daß die im Flamm@bereich liegenden Heizkörper erhitzt werden.
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Abb. 2, zeigt idie gleiche Anordnung im Grundriß. Die Bohrungen. c
im &n Brennerrohren b sind so angeordnet, daß die Flammen ,n (der :durcih Pfeile
angedeuteten Richtung praktisch ausschließlich auf den Heizleitern ca brennen, so
&ß idde Vorerhitzung unter möglichst weitgehender Ausnutzung,der zugeführten
Wärmeenergie erfolgt.
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Nach Abb. 3 kann !der Heizraum auch nur einen zentral liegeirden Heizkörper
ca aufweisen, der dann zweckmäßig von zwei B.rennerrohren b :erhi,t.zt wird:, :die
nur an der dem Heiizwiderstand jeweils, zu-. gekehrten Seite ihres Umfanges Gasaustritts
bohrungen aufweisen, wie .in ider Zeichnung durch Pfeile angedeutet isst. Bei Anwendung
einer Vielzahl von Innenheizkörpern, @die Insbesondere für ausgedehnte Ofenräume
von Bedeutung sind, werden die Heizkörper a entsprechend Abb: q. bevorzugt auf einen
möglichst großen Teilkreis entlang der beispielsweise kreisförmigen Wandung ,dies
Ofenraumes verteilt. In idiesem Fall werden tdie Brennerrohre zweckmäßig derartig
angeordnet, idaß jedes Brennerröhr b,durch entsprechende Anbringung der Gas:austritts:bohrungen
nach zwei Seiten arbeitet und jeweils zwei benachbarte Heizkörper vorwärmt.
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In Anwendung -der vorliegenden, Erfindung ergibt sich für Öfen, .bei
(dienen aus bestimmten Gründen der Ofenraum idie Form eines möglichst schmalen Ringspaltes
aufweisen soll, wie z. B. bei der katalytischen Herstellung von Blausäure aus Methan-
Ammoniak-Gemischen,
eine besonders vorteilhafte Konstruktion gemäß Abb.5. Dabei wird idie Wandung des
Ofenraumes, in ,dessen Mitte der gleichzeitig :als Verdrängungskörper dienende 'Heizlei:ter
a angebracht ist, durch ,das idiesen konzentrisch umgebende Brennerrohr b gebilidet,
Idas auf seinem Umfang gleichmäßig verteilte Gasaustri,ttsöffnungen c trägt, durch
:die die Flammen konzentrisch auf :den Heizkörper a zur Vorwärmung gerichtet werden
können. Des Brennerrohr b ist wiederum konzentrisch Üu:rch ein Außenrohr d überfangen,
das je nach Temperatur und Isolationsverhältnissen :aus keramischem oder auch metallischem
Werkstoff bestechen kann. Die Brenngase für die Vorheizung tretep nun von unten
in Iden idurch die Rohre b und d gebilideten Zwischenraum
e ein, so daß der vorzuwärmende Heizkörper a. allseitig besonders gleichmäßig
ider Wirkung rder Brennere flammen ausgesetzt ist.Über idiegewählten Beispiele hinaus
sind für Ofen gemäß vorliegender Erfindung bezüglich der Ausstattung mit Heizleitern
und Vorheizbreunern und ihrer gegenseitigen Anordnung zahlreiche beliebige Ausführungen
möglich.
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Als Werkstoff für idne Heirzkörper werden idie: an sich bekannten
halbleitenden Massen verwendet, wobei es zweckmäßig ;ist, ,die Werkstoffe nach ihrem
elektrischen Widerstand so auszuwählen, idaß idieser bei etwa ioool nicht mehr als
ioS2 - cm beträgt. Aus der Reihe (derartiger Werkstoffe haben sich besonders Massen
aus Zirkonoxyd und Yttriu:moxyid im Verhältnis. 8,5 : 15 oder aus Thoriu:moxyd unid
Ceroxyd und! schließlich eine Masse mit 8o% Thoriumoxyd und je i,o % Yttriumoxyid
und Ceroxyd: ganz besonders -bewährt.
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Die für (die Heizleiter bevorzugt verwendeten Massen sind bei erhöhten
Temperaturen im allgemeinen einer starken Elektronenemission. fähig und wirken erfahrungsgemäß
katalytisch auf (die Umsetzung ,dies Brenngases, so daß an ihrer Oberfläche gegebenenfalls
auch eine flammenlose Verbrennung stattfinden kann. Die katalytische Wirksamkeit
,der Heizleiter kann erfinidungsgemäiß id@urch Vergrößerung ihrer Oberfläche gefördert
werden, indem id,ie Heizleiter mit Rippen, Riefen oder sonstigen Profilierungen
versehren werden.
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Bei dem Betrieb der Offen nach der vorliegenden Erfindung kann,die
Beheizung (der Vorwärmibrenner durch übliche Brenngase aller Art, wie z. B. Stadtgas.,
Generatorgas, Wassergas, Methan, aber auch durch Wasserstoff oder andere wasserstoffhaltige
Gemische gegebenenfalls im Gemisch mit Luft oder anideren sauers:toffihaltigen Gasen,
erfolgen. Nach Erreichen der gewünschten Heiizleitertem:peratur, bei der der Stromidurchgang
,infolge Verringerung des spezifischen Widerstandes für :die Aufnahme der gewünschten
Heizenergie genügt, wird die Zufuhr der Brenngase abgestellt, und die Bre:unerrohre
werden gegebenenfalls außerhalb (des Ofens verschlossen. Erfinidu.ngsgemäß können
die Brennerrohre jedoch .auch für die Zuleitung und bei mehreren Brennerrohren auch
für die von Schutzgasen für ,den Ofenraum verwendet werden. Atich ist es möglich,
bei Durchführung von Reaktionen mit gasförmigen Reaktionsteilnehmern in ,den erfindungsgemäßen
Öfen ,die Zuleitung der Reaktionsgase ganz oder teilweise ,durch idie Brennerrohre
vorzunehmen und gasförmlge Reaktionsprodukte gegebenenfalls ,durch einen, anderen
Teil der Rohre auu.s,de.m Ofen. abzuführen.
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Die Ofen gemäß ,der vorliegenden Erfinidumg sind in ihrer Verwendung
keinerlei Beschränkungen hinsichtlich der Betriebstemperatur und der Art ider Wärmebehandlungsv
orgänge unterworfen. Sie können mit Vorteil für die Durchführung von chemischen
Reaktionen bleu hohen Temperaturen herangezogen werden, ohne diaß :die Gefahr einer
Zerstörung ,der Hilfsbrenner für ,die Vorerhitzung durch chemisch aggressive Reaktionsteilnehmer
besteht. Inrdoligedessen sind derartige Ofen für idie Durchführung von Gasreaktionen
bei hoben Temperaturen ganz "besonders geeignet.