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Wärmeaustauscher zur Wärmebehandlung von platten-bzw. bandförmigen Materialien mittels Strahlung, insbesondere zur Flächenerwärmung und-abkühlung von Glas
Die Erfindung bezieht sich auf Wärmeaustauscher zur Warmebehandlung von platten-bzw. bardför- migen Materialien, insbesondere zur Flächenerwärmung und-abkühlung von Glas, die Wände aus feu- erfestem Material aufweisen, das eine Emission bzw. Absorption von wenigstens 50% besitzt. Von diesen sich entlang paralleler Achsen erstreckenden Wänden stehen benachbarte in einem Winkel zueinander, so dass ihre wärmetauschenden Flächen eine Anzahl benachbarter Hohlräume mit spitzen Scheitelwinkeln an den Berührungslinien der Wände bilden. In Nahe der Wände ist eine Wärmequelle oder-senke ange- ordnet.
Solche Wärmeaustauscher bieten gegenüber andern mit in isolierenden Ziegeln verlegten Heiz- elementen und der hiedurch bedingten, örtlich veränderlichen Temperatur den Vorteil eines gleichmässi- geren und daher leichter zu kontrollierenden Strahlungsfeldes sowie einer wesentlich kleineren thermi- schen Trägheit. Überdies lässt sich das Strahlungsfeld mit auf niedrigerer Temperatur gehaltenen Heiz- elementen erzeugen, so dass mit einer günstigen spektralen Verteilung der Strahlungsenergie gearbeitet werden kann.
Wann ein Band, eine Platte oder ein andersartig geformtes Material unter Kontrolle gekühlt werden soll, ist es von besonderer Bedeutung, dass ein Warmeabsorber so gleichmässig und einwandfrei wie mög- lich arbeitet, da sonst die Abkühlung nicht einwandfrei kontrolliert bzw. mit maximaler Wirksamkeit ausgenutzt werden kann.
Da das Emissionsvermögen eines gegenüber seiner Umgebung ärmeren Körpers dem Absorptionsver- mögen desselben gegenüber seiner Umgebung kälteren Körpers entspricht, bezieht sich der in der vorliegenden Beschreibung verwendete Ausdruck"Emissionsvermögen"sowohl auf das Emissions-, als auch auf das Absorptionsvermögen.
Der Oberflächenbeschaffenheit der Wände wurde bisher keine Aufmerksamkeit geschenkt. Die wärmetauschenden Flächen waren rauh und uneben, wie es bei den üblichen feuerfesten Ofenmaterialien der Fall ist.
Um eine gleichmässige Wirkung von Wärmeaustauschern der beschriebenen Art zu gewährleisten, muss aber das Strahlungsfeld weitgehend homogenisiert und mussen überdies nach Möglichkeit die Eigenschaiten eines schwarzen Körpersrealisiert sein. Dieses Ziel lässt sich erreichen, wenn erfindungsgemäss die Wärmetauscherflächen der Wande glatt sind und zufolge der Wahl der spitzen Winkel die totale Absorption oder Emission der Hohlräume durch innere Reflexion im wesentlichen auf den Wert 1 gebracht ist.
Erst die glatte Oberflächenbeschaffenheit der wärmetauschenden Flächen ermöglicht es, ein wenigstens annähernd zutreffendes Bild des räumlichen Winkels zu gewinnen, den das von jedem Hohlraum ausgehende Strahlenbündel erfüllt und dafür zu sorgen, dass die Bereiche des Werkstückes, auf welche die Strahlung benachbarter Hohlräume auftrifft, sich teilweise überdecken. Das Material, aus dem die Wände bestehen, welche die Hohlräume abgrenzen, muss ein Emissionsvermögen von mehr als 50% besitzen, da andernfalls bei mehrfacher Reflexion eine Annäherung an die Charakteristika des schwarzen Körpers nicht erreichbar ist. Diese Bedingung ist bei reiner Kieselerde und bei aus 50% Kieselerde und 50% Ton bestehenden Gemischen erfüllt.
Als besonders wirksame Strahler haben sich jedoch Mischungen mit grösserem Kieselerdegehalt, insbesondere mit 60stro Kieselerde und 400 Ton erwiesen.
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Die Erfindung ist im folgenden an Hand beispielsweiser Ausführungsformen und von Diagrammen näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. In dieser zeigt :
Fig. l ein schematisches Strahlendiagramm zur Veranschaulichung der geometrischen Verhältnisse in einem winkligen Hohlraum, Fig. 2 ein Diagramm, das die Änderung der Emission eines Hohlraumes in Abhängigkeit von dem Emissionsvermögen des zur Herstellung der feuerfesten Anlage verwendeten Materials veranschaulicht, wenn die Strahlungsenergie ohne Reflexion, mit ein-, zwei-, drei-und viermaliger Reflexion abgegeben wird, bevor sie das zu behandelnde Objekt erreicht.
Dieses Diagramm gilt auch für die Absorption von Strahlungsenergie, die von dem Objekt ausgeht, und in den Hohlraum eintritt, Fig. 3 in einem Diagramm, wie sich die Emission oder Absorption eines winkeligen Hohlraumes mit dem Verhältnis der Hohlraumtiefe zur Breite seiner Öffnung ändert, Fig. 4 eine Ausführungsform eines als Wärmeelement in einem Ofen eingesetzten Wärmeaustauschers, Fig. 5 eine abgeänderte Ausführungsform, Fig. 6 eine Ansicht des in Fig. 5 gezeigten Anlageteiles und die Zusammenfassung solcher Wärmeelemente in Gruppen, Fig. 7 eine schematische Darstellung eines sogenannten horizontalen Ofens mit erfindungsgemässen Wärmeelementen, wobei die Gruppen der Warmeelemente im Abstand voneinander in einer horizontalen Ebene angeordnet sind, Fig.
8 eine schematische Darstellung eines sogenannten vertikalen Ofens, in dem Glasplatten zur Wärmebehandlung in vertikaler Ebene mit Zangen gehalten werden, wobei die erfindungsgemässen Strahlungserwärmer an einander ge- genüberliegenden Wändendes Heizofens angeordnet sind, Fig. 9 eine schematische Darstellung einer Ziehvorrichtung für Glasscheiben, bei der Strahlungs-Wärmeaustauscher oder Energieabsorber angeordnet sind, die annähernd die Eigenschaften eines schwarzen Körpers haben und Fig. 10 eine Ansicht der StrahlungsWärmeaustauscher oder Energieabsorber, die in der in Fig. 9 dargestellten Anlage eingebaut sind.
Die in den ersten dreiFiguren wiedergegebenenDiagramme zeigen die Merkmale, die dafür bestimmt sind, wie weit ein Hohlraum, der einen Teil eines erfindungsgemässen Wärmeaustauschers bildet, einem idealen schwarzen Strahler nahekommt.
In Fig. l stellt die Strecke ROP jenen Abschnitt der Oberfläche eines Gegenstandes, z. B. einer Glasplatte, dar, die mittels eines erfindungsgemässen Wärmeaustauschers erwärmt-oder gekühlt werden soll, der die Eigenschaften eines schwarzen Körpers aufweist. Von diesem Wärmeaustauscher ist ein der Plattenoberfläche ROP gegenüberliegender Hohlraum dargestellt, der gegen die Platte zu offen und von zwei ebenen Wänden begrenzt ist, die mit der Normalenrichtung der Platte je einen Winkel x einschliessen. Die halbe Breite der Öffnung des Hohlraumes ist mit w, seine Tiefe mit L bezeichnet. Die Plattenoberfläche steht im Abstand d von der Öffnung.
Wenn die Emission bzw. Absorption der von dem Hohlraum ausgehenden bzw. von der Plattenfläche ROP emittierten und von ihm aufgenommenen Strahlung ein unverändertes Maximum sein soll, das gegenüber Veränderungen im Hohlraum-Material verhältnismässig unempfindlich ist, dann muss der durch die mit glatten Oberflächen versehenen Wände gebildete Winkelraum eine Emission haben, die der eines schwarzen Körpers entspricht oder dieser wenigstens annähernd gleichkommt. Da die meisten Stoffe ein Emissionsvermögen besitzen, das unter 1 liegt, ist es erforderlich, durch die Formgebung des Hohlraumes dafür zu sorgen, dass die reflektierte Strahlung dazu ausgenutzt wird, die unmittelbar abgegebene Strah- lung zu verstärken.
Im vorliegenden Fall besteht die von dem Punkt A des Hohlraumes gegen den Punkt P in der Objektebene gerichtete Strahlung aus von Punkt A unmittelbar abgegebenen Strahlen, von Punkt B ausgestrahlten, bei A reflektierten und von Punkt C ausgestrahlten und bei B und A nach P reflektierten Strahlen usw. Falls das Emissionsvermögen des für die Wände des Hohlraumes verwendeten Materials wenigstens 500/0 beträgt, nähert sich die Summe der emittierten und reflektierten Energieanteile asymptotisch dem Wert 1.
Fig. 2, welche die Emission eines Hohlraumes mit der Emission des zu seiner Herstellung verwendeten Materials vergleicht, zeigt, wie sich die Emission eines Körpers dem Wert 1 nähert, wenn die multiple Reflexion ausgenützt wird.
In dem Diagramm ist als Abszisse das Emissionsvermögen des Materials als Ordinate die Emission des Hohlraumes aufgetragen. Die Kurven C,C..C beziehen sich auf die Fälle, in denen keine Reflexion, zwei, drei und vier Reflexionen ausgenützt ist bzw. sind. Bei einer ebenen Wand gleicht die Emission dem Emissionsvermögen des gewählten Materials (Kurve Co). Es ist ersichtlich, dass sich die Emission des Hohlraumes sehr schnell dem Werte 1 nähert, selbst bei Materialien mit verhältnismässig niedrigem Emissionsvermögen, wenn die Anzahl der Reflexionen im Inneren vermehrt wird, bevor die Strahlungsenergie aus dem Hohlraum austritt.
Wenn eine 98%-ige Wirksamkeit erwünscht ist, muss, wie sich aus Fig. 2 ergibt, z. B. ein Material
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mit einem Emissionsvermögen von 50% verwendet und ein winkliger Hohlraum hergestellt werden, in des- sen Inneren wenigstens vier Reflexionen stattfinden. Bei einem Material mit einem Emissionsvermögen von 70% ist nur zweimalige Reflexion notwendig.
Fig. 3 erläutert, wie die Emission eines Hohlraumes mit zunehmendem Verhältnis seiner Tiefe zur Breite seiner Öffnung ansteigt.
Dieses Verhältnis V ist als Abszisse, die Emission des Hohlraumes als Ordinate aufgetragen. Die Kur- ven D-D. beziehen sich auf Materialien mit denEmissionsvermögen Eo =0, 60, 0, 70, 0, 80 (geschmol- zener Quarz) und 0, 85. Die Ausbildung des Hohlraumes entspricht Fig. l. Es sind die folgenden Beziehun- gen vorausgesetzt.
Strecke ROP = 2, 4w, d=30, 5 cm.
Die Kurven sind auch für einen Abstand zwischen Hohlraum und Ziel gültig, der grösser als 30, 5 cm ist. Die Strecke ROP wurde grösser als die Grundlinie 2w des Hohlraumes gewählt, so dass sich die Hohl- raumstrahlungsfelder gleichmässig überlappen, wenn die Hohlräume nebeneinander angeordnet sind. Die
Fig. 3 zeigt, dass die Eigenschaften eines Hohlraumes sich umsomehr denjenigen eines schwarzen Kör- pers annähern, je kleiner der Scheitelwinkel 2x des Hohlraumes ist.
Aus Fig. l erhellt, dass bei der von dem Punkt A ausgehenden Strahlung eine grosse Anzahl von Re- flexionskomponenten zusammenwirken, die den am Punkt P des Objektes auftreffenden Strahl verstärken.
Der dargestellte Strahl AP ist ein Randstrahl einer in einem räumlichen Winkel verlaufenden, im wesent- lichen der Strahlung eines idealen schwarzen Körpers entsprechenden Strahlung, die von dem Hohlraum ausgeht.
Da die gleichen Bedingungen auch bezüglich Strahlen herrschen, die von A ausgehen und auf einen zwischen den Endpunkten R, P des Abschnittes ROP gelegenen Punkt auftreffen, ist der Hohlraum in bezug auf die Objektebene ein schwarzer Strahler. Falls es erwünscht ist, den Wärmeaustauscher für Kühlzwecke zu verwenden, wird die von dem Flächenabschnitt ROP abgegebene Strahlung von dem Hohlraum absor- biert, wobei dieser sich wie ein absorbierender schwarzer Körper verhält.
Bei der Bestimmung des Scheitelwinkels des Hohlraumes bei einem gegebenen Abstand von einem
Objekt ist es zuerst notwendig, die Anzahl der reflektierten Komponenten zu bestimmen, die erforderlich sind, um die Emission des Hohlraumes so zu steigern, dass sie sich dem Wert 1 nähert. Dies hängt von dem Emissionsvermögen des verwendeten Materials ab. Falls beispielsweise der Hohlraum aus einem feu- erfesten Material mit einem Emissionsvermögen von 0, 80 hergestellt wurde, und einen solchen Winkel hat, dass wenigstens zwei reflektierte Komponenten zusammenfallen, dann ist nach Fig. 2 die Emission wenigstens gleich 0, 992.
Wenn die gewünschte Anzahl der zusammenwirkenden, reflektierten Komponenten bekannt ist, kann der Winkel des Hohlraumes bestimmt werden, der erforderlich ist, um diese Anzahl von Reflexionen zu er- möglichen. Hiezu sind die einfachen geometrischen Beziehungen zu verwenden, die zwischen dem Schei- telwinkel x des Hohlraumes, den Winkeln, a, b, c, welche die an den Punkten A, B, C der Hohlraumwan- dung reflektierten Strahlen mit dieser einschliessen und den Abmessungen L. w, d und h bestehen und aus
Fig. l unmittelbar abzulesen sind.
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+ hEin erfindungsgemässes Wärmeaustauschelement besteht aus feuerfesten Hohlelementen, die allge- mein mit 10 bezeichnet sind, wobei das Material ein Emissionsvermögen von wenigstens 50% hat. Ein solches Element kann durch"Gleitgiessen"eines Kieselerde-Ton-Materials hergestellt werden, um sicherzustellen, dass seine Oberflächen glatt sind.
Ein typisches Verfahren zum Gleitgiessen von hohlen, feuerbeständigen Gebilden aus etwa 0, 4 cm dicken Wänden mit z. B. einer Länge von 30 cm, einer Breite von 15 cm und einer Höhe von 8 cm mit Einschnitten, die 4, 5 cm breit und 4, 5 cm tief sind, besteht darin, dass man 80 kg geschmolzene Kieselerde inForm von Körnern, welche durch ein Sieb mit 700 Maschen/cm2 durchfallen, mit 54, 5 kg nor- malem Ton mischt, das Gemisch einer Lösung zusetzt, die 3000 cm3 Nap 407 in 24, 5 kg destilliertes
Wasser enthält und auf diese Weise eine Gussmasse bildet. Die Masse wird in eine Form aus gebranntem
Gips gegossen, deren innere Wände die Form haben, welche die Aussenwände des feuerfesten Gebildes annehmen sollen.
Die Schlämmung erstarrt an den Wänden der Gipsform, wobei die Erstarrung mit einer
Geschwindigkeit von etwa 0,4 cm pro 10 min fortschreitet. Nach 10 min wird die überschüssige Gussmasse entfernt und das erstarrte Gussstück etwa 10 min an der Luft getrocknet. Die Form wurde dann abgenommen und das Gussstück wurde bei etwa 11800 C 72 Stunden lang gebrannt.
Die Brenntemperatur darf nicht zu hoch sein, da sich die geschmolzene Kieselerde in eine voluminösere Form umwandelt, wenn sie auf wesentlich höhere Temperaturen erhitzt wird. Die geschmolzene Kieselerde muss ferner eine kleine Teilchengrösse haben, damit eine glatte Oberfläche entsteht.
Jedes der feuerfesten Bauelemente 10, ist als Hohlelement ausgebildet und weist eine Hinterwand 20, zwei je an deren Kanten angesetzte Seitenwände 18 bzw. 22 und eine Vorderwand auf. Die Vorderwand besteht aus einer Anzahl ebener Wände 12 mit Oberflächen 14, 26, von denen wenigstens die ersterwähnten, 14, glatt sind und Hohlräume 16 mit V-förmigem Querschnitt begrenzen. Die Innenfläche der Vorderwand, der Seitenwände 18,22 und der Hinterwand umschliesst den Hohlraum oder die Kammer 24 des Hohlelementes. Die Seitenwände 18 und 22 sind in Nahe der Verschneidungskanten mit der Hinterwand mit je einer gegen den Hohlraum vorspringenden Einbuchtung versehen, die eine Rinne 28 bildet.
Soferne erfindungsgemässe Wärmeaustauscher aus mehreren solchen Hohlelementen bestehen, liegen diese mit sich abstützenden Seitenflächen in einer Schar nebeneinander und gegebenenfalls zwei oder eine Anzahl von Scharen übereinander. Um für ein fluchtendes Aneinanderschliessen der Hohlräume der einzelnen eine senkrechte Reihe bildenden Bauelemente zu sorgen, sind Halterungen 30 mit einer Rückwand 32 und zwei Zungen 34 vorgesehen, welche in die beiderseits in den Seitenwänden 18, 22 liegenden Rinnen 28 eingreifen. Die Rückwand 32 ist am Ofengestell befestigt.
Fig. 5 und 6 zeigt eine andere Konstruktion, die ebenfalls die Ausrichtung von in einer Reihe übereinander angeordneter Hohlelemente 10 gewährleistet.
In diesem Falle sind die Rückwand 20 und die anschliessenden Teile der Seitenwände mit den Rinnen etwas verkürzt, um einen Raum zur Aufnahme von flachen Leisten 38 zu schaffen, die von einer Platte 40 abstehen, welch'e an dem Ofengestell befestigt ist. Diese Leisten sind verhältnismässig schmal, reichen nur bis über die Rinnen 28 und sind in dem vom Rinnenquerschnitt überdeckten Bereich mit je einem Loch versehen. Durch die Löcher sind Stäbe 36 gefädelt, die innerhalb der Rinnen verlaufen und sowohl für die Ausrichtung der jeweils eine Reihe bildenden Bauelemente 10 sorgen als auch deren Zusammenhalt mit dem Ofengestell sichern.
Wenn die Hohlräume 16 als Hohlraumstrahler wirken sollen, ist es erforderlich, mit jedem feuer- festen Bauelement 10 eine Wärmequelle zu verbinden. Diese Wärmequelle kann z. B. aus heissen Brenngasen bestehen, welche durch die Kammern 24 der feuerfesten Bauelemente 10 strömen. Da die Wande 12 der feuerfesten Bauelemente 10 dünn, vorzugsweise etwa 3, 2-6, 4mm stark sind, weisen solche Wärmeaustauscher nur eine sehr kleine thermische Trägheit auf und geben demzufolge trotz der verhältnismässig kleinen spezifischen Wärme der heissen Gase, die durch die Kammern 24 geführt werden, praktisch sofort eine Strahlung mit einem dem stationären Betrieb entsprechenden Spektrum ab.
Als Wärmequelle können aber auch elektrische Heizwiderstände 42 verwendet werden, die in jedem winkligen Hohlraum 16 angeordnet sind und in deren Längsrichtung verlaufen. Solche Widerstände sollen jedoch so tief wie möglich innerhalb des Hohlraumes liegen und höchstens etwa 100 der Querschnittsfläche der Hohlraumöffnung ausfüllen. Wenn diese Vorsichtsmassnahmen nicht getroffen werden, bewirkt der elektrische Heizwiderstand, dass der Hohlraum die Merkmale des schwarzen Körpers verliert.
Fig. 7 zeigt die Anwendung feuerfester Bauelemente 10 in einem horizontalen tunnelartigen Ofen oder Kühlofen 44, mit einer Decke 46, einem Boden 48 und Wänden 50. Transportwalzen 52 sind drehbar an den Wänden 50 befestigt und mittels üblicher Motor- und Antriebsvorrichtungen, wie z. B. Ket-
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ten und Zahnrädern (nicht gezeigt) antreibbar. Das zu kühlende Material, z. B. Glasscheiben auf Glas- auflagevorrichtungen, wird mittels der Walzen durch den Ofentunnel bewegt.
Eine Gruppe feuerfester Bauelemente 10 befindet sich an der Decke 46, eine andere Gruppe am Bo- den 48 des Ofens 44. Wärmeempfindliche Kontrolleinheiten 54 sind an den Wänden 50 angeordnet und auf Bereiche der ausstrahlenden Oberflächen der feuerfesten Bauelemente 10 gerichtet, um die Wärme- abgabe der elektrischen Heizwiderstände 42, die im Scheitel eines jeden Hohlraumes 16 angeordnet sind, zu überwachen und zu steuern.
Die elektrischen Heizwiderstände sind mit Verbindungsleitungen 56 zu geeigneten Widerstandsstrom- kreisen zusammengeschlossen, von denen jeder mit einer unterschiedlichen Spannungsquelle (nicht ge- zeigt) über einen Steuerstromkreis verbunden ist, der auf die Angaben der Kontrolleinheiten 54 anspricht.
Entlang des Daches und des Bodens sind so viele Steuerstromkreise vorgesehen wie zur Steuerung des War- mestrahlungsfeldes, das sich längs und quer über die Bewegungsbahn des Glases durch den Ofen erstreckt, erforderlich sind.
Oberhalb der unteren Gruppe von Heizelementen ist ein Maschennetz 58 angeordnet, um beim Zer- brechen einer Glastafel herabfallende Glasstücke aufzufangen und ein Auffallen auf die Heizwiderstände zu verhindern.
Ein vertikaler Ofen 60, in dem die feuerfesten Bauelemente 10 von dessen senkrechten Wanden 62 getragen werden, ist in Fig. 8 veranschaulicht. Bei diesem Ofen sind Glasscheiben G von Zangen 64 an
Zangenhaltern 66 gehalten, welche mittels antreibbarer Transportrollen 68 durch den Ofenraum bewegt werden. Als Wärmequellen dienen heisse Gase, welche die Kammern 24 der Bauelemente des Warmeaus- tauschers durchströmen.
Sowohl bei Horizontal- als auch bei Vertikalöfen sind beide Arten der Erwärmung anwendbar, u. zw. für sich allein oder gegebenenfalls auch in Kombination.
Die in den Fig. 7 und 8 gezeigte Vorrichtung ist zwar insbesondere für die Erwärmung von Glasschei- ben geeignet, wie es beispielsweise zum Anlassen, Tempern oder Überziehen erforderlich ist, jedoch können die feuerfesten Bauelemente 10 auch für Öfen zum Biegen von Glasscheiben verwendet werden.
Wenn Glasscheiben paarweise zur Vorbereitung für ihre Schichtung bei der Herstellung von geschichteten
Schutzscheiben aus Sicherheitsglas gebogen werden, dann wird nur die obere Fläche einer Anzahl von aus- gerichteten Windschutzscheiben der Strahlungserwärmung ausgesetzt. Metallstücke werden unter bestimmten Teilen der Gruppe angebracht, um Wärme aus jenen Teilen abzuziehen, die verhältnismässig flach bleiben sollen. Daher sind die Erwärmer nur oberhalb der Bewegungsbahn der Glasscheiben vorgesehen.
Die erfindungsgemässen feuerfesten Bauelemente 10 können also entweder nur auf einer Seite der Bewegungsbahn der Glasscheibe oder auf beiden Seiten angeordnet sein.
Der folgende Versuch wurde unternommen, um die Vorteile der vorliegenden Erfindung bei der gleichmässigen Erwärmung einer Glasscheibe aufzuzeigen. Ein 61 cm langer, 46 cm hoher und 41 cm breiter Ofen wurde zuerst mit festen, feuerfesten Wänden versehen, von denen einander gegenüberliegen- de, in Längsrichtung verlaufende, rechteckige, 3,8 cm tiefe und 3,8 cm breite Kanäle aufwiesen, welche in einem Abstand von 3,8 cm lagen. Heizspiralen mit einem Durchmesser von 1,25 cm wurden in den Kanälen angeordnet und erstreckten sich über deren Lange. Nach 3 Stunden kontinuierlichen Erwärmens lag die Temperatur der ausstrahlenden Oberfläche der festen Wände zwischen 6490G bei den Heiz- spulen und 5990 zwischen den Spulen.
Eine Glasscheibe von Raumtemperatur mit einer Stärke von 6, 4 mm und einem Format von 25 x 31 cm wurde senkrecht in der Mitte des Ofens aufgehängt. Die Einführung des Glases kühlte den Ofen ab%. Es wurde so viel Strom zugeführt, dass die Temperatur der Heizspulen wieder auf 6490 C stieg. Nach 45 min, während der sich die Heizofentemperatur ausglich, erreichte die Oberflächentemperatur der Glasscheibe einen zwischen 5930 C und 6070 C liegenden Temperaturwert.
Der gleiche Versuch wurde durchgeführt, nachdem die festen, feuerfesten Wände entfernt worden waren und durch Gussstücke aus einer Kieselerde-Ton-Zusammensetzung mit glatten Wänden ersetzt wor- den war, die winklige Hohlräume mit einer Breite von 4, 4 cm und einer Tiefe von 4, 4 cm bildeten und entlang den Ofenwänden nebeneinander an Stelle der festen feuerfesten Wände angeordnet waren. Die Heizspiralen mit einem Durchmesser von 1, 25 cm wurden innerhalb der Hohlräume angeordnet und auf 6490 C erhitzt. Die Oberflächentemperatur der Hohlräume lag zwischen 6460 C an ihrem Scheitelpunkt und 6410 C an der grössten Öffnung nach nur einstündiger Erhitzung.
Eine Glasscheibe, die hinsichtlich Länge, Breite, Stärke und chemischer Zusammensetzung mit der zuerst verwendeten Scheibe so weit wie möglich übereinstimmte, wurde in der Mitte des mit den erfindungsgemässen Wärmeaustauschelementen versehenen Ofens aufgehängt. Die Glasscheibe erreichte eine
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Oberflächentemperatur zwischen 641 und 6430 C. Dieser Temperaturbereich wurde, ausgehend von Raum- temperatur (etwa 240 C) in etwa 15 min erreicht. Die Energiezufuhr war für beide Ofenkonstruktionen dieselbe.
Aus diesen Versuchsergebnissen geht hervor, dass die Einstellzeit des leeren Ofens, d. h. die zum
Aufheizen des Ofens mittels Heizspiralen von 6490 C auf seinen Gleichgewichtszustand erforderliche Zeit, von 3 Stunden auf eine und die bis zum Erreichen des Gleichgewichtszustandes der Glasscheibe benötigte
Zeit von 45 auf 15 min vermindert wurde.
Ferner wurden die Temperaturunterschiede der Heizquelle von 500 C auf 80 C herabgesetzt. Die
Temperatur auf der Glasoberfläche stieg gleichzeitig von einem Bereich von 420 C bis 560 C auf einen
Bereich von 60 C bis 80 C unterhalb der Spiralentemperatur.
Wie bereits erwähnt, kann die Erfindung auch bei der Konstruktion von Strahlungswärmeabsorbern angewendet werden. Ein typisches Beispiel für eine solche Anwendung ergibt sich bei der Produktion von
Scheiben- oder Fensterglas.
Bei der Herstellung von gezogenen Glasscheiben wird das Glas im allgemeinen nach aufwärts in Form eines kontinuierlichen Bandes von der Oberfläche eines Bades aus geschmolzenem Glas gezogen. Auf sei- ner Bahn nach oben passiert das Glas verschiedene Kühlvorrichtungen. Die bisher verwendeten Kühlvor- richtungen sind meistens aus feuerfestem Material, wie z. B. Metall, hergestellt, und enthalten eine Viel- zahl von miteinander in Verbindung stehenden rechteckigen oder quadratischen Kanälen zum Durchleiten eines Kühlmittels, wie z. B. Wasser. Sie bilden dem Glas gegenüber eine kontinuierliche ebene Oberfläche. Die hohe Temperatur, der diese üblichen Kühlvorrichtungen ausgesetzt sind, verursacht eine ungleichmässige Oxydation ihrer Oberflächen, wodurch ihre Wärmeabsorptionsfähigkeit herabgesetzt wird.
Die Oxydbildung auf den Kühlvorrichtungen, nachdem diese während einer Zeit im Einsatz waren, stellt ein besonders ernsthaftes Problem dar. Diese Kühlvorrichtungen strahlen ferner die Wärme auf das viskose Glas zurück, wodurch ihre Wirksamkeit als Kühler weiter vermindert wird.
Das Zusammentreffen dieser beiden Effekte ist eine Quelle von Schwierigkeiten, die der Einhaltung von gleichmässigen Stärken der Scheiben entgegenstehen und zu einer wesentlichen Verminderung der Ziehgeschwindigkeit nötigen, die sich in einer geringeren Produktion ausdrückt.
Verschiedene Versuche wurden unternommen, um die Ziehgeschwindigkeit durch Vergrösserung der Ausmasse der Kühlvorrichtung zu erhöhen. Es ist jedoch einleuchtend, dass das Problem der Oxydation und Rückstrahlung der Wärme auf das Glas weiterhin besteht, das sich im übrigen durch die Anordnung von Matten aus wärmebeständigem Material, wie z. B. Asbest entlang der Kühleroberfläche nicht lösen lässt. In diesem Falle ist eine ständige Beobachtung der Glasscheibe und der Lageveränderung der verschiedenen Matten erforderlich, wodurch sich ausserdem Ablagerungen von der Kühlvorrichtung ablösen, in das Bad fallen und dieses verunreinigen können. Auch die Kühlvorrichtung selbst kann beschädigt werden.
All diese Schwierigkeiten lassen sich durch die Anwendung erfindungsgemäss ausgeschalteter Wärmeaustauscher beheben, bei denen eine vergleichmässigte Absorption gewährleistet und infolgedessen eine unveränderliche Ziehgeschwindigkeit ermöglicht ist, die zu einem Band von gleichbleibender Dicke führt.
Die Einrichtung solcher Wärmeaustauscher zum Kühlen anstatt zum Aufheizen erfordert lediglich das Ersetzen von Heizelementen durch Kühlelemente, also die Anordnung eines Kühlrohres an Stelle einer Heizspirale oder das Hindurchleiten eines Kühlmediums an Stelle eines erhitzten Gases.
Fig. 9 zeigt einen solchen kühlenden Wärmeaustauscher in einem Ziehofen 104 für Tafelglas, in dem ein Glasband 100 aus einem Bad 102 aus geschmolzenem Glas gezogen wird, in dem eine unter dem Band verlaufende Ziehstange 106 angeordnet ist. Das an seiner Austrittsstelle aus dem Glasbad viskose Glasband bildet mit der Badoberfläcne einen Meniskus 107 und wird durch eine Ziehkammer 108 mittels der Ziehwalzen 110 einer üblichen, allgemein mit 112 angedeuteten Ziehvorrichtung abgezogen. Die Ziehkammer wird durch das Bad 102, die üblichen L-Blocks 114, die mit Ventilator arbeitenden Wasserkühler 116, die Stirnwände 118 und die Auffangpfannen 120 begrenzt. Die Kühler 116 sind jeweils zwischen einem L-Block 114 und dem Rahmen der Ziehvorrichtung 112 angeordnet und erstrecken sich im wesentlichen bis zu den Stirnwänden 118 des Ofens.
Die Grundfläche der Ziehvorrichtung 112 wird im wesentlichen durch die meistens U-förmigen Auffangpfannen 120 geschlossen, die ebenfalls als Kühlvorrichtungen ausgebildet und so angeordnet sind, dass sie gebrochenes Glas, das in die Maschine fallen könnte, auffangen und damit das Eindringen von Bruchstücken in das Bad 102 verhindern. Diese AuffÅangpfannen 120 erstrecken sich im wesentlichen gleichfalls bis zu den Stirnwänden 118 der Ziehkammer 108 und sind so konstruiert, dass Kühlflüssigkeit, wie z. B. Wasser, durchfliessen kann. Ein Teil einer jeden Auffangpfanne 120 ist im wesentlichen parallel zu und im Abstand von der Scheibe 100 angeordnet.
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Die erfindungsgemäss konstruierten Wärmeabsorber 122 (s. auch Fig. 10) sind dazu bestimmt, eine maximale Strahlungsenergiemenge von jeder Flächeneinheit des Bandes 100 zu absorbieren. Sie sind in einem gewissen Abstand über der Badoberfläche 102 zu beiden Bandseiten angeordnet und erstrecken sich im wesentlichen über die gesamte Bandbreite.
Jeder Wärmeabsorber 122 besteht aus nebeneinanderliegenden miteinander verbundenen Hohlele- menten 124, wobei die glatte Oberflächen aufweisenden Wände 126,128, der Oberfläche des Glasbandes
100 zugekehrt sind. Die Wände 126, 128 eines jeden Elementes erstrecken sich in schräg zueinander an- geordneten Ebenen und stossen in spitzen Winkeln aneinander (bei 130). Nebeneinanderliegende Wände 126,
128 benachbarter Elemente 124 bilden Hohlräume 132, die nebeneinander verlaufen, wobei jeder Hohl- raum einen spitzen Scheitelwinkel 134 aufweist. Der Querschnitt der Elemente 124 kann von der gezeig- ten Form abweichen, wenn nur die Hohlräume 132 die beschriebene Form haben.
Die Elemente 124 sind an ihren Enden mittels Verteiler 136 miteinander verbunden und von einer
Kühlflüssigkeit, wie z. B. Wasser, durchflossen, die über Rohre 138 zu-bzw. abgeleitet wird.
An dem unteren hohlen Element 124 und in Reihe mit demselben, befindet sich ein Fussstück 140, das aus mehreren nebeneinanderliegenden, hohlen, rechteckigen Elementen 142 zusammengesetzt ist.
Dieses Fussstück ist auf der dem aufsteigenden Glasband und einem Teil des Bades 102 zugewandten Sei- te mit einer ebenen Oberfläche versehen, wodurch das Bad in der Nähe der Basis des Bandes konditioniert wird. Die Breite des Fussstückes 140 ist grösser als die Tiefe der Elemente 124.
Um die Wirkung der erfindungsgemässen Strahlungswärmeabsorber mit den bisher für das Ziehen von
Glasscheiben konstruierten Kühlvorrichtungen zu vergleichen, wurden die folgenden Versuche vorgenom- men.
Eine Ziehvorrichtung produzierte ein Glasband von der doppelten üblichen Glasstärke (3, 2 mm No- minalstärke) bei einer gegebenen Ziehgeschwindigkeit unter Verwendung von üblichen, ebenen Kühlvorrichtungen, die in einer bestimmten Höhe in einem Ofen der in Fig. 9 gezeigten Konstruktion angeordnet waren. Vergrössert man die Höhe der üblichen, ebenen Kühlvorrichtungen um etwa 30% bei sonst gleichen Bedingungen, dann erhöht sich die Ziehgeschwindigkeit der Vorrichtung für die gleiche Glasstärke um etwa 16%.
Die Verwendung von erfindungsgemässen Wärmeabsorbern mit etwa der gleichen Höhe wie die zuerst angeführten, üblichen, ebenen Kühlvorrichtungen ohne Fussstücke 140 führte bei sonst gleichen Bedingungen zu einem 17%-igen Ansteigen der Geschwindigkeit der Ziehvorrichtung für ein Band mit gleichen Abmessungen. Die Verwendung von Wärmeabsorbern mit den Fussstücken 140, deren horizontale Abmessung 1, 25-mal so gross war, wie die Breite eines Bauelementes 124, erlaubte bei sonst gleichen Bedingungen eine 6%-igue Erhöhung der Ziehgeschwindigkeit. Dies bedeutet eine Vergrösserung der Ziehgeschwindigkeit um 24% gegenüber den bei üblichen ebenflächigen Kühlvorrichtungen bei sonst gleichen Bedingungen anwendbaren Geschwindigkeiten.
Abdeckungen sind im allgemeinen nur über den Verteilern 136 und den an diese angrenzenden Teilen der Anlage angebracht, um Veränderungen in der Scheibenstärke auf weniger als-0, 08 mm herab- zudrücken. Während eines beachtlichen Zeitraumes war eine Bewegung der Abdeckung quer zudem Wärmeabsorber zur Regulierung der Banddicke nicht erforderlich.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Wärmeaustauscher bei der Wärmebehandlung von platten-bzw. bandförmigen Materialien mittels Strahlung, insbesondere bei der Flächenerwärmung und-abkühlung von Glas, mit Wänden, die aus feuerfestem Material mit einer Emission bzw. Absorption von wenigstens 50% bestehen und sich entlang paralleler Achsen erstrecken, wobei benachbarte Wände zueinander winklig stehen, so dass ihre wärmeaustauschenden Flächen eine Anzahl benachbarter Hohlräume mit spitzen Scheitelwinkeln an den Berührungslinien der Wände bilden, und in Nähe dieser Wände eine Wärmequelle oder-senke angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherflächen dieser Wände (12)
glatt sind und zufolge der Wahl der spitzen Winkel die totale Absorption oder Emission der Hohlräume durch innere Reflexion im wesentlichen auf den Wert 1 gebracht ist.
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Heat exchangers for the heat treatment of plate or. band-shaped materials by means of radiation, in particular for surface heating and cooling of glass
The invention relates to heat exchangers for the heat treatment of plate or. bar-shaped materials, in particular for surface heating and cooling of glass, which have walls made of refractory material which has an emission or absorption of at least 50%. Of these walls extending along parallel axes, neighboring walls are at an angle to one another so that their heat-exchanging surfaces form a number of neighboring cavities with acute apex angles at the contact lines of the walls. A heat source or sink is arranged near the walls.
Compared to others with heating elements laid in insulating bricks and the resulting locally variable temperature, such heat exchangers offer the advantage of a more uniform and therefore easier to control radiation field as well as a significantly lower thermal inertia. In addition, the radiation field can be generated with heating elements kept at a lower temperature, so that one can work with a favorable spectral distribution of the radiation energy.
When a strip, a plate or a differently shaped material is to be cooled under control, it is of particular importance that a heat absorber works as evenly and properly as possible, otherwise the cooling will not be properly controlled or used with maximum effectiveness can.
Since the emissivity of a body that is poorer than its surroundings corresponds to the absorption capacity of the same body that is colder than its surroundings, the term "emissivity" used in the present description relates to both the emissivity and the absorption capacity.
So far, no attention has been paid to the surface finish of the walls. The heat exchanging surfaces were rough and uneven, as is the case with conventional furnace refractory materials.
In order to ensure a uniform effect of heat exchangers of the type described, the radiation field must be largely homogenized and, moreover, the properties of a black body must be implemented if possible. This goal can be achieved if, according to the invention, the heat exchanger surfaces of the walls are smooth and, due to the choice of acute angles, the total absorption or emission of the cavities is essentially brought to a value of 1 by internal reflection.
Only the smooth surface quality of the heat-exchanging surfaces makes it possible to obtain an at least approximately accurate picture of the spatial angle that the beam emanating from each cavity fulfills and to ensure that the areas of the workpiece on which the radiation from adjacent cavities strikes are partially aligned cover. The material from which the walls that delimit the cavities are made must have an emissivity of more than 50%, otherwise an approximation of the characteristics of the black body cannot be achieved in the event of multiple reflections. This condition is fulfilled with pure silica and with mixtures consisting of 50% silica and 50% clay.
However, mixtures with a higher silica content, in particular with 60stro silica and 400 clay, have proven to be particularly effective emitters.
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The invention is explained in more detail below with reference to exemplary embodiments and diagrams which are shown in the drawing. In this shows:
1 shows a schematic radiation diagram to illustrate the geometric relationships in an angled cavity, FIG. 2 shows a diagram which illustrates the change in the emission of a cavity as a function of the emissivity of the material used to manufacture the refractory system when the radiant energy is without reflection, is emitted with one, two, three and four times reflection before it reaches the object to be treated.
This diagram also applies to the absorption of radiant energy emanating from the object and entering the cavity, Fig. 3 in a diagram of how the emission or absorption of an angular cavity changes with the ratio of the cavity depth to the width of its opening, Fig 4 shows an embodiment of a heat exchanger used as a heating element in a furnace, FIG. 5 shows a modified embodiment, FIG. 6 shows a view of the plant part shown in FIG. 5 and the combination of such heat elements in groups, FIG. 7 shows a schematic representation of a so-called horizontal furnace with heating elements according to the invention, the groups of heating elements being arranged at a distance from one another in a horizontal plane, FIG.
8 a schematic representation of a so-called vertical furnace in which glass plates for heat treatment are held in a vertical plane with tongs, the radiation heaters according to the invention being arranged on opposite walls of the heating furnace Heat exchangers or energy absorbers are arranged which have approximately the properties of a black body; and FIG. 10 is a view of the radiation heat exchangers or energy absorbers which are installed in the system shown in FIG.
The diagrams shown in the first three figures show the characteristics which are intended for how close a cavity which forms part of a heat exchanger according to the invention comes close to an ideal black body.
In Fig. 1, the route ROP represents that portion of the surface of an object, e.g. B. a glass plate, which is to be heated or cooled by means of a heat exchanger according to the invention, which has the properties of a black body. This heat exchanger shows a cavity opposite the plate surface ROP, which is too open towards the plate and is delimited by two flat walls which each enclose an angle x with the normal direction of the plate. Half the width of the opening of the cavity is denoted by w and its depth by L. The plate surface is at a distance d from the opening.
If the emission or absorption of the radiation emitted from the cavity or emitted by the plate surface ROP and absorbed by it is to be an unchanged maximum that is relatively insensitive to changes in the cavity material, then that must be achieved by the smooth surfaces The angular space formed have an emission that corresponds to that of a black body or is at least approximately the same. Since most substances have an emissivity that is below 1, it is necessary, through the shape of the cavity, to ensure that the reflected radiation is used to amplify the radiation emitted directly.
In the present case, the radiation directed from point A of the cavity towards point P in the object plane consists of rays emitted directly from point A, rays emitted from point B, reflected at A and emitted from point C and reflected from B and A to P. etc. If the emissivity of the material used for the walls of the cavity is at least 500/0, the sum of the emitted and reflected energy components asymptotically approaches the value 1.
FIG. 2, which compares the emission of a cavity with the emission of the material used for its manufacture, shows how the emission of a body approaches the value 1 when the multiple reflection is used.
In the diagram, the emissivity of the material is plotted as the abscissa and the emission of the cavity is plotted as the ordinate. The curves C, C..C relate to the cases in which no reflection, two, three and four reflections is or are used. In the case of a flat wall, the emission equals the emissivity of the selected material (curve Co). It can be seen that the emission of the cavity very quickly approaches the value 1, even with materials with relatively low emissivity, if the number of reflections inside is increased before the radiant energy emerges from the cavity.
If 98% effectiveness is desired, as can be seen from FIG. B. a material
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with an emissivity of 50% can be used and an angled cavity can be produced in the interior of which at least four reflections take place. With a material with an emissivity of 70% only two reflections are necessary.
Fig. 3 illustrates how the emission of a cavity increases as the ratio of its depth to the width of its opening increases.
This ratio V is plotted as the abscissa, the emission of the cavity as the ordinate. The curves D-D. relate to materials with emissivity Eo = 0, 60, 0, 70, 0, 80 (fused quartz) and 0.85. The design of the cavity corresponds to FIG. The following relationships are assumed.
Distance ROP = 2, 4w, d = 30, 5 cm.
The curves are also valid for a distance between the cavity and the target that is greater than 30.5 cm. The distance ROP was chosen to be larger than the baseline 2w of the cavity, so that the cavity radiation fields overlap evenly when the cavities are arranged next to one another. The
3 shows that the properties of a cavity come closer to those of a black body the smaller the apex angle 2x of the cavity is.
It is evident from FIG. 1 that in the radiation emanating from point A, a large number of reflection components interact, which amplify the beam incident at point P of the object.
The beam AP shown is a marginal beam of radiation which runs at a spatial angle and essentially corresponds to the radiation of an ideal black body and which emanates from the cavity.
Since the same conditions also apply with regard to rays which emanate from A and strike a point located between the end points R, P of the section ROP, the cavity is a black body in relation to the object plane. If it is desired to use the heat exchanger for cooling purposes, the radiation emitted by the surface section ROP is absorbed by the cavity, which acts like an absorbing black body.
In determining the apex angle of the cavity at a given distance from one
Object it is first necessary to determine the number of reflected components that are required to increase the emission of the cavity so that it approaches the value 1. This depends on the emissivity of the material used. For example, if the cavity was made of a refractory material with an emissivity of 0.80 and has an angle such that at least two reflected components coincide, then according to FIG. 2 the emission is at least equal to 0.992.
When the desired number of interacting reflected components is known, the angle of the cavity required to allow that number of reflections can be determined. For this purpose, the simple geometrical relationships are to be used between the apex angle x of the cavity, the angles, a, b, c, which include the rays reflected at points A, B, C of the cavity wall and the dimensions L. w, d and h consist and consist of
Fig. L can be read immediately.
EMI3.1
EMI3.2
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+ hA heat exchange element according to the invention consists of refractory hollow elements, which are generally designated 10, the material having an emissivity of at least 50%. Such an element can be made by "slip casting" a silica-clay material to ensure that its surfaces are smooth.
A typical method for sliding casting of hollow, fire-resistant structures made of about 0.4 cm thick walls with z. B. a length of 30 cm, a width of 15 cm and a height of 8 cm with incisions that are 4.5 cm wide and 4.5 cm deep, consists in that 80 kg of fused silica in the form of grains, which pass through a sieve with 700 mesh / cm2, mix with 54.5 kg of normal clay, add the mixture to a solution that distilled 3000 cm3 of Nap 407 in 24.5 kg
Contains water and in this way forms a casting compound. The mass is made in a form of fired
Cast plaster, the inner walls of which have the shape that the outer walls of the refractory structure should take.
The slurry solidifies on the walls of the plaster mold, the solidification with a
Speed of about 0.4 cm per 10 min progresses. After 10 minutes, the excess casting compound is removed and the solidified casting is air-dried for about 10 minutes. The mold was then removed and the casting was fired at about 11,800 ° C for 72 hours.
The firing temperature must not be too high as the molten silica transforms into a more voluminous form when heated to much higher temperatures. The molten silica must also have a small particle size in order to produce a smooth surface.
Each of the refractory components 10 is designed as a hollow element and has a rear wall 20, two side walls 18 and 22 each attached to their edges, and a front wall. The front wall consists of a number of flat walls 12 with surfaces 14, 26, of which at least the first mentioned, 14, are smooth and delimit cavities 16 with a V-shaped cross-section. The inner surface of the front wall, the side walls 18, 22 and the rear wall encloses the cavity or the chamber 24 of the hollow element. The side walls 18 and 22 are provided in the vicinity of the intersection edges with the rear wall, each with an indentation which projects towards the cavity and which forms a channel 28.
Insofar as heat exchangers according to the invention consist of several such hollow elements, these lie next to one another in a group with supporting side surfaces and optionally two or a number of groups one above the other. In order to ensure that the cavities of the individual structural elements forming a vertical row are flush with one another, mounts 30 with a rear wall 32 and two tongues 34 are provided, which engage in the grooves 28 located on both sides in the side walls 18, 22. The rear wall 32 is attached to the furnace frame.
5 and 6 show another construction which also ensures the alignment of hollow elements 10 arranged one above the other in a row.
In this case, the rear wall 20 and the adjoining parts of the side walls with the channels are somewhat shortened in order to create a space for receiving flat strips 38 which protrude from a plate 40 which is fastened to the furnace frame. These strips are relatively narrow, only extend beyond the channels 28 and are each provided with a hole in the area covered by the channel cross-section. Rods 36 are threaded through the holes, which run inside the channels and both ensure the alignment of the structural elements 10 that form a row and also secure their cohesion with the furnace frame.
If the cavities 16 are to act as cavity radiators, it is necessary to connect a heat source to each refractory component 10. This heat source can e.g. B. consist of hot fuel gases which flow through the chambers 24 of the refractory components 10. Since the walls 12 of the refractory elements 10 are thin, preferably about 3, 2-6, 4mm thick, such heat exchangers only have a very low thermal inertia and consequently give off the hot gases that pass through the chambers 24 despite the relatively small specific heat are performed, practically immediately from radiation with a spectrum corresponding to stationary operation.
However, electrical heating resistors 42 can also be used as the heat source, which are arranged in each angled cavity 16 and run in the longitudinal direction thereof. Such resistances should, however, lie as deep as possible within the cavity and fill at most about 100 of the cross-sectional area of the cavity opening. If these precautions are not taken, the electrical heating resistor will cause the cavity to lose the blackbody characteristics.
Fig. 7 shows the use of refractory elements 10 in a horizontal tunnel-like furnace or lehr 44, with a ceiling 46, a floor 48 and walls 50. Transport rollers 52 are rotatably attached to the walls 50 and by means of conventional motor and drive devices, such as. B. Ket
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th and gears (not shown) can be driven. The material to be cooled, e.g. B. Glass panes on glass support devices, is moved through the furnace tunnel by means of the rollers.
One group of refractory elements 10 is located on the ceiling 46, another group on the floor 48 of the furnace 44. Heat-sensitive control units 54 are arranged on the walls 50 and are directed towards areas of the radiating surfaces of the refractory elements 10 in order to dissipate the heat the electrical heating resistors 42, which are arranged in the apex of each cavity 16, to monitor and control.
The electrical heating resistors are connected with connection lines 56 to form suitable resistance circuits, each of which is connected to a different voltage source (not shown) via a control circuit which responds to the information provided by the control units 54.
As many control circuits are provided along the roof and the floor as are required to control the heat radiation field, which extends along and across the path of movement of the glass through the furnace.
A mesh network 58 is arranged above the lower group of heating elements in order to catch pieces of glass falling down when a glass sheet is broken and to prevent falling on the heating resistors.
A vertical furnace 60 in which the refractory elements 10 are supported by its vertical walls 62 is illustrated in FIG. In this furnace, glass sheets G of tongs 64 are attached
Tong holders 66 held, which are moved by means of drivable transport rollers 68 through the furnace chamber. Hot gases which flow through the chambers 24 of the components of the heat exchanger serve as heat sources.
Both types of heating can be used in both horizontal and vertical ovens, u. betw. alone or possibly also in combination.
The device shown in FIGS. 7 and 8 is particularly suitable for heating glass panes, as is necessary, for example, for tempering, tempering or coating, but the refractory components 10 can also be used for ovens for bending glass panes.
When sheets of glass are layered in pairs to prepare for their layering in the manufacture of
If protective panes made of safety glass are bent, then only the upper surface of a number of aligned windshields is exposed to the radiant heating. Pieces of metal are placed under certain parts of the group to draw heat away from those parts that are supposed to remain relatively flat. Therefore, the heaters are only provided above the movement path of the glass panes.
The fire-resistant structural elements 10 according to the invention can therefore either be arranged on only one side of the movement path of the glass pane or on both sides.
The following experiment was made to demonstrate the advantages of the present invention in uniformly heating a sheet of glass. A 61 cm long, 46 cm high and 41 cm wide furnace was first provided with solid, refractory walls, of which opposing, longitudinally extending, rectangular, 3.8 cm deep and 3.8 cm wide channels had were at a distance of 3.8 cm. Heating coils with a diameter of 1.25 cm were placed in the channels and extended the length of the channels. After 3 hours of continuous heating, the temperature of the radiating surface of the solid walls ranged from 6490G for the heating coils to 5990 between the coils.
A sheet of glass at room temperature with a thickness of 6.4 mm and a format of 25 x 31 cm was hung vertically in the middle of the furnace. The introduction of the glass cooled the furnace%. So much power was supplied that the temperature of the heating coils rose to 6490 C again. After 45 minutes, during which the furnace temperature equalized, the surface temperature of the glass pane reached a temperature between 5930 C and 6070 C.
The same experiment was carried out after removing the solid refractory walls and replacing them with castings of a silica-clay composition with smooth walls, the angular cavities 4.4 cm wide and 4 cm deep , 4 cm and were arranged side by side along the furnace walls in place of the solid refractory walls. The heating coils with a diameter of 1.25 cm were placed inside the cavities and heated to 6490.degree. The surface temperature of the cavities was between 6460 C at their apex and 6410 C at the largest opening after only one hour of heating.
A pane of glass, which in terms of length, width, thickness and chemical composition corresponded as closely as possible to the pane used first, was suspended in the middle of the furnace provided with the heat exchange elements according to the invention. The pane of glass reached one
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Surface temperature between 641 and 6430 C. Starting from room temperature (approx. 240 C), this temperature range was reached in approx. 15 minutes. The energy input was the same for both furnace designs.
From these test results it can be seen that the setting time of the empty furnace, i.e. H. the for
Heating the furnace by means of heating coils from 6490 C to its state of equilibrium required, from 3 hours to one and the time required until the state of equilibrium of the glass pane was reached
Time was reduced from 45 to 15 minutes.
In addition, the temperature differences of the heating source were reduced from 500 ° C. to 80 ° C. The
Temperature on the glass surface rose from a range of 420 C to 560 C to one at the same time
Range from 60 C to 80 C below the coil temperature.
As already mentioned, the invention can also be used in the construction of radiant heat absorbers. A typical example of such an application is found in the production of
Pane or window glass.
In the manufacture of drawn sheets of glass, the glass is generally drawn upward in the form of a continuous ribbon from the surface of a bath of molten glass. On its way up, the glass passes various cooling devices. The cooling devices used so far are mostly made of refractory material, such as B. metal, and contain a multitude of interconnected rectangular or square channels for the passage of a coolant, such as. B. water. They form a continuous flat surface opposite the glass. The high temperature to which these conventional cooling devices are exposed causes uneven oxidation of their surfaces, which reduces their heat absorption capacity.
Oxide formation on the cooling devices after they have been in use for a period of time is a particularly serious problem. These cooling devices also reflect heat back to the viscous glass, further reducing their effectiveness as a cooler.
The coincidence of these two effects is a source of difficulties which prevent the maintenance of uniform thicknesses of the discs and necessitate a substantial reduction in the drawing speed, which is expressed in lower production.
Various attempts have been made to increase the pull rate by increasing the size of the cooling device. It is clear, however, that the problem of oxidation and reflection of heat on the glass still exists, which is otherwise caused by the arrangement of mats made of heat-resistant material, such as. B. Asbestos along the cooler surface cannot be solved. In this case, constant observation of the pane of glass and the change in position of the various mats is necessary, as a result of which deposits can also detach from the cooling device, fall into the bath and contaminate it. The cooling device itself can also be damaged.
All these difficulties can be eliminated by using heat exchangers that are switched off according to the invention, in which a uniform absorption is ensured and consequently an invariable drawing speed is made possible, which leads to a strip of constant thickness.
Setting up such heat exchangers for cooling instead of heating only requires the replacement of heating elements by cooling elements, that is, the arrangement of a cooling tube instead of a heating coil or the passage of a cooling medium instead of a heated gas.
FIG. 9 shows such a cooling heat exchanger in a drawing furnace 104 for sheet glass, in which a glass ribbon 100 is drawn from a bath 102 of molten glass, in which a drawing rod 106 running under the ribbon is arranged. The glass ribbon, which is viscous at its exit point from the glass bath, forms a meniscus 107 with the bath surface and is drawn off through a drawing chamber 108 by means of the drawing rollers 110 of a conventional drawing device, generally indicated by 112. The pull chamber is bounded by the bath 102, the standard L-blocks 114, the fan-operated water cooler 116, the end walls 118 and the collecting pans 120. The coolers 116 are each arranged between an L-block 114 and the frame of the pulling device 112 and extend essentially to the end walls 118 of the furnace.
The base of the pulling device 112 is essentially closed by the mostly U-shaped collecting pans 120, which are also designed as cooling devices and are arranged in such a way that they catch broken glass that could fall into the machine and thus the penetration of fragments into the bath 102 prevent. These collecting pans 120 also extend essentially as far as the end walls 118 of the drawing chamber 108 and are constructed in such a way that cooling liquid, such as. B. water, can flow through. A portion of each collecting pan 120 is arranged substantially parallel to and spaced from the disc 100.
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The heat absorbers 122 constructed according to the invention (see also FIG. 10) are designed to absorb a maximum amount of radiant energy from each unit area of the belt 100. They are arranged at a certain distance above the bath surface 102 on both sides of the belt and extend essentially over the entire belt width.
Each heat absorber 122 consists of adjacent, interconnected hollow elements 124, the walls 126, 128 having smooth surfaces being the surface of the glass ribbon
100 are facing. The walls 126, 128 of each element extend in planes arranged obliquely to one another and abut one another at acute angles (at 130). Adjacent walls 126,
128 of adjacent elements 124 form cavities 132 which run side by side, each cavity having an acute apex angle 134. The cross section of the elements 124 can deviate from the shape shown if only the cavities 132 have the shape described.
The elements 124 are connected to one another at their ends by means of manifolds 136 and from one
Coolant, such as B. water flowed through, the via pipes 138 to or. is derived.
On the lower hollow element 124 and in series with the same there is a foot piece 140 which is composed of several hollow, rectangular elements 142 lying next to one another.
This foot piece is provided with a flat surface on the side facing the rising glass ribbon and part of the bath 102, whereby the bath is conditioned in the vicinity of the base of the ribbon. The width of the foot piece 140 is greater than the depth of the elements 124.
To the effect of the inventive radiation heat absorber with the hitherto for pulling
To compare cooling devices constructed from glass panes, the following experiments were carried out.
A pulling device produced a ribbon of glass of twice the usual glass thickness (3.2 mm nominal thickness) at a given pulling speed using conventional, flat cooling devices which were arranged at a certain height in a furnace of the construction shown in FIG. If the height of the usual, flat cooling devices is increased by about 30% under otherwise identical conditions, the drawing speed of the device increases by about 16% for the same glass thickness.
The use of heat absorbers according to the invention with approximately the same height as the customary flat cooling devices listed first without foot pieces 140 led, under otherwise identical conditions, to a 17% increase in the speed of the pulling device for a tape with the same dimensions. The use of heat absorbers with the foot pieces 140, the horizontal dimension of which was 1.25 times as large as the width of a component 124, allowed a 6% increase in the pulling speed under otherwise identical conditions. This means an increase in the drawing speed by 24% compared to the speeds that can be used with conventional flat cooling devices under otherwise identical conditions.
Covers are generally only placed over the manifolds 136 and the parts of the system adjoining them in order to reduce changes in the pane thickness to less than 0.08 mm. For a considerable period of time it was not necessary to move the cover across the heat absorber to regulate the tape thickness.
PATENT CLAIMS:
1. Heat exchangers in the heat treatment of plate or. band-shaped materials by means of radiation, especially when surface heating and cooling of glass, with walls made of refractory material with an emission or absorption of at least 50% and extending along parallel axes, with adjacent walls being angled to each other so that their heat-exchanging surfaces form a number of adjacent cavities with acute apex angles at the contact lines of the walls, and a heat source or heat sink is arranged in the vicinity of these walls, characterized in that the heat exchanger surfaces of these walls (12)
are smooth and, as a result of the choice of acute angles, the total absorption or emission of the cavities by internal reflection is essentially brought to the value 1.