DE102004006619A1

DE102004006619A1 - Anordnung zur indirekten Beheizung von flüssigkeitsführenden Behältern

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Publication number: DE102004006619A1
Application number: DE200410006619
Authority: DE
Inventors: Bartolome Aloy; Helmut Oberloer; Reiner Best; Erich Dr. Rodek; Ludwig Dürsch; Stefan Schmitt
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2004-02-10
Filing date: 2004-02-10
Publication date: 2005-09-01
Anticipated expiration: 2024-02-11
Also published as: DE102004006619B4

Abstract

Um einen flüssigkeitsführenden Kanal eines Vorherdes indirekt beheizen, dabei eine vorbestimmbare Temperaturverteilung einstellen zu können und eine hohe Produktqualität zu gewährleisten, stellt die Erfindung eine Vorrichtung (20) sowie ein Verfahren zum Bereitstellen einer Flüssigkeit (10), insbesondere einer Glasschmelze, welche sich in einem Behälter (62) befinden kann, oberhalb dessen ein Raum (60), insbesondere ein Oberofen, angeordnet ist, zur Verfügung, wobei zumindest ein Heizelement (50) in dem oberhalb des Behälters (62) angeordneten Raum (60) angeordnet wird, und zumindest ein Abschirmelement (75) zwischen der Flüssigkeit (10) und dem zumindest einen Heizelement (50) angeordnet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bereitstellen einer Flüssigkeit, insbesondere einer Glasschmelze, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Beheizen einer Flüssigkeit, insbesondere einer Glasschmelze, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 19.

Zum Herstellen von Produkten aus erstarrten Flüssigkeiten, wie insbesondere aus Glas, werden Anlagen verwendet, in welchen die Flüssigkeit in der Regel durch Aufschmelzen von Feststoffen bereitgestellt und zu einer Formgebungseinheit transportiert werden. Der Bereich einer Schmelzanlage zwischen Verteiler oder Arbeitswanne und der Formgebungseinheit wird in der Regel als Kanal, Feeder, Vorherd oder Rinne bezeichnet. Diese Bauteile haben im Vergleich zur Schmelzwanne in der Regel eine deutlich geringere Breite, welche in Abhängigkeit vom Durchsatz gewählt wird. Zweck dieser Bauteile ist der Transport der heißen Flüssigkeit vom Verteiler beziehungsweise der Arbeitswanne zur Formgebungseinheit.

Während des Transports muss die Flüssigkeit, beispielsweise ein Glas, auf die gewünschte Verarbeitungsviskosität beziehungsweise eine entsprechende Verarbeitungstemperatur konditioniert werden. Es erfolgt daher über dem gesamten Querschnitt des Vorherds, insbesondere in Abhängigkeit vom sich anschließenden Formgebungsverfahren, die Einstellung einer angestrebten Temperaturverteilung. Wünschenswert ist dabei eine vorbestimmbare Temperaturverteilung zuverlässig einstellen zu können.

Die Temperatur des Glases ist üblicherweise über den Querschnitt des Vorherdes gesehen nicht homogen. Das Glas hat die Tendenz, an den seitlichen Rändern kälter und im zentralen Bereich heißer zu sein, da die Seitenwände des Kanals einen kühlenden Effekt haben.

Diese Temperaturunterschiede im Glas resultieren in unterschiedlichen Viskositäten und entsprechend in Unterschieden in der Fließgeschwindigkeit, mit welcher die Glasschmelze sich im Vorherd bewegt. Das Glas im zentralen Bereich, welches am heißesten ist, ist am wenigstens viskos und bewegt sich daher schneller durch den Vorherd als die höher viskosen Glasbereiche an den Rändern des Vorherdes.

Aus all diesem ergibt sich eine wesentliche Inhomogenität des Glases im Vorherd. Dies wiederum bedeutet, dass die aus dem Glas geformten Produkte nicht gleichmäßig sind und insbesondere lokale Unterschiede in den Materialeigenschaften der aus diesen Formteilen hergestellten Endprodukten mit sich bringen.

Aus diesen Gründen werden Heizelemente wie Gasbrenner, eintauchende Elektroden oder ähnliches im Vorherd angeordnet, um das Glas aufzuheizen. Auch kann Kühlluft in den Vorherd eingeblasen werden. Durch entsprechend angepasste Heiz- und/oder Kühlraten kann die Homogenität der Glastemperatur innerhalb des Glasstromes beeinflusst werden.

Zum Beeinflussen der Temperatur werden dabei unterschiedliche Heiz- und Kühlvorrichtungen eingesetzt. Bei einer Ausführungsform eines Vorherdes besteht das glasführende Material aus einem monolithisch geformten Bauteil aus einer gegen Korrosion durch die Glasschmelze beständigen Keramik. Dieses Formteil ist von verschiedenen Lagen Isolierung umgeben und wird von einer äußeren Hülle aus Stahl gestützt. Des Weiteren ist der Boden des Formteils mit Kanälen zum Einblasen von Kühlluft, insbesondere in der Mitte des Vorherdes, versehen.

Um einen Glasstrom, welcher längs des Vorherdes fließt, an den Seiten beheizen und in der Mitte kühlen zu können und so Temperaturgradienten in einer Ebene quer zur Strömungsrichtung zu vergleichmäßigen, wird in EP 0 275 345 vorgeschlagen, den Oberofenraum der beschriebenen Anordnung in Längsrichtung zu unterteilen und die einzelnen Bereiche zu beheizen beziehungsweise zu kühlen.

Im Oberofen über der freien Oberfläche des flüssigen Glases können ferner seitlich Brennersteine zum Einsatz von Brennern unterschiedlicher Ausführungsformen zur Beheizung des Glases vorgesehen sein. Der Deckel des Oberofens kann wiederum aus einem speziell geformten monolithischen Block mit einer Anzahl verschließbarer Öffnungen bestehen. Diese Öffnungen können gezielt, insbesondere zur Abfuhr von Wärme, geöffnet werden.

In EP 0 228 841 wird eine Anordnung beschrieben, bei welcher des Beheizen und das Kühlen einzelner Bereiche eines Glasstroms ein Vergleichmäßigen des Temperaturprofils ermöglichen sollen, bevor das Glas in den Vorherd eintritt.

Die direkte Beheizung der Glasschmelze vor dem Eintritt in den Vorherd beziehungsweise im Vorherd über Brenner führt zu einem direkten Kontakt zwischen Verbrennungsabgasen und der Oberfläche der Glasschmelze. Dabei kann es zu unerwünschten Reaktionen zwischen den beiden Medien kommen. Des Weiteren sind lokale Überhitzungen des Glases durch Brennerflammen möglich. Beide Effekte beeinflussen in nachteiliger Weise die Glasqualität.

Andere Beheizungsmöglichkeiten werden insbesondere in dem Bereich des Vorherdes, der kurz vor der Formgebungseinheit angeordnet ist und auch mit dem Begriff „Speiser" bezeichnet wird, durch den Einsatz von elektrischen Heizelementen neben einer Beheizung über Verbrennung realisiert.

So wird zum Beispiel in dem Dokument AU 14172/83 der Einsatz von Heizelektroden beschrieben, welche beidseitig des Vorherdes angeordnet sind und gegeneinander verschaltet sind. Die neben der Beheizung über Verbrennung zusätzlich vorgesehenen elektrischen Heizelemente stehen direkt mit dem Glas in Kontakt, indem die Heizelektroden in die Glasschmelze eintauchen.

Eine weitere Anordnung von Heizelektroden wird in dem Dokument DE 30 29 944 insbesondere im Hinblick auf die Verschaltung der Elektroden beschrieben.

Beim Einsatz solcher direkt in das Glas eintauchenden Elektroden kann es jedoch grundsätzlich zu Reaktionen zwischen dem Glas und dem Elektrodenmaterial kommen. Dabei entsteht der Nachteil, dass das Elektrodenmaterial korrodieren kann. Die entsprechenden Reaktionsprodukte können zudem im Glas zu nicht tolerierbaren Fehlern wie Einschlüssen oder Verfärbungen führen. Auch wenn gerade mit speziell angeordneten und in Relation zueinander verschalteten Elektroden Einfluss auf die Temperaturverteilung genommen werden kann, kann diese Art der Beheizung nicht mit zufriedenstellendem Ergebnis im Hinblick au die Produktqualität eingesetzt werden.

Eine indirekte Beheizung über flächig an der Außenseite des mit dem Glas in Kontakt stehenden Materials und des Deckels des Vorherdes angeordneten Heizplatten wird beispielsweise in dem Dokument DE 35 28 332 beschrieben.

Eine weitere indirekte Beheizungsmöglichkeit wird in EP 0 060 692 beschrieben. Hierbei wird das Glas in einem rohrförmigen Bauteil transportiert. Das glasführende Rohr aus Refraktärmetall ist dabei rundherum von parallel zum Rohr angeordneten Heizelementen und ebenfalls parallel zum Rohr angeordneten Kühlkanälen umgeben.

Der Einsatz indirekter Heizelemente im Boden oder Seitenbereich des Vorherdes kann in der Regel jedoch nur die Wärmeverluste des Systems vermindern. Insbesondere aufgrund der begrenzten Heizleistung entsprechender Heizelemente sowie den limitierenden Materialeigenschaften des keramischen Materials zwischen Heizelement und Glas kann dagegen eine gezielte Aufheizung des Glasstromes im Vorherd in aller Regel jedoch nicht erreicht werden. Damit ist ein gezieltes Einstellen einer vorbestimmbaren Temperaturverteilung durch derartige indirekte Heizelemente nicht möglich.

In dem Dokument EP 0 175 575 werden Heizelemente beschrieben, die über der Glasschmelze und senkrecht zum Glasfluss über die gesamte Breite des Vorherdes verlaufend angeordnet sind und eine indirekte Beheizung des Glases ermöglichen. Die Heizelemente weisen unterschiedliche Zonen auf, insbesondere Heizzonen an den Rändern und eine zentrale Kühlzone.

Ein Aufbau, welcher geometrisch derart gestaltet ist, dass die Glasschmelze an den Seiten des Vorherdes stärker als im Zentrum beheizt wird, wird in EP 0 167 402 beschrieben. Eine Abwandlung dazu beschreibt DE 195 20 590 . Gemäß diesem Dokument weist der Vorherd einen längs in zwei Seiten und einen Zentralbereich unterteilten Dachteil auf. Der Zentralbereich enthält Öffnungen, welche mit Platten aus Feuerfestmaterial verschlossen sind. Zusätzliche Heizelemente werden im Dachbereich über diesen Platten aus Feuerfestmaterial angeordnet.

Eine ähnliche Variante wird auch in einem Firmenprospekt des Unternehmens S.I.C. UK Ltd. beworben. Im Oberofen des Vorherdes sind demnach Heizelemente, sogenannte Heiznadeln, angeordnet. Die Trennung zwischen Heiznadel und Glasschmelze erfolgt über die komplette Länge und Breite des Vorherdes mittels halbschalenförmiger Keramikbauteilen, welche die dem glasführenden Kanal des Vorherdes zugewandte Seite des Daches des Vorherdes bilden.

Bei der Anordnung von indirekten Heizelementen im Ofenraum über der Glasschmelze kommt es zur Ablagerung leicht flüchtiger Glaskomponenten im Ofenraum, da die Temperatur dort relativ niedrig ist. In den Bereichen jedoch, in denen die Heizelemente angeordnet sind, besteht die Möglichkeit, dass die genannten Ablagerungen sich verflüssigen und dann in die Glasschmelze tropfen. Auch ein Abplatzen der genannten Ablagerungen ist möglich.

Die abplatzenden oder abtropfenden Ablagerungen führen in der Glasschmelze zu entsprechenden Fehlern im Produkt, wie zum Beispiel Einschlüsse, insbesondere mit veränderter Farbe und weiteren Materialeigenschaften. Die Gefahr des Abplatzens beziehungsweise Abtropfens von Ablagerungen leicht flüchtiger Glaskomponenten ist besonders hoch, wenn die Betriebsparameter verändert werden. Aber auch bereits eine genügend große Menge an Ablagerungen reicht aus, um zumindest teilweise ein Abplatzen dieser Ablagerungen zu verursachen.

Durch die Trennung von Glasschmelze und Heizelement zum Beispiel durch die oben beschriebenen keramischen Platten kann die Problematik abtropfender Ablagerungen in der Umgebung des Heizelementes zumindest teilweise vermieden werden. Allerdings ergibt sich dann analog zu den oben beschriebenen indirekten Heizelementen im Boden- oder Seitenbereich des Vorherdes das große Problem, lediglich die Wärmeverluste reduzieren zu können, nicht aber eine echte Aufheizung des Glases zu erreichen. Eine vorbestimmbare Temperaturverteilung kann daher nicht zuverlässig eingestellt werden.

Somit bringen alle dargestellten Beheizungsvarianten für Vorherde Nachteile mit sich, die einem zuverlässigen Einstellen einer vorbestimmbaren Temperaturverteilung entgegenstehen und darüber hinaus die Glasqualität in negativer Weise beeinflussen.

Es ergibt sich daher eine Aufgabe der Erfindung, einen flüssigkeitsführenden Kanal eines Vorherdes mittels im Oberofen über der Flüssigkeit angeordneten indirekt wirkenden Heizelementen beheizen zu können und dabei eine vorbestimmbare Temperaturverteilung zuverlässig einstellen zu können. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit bereitzustellen, bei Einsatz von im Oberofen über der Flüssigkeit angeordneten indirekt wirkenden Heizelementen eine hohe Glasqualität zu gewährleisten.

Die Aufgaben werden gemäß der Erfindung zum einen durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Zum anderen löst das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 19 die Aufgaben. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den jeweils zugeordneten Unteransprüchen.

Die Erfindung stellt eine Vorrichtung zum Bereitstellen einer Flüssigkeit, insbesondere einer Glasschmelze zur Verfügung, welche einen Behälter, in welchem sich die Flüssigkeit befinden kann, einen oberhalb des Behälters angeordneten Raum, insbesondere einen Oberofen, und zumindest ein Heizelement in dem oberhalb des Behälters angeordneten Raum aufweist, wobei zwischen der Flüssigkeit und zumindest einem Heizelement zumindest ein Abschirmelement angeordnet ist.

Unter dem Begriff „Bereitstellen einer Flüssigkeit" wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung auch der Transport der Flüssigkeit und insbesondere das Aufschmelzen des Materials und/oder das Läutern mit umfasst.

Durch das Abschirmelement können Ablagerungen, welche im Bereich der Heizelemente aus dem oberhalb des Behälters angeordneten Raum abplatzen oder abtropfen, aufgefangen werden. So wird auf überraschend einfache Weise ermöglicht, die Flüssigkeit durch indirekt wirkende, oberhalb des flüssigkeitsführenden Behälters angeordnete Heizelemente zu beheizen, und gleichzeitig eine hohe Glasqualität sicherzustellen, indem gewährleistet wird, dass abplatzende oder abtropfende Ablagerungen nicht in die Glasschmelze gelangen.

Indem eine Wahlmöglichkeit für den Ort des zumindest einen Heizelementes sowie dessen Heiztemperatur gegeben ist, ermöglicht die Erfindung zudem vorteilhafterweise, eine vorbestimmbare Temperaturverteilung zuverlässig einzustellen.

Der Behälter kann einen Vorherd und/oder einen Kanal und/oder ein Rührteil und/oder eine Rinne und/oder einen Feeder und/oder einen Speiser umfassen. Die Erfindung bietet daher die Möglichkeit, für all diese Bauteile auf zuverlässige Weise eine vorbestimmbare Temperaturverteilung einstellen. Zudem kann die Qualität der Flüssigkeit, welche in diesen Bauteilen bereitgestellt wird, auf hohem Niveau sichergestellt werden.

Insbesondere kann das zumindest eine Heizelement für eine Strahlungsbeheizung geeignet sein. So kann vorteilhafterweise die Flüssigkeit indirekt beheizt werden, ohne dass Reaktionsprodukte die Glasqualität herabsetzen, wie dies etwa bei Verbrennungsprodukten bei der Verwendung von Gasbrennern als Heizelemente oder bei Korrosionsprodukten bei der Verwendung von Elektroden der Fall sein kann.

Da bei einer Strahlungsbeheizung die Heizenergie um die Abschirmelemente herum in die Flüssigkeit eingekoppelt werden kann, haben die Abschirmelemente gemäß der Erfindung keinerlei nachteilige Auswirkungen auf die Energiebilanz der Anlage. Damit bietet die Erfindung einen großen Vorteil gegenüber bekannten Anordnungen, bei welchen Platten zwischen den Heizelementen und der Flüssigkeit angeordnet, sind, so dass das Einkoppeln der thermischen Energie in die Flüssigkeit in nachteiliger Weise beeinflusst wird.

Das für die Strahlungsbeheizung geeignete Heizelement kann erfindungsgemäß als Kanthalnadel ausgebildet sein. Unter der Bezeichnung „Kanthalnadel" bietet die Firma Kanthal U-förmige Heizelemente an, die sich für die Beheizung insbesondere von Glasschmelzen sehr bewährt haben.

Um eine vorbestimmbare Temperaturverteilung auf einfache Weise mit Hilfe von lokal unterschiedlich einstellbaren Heiztemperaturen einstellen zu können, ist erfindungsgemäß des Weiteren vorgesehen, dass zumindest zwei Heizelemente in einer Reihe angeordnet sind, wobei die Richtung der Reihe senkrecht zur Behälterlängsachse ausgerichtet ist.

Die Flüssigkeit, insbesondere das Glas, fließt durch den Vorherd entlang der Behälterlängsachse. Durch die oben beschriebene Anordnung sind die Heizelemente also senkrecht zur Glasflussrichtung angeordnet. Durch diese Anordnung wird es möglich, die Temperaturverteilung insbesondere in einem Querschnitt des fließenden Glases, welcher unterhalb der Reihe aus Heizelementen liegt, gezielt einzustellen. Es liegt des Weiteren im Rahmen der Erfindung, mehrere derartige Reihen aus zumindest zwei Heizelementen, beispielsweise entlang der Behälterlängsachse anzuordnen.

Um sicherzustellen, dass keine Abplatzungen oder Abtropfungen, insbesondere im Bereich der Heizelemente aus dem Oberofen in die Flüssigkeit gelangen, kann zumindest ein Abschirmelement zumindest einem Heizelement zugeordnet werden. Je nach geometrischer Gestaltung der Heiz- und Abschirmelemente können auch mehrere der genannten Elemente einander zugeordnet sein. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass nicht jedem Heizelement ein Abschirmelement zugeordnet ist. Insbesondere ist eine Anordnung, bei welcher nicht jedes Heizelement ein eigenes Abschirmelement aufweist, nicht von der Erfindung ausgenommen.

Um die Heizleistung in optimaler Weise in die zu behandelnde Flüssigkeit einzubringen und dennoch zu verhindern, dass Abplatzungen oder Abtropfungen in die Flüssigkeit gelangen können, sieht die Erfindung zudem vor, dass zumindest zwei Abschirmelemente voneinander beabstandet angeordnet werden. In der Aufsicht ergeben sich damit abgedeckte und offene Bereiche der Flüssigkeit.

Dadurch, dass die gesamte Projektionsfläche des einen Abschirmelements oder der Abschirmelemente auf der freien Oberfläche der Flüssigkeit maximal 50 Prozent von deren freier Gesamtoberfläche beträgt, kann vorteilhafterweise eine Anordnung realisiert werden, bei welcher mit möglichst geringem Materialbedarf für die Abschirmelemente eine zuverlässige Abdeckung der Flüssigkeitsoberfläche vor Abplatzungen oder Abtropfungen gewährleistet wird.

In besonders vorteilhafter Weise kann das zumindest eine Abschirmelement ein keramisches Material, insbesondere ein keramisches Material, welches SiO₂ umfasst, aufweisen. Derartige keramische Materialien lassen sich in der gewünschten Form herstellen und weisen gleichzeitig die erforderliche thermische Beständigkeit auf.

Um vorteilhafterweise gewährleisten zu können, dass kein Kontakt zwischen Abschirmelement und der zu behandelnden Flüssigkeit zustande kommt, bietet die Erfindung dadurch, dass die Position des Abschirmelementes in Relation zum Füllstand des Behälters einstellbar ist, die Möglichkeit, stets einen Abstand zwischen der der Flüssigkeit zugewandten Unterseite des Abschirmelementes und der freien Oberfläche der Flüssigkeit beibehalten zu können.

Das Abschirmelement kann des Weiteren an seiner dem Heizelement zugewandten Seite zumindest eine Vertiefung aufweisen. Damit ist auf einfache Weise die Möglichkeit gegeben, auch bei größeren anfallenden Mengen von Abplatzungen oder Abtropfungen, welche auf dem Abschirmelement anfallen, sicherzustellen, dass diese nicht in die Flüssigkeit gelangen.

Die dem Heizelement zugewandte Seite des Abschirmelementes kann gewölbt sein. Durch eine je nach Anforderungen gestaltete Wölbung der dem Heizelement zugewandten Seite des Abschirmelementes kann auf konstruktiv einfache Weise ermöglicht werden, dass auf dem Abschirmelement anfallende Abplatzungen oder Abtropfungen auf dem Abschirmelement in von der Wölbung vorgebbaren Richtungen abfließen.

Unter dem Begriff „Wölbung" wird hierbei nicht ausschließlich eine gekrümmte Gestaltung der dem Heizelement zugewandten Seite des Abschirmelementes verstanden, vielmehr kann auch in beliebig anderer Weise ein Profil erzeugt werden, welches ein Abfließen der Abplatzungen beziehungsweise Abtropfungen auf dem Abschirmelement ermöglicht.

Insbesondere ist des Weiteren vorgesehen, dass die Vertiefung einen Bereich in der Nähe der äußeren Begrenzung des Abschirmelementes umfasst. So können vorteilhafterweise die auf dem Abschirmelement anfallenden Abtropfungen oder Abplatzungen in der Nähe der äußeren Begrenzung des Abschirmelementes aufgefangen und/oder dorthin geleitet werden. Beispielsweise kann die Vertiefung eine Nut umfassen. Als eine besonders einfach zu fertigende Vertiefung bietet eine derartige Nut den Vorteil, einen zusätzlichen Raum für die anfallenden Abplatzungen beziehungsweise Abtropfungen auf dem Abschirmelement zur Verfügung zu stellen.

Um die auf dem Abschirmelement anfallenden Abtropfungen beziehungsweise Abplatzungen von dem Abschirmelement auf einfache Weise abtransportieren zu können und so einen dauerhaft zuverlässigen kontinuierlichen Betrieb der betreffenden Anlage auch über längere Zeiträume hinweg zu ermöglichen, ist gemäß der Erfindung ferner vorgesehen, dass die Vertiefung ein Gefälle aufweist, welches in einer Richtung zu zumindest einer äußerer Begrenzung des Abschirmelementes hin abfällt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann des Weiteren zumindest eine Auffangrinne aufweisen, welche insbesondere an zumindest einer Seitenwand des Behälters angeordnet werden kann. Eine derartige Auffangrinne bietet vorteilhafterweise die Möglichkeit, von dem Abschirmelement abtransportierte Abplatzungen beziehungsweise Abtropfungen aufzufangen. Die Auffangrinne kann insbesondere geometrisch derart gestaltet sein, dass die dort aufgefangenen Abplatzungen beziehungsweise Abtropfungen in vorbestimmbarer Weise abtransportiert werden, so dass im Hinblick auf einen über einen längeren Zeitraum andauernden Betrieb weitere Vorteile erzielt werden können.

Um die erfindungsgemäße Vorrichtung auf einfache Weise auch in bereits bestehende Anlagen integrieren zu können, ist des Weiteren vorgesehen, dass der Behälter eine Breite B im Bereich von zumindest 400 mm ≤ B ≤ 1500 mm aufweist.

Ebenso ist vorgesehen, dass die Abmessungen des Abschirmelementes in Breite und Tiefe maximal 2000 mm betragen.

Die oben genannten Aufgaben werden durch die Erfindung außerdem durch ein Verfahren gemäß Anspruch 19 gelöst. Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Beheizen einer Flüssigkeit, insbesondere einer Glasschmelze zu Verfügung, bei welchem ein Behälter bereitgestellt wird, in welchem sich die Flüssigkeit befinden kann und zumindest ein Heizelement oberhalb des Behälters angeordnet wird, wobei zwischen der Flüssigkeit und zumindest einem Heizelement zumindest ein Abschirmelement angeordnet wird.

Mit den oben beschriebenen Vorteilen kann das Verfahren dahingehend weitergebildet sein, dass eine Strahlungsbeheizung durchgeführt wird.

Insbesondere um die Heizenergie vorteilhafterweise mit einem hohen Wirkungsgrad in die zu behandelnde Flüssigkeit einkoppeln zu können, ist gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ferner vorgesehen, dass zumindest zwei Abschirmelemente voneinander beabstandet angeordnet werden.

In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens können zumindest zwei Heizelemente, welchen jeweils zumindest ein Abschirmelement zugeordnet werden kann, in einer Reihe angeordnet werden, wobei die Richtung der Reihe senkrecht zur Längsachse des Behälters ausgerichtet wird. Somit wird auf einfache Weise sichergestellt, dass eine vorbestimmbare Temperaturverteilung, insbesondere über den Querschnitt der im Behälter befindlichen Flüssigkeit eingestellt werden kann, indem in einer Reihe entlang eines solchen Querschnittes mehrere Heizelemente angeordnet sind. Zudem ist dadurch, dass zwischen zumindest zwei Abschirmelementen ein Abstand vorgesehen werden kann, gewährleistet, dass in weiten Bereichen des Vorherdes ein ungehinderter Wärmeaustausch zwischen den Heizelementen und der zu behandelnden Flüssigkeit stattfinden kann. Die eingebrachte thermische Energie kann somit mit großem Wirkungsgrad umgesetzt werden. Ein Aufheizen der zu behandelnden Flüssigkeit ist daher zumindest bis zur maximalen Einsetztemperatur der Heizelemente grundsätzlich möglich.

Um einen Kontakt zwischen der zu behandelnden Flüssigkeit und dem Material des Abschirmelementes zu verhindern, ist des Weiteren vorgesehen, dass ein Zwischenraum zwischen der der Flüssigkeit zugewandten Seite des Abschirmelementes und der Oberfläche der Flüssigkeit eingestellt wird.

Ferner kann vorteilhafterweise mit Hilfe des Abschirmelementes aufgefangenes Material zumindest teilweise auf dem Abschirmelement gesammelt werden. Das Abschirmelement erfüllt damit nicht allein die Funktion, Abplatzungen oder Abtropfungen aufzufangen, damit diese nicht in die zu behandelnde Flüssigkeit gelangen, sondern bietet darüber hinaus vorteilhafterweise die Möglichkeit, ein Reservoir mit einer gewissen Kapazität bereitzustellen, um eine bestimmte Menge anfallender Abplatzungen oder Abtropfungen aufnehmen zu können.

Je nach den gegebenen Bedingungen im jeweils vorliegenden Anwendungsfall kann die Kapazität eines derartigen Reservoirs bereits ausreichen, den Prozess zum Behandeln der Flüssigkeit über den jeweils geforderten Zeitraum hinweg durchführen zu können. Weitere Mechanismen zum Abtransport der aufgefangenen Abplatzungen beziehungsweise Abtropfungen sind dann vorteilhafterweise nicht erforderlich.

Reichen die oben beschriebenen Maßnahmen jedoch nicht aus, ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass das mit Hilfe des Abschirmelementes aufgefangene und/oder auf dem Abschirmelement gesammelte Material vom Abschirmelement abgeführt wird. Damit ist vorteilhafterweise eine Anwendung für ganz unterschiedliche Anforderungen und insbesondere Betriebsbedingungen mit Hilfe der Erfindung möglich.

Insbesondere kann das vom Abschirmelement abgeführte Material außerhalb des Abschirmelementes, insbesondere seitlich des Behälters aufgefangen und/oder abtransportiert werden. So kann auf einfache Weise die Kapazität für das Material, welches abtropft beziehungsweise abplatzt, erhöht werden.

Typischerweise kann die Temperatur der Flüssigkeit in einem Bereich von 1200°C bis einschließlich 1600°C liegen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Anwendung in diesem Temperaturbereich beschränkt.

Der Füllstand der Flüssigkeit im Behälter kann beispielsweise maximal 500 mm betragen. Unter dieser Voraussetzung ist die Erfindung vorteilhafterweise einfach in bestehende Anlagen zu integrieren. Gegebenenfalls liegt es jedoch auch im Rahmen der Erfindung, höhere Füllstände einzustellen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Dieselben Bauteile sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts durch eine Vorrichtung zum Bereitstellen einer Flüssigkeit im Hinblick auf den Grundaufbau,
2 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts einer Vorrichtung zum Bereitstellen einer Flüssigkeit gemäß einem Grundaufbau mit Abdeckung,
3 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
4 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts einer Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
5 eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer erfindungsgemäßen Vorrichtung entlang der Linie B-B der in 4 dargestellten zweiten Ausführungsform der Erfindung,
6 eine schematische Darstellung eines Querschnitts analog zu der in 5 gezeigten Ansicht einer Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
7 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung entsprechend einer Ansicht eines Schnittes entlang der Linie A-A in 3, in welcher die Vorrichtung in der Aufsicht gezeigt ist,
8 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung in einer Ansicht entsprechend der in 7 gezeigten Darstellung,
9 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung gemäß einer in den 7 und 8 gezeigten Ansicht,
10 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung in einer Ansicht gemäß den in den 7 bis 9 gezeigten Darstellungen,
11 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer achten Ausführungsform der Erfindung in einer Ansicht gemäß den in den 7 bis 10 gezeigten Darstellungen.
In 1 ist der Grundaufbau einer Vorrichtung zum Bereitstellen einer Flüssigkeit schematisch dargestellt. Die Vorrichtung 200 umfasst einen Behälter 620. Auf der linken Seite der Abbildung in 1 tritt die zu behandelnde Flüssigkeit 10 in Richtung 15 des Zuflusses in den Behälter 620 ein; auf der rechten Seite der Abbildung in 1 tritt die zu behandelnde Flüssigkeit 10 in Richtung 17 eines Abflusses der Flüssigkeit aus dem Behälter 620 aus.
Die zu behandelnde Flüssigkeit 10 kann insbesondere eine Schmelze, zum Beispiel eine Glasschmelze sein. In einem oberhalb des Behälters 620 angeordneten Raum 60, welcher insbesondere ein Oberofen sein kann, weist die Vorrichtung 200 Heizelemente 50 auf. Über die Heizelemente 50 wird thermische Energie in die Vorrichtung 200, insbesondere über den Raum 60 hinweg, über die Oberfläche 12 der zu behandelnden Flüssigkeit 10 in die zu behandelnde Flüssigkeit 10 eingekoppelt.
Wie oben beschrieben, besteht bei Vorrichtungen gemäß der in 1 gezeigten Anordnung 200 die Gefahr, dass Komponenten der Flüssigkeit 10 verdampfen und sich im Raum 60, insbesondere an der Decke der Vorrichtung 200 niederschlagen. In den Bereichen der Heizelemente 50 können derartige Niederschläge soweit erweicht, wenn nicht gar aufgeschmolzen werden, dass sie sich lösen und in Form von Abtropfungen oder Abplatzungen über die Oberfläche 12 in die zu behandelnde Flüssigkeit 10 gelangen können. Dies kann generell durch den Einsatz einer Abdeckung 750 verhindert werden.
Eine entsprechende Anordnung ist in 2 dargestellt. Bei einer derartigen Vorrichtung 220 wird eine Abdeckung 750 in den oberhalb des Behälters gelegenen Raum 60 eingezogen, welche die gesamte freie Oberfläche 12 der zu behandelnden Flüssigkeit 10 abdeckt. Damit wird das Einkoppeln der thermischen Energie, welche über die Heizelemente 50 bereitgestellt wird, in die Flüssigkeit 10 deutlich erschwert und der Wirkungsgrad der Beheizung der Flüssigkeit 10 nimmt stark ab. Dadurch ist ein höherer Energieaufwand erforderlich.
Diesem Nachteil kann mit der in 3 gezeigten Ausführungsform einer Vorrichtung 20 gemäß der Erfindung begegnet werden. In einem Behälter 62 befindet sich die zu behandelnde Flüssigkeit 10. In einem Raum 60 oberhalb des Behälters 62 sind Heizelemente 50 angeordnet. Diese Heizelemente 50 können insbesondere als sogenannte Kanthalnadeln ausgeführt sein. Die Vorrichtung 20 umfasst des Weiteren Abschirmelemente 75. In der gezeigten Ausführungsform ist jeweils ein Abschirmelement 75 einer Heiznadel 50 derart zugeordnet, dass sich das Abschirmelement 75 zwischen der Projektion des Heizelementes 50 auf die freie Oberfläche 12 der Flüssigkeit 10 und dem Heizelement 50 befindet.
Abplatzungen oder Abtropfungen, welche sich im Bereich eines Heizelements 50 lösen, werden somit von dem Abschirmelement 75 aufgefangen. Die erfindungsgemäßen Abschirmelemente können damit anschaulich auch als Tropfenfänger verstanden werden. Dabei ist jedoch zu beachten, dass das abgefangene Material nicht zwingend als Tropfen, das heißt als Flüssigkeit auf dem Abschirmelement auftreffen muss.
In 4 ist eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung 20 dargestellt. Die Abschirmelemente 75 weisen gemäß dieser Ausführungsform eine Vertiefung 72 auf.
In 5 ist ein Querschnitt entlang der Linie B-B der in 4 gezeigten Vorrichtung dargestellt. In der in 5 dargestellten Ausführungsform verläuft die Vertiefung im Abschirmelement 75 durchgehend über dessen Gesamtlänge. Weitere Gestaltungen der Vertiefung können im Rahmen der Erfindung insbesondere Seitenwände aufweisen, so dass die Vertiefung im Abschirmelement insbesondere ringsherum von einer Wandung umgebene ist.
In der in 5 gezeigten Ausführungsform ist darüber hinaus die den Heizelementen 50 zugewandte Seite 70 des Abschirmelementes 75 gewölbt ausgeführt. Neben der in 5 dargestellten konvexen Ausgestaltung kann die den Heizelementen 50 zugewandte Seite 70 des Abschirmelementes 75 und insbesondere eine in der Vertiefung 72 gelegene Fläche des Abschirmelementes 75 auch konkav ausgestaltet sein.
Die in 5 illustrierte Gestaltung ermöglicht insbesondere, dass auf dem Abschirmelement 75 eintreffendes abgeplatztes oder abgetropftes Material zu den Rändern hin abtransportiert wird. Ein derartiger Vorgang ist in der Ansicht in 6 illustriert.
Material 90, welches sich oberhalb des Behälters 62 niederschlägt, kann insbesondere in Bereichen in der Nähe des Heizelementes 50 angelöst werden, so dass ein Teil des Materials 91 als Abtropfung oder Abplatzung sich löst. Das Material 91 trifft dann insbesondere auf der den Heizelementen 50 zugewandten Seite 70 des Abschirmelementes 75 auf. Dort kann sich dieses Material 92 aufgrund der gewölbten Gestaltung der Oberfläche 70 im Bereich der Vertiefung des Abschirmelementes hin zu den Seiten des Abschirmelementes bewegen. Verlässt das Material 92 das Abschirmelement 75, kann es gemäß der in 6 dargestellten Ausführungsform der Erfindung in einer Auffangrinne 80 als Material 93 aufgefangen werden.
Die in 6 dargestellten Auffangrinnen sind an den Seitenwänden 65 des Behälters angebracht. Genauso ist es jedoch denkbar, eine Auffangrinne in der Mitte der Vorrichtung 20 derart anzuordnen, dass insbesondere bei einer konkaven Gestaltung der Seite 70 des Abschirmelementes 75 auf dem Abschirmelement 75 gesammeltes Material 92 hin zur Mitte des Abschirmelementes 75 transportiert und dort gesammelt wird. Eine entsprechende Auffangrinne, welche nicht an den Seitenwänden 65 des Behälters sondern vielmehr im Inneren der Vorrichtung 20 angeordnet ist, könnte durch mehrere Abschirmelemente 75 hindurch laufen.
In den 7 bis 11 sind unterschiedliche Anordnungen von Abschirmelementen 75 und Heizelementen 50 über einer freien Oberfläche 12 einer zu behandelnden Flüssigkeit 10 entlang der Linie A-A der in 3 gezeigten Ausführungsform dargestellt. In der in 7 gezeigten Anordnung sind drei Heizelemente 50 in einer Reihe 77 angeordnet, deren Längsachse im Wesentlichen senkrecht auf die Richtung des Zuflusses 15 beziehungsweise des Abflusses 17 der zu behandelnden Flüssigkeit steht. Unter der Reihe 77 aus, wie gezeigt, drei Heizelementen 50 befindet sich ein Abschirmelement 75. Vier gleichartige Anordnungen aus Heizelementen und Abschirmelement sind in Fließrichtung der zu behandelnden Flüssigkeit 15, 17 hintereinander angeordnet.
Die Anzahl der einem Abschirmelement 75 zugeordneten Heizelemente 50 kann zum Einstellen einer vorbestimmbaren Temperaturverteilung beliebig gewählt werden. In 8 ist beispielsweise eine Anordnung gezeigt, in welcher sich Abschirmelemente, welchen drei Heizelemente zugeordnet sind, mit Abschirmelementen, welchen zwei Heizelemente 50 zugeordnet sind, abwechseln.
Insbesondere können bei derartigen Anordnungen die Heizelemente „auf Lücke" zueinander ausgerichtet sein. Auch die Anzahl der Heizelemente pro Flächeneinheit kann im Rahmen der Erfindung variabel gestaltet werden. So kann auf einfache Weise insbesondere bei konstanter Heizleistung jedes einzelnen Heizelementes eine Anpassung an lokal unterschiedliche Wärmeleistungseinträge erfolgen.
In 9 ist eine Anordnung gezeigt, in welcher vier Abschirmelemente in Richtung 15, 17 der Fließrichtung der zu behandelnden Flüssigkeit 10 hintereinander angeordnet sind, bei denen die Anzahl der jeweils zugeordneten Heizelemente 50 mit fortschreitender Fließrichtung – in der Abbildung von links nach rechts – abnimmt.
Wie in 10 gezeigt, ist auch die umgekehrte Variante selbstverständlich denkbar, so dass in Fließrichtung 15, 17 gesehen, die Anzahl der hintereinander angeordneten Abschirmelemente 75 zugeordneten Heizelemente 50 zunimmt. Darüber hinaus ist eine konzentrierte Anordnung von Heizelementen in einzelnen Bereichen möglich. Beispielsweise kann, wie in 11 gezeigt, die Dichte der Heizelemente insbesondere in den Randbereichen der Vorrichtung konzentriert werden.

Claims

Vorrichtung (20) zum Bereitstellen einer Flüssigkeit (10), insbesondere einer Glasschmelze, welche einen Behälter (62), in welchem sich die Flüssigkeit (10) befinden kann, einen oberhalb des Behälters (62) angeordneten Raum (60), insbesondere einen Oberofen, und zumindest ein Heizelement (50) in dem oberhalb des Behälters (62) angeordneten Raum (60) aufweist, gekennzeichnet durch zumindest ein zwischen der Flüssigkeit (10) und zumindest einem Heizelement (50) angeordnetes Abschirmelement (75).
Vorrichtung (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (62) einen Vorherd und/oder einen Kanal und/oder ein Rührteil und/oder eine Rinne und/oder einen Feeder und/oder einen Speiser umfaßt.
Vorrichtung (20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Heizelement (50) für eine Strahlungsbeheizung geeignet ist.
Vorrichtung (20) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das für die Strahlungsbeheizung geeignete Heizelement (50) eine Kanthalnadel umfaßt.
Vorrichtung (20) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Heizelemente (50) in einer Reihe (77) angeordnet sind, wobei die Richtung der Reihe (77) senkrecht zur Längsachse des Behälters (62) ausgerichtet ist.
Vorrichtung (20) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Abschirmelement (75) zumindest einem Heizelement (50) zugeordnet ist.
Vorrichtung (20) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest zwei voneinander beabstandet angeordnete Abschirmelemente (75).
Vorrichtung (20) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Projektionsfläche des einen Abschirmelementes (75) oder der Abschirmelemente (75) auf der freien Oberfläche der Flüssigkeit (10) maximal 50 % von deren freier Gesamtoberfläche (12) beträgt.
Vorrichtung (20) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Abschirmelement (75) ein keramisches Material – insbesondere ein keramisches Material, welches SiO₂ umfaßt – aufweist.
Vorrichtung (20) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Abschirmelementes (75) in Relation zum Füllstand des Behälters (62) einstellbar ist.
Vorrichtung (20) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschirmelement (75) an seiner dem Heizelement (50) zugewandten Seite (70) zumindest eine Vertiefung (72) aufweist.
Vorrichtung (20) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Heizelement (50) zugewandte Seite (70) des Abschirmelementes (75) gewölbt ist.
Vorrichtung (20) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (72) einen Bereich in der Nähe der äußeren Begrenzung des Abschirmelementes (75) umfaßt.
Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (72) eine Nut umfaßt.
Vorrichtung (20) nach Anspruch 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (72) ein Gefälle aufweist, welches in einer Richtung zu zumindest einer äußeren Begrenzung des Abschirmelementes (75) hin abfällt.
Vorrichtung (20) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eine Auffangrinne (80), welche insbesondere an zumindest einer Seitenwand (65) des Behälters (62) angeordnet werden kann.
Vorrichtung (20) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (62) eine Breite B im Bereich von zumindest 400 mm ≤ B ≤ 1500 mm aufweist.
Vorrichtung (20) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen des Abschirmelementes (75) in Breite und Tiefe maximal 2000 mm betragen.
Verfahren zum Beheizen einer Flüssigkeit (10), insbesondere einer Glasschmelze, bei welchem ein Behälter (62) bereitgestellt wird, in welchem sich die Flüssigkeit (10) befinden kann, und zumindest ein Heizelement (50) oberhalb des Behälters (62) angeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Flüssigkeit (10) und zumindest einem Heizelement (50) zumindest ein Abschirmelement (75) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strahlungsbeheizung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Abschirmelemente (75) voneinander beabstandet angeordnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Heizelemente (50), welchen jeweils zumindest ein Abschirmelement (75) zugeordnet werden kann, in einer Reihe (77) angeordnet werden, wobei die Richtung der Reihe (77) senkrecht zur Längsachse des Behälters (62) ausgerichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenraum zwischen der der Flüssigkeit (10) zugewandten Seite (70) des Abschirmelement (75) und der Oberfläche (12) der Flüssigkeit (10) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe des Abschirmelementes (75) aufgefangenes Material (90, 91, 92, 93) zumindest teilweise auf dem Abschirmelement (75) gesammelt wird.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das mit Hilfe des Abschirmelementes (75) aufgefangene und/oder auf dem Abschirmelement gesammelte Material (90, 91, 92, 93) vom Abschirmelement (75) abgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Abschirmelement (75) abgeführte Material (90, 91, 92, 93) außerhalb des Abschirmelementes (75), insbesondere seitlich des Behälters (62), aufgefangen und/oder abtransportiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Flüssigkeit (10) in einem Bereich von 1200°C bis einschließlich 1600°C liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstand der Flüssigkeit (10) im Behälter (62) maximal 500 mm beträgt.