DE102004053624A1

DE102004053624A1 - Verfahren und Vorrichtung zum beschleunigten Brennen von porösen Keramikformteilen

Info

Publication number: DE102004053624A1
Application number: DE200410053624
Authority: DE
Inventors: Bernd Dipl.-Ing. Geismar
Original assignee: Ctb Ceramic Technology Berlin GmbH; CTB CERAMIC TECHNOLOGY GmbH
Current assignee: Ctb Ceramic Technology Berlin GmbH; CTB CERAMIC TECHNOLOGY GmbH
Priority date: 2004-11-03
Filing date: 2004-11-03
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2024-11-04
Also published as: DE102004053624B4; WO2006048003A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum beschleunigten Brennen von porösen Keramikformteilen mit einer offenporigen Durchgangsstruktur geringen Durchmessers. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Brennprozess poröser Keramikformteile durch eine Erhöhung der Aufheizraten unter Vermeidung von Rißbildung maßgeblich zu verbessern und durch Nutzbarmachung der inneren Wärmeübertragungsfläche der Formteile die Brennzeit deutlich zu verkürzen. DOLLAR A Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass im Formteil zunächst eine Wärmeübertragung vom Inneren in das Äußere des Formteils bei für den konvektiven Wärmeübergang charakteristischer Temperatur (T1) durch ein Aufteilen des gesamten Heißgasstromes (V¶g¶) in eine Vielzahl von Teilströmen (A¶1¶...A¶n¶), Einleiten dieser Teilströme (A¶1¶...A¶n¶) in die inneren Strömungswege (19) des Formteils und ein gleichmäßiges Durchströmen dieser Strömungswege bei annähernd konstanten Strömungsverhältnissen unter Vermeidung turbulenter Strömung im Strömungsweg erzeugt, die Wärmeübertragung von innen nach außen so lange aufrechterhalten wird, bis die durch die Wärmestrahlung der Heißgase erreichte Temperatur (T2) die durch den konvektiven Wärmeübergang erreichte Temperatur (T1) übersteigt, und dass sodann ein zusätzlicher Wärmeeintrag in Form von Wärmestrahlung vom Äußeren in das Innere sowie vom Inneren in das Äußere des Formteils unter Beibehaltung der Strömungsverhältnisse durch ein gleichzeitiges Beaufschlagen des ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum beschleunigten Brennen von porösen Keramikformteilen mit einer offenporigen Durchgangsstruktur geringen Durchmessers, in einem mit Gas, Öl oder elektrisch beheizten Brennofen, bei dem die Formteile einem Heißgasstrom vorbestimmter Temperatur und Atmosphäre innerhalb der Brennkammer ausgesetzt werden, wobei die Aufheiz- und Brenntemperatur durch eine Steuerung der Heizleistung eingestellt wird.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum beschleunigten Brennen von porösen Keramikformteilen mit einer offenporigen Durchgangsstruktur geringen Durchmessers, mit einer zu einem Keramikofen gehörenden senkrecht angeordneten Brennkammer, mindestens einer in der Brennkammer fest verankerten Ringauflage zur senkrecht stehenden Auflagerung mindestens eines Keramikformteils, einem mit der Brennkammer in Strömungsverbindung stehenden Kanal zum Zuführen der Heißgase in den mit Keramikformteilen beladenen Brennschacht, einem Gas- oder Ölbrenner bzw. elektrischem Heizregister zum Erzeugen der Heißgase und einem mit der Brennkammer verbundenen Kanal zum Abführen der Heißgase.

Aus der EP 0 362 400 B1 ist ein Verfahren zum Brennen von Keramikkörpern mit Bienenwabenstruktur bei einer vorherbestimmten Temperatur in einer vorherbestimmten Atmosphäre bekannt, bei dem die Temperaturen im Inneren und Äußeren der Bienenwabenkörper aus Keramik durch Temperaturfühlmittel bestimmt werden, wobei die Heizleistung der Brennereinrichtung in Abhängigkeit von den so bestimmten Temperaturen gesteuert wird, um eine Übereinstimmung zwischen Innen- und Außentemperatur zu erreichen.

Die keramischen Formkörper befinden sich auf Regalen, die von einem mobilen Untergestell im Ofen getragen sind. Es werden zwei Thermoelemente in den Formkörper eingebracht, mittels der die Temperatur ermittelt wird. Die Formkörper sind vollkommen von Platten umhaust, auf die die Flammen der Brenner zwecks Erwärmung der Formkörper gerichtet sind. Damit die Heißgase an die Formkörper gelangen, sind Löcher in die Platten sowie Entlüftungsdurchgänge in die Regallagen eingebracht. Mit einem Entlüftungsgebläse am äußeren Ende des Entlüftungsdurchgangs wird erreicht, dass die Brennatmosphäre durch das Innere der Formkörper strömt.

Zum Austreiben der organischen Bindemittel und zum Aufheizen der Formteile werden letztere langsam bis auf 600°C erwärmt. Bedingt durch die isolierenden Eigenschaften poröser Formteile können bei zu schnellem Aufheizen Wärmespannungen auftreten, die zur Rissbildung in den Formteilen führen. Bei sehr großen Formteilen muss deshalb die Aufheizrate, beispielsweise 1 bis 25°C, sehr klein gehalten werden, um eine Rissbildung zu vermeiden.

Zur Bildung der gewünschten Keramik werden die Formteile sodann auf eine Brenntemperatur von 1300 bis 1600°C aufgeheizt. Die Brenntemperatur wird anschließend über mehrere Stunden zur Vergleichmäßigung der Temperatur im Formteil und zur Bildung der keramischen Eigenschaften gehalten. Es folgt die Abkühlung des Formteils auf unterhalb 150°C durch Einbringen von Kaltluft mit einer Abkühlrate von bis zu 300°C/h. Der gesamte Prozess ist somit äußerst zeit- und energieintensiv als auch von verhältnismäßig geringer Produktivität.

Diese bekannte Brennweise ist dadurch charakterisiert, dass die Wärmeübertragung an das Formteil im wesentlichen von außen nach innen erfolgt, so dass der Wärmeübergang auf die äußere Wärmeübertragungsfläche des Formteils beschränkt bleibt und nur geringe Aufheizraten möglich sind.

Bei diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Brennprozess poröser Keramikformteile durch Erhöhung der Aufheizraten unter Vermeidung von Rißbildung maßgeblich zu verbessern und durch Nutzbarmachung der inneren Wärmeübertragungsfläche der Formteile die Brennzeit deutlich zu verkürzen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Gattung mit den Merkmalen des Anspruches 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass die Heißgase gezwungen werden, die inneren Strömungswege des Formkörpers zu passieren, wodurch eine Wärmeübertragung vom Inneren in das Äußere des Formkörpers stattfindet und es gelingt, die innere Wärmeübertragungsfläche, die um ein Vielfaches gegenüber der äußeren Wärmeübertragungsfläche größer ist, zu nutzen. Der anlaufende Heißgasstrom wird durch die im Formkörper vorhandene Durchgangsstruktur, insbesondere Wabenkanäle, in eine Vielzahl von Teilströmen aufgeteilt und in die Kanäle geleitet. Die Teilströme verteilen sich gleichmäßig auf den Durchtrittsquerschnitt. Es findet ein konvektiver Wärmeübergang vom Heißgas auf das Material des Formkörpers gleichmäßig verteilt über den Querschnitt statt.

Sobald durch Erhöhung der Temperatur des Heißgasstroms der konvektive Wärmeübergang in den Wärmeübergang durch Strahlung übergeht, wird die Zwangsführung des Heißgasstroms aufgehoben. Der Formkörper wird vom Heißgas sowohl innen durchströmt als auch außen umströmt. Es findet eine Wärmeübertragung von außen nach innen sowie von innen nach außen statt. Die äußere und innere Wärmeübertragungsfläche wird genutzt.

Durch die gezielt gesteuerte Kombination von konvektiver Wärmeübertragung mit der Wärmestrahlung gelingt eine maßgebliche Beschleunigung des Brennprozesses bei gleichzeitiger Ausschaltung der Rißneigung der Formkörper.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
Es zeigen:
1 eine Brennanordnung nach dem Stand der Technik,
2 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei hauptsächlich konvektivem Wärmeübergang,
3 eine Prinzipdarstellung der Erfindungsgemäßen Vorrichtung bei Wärmeübergang im Strahlungsbereich,
4 Schnitt eines porösen Formteils mit inneren und äußeren Strömungswegen,
5 ein Flussdiagramm zum Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens und
6 Beispiel einer Referenzsignatur.
1 zeigt eine Brennanordnung nach dem Stand der Technik, bei der das Brenngut 1, beispielsweise Katalysatorträger, auf Regale 2 gestellt sind. Die Regale 2 sind von einem mobilen Untergestell 3 getragen. Die mittlere Temperaturanstiegsrate beträgt 50°C/h, so dass die Brenntemperatur von beispielsweise 1400°C in 28 Stunden erreicht wird. Die Temperatur wird durch Brenner 4 auf die gewünschte Temperatur erhöht. Die Brenner sind in den gegenüberliegenden Seitenwänden 5 des Brennofens 6 verlegt. Die Seitenwände der Regale 2 sind mit Flammenunterbrechungsplatten 7 aus feuerfestem Material beplankt und die Ober- und Unterseite des Regals mit Regalbrettern 8 belegt. Damit die Brennatmosphäre in das Innere des Regals gelangen kann, befinden sich Löcher 9 in den Regalbrettern 8 an den den Katalysatorträgern 1 zugewandten Abschnitten. Durch die Löcher 9 gelangen die heißen Heißgase in das Innere der Katalysatorträger 1 und umspülen gleichzeitig die äußere Mantelfläche der Katalysatorträger 1. Mittels einem Entlüftungsdurchgang 10, der im Untergestell 3 und dem Boden des Ofens 6 ausgebildet ist, und einem am Ende des Entlüftungsdurchganges angeordneten Entlüftungsgebläse 11 wird die Ofenatmosphäre durch die Formteile hindurchgefördert.
Nach Erreichen der Brenntemperatur von 1400°C wird diese für 2 Stunden beibehalten und anschließend mit einer Rate von 150°C/h abgekühlt. Für den gesamten Brennprozess entsteht somit ein Zeitaufwand von insgesamt ca. 40 Stunden.
2 und 3 zeigen den grundsätzlichen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer schornsteinzugartigen Brennkammer 12 eines nur andeutungsweise dargestellten Brennofens 6. Die vertikal aufsteigend angeordnete Brennkammer 12 ist stromabwärts mit einem horizontal verlaufenden Kanal 13 zum Zuführen der heißen Heißgase in die Brennkammer 12 und stromaufwärts mit einem horizontal verlaufenden Kanal 14 zum Abführen der Heißgase verbunden.
In die Wandung 15 der Brennkammer 12 ist eine ringförmige Auflage 16 aus Metall oder einem anderen geeigneten temperaturbeständigen Material fest montiert, deren Auflageebene senkrecht zur Durchströmrichtung der Heißgase in der Brennkammer 12 angeordnet ist und einen freien Durchtritt der Heißgase ermöglicht. Der Querschnitt der Brennkammer 12 ist so bemessen, dass die heißen Heißgase die Brennkammer 12 mit einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 5 bis 20 m/s durchströmen können.
Im Fall der Beschickung der Brennkammer 12 mit dem zu brennenden Brenngut 1 wird zunächst auf die ringförmige Auflage 16 eine feuerfeste Wabenscheibe 17 von etwa 25 mm Dicke gesetzt, deren Außendurchmesser gegenüber dem Innendurchmesser der Auflage 16 etwas größer bemessen ist. Auf die Wabenscheibe 17 wird eine grüne Wabenscheibe 18 (ungebrannt) gesetzt. Die Wabenscheiben 17 und 18 entsprechen dem Material und der Form des zu brennenden Brennguts 1, beispielsweise Aluminiumoxid. Das zu brennende Brenngut 1 wird sodann auf die grüne Wabenscheibe 18 mit ihren Stirnseiten senkrecht aufeinander gestapelt, so dass eine Formteilsäule aus bis zu 5 Brennteilen entsteht, deren innere Strömungswege 19 (Wabenkanäle) in Strömungsrichtung des anlaufenden Volumenstroms der Heißgase liegen (siehe 4). In der Brennkammer 12 können mehrere Formteilsäulen etagenartig übereinander angeordnet sein.
Diese Anordnung gewährleistet einerseits die Maßhaltigkeit des zum Brennen gestapelten Brennguts und andererseits den gleichmäßigen Durchtritt der Heißgase durch die inneren Strömungswege 19 des Brennguts 1, ohne Turbulenzen zu erzeugen.
Jeder Auflage 16 sind zwei Absperrmittel 20, beispielsweise Plattenschieber, zugeordnet, die im geschlossenen Zustand den Durchflußquerschnitt der schonsteinzugartigen Brennkammer 12 ausschließlich auf den freien Durchtrittsquerschnitt DF der inneren Strömungswege 19 in der Stirnseite des Brennguts begrenzen. Die Schieber sitzen strömungsaufwärts unmittelbar hinter der jeweiligen Auflage 16, liegen in Kassetten 21 ein, die die Wandung 15 der Brennkammer 12 durchdringen. Im geschlossenen Zustand umschließen die vorderen Plattenenden der Schieber den zylindrischen äußeren Mantel des unmittelbar auf der grünen Wabenscheibe 18 stehenden Brennguts 1, so dass nur der stirnseitig freie Durchtrittsquerschnitt DF für den Durchtritt des Heißgasstroms zur Verfügung steht.
Die Platten der Schieber bestehen aus einem geeigneten Feuerfestmaterial und werden über ein Schubgestänge 22 jeweils durch separate Antriebe 23 betätigt, die ihrerseits mit einer Steuereinheit 24 verbunden sind und von letzterer gemeinsam angesteuert werden. Zwischen Gestänge 22 und Antrieb 23 befindet sich jeweils ein Weggeber 25, der den Verschiebeweg der Platten feststellt.
Dem Gasbrenner 4 wird über Stellventile 26 eine entsprechende Menge Erdgas, Flüssiggas o. dgl. zum Erzeugen einer entsprechenden Menge an Heißgas zugeführt. Es wird im vorliegenden Beispiel ein sauerstoffarmer Heißgasstrom mit < 8% Sauerstoff erzeugt, der über den Kanal 13 in die Brennkammer 12 mit einer Einströmgeschwindigkeit von etwa 5 bis 20 m/s eintritt, dort das Brenngut 1 gleichmäßig durch- und umströmt sowie die Brennkammer 12 durch den Kanal 14 verlässt.
Durch Temperaturfühler 27, die unmittelbar in den erzeugten Heißgastrom eintauchen, wird die Temperatur des Verbrennungsgases festgestellt. Des weiteren wird der Massestrom des Heißgases und die Sauerstoffkonzentration im Heißgas durch entsprechende Sensoren 28 und 29 ermittelt. Der Fühler 27, der Weggeber 25 und die Sensoren 28 bzw. 29 leiten die Signale an die Steuereinheit 24 weiter, die die Signale nach ihrer Digitalisierung verarbeitet und die Stellventile 26 am Brenner 4 zum Einstellen des Massestroms und der Sauerstoffkonzentration im Heißgas sowie alle Antriebe 23 zum Öffnen und Schließen der Schieber 19 gleichzeitig ansteuert.
5 verdeutlicht das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens, mit dem poröse Formteile mit axial zur Zylinderachse verlaufender Durchgangsstruktur in Wabenform, nachfolgend Wabenkörper bzw. Brenngut genannt, beschleunigt gebrannt werden sollen.
Die mit dem Brenner 4 erzeugte und an das Brenngut 1 zu übertragene Wärmemenge ist mit folgender Gleichung beschreibbar: ΔQ = αabs × Aü × Δt × (Tgas – Tmat),worin bedeuten:

Q: Wärmemenge,
α_abs: konvektive Wärmeübertragungskoeffizient als Funktion f (αk, αs, a) mit
α_k: konvektiver Wärmeübertragungskoeffizient (freie und erzwungene Konvektion),
α_s: Wärmeübertragungskoeffizient durch Strahlung,
a: Temperaturleitwert (Wärmediffusionskoeffizient des eingesetzten Materials),
A_Ü: Wärmeübergangsfläche aus Ao und Ai mit
A_o: äußere Übertragungsfläche (Mantelfläche des Brennguts),
A_i: innere Übertragsfläche (Wabenfläche der Wabenkanäle),
t: Erwärmungszeit
T_gas: mittlere Temperatur des Gases
T_mat: mittlere Temperatur des Materials des Brennguts.

Aus der vorher genannten Gleichung ergeben sich die Haupteinflussgrößen für ein beschleunigtes Brennen. Die übertragene Wärmemenge hängt demzufolge vorwiegend von der Geometrie des Wabenkörpers und vor allem von der Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Wärmeübertragungsflächen ab.
Der Wabenkörper hat in diesem Beispiel einen Außendurchmesser von 100 mm, eine Höhe von 200 mm und besitzt 950 Wabenkanäle. Die äußere Wärmeübertragungsfläche eines derartigen Körpers beträgt ca. 785 cm² und seine innere Wärmeübertragungsfläche etwa das 50fache der äußeren Fläche. Vergrößert sich der Außendurchmesser des Wabenkörpers beispielsweise auf das 3fache, so liegt das Verhältnis der inneren zur äußeren Wärmeübertragungsfläche bereits bei 100.
Der erhitzte Heißgasstrom V_g strömt durch den Kanal 13 in die Brennkammer 12. Alle übereinander angeordneten Schieber 19 sind geschlossen, d.h. es steht nur der Durchtrittsquerschnitt DF des porösen Brennguts 1 zum Durchströmen mit Heißgas zur Verfügung. Der Heißgasstrom wird beim Auftreffen auf der Stirnseite des Brennguts 1 durch die Wabenkanäle der Wabenscheiben in eine Vielzahl von Einzelströmen A₁ ... A_n vereinzelt, die in die von den Wabenkanälen gebildeten inneren Strömungswege 19 des Brennguts 1 eintreten. Der Heißgasstrom vergleichmäßigt sich und die Einzelströme strömen je nach Wabengröße mit etwa 0,5 bis 10 m/s durch die Strömungskanäle 18, wobei sie die Wärme in das umliegende Material abgeben. Es findet ein konvektiver Wärmeübergang vom Inneren in das Äußere des Brennguts statt. Dieser Wärmeübergang wird solange aufrechterhalten bis die Temperatur des Heißgases V_g einen Wert erreicht, bei dem der konvektive Wärmeübergang in den Wärmeübergang durch Strahlung übergeht. Im vorliegenden Beispiel beträgt diese Temperatur 700°C.
Sobald mit den Temperaturfühlern 26 diese Temperatur festgestellt wird, löst die Steuereinheit 24 einen Befehl an die Antriebe 23 aus, die die Platten der Schieber 19 in ihre Offenstellung verfahren. Es wird ein äußerer Strömungsweg S für den anströmenden Heißgasstrom V_g entlang des Umfanges der Mantelfläche des Brennguts 1 freigegeben, so dass das Brenngut von einem zusätzlich abgeteilten Gastrom B umströmt werden kann. Die Durchströmung entlang der inneren Wabenkanäle im Brenngut 1 wird fortgeführt. Gleichzeitig wird die Temperatur des Heißgasstroms mit einer Rate von 250 bis 750°C/h erhöht bis die für die Bildung der Keramik notwendige Brenntemperatur erreicht wird. Während dieses Schrittes findet eine Wärmeübertragung durch Strahlung vom Heißgas auf den Wabenkörper 1 sowohl von außen nach innen als auch von innen nach außen statt.
Nachdem die Brenntemperatur von beispielsweise 1.600°C erreicht ist, wird diese, je nach Wabenstärke und Materialeigenschaften, für einen Zeitraum von 15 bis 60 min gehalten. Danach erfolgt ein Abkühlen mit einer Rate von 500 bis 100°C/h. Der Brennprozeß nach dem erfindungsgemäßen Verfahren benötigt nur noch 4 bis 6 Stunden.
In der Steuereinheit 24 besteht aus einer speicherprogrammierbaren Steuerung SPS, in der das das gesamte Programm des Brennregimes gespeichert ist und letztendlich auch steuert. Dazu werden in Abhängigkeit der Keramikart, der Geometrie und der Abmessungen der zu brennenden Formkörper, ständig die Sauerstoffkonzentration im Heißgas, der Massestrom, das Temperaturregime mit Aufheizzeit und Haltezeit, der Temperaturgradient, die Brennzeit und Gastemperatur festgestellt und mit einem in der speicherprogrammierbaren Steuerung SPS abgelegten „Rezept" verglichen. Sobald Abweichungen von den Vorgabewerten festgestellt werden, erfolgt eine Nachregelung des Brenners 4 über das Stellventil 26. Die Rezepte (Sollwert-Funktionskurven) sind durch charakteristische Temperaturen T1 und T2 gekennzeichnet, bei denen der Übergang von Konvektion zur Strahlung stattfindet.
Im Bereich des konvektiven Wärmeübergangs von innen nach außen wird mit einer Aufheizrate von 250 bis 500°C/h gearbeitet. Sobald T1 erreicht ist, erfolgt der Übergang zur Wärmestrahlung, indem die Gastemperatur mit der Aufheizrate von bis zu 750°C/h bis auf Brenntemperatur, je nach keramischer Zusammensetzung, auf 1.400 bis 1.600°C erhöht und zugleich eine innere Durchströmung und äußere Umströmung des Brennguts 1 durchgeführt wird.

1: Brenngut/Wabenkörper
2: Regal
3: Untergestell
4: Brenner
5: Seitenwand von 2
6: Brennofen
7: Flammenbrechungsplatten
8: Regalbretter
9: Löcher in 8
10: Entlüftungsdurchgang
11: Entlüftungsgebläse
12: Brennkammer
13: Kanal zum Zuführen des Heißgases
14: Kanal zum Abführen des Heißgases
15: Wandung der Brennkammer 12
16: Auflage
17: gebrannte Wabenscheibe
18: grüne Wabenscheibe
19: innere Strömungswege (Wabenkanäle)
20: Absperrmittel, Schieber
21: Kassette
22: Schubgestänge
23: Antrieb
24: Steuereinheit
25: Weggeber
26: Stellventil
27: Temperaturfühler
28: Sensor für Massestrom
29: Sensor für Sauerstoffkonzentration
DF: freier Durchtrittsquerschnitt
A₁ ... A_n: Teilströme
B: Teilstrom
S: äußerer Strömungsweg
T1: Grenztemperatur konvektiver Wärmeübergang
T2: Temperatur Wärmestrahlung
V_g: Heißgasstrom

Claims

Verfahren zum beschleunigten Brennen von porösen Keramikformteilen mit einer offenporigen Durchgangsstruktur geringen Durchmessers, in einem mit Gas, Öl oder elektrisch beheizten Brennofen, bei dem die Formteile einem Heißgasstrom vorbestimmter Temperatur und Atmosphäre innerhalb einer Brennkammer ausgesetzt werden, wobei die Temperatur durch eine Steuerung der Heizleistung eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Formteil zunächst eine Wärmeübertragung vom Inneren in das Äußere des Formteils bei für den konvektiven Wärmeübergang charakteristischer Temperatur (T1) durch ein Aufteilen des gesamten Heißgasstroms (V_g) in eine Vielzahl von Teilströmen (A₁ .. A_n), Einleiten dieser Teilströme (A₁ ... A_n) in die inneren Strömungswege (19) des Formteils und ein gleichmäßiges Durchströmen dieser Strömungswege bei annähernd konstanten Strömungsverhältnissen unter Vermeidung turbulenter Strömung im Strömungsweg erzeugt, die Wärmeübertragung von innen nach außen solange aufrechterhalten wird, bis die durch die Wärmestrahlung der Heißgase erreichte Temperatur (T2) die durch den konvektiven Wärmeübergang erreichte Grenztemperatur (T1) übersteigt, und dass sodann ein zusätzlicher Wärmeeintrag in Form von Wärmestrahlung vom Äußeren in das Innere sowie vom Inneren in das Äußere des Formteils unter Beibehaltung der Strömungsverhältnisse durch ein gleichzeitiges Beaufschlagen des Formteils mit den Teilströmen (A₁ ... A_n-B) entlang der inneren Strömungswege (19) und mit einem weiteren vom Heißgasstrom abgezweigten Teilstrom (B) entlang eines äußeren Strömungswegs (S) bei einem für die Wärmestrahlung charakteristischen Temperaturbereich (T2) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang von der inneren konvektiven Wärmeübertragung zur Wärmestrahlung über die Temperatur der Heißgase gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abzweigen des weiteren Teilstroms durch ein Öffnen des äußeren Strömungswegs (S) an jeder Formteilsäule in Abhängigkeit der Heißgastemperatur durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit der Heißgase im inneren Strömungsweg je nach Wabengröße auf ein Wert zwischen 0,5 bis 10 m/s, vorzugsweise im laminaren Bereich der Strömung eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (T1) zur Erzeugung des Wärmeübergangs von innen nach außen im Formteil auf Werte zwischen 20 bis maximal 700°C eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (T2) zur Erzeugung des Wärmeübergangs von außen nach innen sowie von innen nach außen auf Werte zwischen > 600 bis 1.600°C eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Brenngut zylindrische Formteile mit axial verlaufenden offenen Poren in Wabenstruktur verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Brenngut Formteile mit einer offenporigen Schwammstruktur verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass gegossene, geschäumte oder extrudierte Keramikformteile verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Bilden einer Formteilsäule durch stirnseitiges Übereinanderstapeln der Formteile; b) Einbringen der über einen äußeren und inneren und Strömungsweg mit Heißgas beaufschlagbaren Formteilsäulen in einer oder mehr Etagen der Brennkammer; c) Einstellen einer ersten Temperatur (T1), bei der im wesentlichen ein konvektiver Wärmeübergang vom Heißgas zum Formteil stattfindet, durch Steuerung der Temperatur der Heißgase, d) Absperren des äußeren Strömungswegs und gleichzeitiges Einleiten des Heißgases in den durch die offenporige Durchgangsstruktur gebildeten inneren Strömungsweg und gleichzeitiges axiales Durchströmen der Struktur jeder Formteilsäule mit Heißgas zum Herstellen des konvektiven Wärmeübergangs vom Inneren in das Äußere eines jeden Formteils; e) Einstellen einer zweiten Temperatur (T2), bei der im wesentlichen ein Wärmeübergang durch Strahlung auf das Formteil stattfindet, durch Steuerung der Temperatur des Heißgases; g) Öffnen des äußeren Strömungswegs und simultanes inneres Durchströmen und äußeres Umströmen der Formteile mit Heißgas zum Herstellen des Wärmeübergangs durch Strahlung sowohl von außen nach innen als auch von innen nach außen; h) Halten des Wärmeübergangs durch Strahlung bis die Temperatur (T2) erreicht durch Steuerung der Temperatur der Heißgase erreicht ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (T1) für den konvektiven Wärmeübergang auf zwischen 500 und 700°C eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (T2) für den Wärmeübergang durch Strahlung auf Werte zwischen > 600 bis maximal 1.600°C eingestellt wird.
Vorrichtung zum beschleunigten Brennen von porösen Keramikformteilen mit einer offenporigen Durchgangsstruktur, mit einer zu einem Keramikofen gehörenden Brennkammer, einem mit der Brennkammer in Strömungsverbindung stehenden Kanal zum Zuführen der Heißgase in die mit Keramikformteilen beladene Brennkammer, einem elektrischen Heizregister, Gas- oder Ölbrenner zum Erzeugen der Heißgase, einem mit dem Brennschacht verbundenen Kanal zum Abführen der Heißgase, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (12) schornsteinzugartig ausgebildet ist, und dass in der Brennkammer (12) senkrecht zur Strömungsrichtung des Heißgases mindestens eine poröse Auflage (16) zum Auflagern der Keramikformteile (1) vorgesehen ist, und dass das auf der Auflage (16) stehend angeordnete Keramikformteil (1) mit seinen durch die Durchgangsstruktur gebildeten axialen inneren Strömungswegen (19) in Strömungsrichtung der Heißgase zum Aufteilen des Heißgasstroms in eine Vielzahl von die inneren Strömungswege durchlaufenden Teilströmen (A₁ ... A_n) zwecks Wärmeübertragung im Inneren des Keramikformteils angeordnet ist, wobei jeder Auflage mindestens zwei Absperrmittel (20) zugeordnet sind, die einen Strömungsquerschnitt des Heißgasstroms zulassen, der zumindest dem freien Durchtrittsquerschnitt (DF) des Keramikformteils entspricht und zusätzlich einen äußeren Strömungsweg (5) entlang des Formteils öffnet, und dass Meßmittel (27, 28, 29) zum Erfassen der Gastemperatur, des Gasmassestroms und der Sauerstoffkonzentration im Heißgas als Steuergrößen vorgesehen sind, und dass die Meßmittel (27, 28, 29) und Absperrmittel (20) mit einer Steuereinheit (24) zum Ansteuern der Heizeinrichtung, des Brenners (4) und eines Antriebs (23) für die Absperrmittel (20) zwecks Öffnen und Schließen des äußeren Strömungswegs (5) für einen weiteren Teilstrom (B) zum Eintrag von Strahlungswärme in und auf das Formteil verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Formteil(e) (1) übereinander gestapelt auf der Auflage (16) angeordnet sind und eine Formteilsäule bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Auflagen (16) etagenartig übereinander in der Brennkammer (12) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Auflage (16) und Formteil (1) eine feuerfeste Wabenscheibe (17) und grüne Wabenscheibe (18) gleichen Materials und gleicher Form sowie Durchgangsstruktur wie das Formteil angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflage (16) einen gegenüber den Wabenscheiben (17, 18) geringfügig geringeren Durchmesser aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrmittel (20) ein Schieber ist, der mit einem Schubgestänge (22) verbunden ist, das über einen Weggeber (25) und dem Antrieb (23) mit der Steuereinheit (24) zum Auslösen der Betätigung des Schiebers in Verbindung steht.
Vorrichtung nach Anspruch 13 und 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrmittel (20) mittels einer Kassette (21) gasdicht durch die Wandung (15) der Brennkammer (12) geführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Meßmittel (27) ein Temperaturfühler ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass das Meßmittel (28) zum Erfassen des Gasmassestroms der Heißgase bzw. der Einströme ein Massenstromsensor ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Meßmittel (29) zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration im Heißgas ein Sauerstoffsensor ist.