DE102005047433A1

DE102005047433A1 - Verfahren zum computergestützten Optimieren des Betriebs eines Rollenofens

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Publication number: DE102005047433A1
Application number: DE200510047433
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Erdmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2025-10-01
Also published as: DE102005047433B4; WO2007039024A1

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum computergestützten Optimieren des Betriebs eines Rollenofens in einer Anlage zur Wärmebehandlung von Flachglas. Nach diesem Verfahren werden bestimmte Wärmespeicher definiert und mit ihren verfahrensrelevanten Parametern vorgegeben. Daraus resultierende Wärmeströme werden berechnet. Die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur Glas oben und der Temperatur Glas unten wird über die Gesamtzeit dem Wert Null dadurch angenähert, dass die Parameter Temperatursollwert Keramik oben, Temperatursollwert Keramik unten, Anfangsleistung Netz für Heizung oben sowie Zeitdauer und/oder zeitlicher Verlauf der Anfangsleistung Netz für Heizung oben eingestellt werden. Dadurch lässt sich eine Simulation des Betriebs des Rollenofens umsetzen, so dass auf Arbeit mit Bruchbildern von testweise erwärmten Glasplatten verzichtet werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum computergestützten Optimieren des Betriebs eines Rollenofens in einer Anlage zur Wärmebehandlung von Flachglas mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
Um aus normalem Flachglas beispielsweise Einscheibensicherheitsglas entstehen zu lassen, muß man der Glasplatte einen Spannungszustand einprägen, bei dem die Glasoberflächen unter Druckspannungen und das Innere der Glasplatte unter Zugspannungen steht. Durch diesen starken inneren Spannungszustand zerbricht eine solche Glasplatte bei Überschreiten einer Grenzbelastung in kleinste Teilchen.
Der gewünschte Spannungszustand der Glasplatte wird durch Erwärmen der Glasplatte und anschließendes Abschrecken beispielsweise durch Anblasen mit kalter Luft erzielt. Das Abschrecken setzt also eine gleichmäßig auf eine hohe Temperatur erwärmte Glasplatte voraus. Das vorliegende Verfahren betrifft das Betreiben einer Anlage zur Wärmebehandlung von Flachglas in einem Rollenofen, in dem die Glasplatte bzw. eine Gruppe von Glasplatten einer Charge auf die Temperatur erwärmt wird, von der ausgehend dann die anschließende Weiterbearbeitung, beispielsweise das Abschrecken, erfolgen kann.
Bei der Lehre der Erfindung geht es somit um die Erwärmung von Flachglas in einem Rollenofen im Chargenbetrieb von Umgebungstemperatur (beispielsweise ca. 20 °C) auf die gewünschte Temperatur des Flachglases von mehreren hundert °C, insbesondere von ca. 650 °C. Das soll in möglichst kurzer Zeit erfolgen.
Die Lehre der vorliegenden Erfindung ist also in erster Linie auf die Wärmebehandlung von Flachglas, also plattenförmigem Glas, gerichtet. Grundsätzlich sind technisch ähnliche Probleme aber auch bei anderen mit hohen Temperaturen einer Wärmebehandlung zu unterziehenden plattenförmigen Werkstoffen zu beobachten. Im Grundsatz läßt sich die Lehre der vorliegenden Erfindung also auch auf Verfahren zur Wärmebehandlung von anderen plattenförmigen Werkstoffen, bei denen ähnliche Aufgabenstellungen bestehen, übertragen. Der Begriff "Flachglas" in den Patentansprüchen soll also Flachglas im engeren Sinne sowie andere plattenförmige Werkstoffe umfassen, bei denen sich ähnliche Probleme der Wärmebehandlung stellen.
Ein besonderes Problem besteht in der sogenannten Schüsselbildung beim Einlaufen von Flachglas in einen solchen Rollenofen. Eine Schüsselbildung führt zu Qualitätsminderung durch optische Fehler bis hin zum Glasbruch.
Das noch kalte, einlaufende Flachglas rollt auf den Keramikrollen einer Fördereinrichtung, die selbst die Temperatur der Kammerluft im Ofen, also eine Temperatur von etwa 700 °C haben. Diese Keramikrollen sind ein Wärmespeicher, von denen Wärmeströme in erster Linie durch Wärmestrahlung und durch Wärmeleitung die Glasplatte schnell von unten erwärmt. Der Wärmeübergang von den Keramikrollen auf die Unterseite der Glasplatte ist sehr intensiv. Die die Glasplatte von der Oberseite her erreichenden Wärmeströme hingegen sind weniger wirkungsvoll, weil hier die Komponente der Wärmeleitung fehlt. Das gilt insbesondere für sogenanntes "low e-Glas", also Glas mit geringem Absorptionsgrad, erreicht durch eine reflektierende Beschichtung auf der Oberseite der Glasplatte. Hier ist eine gegenüber normalem Flachglas wesentlich geringere Wärmeeinkopplung in die Glasplatte durch Wärmestrahlung möglich, diese wird ja gerade reflektiert. Das prinzipiell vorhandene Problem der Schüsselbildung von Flachglas beim Einlaufen in die Anlage ist bei beschichtetem Glas also noch größer.
Hinsichtlich der Bezeichnungen "Luft", "Kammerluft" etc. ist festzuhalten, daß bei der vorliegenden Erfindung generell ein beliebiges Gas oder Gasgemisch verwendet werden kann. Insbesondere kann die Anlage statt mit Luft im engeren Sinne auch mit Schutzgas arbeiten, also in der Kammer des Rollenofens eine Schutzgasatmosphäre vorgesehen sein.
Hinsichtlich der Bezeichnung "Keramikrollen" ist zu vermerken, daß es sich zwar wegen der hohen Temperatur im Regelfall um Rollen aus keramischem Material handeln wird, daß aber im Grundsatz für die Rollen alle Werkstoffe eingesetzt werden können, die bei der Betriebstemperatur im Rollenofen störungsfrei arbeiten.
Was den Begriff "Keramikträger" im Zusammenhang mit den Heizstrahlern betrifft, so kann es sich nicht nur um einen durchgehenden Keramikträger, sondern auch um einen aus mehreren einzelnen Teilen oder Abschnitten bestehenden Keramikträger handeln. Dieser muß auch nicht unbedingt die Heizstrahler im engeren Sinne tragen, er befindet sich nur normalerweise an oder in der Nähe der Heizstrahler und hat zumeist eine Halterungsfunktion für die Heizstrahler oder Anschlüsse der Heizstrahler. Auch hier gilt, daß als Werkstoff statt Keramikmaterial im engeren Sinne auch andere Werkstoffe in Frage kommen, wenn sie bei der hohen Betriebstemperatur im Rollenofen störungsfrei funktionieren.
Die Heizstrahler sind normalerweise und in den meisten Fällen als elektrische Widerstandsheizstrahler ausgeführt. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, in einem solchen Rollenofen mit Gasheizstrahlern (geschlossen oder offen) zu arbeiten.
Das Einlaufen einer kalten Glasplatte auf die Keramikrollen im Rollenofen geschieht mit normalerweise derselben Geschwindigkeit wie das Auslaufen der vorherigen, bereits erwärmten Glasplatte aus dem Rollenofen in die anschließende Vorspann- und Abkühlstation. Eine typische Geschwindigkeit für diesen Zustand liegt bei 0,5 m/s. Befindet sich die eingelaufene Glasplatte im Rollenofen, so wird diese während des Erwärmens im Rollenofen vor- und zurückgefahren, um zu vermeiden, daß sich das weicher werdende Glas zwischen den Keramikrollen nach unten verformt. Dieses Vor- und Zurückfahren der Glasplatte im Rollenofen, das beispielsweise und typischerweise mit einer Geschwindigkeit von ca. 0,25 m/s oder weniger abläuft, nennt man Pendeln.
Beim Einlaufen einer kalten Glasplatte auf die Keramikrollen im Rollenofen, die beispielsweise eine Oberflächentemperatur von 550 bis 600 °C haben, entsteht wie erläutert ein intensiver Wärmestrom durch Wärmestrahlung und Wärmeleitung zu der Glasplatte (50 bis 70 kW/m²).

Um einen entsprechenden Wärmestrom auch zur Oberseite der Glasplatte bereitzustellen, wird bei einem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ( DE 40 08 516 A1 ) mit oberen Heizstrahlern in einem oberen Keramikträger gearbeitet, die vom Einlauf ausgehend steuerungstechnisch in mehreren aufeinanderfolgenden Bereichen, sogenannten Heizzonen, zusammengefaßt sind. Die Heizstrahler hier sind als elektrische Widerstandsheizstrahler ausgeführt, die mit einer geringen thermischen Zeitkonstante arbeiten, also eine hohe Temperaturanstiegsgeschwindigkeit, beispielsweise eine solche von ca. 10 °C/s bis ca. 25 °C/s, mit Mittelwerten z. B. bei 18 °C/s, erreichen.

Jedem Heizstrahler ist mindestens eine entsprechende Temperaturmeßstelle im Ofen zugeordnet. Der Sollwert für die Temperatur der oberen Heizstrahler in der Heizzone mit Glasplatten wird höher gewählt als der Sollwert für die Heizstrahler in Heizzonen, welche die Glasplatten nicht direkt beaufschlagen. Im Zuge der zunehmenden Erwärmung der Glasplatten wird die Sollwertdifferenz zwischen den Heizzonen verringert.

Zu dem erläuterten Verfahren, bei dem beim Einlaufen einer kalten Glasplatte auf die Keramikrollen im Rollenofen die Heizleistung der oberen Heizstrahler zumindest in dem am Einlauf liegenden Bereich vorübergehend erhöht wird, um eine Schüsselbildung der einlaufenden Glasplatte zu vermeiden, ist bereits durch den Einsatz von Treibluftgebläsen oberhalb der Keramikrollen und unterhalb der oberen Heizstrahler ein zusätzlicher Wärmestrom durch Konvektion in Richtung der Oberseite der Glasplatte vorgeschlagen worden ( DE 103 30 196 A1 ). Damit wird zwar die beim Einlaufen einer kalten Glasplatte auf die Keramikrollen im Rollenofen besonders stark wirksame, bei low-e-Glas nochmals problematischere Asymmetrie der Wärmeaufnahme von der Unterseite der Glasplatte einerseits und von der Oberseite der Glasplatte andererseits deutlich vermindert. Das hauptsächliche Problem des bekannten Verfahrens, daß nämlich zur Kompensation nur Änderungen von Temperatursollwerten der Heizstrahler zur Verfügung stehen, die auf irgendwo in der Kammer des Rollenofen gemessenen Temperaturen beruhen, ist damit noch nicht angegangen worden.

Ein weiteres Problem des aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrens zum Betreiben einer Anlage zur Wärmebehandlung von Flachglas besteht darin, daß die Erwärmung einer kompletten Beladung des Rollenofens mit einer Glasplatte oder, vorzugsweise, einer Gruppe von Glasplatten, einer sogenannten "Charge", nach Ablauf einer Heizzeit beendet wird, die man experimentell mit Bruchbildern von testweise erwärmten Glasplatten ermittelt. Die Anfangsbedingungen für eine Charge ändern sich jedoch je nach Belegung des Rollenofens in der speziellen Charge und nach der zeitlichen Chargenfolge. Das Ende der Heizzeit wird daher experimentell in einen Bereich gelegt, in dem die Temperatur der Glasplatte die gewünschte normale Betriebstemperatur an Unterseite und Oberseite mit Sicherheit gleichmäßig erreicht hat, also in einen Bereich, in dem die Glastemperatur insgesamt nur noch sehr langsam ansteigt. Das bedeutet, daß die Heizzeit prinzipiell länger ist als sie vom konkreten Prozeß ausgehend her sein müßte. Eine längere Heizzeit bedeutet eine schlechtere Nutzung des Rollenofens.

Will man, insbesondere bei low-e-Glas, die Wärmeaufnahme an der Oberseite der Glasplatte hinreichend weit erhöhen, so muß man die Heizleistung der oberen Heizstrahler im Bereich oberhalb der Glasplatte, also normalerweise beginnend in dem am Einlauf liegenden Bereich, vorübergehend erheblich erhöhen, beispielsweise um 80 °C und mehr über der Betriebstemperatur. Das bedeutet, daß man die Netzanschlußleistung der gesamten Anlage auf diese Höchstbelastung auslegen muß. Netzanschlußleistung muß man mit verbrauchsunabhängigen Anschlußkosten bezahlen. Außerdem muß die Anlage insgesamt auf die Netzanschlußleistung einschließlich einer Sicherheitsmarge konstruktiv ausgelegt sein, was hohe Kosten verursacht.

Die Nutzung von Konvektion zum Erwärmen der Oberseite der Glasplatte, um so eine Schüsselbildung zu vermeiden, ist auch aus anderem Stand der Technik bekannt ( US 4,390,359 A ). Von diesem Stand der Technik geht die vorliegende Erfindung aus.

Aus diesem Stand der Technik ergeben sich einige theoretische Berechnungen und Angaben für Werte von Durchbiegungen von Glasplatten bestimmter Dicke. Der hier angegebene Wert von 0,5 mm auf eine Länge von 1 m (angegeben für eine Differenz der Wärmeströme oben/unten von 1 kW/m²) im wesentlichen unabhängig von der Dicke der Glasplatte ( US 4,390,359 A , Spalte 5, Zeilen 15 bis 19) erscheint allerdings etwas gering, richtiger dürften 1,0 bis 1,5 mm sein. Richtig ist, daß tendenziell die Durchbiegung von der Dicke der Glasplatte wenig abhängig ist. Eine größere Dicke der Glasplatte senkt die Durchbiegung tendenziell, allerdings ist die Temperaturdifferenz zwischen Oberseite und Unterseite der Glasplatte größer, was zu einer Erhöhung der Durchbiegung führen müßte. Beides gleicht sich im wesentlichen aus. Interessant sind in diesem Stand der Technik die Berechnungen zu den Wärmeströmen und den Energiebilanzen, auf den zu diesem Zwecke inhaltlich in vollem Umfange Bezug genommen wird. Ergänzend wird für derartige physikalische Grundlagen auf Grundlagenwerke der Physik, beispielsweise Gerthsen "Physik", 22. Auflage, Springer-Verlag 2003, Abschnitte 5.4 "Wärmeleitung und Diffusion" sowie 11.2 "Strahlungsgesetze" verwiesen.

Im zuvor erläuterten Stand der Technik werden umfangreiche grundlegende Ausführungen zur Physik der Wärmebehandlung von Flachglas in Rollenöfen erläutert und eine Reihe von anzuwendenden Formeln angegeben. Dieser Stand der Technik unterscheidet zwischen Formeln für Wärmestrahlung (Radiation, Spalte 1, Zeile 61 bis Spalte 2, Zeile 23) einerseits und Wärmeleitung und Konvektion (Conduction and Convection, Spalte 2, Zeilen 25 bis 58) andererseits. Die physikalischen Grundlagen der Schüsselbildung werden ausführlich unter Angabe entsprechender Formeln erläutert (Spalte 4, Zeile 20 bis Spalte 5, Zeile 19). Die Offenbarung dieses Standes der Technik beschränkt sich jedoch darauf, nur allgemein darauf hinzuweisen, daß man eine stufenlose Steuerung des Wärmebehandlungsprozesses erreichen kann (Spalte 8, Zeilen 3, 4), insbesondere unter zusätzlicher Nutzung von Konvektion durch Treibluftgebläse, ohne anzugeben, wie man konkret zu einer Optimierung des Betriebs eines Rollenofens in dieser Hinsicht gelangen kann.

Der Lehre der vorliegenden Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, das bekannte Verfahren zum computergestützten Optimieren des Betriebs eines Rollenofens in einer Anlage zur Wärmebehandlung von Flachglas so zu konkretisieren, daß damit eine weitgehend zutreffende Vorhersage des Ergebnisses der Wärmebehandlung einer Glasplatte oder einer Charge von Glasplatten möglich ist, ohne wie bisher umfangreich mit Bruchbildern von testweise erwärmten Glasplatten arbeiten zu müssen.

Das zuvor angesprochene Problem ist bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 gelöst.

Grundlage für die Lehre der Erfindung ist die Analyse der Wärmeströme und Wärmespeicher des Systems, von dem diese Wärmeströme ausgehen. Erfindungsgemäß wird angegeben, welche Wärmespeicher und Wärmeströme in welcher Weise zu berücksichtigen sind und welche Parameter gezielt verändert werden sollen, um letztlich die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Glases oben und der Temperatur des Glases unten über den gesamten Zeitraum der Erwärmung der Glasplatte auf die Betriebstemperatur dem Wert Null so gut wie möglich anzunähern.

Wesentlich für die Lehre der Erfindung ist die Definition der Glasplatte mittels zweier voneinander unterschiedener Wärmespeicher, nämlich des Wärmespeichers Glas oben und des Wärmespeichers Glas unten, die dann über den Wärmestrom der Wärmeleitung Glas oben/Glas unten gekoppelt werden. Damit gelingt es, eine realistische Vorhersage des Ergebnisses der Wärmebehandlung einer Glasplatte oder einer Charge von Glasplatten zu treffen.

Im Stand der Technik ist eine Optimierung des Verfahrens zur Wärmebehandlung einer Glasplatte oder einer Charge von Glasplatten nur mit Testläufen des Rollenofens selbst möglich gewesen und mit Auswertung der Bruchbilder testweise erwärmter und anschließend zerstörter Glasplatten. Diese Verfahrensweise des "Try and Error" kostet erhebliche Aufwendungen an Personaleinsatz, Materialeinsatz und Energie. Das erfindungsgemäße Verfahren macht diese aus dem Stand der Technik bekannte, seit Jahrzehnten praktizierte Verfahrensweise überflüssig.

Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der zuvor erläuterten Lehre der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 15.

Ein Computerprogramm mit entsprechenden Programmitteln, das das erfindungsgemäße Verfahren realisiert, ist Gegenstand des Anspruchs 17, ein entsprechender computerlesbarer Datenträger mit einem solchen Computerprogramm ist Gegenstand des Anspruchs 18.

Im folgenden wird die Erfindung nun anhand einer lediglich bevorzugte Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. Auch bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre der Erfindung werden in diesem Zusammenhang weiter erläutert. In der Zeichnung zeigt
1 das grundsätzliche Schema eines Rollenofens zur Wärmebehandlung von Flachglas in einer entsprechenden Anlage,
2 einen Ausschnitt des Rollenofens aus 1 in schematischer Darstellung, nicht maßstabgerecht, mit Angabe der Wärmespeicher und Wärmeströme,
3 ein Blockschaltbild, das die erfindungsgemäß zu berücksichtigenden Wärmespeicher und Wärmeströme schematisch zeigt,
4a, b Kurven der Glaserwärmung für ein Flachglas von 4 mm Dicke vor der und nach der Optimierung der Parameter mit dem erfindungsgemäßen Verfahren,
5 ein Diagramm mit den Verläufen der Heizleistung über die Zeit für einen typischen Zyklus beim Erwärmen einer Glasplatte in einem Rollenofen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
1 zeigt eine Anlage zur Wärmebehandlung von Flachglas in einem Rollenofen 1, der eine Wärmekammer 2 mit einem Einlaß 3 und einem Auslaß 4 aufweist.
Dem Rollenofen 1 in dieser Anlage vorgeschaltet ist eine Beladestation 1' für die Aufgabe der noch nicht wärmebehandelten Glasplatte 6. Diese läuft in 1 soeben in die Wärmekammer 2 des Rollenofens 1 ein. Ist die Glasplatte 6 vollständig in den Rollenofen 1 eingelaufen, beispielsweise mit einer Einlaufgeschwindigkeit von ca. 0,5 m/s, so beginnt ein langsameres Hin- und Herfahren der Glasplatte 6 (Pendeln), beispielsweise mit einer Geschwindigkeit von weniger 0,25 m/s.
Nachgeschaltet ist dem Rollenofen 1 eine Vorspann- und Abkühlstation 1'', in der durch Abschrecken der heißen Glasplatte 6 der gewünschte innere Spannungszustand erzeugt und die Glasplatte 6 dann auf Handhabungstemperatur abgekühlt wird. Es folgt schließlich eine Entladestation 1'''.
Es gelten die generellen Bemerkungen aus dem allgemeinen Teil der Beschreibung, auf die hier nochmals ausdrücklich hingewiesen werden darf.
2 in Verbindung mit 1 läßt erkennen, daß der Rollenofen 1 versehen ist mit einem Einlauf 3 und einem Auslauf 4, mit Keramikrollen 5 zur Lagerung und Förderung der Glasplatte 6 bzw. der Glasplatten einer Charge von Glasplatten, mit unteren Heizstrahlern 7 unter der Keramikrollen 5 und einem unteren Keramikträger 8 für die unteren Heizstrahler 7 sowie mit oberen Heizstrahlern 9 oberhalb der Keramikrollen 5 bzw. oberhalb der Glasplatte 6 auf den Keramikrollen 5 und einem oberen Keramikträger 10 für die oberen Heizstrahler 9.
Nicht zwingend vorhanden, im vorliegenden Ausführungsbeispiel aber realisiert sind Treibluftgebläse 11 oberhalb der Keramikrollen 5, d. h. oberhalb der Glasplatte 6 auf den Keramikrollen 5, und unterhalb der oberen Heizstrahler 9. Die Treibluftgebläse 11 dienen der Erzeugung von Luftwirbeln 12 in der Wärmekammer 2, die auf die Glasplatte 6 gerichtet sind und diese streifen, so daß die Glasplatte 6 von der Oberseite her durch Konvektion erwärmt wird bzw. ein guter Wärmeaustausch zwischen der heißen Kammerluft und der Oberseite der Glasplatte 6 bewirkt wird. (Im einzelnen dazu die DE 103 30 196 A1 , deren Offenbarungsgehalt in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Patentanmeldung durch Bezugnahme mit aufgenommen wird).
Die Heizstrahler 7, 9 sind hier als elektrische Widerstandsheizstrahler ausgeführt. Grundsätzlich können die Heizstrahler auch als Gasheizstrahler ausgeführt sein, und zwar mit offener Flamme oder geschlossen. Ersteres bedeutet eine besonders hohe Temperaturänderungsgeschwindigkeit der Gasheizstrahler, letzteres hat sicherheitstechnische Vorteile.
Die Keramikrollen 5, Heizstrahler 7, 9 und Keramikträger 8, 10 wirken als Wärmespeicher, von denen ausgehende Wärmeströme durch Strahlung, Leitung und Strömung die Glasplatte 6 erwärmen. 2 zeigt die entstehenden Wärmeströme angedeutet mit Pfeilen und den folgenden Bezugnahmen:

– Wärmestrahlung obere Heizstrahler in oberen Keramikträger = N_SHCO
– Wärmestrahlung untere Heizstrahler in unteren Keramikträger = N_SHCU
– Wärmestrahlung unterer Keramikträger an Keramikrollen = N_SCRU
– Wärmestrahlung obere Heizstrahler an Oberseite Glasplatte = N_SHGO
– Wärmestrahlung oberer Keramikträger an Oberseite Glasplatte = N_SCGO
– Wärmestrahlung Keramikrollen an Unterseite Glasplatte = N_SRGU
– Wärmeleitung Keramikrollen an Unterseite Glasplatte = N_LRGU
– Wärmestrahlung unterer Keramikträger an Unterseite Glasplatte = N_SCGU
– Wärmekonvektion an Oberseite Glasplatte = N_KHGO
– Wärmeleitung innerhalb des Glases zwischen der Oberseite und der Unterseite = N_LGG

Für die unterschiedlichen Wärmespeicher gelten unterschiedliche Trägheiten. Im dargestellten und bevorzugten Ausführungsbeispiel gilt beispielsweise für die Keramikrollen 5 eine Temperaturanstiegsgeschwindigkeit von ca. 0,3 °C/s. Noch träger ist der untere Keramikträger 8 mit im Ausführungsbeispiel einer Temperaturanstiegsgeschwindigkeit von ca. 0,2 °C/s. Etwas flinker ist der obere, weniger voluminöse Keramikträger 10 mit einer Temperaturanstiegsgeschwindigkeit von 2 °C/s. Wirklich flink sind nur die oberen und unteren Heizstrahler 7, 9 mit Temperaturanstiegsgeschwindigkeiten von im Ausführungsbeispiel ca. 18 °C/s. Gewünscht und benötigt sind dabei in dieser Form nur die oberen Heizstrahler 9, da nur insoweit eine schnelle Veränderung der Temperatur des entsprechenden Wärmespeichers benötigt wird.
Im Betrieb wird für die unteren und oberen Keramikträger 8, 10 eine normale Arbeitstemperatur von mehreren hundert °C eingestellt, beispielsweise oben 670 °C und unten 690 °C. Die Wärmekammer 2 des Rollenofens 1 wird dadurch auf einer normalen Betriebstemperatur von mehreren hundert °C gehalten. Vorgesehen ist, daß die Isttemperaturen der unteren und oberen Keramikträger 8, 10 mittels entsprechender Temperatursensoren gemessen werden.
Die Keramikrollen 5 und die auf diesen rollende Glasplatte 6 wird im temperaturausgeglichenen Zustand des Rollenofens 1 ebenfalls ungefähr diese Betriebstemperatur einnehmen, beispielsweise eine Betriebstemperatur von ca. 650 °C. Ganz am Ende hat die Glasplatte 6 eine geringfügig höhere Temperatur als die Keramikrollen 5.
Vorgesehen kann sein, daß die Gesamtzeit zur gleichmäßigen Erwärmung der Glasplatte 6 bzw. der Glasplatten einer Charge auf deren normale Betriebstemperatur in eine erste Phase und eine zweite Phase aufgeteilt wird, daß in der ersten Phase beim Einlaufen der kalten Glasplatte 6 bzw. der Glasplatten einer Charge auf die Keramikrollen 5 im Rollenofen 1 die Heizleistung der oberen Heizstrahlern 9 zumindest in dem am Einlauf 3 liegenden Bereich schlagartig auf einen so hohen Wert eingestellt wird, daß von den Heizstrahlern 9 eine erhöhte Arbeitstemperatur erheblich über der normalen Betriebstemperatur erreicht wird, und daß in der zweiten Phase durch Regelung der Heizleistung der unteren und oberen Heizstrahler 7, 9 die Temperatur der unteren und oberen Keramikträger 8, 10 auf ihre normale Arbeitstemperatur geregelt wird, dergestalt, daß insgesamt die Temperaturdifferenz zwischen der Oberseite und der Unterseite der Glasplatte 6 bzw. der Glasplatten einer Charge während der Erwärmung stets möglichst gering ist.
Mit dieser Betriebsweise teilt man die Erwärmung der Glasplatte 6 bzw. der Glasplatten einer Charge auf deren Endtemperatur, also die normale Betriebstemperatur, in die erste Phase "Leistungsstellung" und die dann folgende zweite Phase "Regelung über die Temperaturen der Keramikträger" auf. In der ersten Phase erfolgt eine Einstellung der Heizleistung der oberen Heizstrahler 9, so daß die erhöhte Arbeitstemperatur erreicht wird, vorzugsweise eine erhöhte Arbeitstemperatur von mindestens 80 °C, insbesondere von mindestens 100 °C über der normalen Betriebstemperatur. Hier wird die Temperatur der Keramikträger 8, 10 nicht geregelt. Die Regelung unter Nutzung der gemessenen Isttemperaturen der Keramikträger 8, 10 setzt in der zweiten Phase ein.
In einem zweckmäßigen Anwendungsbeispiel ist die erste Phase etwa ein Dritte und die zweite Phase etwa zwei Drittel der Gesamtzeit. Die Aufteilung kann aber je nach Dicke der Glasplatte 6, Beladung des Ofens und Art des Glases, insbesondere Beschichtung, auch sehr anders aussehen.
Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Temperaturkurve für die Glasplatte 6 bereits von Anfang an dahingehend optimiert, daß die Temperaturdifferenz zwischen der Oberseite und der Unterseite der Glasplatte 6 bzw. der Glasplatten einer Charge stets möglichst gering ist. Dadurch läßt sich die Heizzeit insgesamt deutlich verkürzen. Bisher wurde etwa das letzte Viertel der Heizzeit zum Ausgleich von Unterschieden bei sehr langsamem Temperaturanstieg der Glasplatte 6 benutzt. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird die Temperaturdifferenz zwischen der Oberseite und der Unterseite der Glasplatte 6 während der gesamten Aufheizzeit klein gehalten. Die letzte Phase der Heizzeit kann daher entfallen.
Bei diesem Verfahren kann man, wenn man elektrische Widerstandsheizstrahler als Heizstrahler 7, 9 einsetzt, ferner vorsehen, daß während der Phase des Betriebs der oberen Heizstrahler 9 mit der erhöhten Heizleistung die Heizleistung der unteren Heizstrahler 7 vorübergehend so stark verringert wird, daß eine vorgesehene Netzanschlußleistung der unteren und oberen Heizstrahler 7, 9 insgesamt nicht überschritten wird. Dadurch ist es möglich, die Netzanschlußleistung der Elektroheizung des Rollenofens 1 insgesamt auf den normalen Betriebszustand zu begrenzen, also die Sondersituation beim Einlaufen der kalten Glasplatte 6 auf die Keramikrollen 5 hinsichtlich der Netzanschlußleistung zu ignorieren. Die weit höhere Heizleistung der oberen Heizstrahler 9 während dieser Phase des Verfahrens wird dadurch kompensiert, daß die unteren Heizstrahler 7 mit niedrigerer Heizleistung betrieben oder sogar ganz abgeschaltet werden. Die Trägheit des unteren Keramikträgers 8 und der Keramikrollen 5, also letztlich deren hohe Wärmekapazität, erlauben diese Verfahrensweise ohne Schaden für das Verfahren insgesamt.
Das zuvor beschriebene, besondere Betriebsverfahren ist Gegenstand einer parallelen Patentanmeldung der vorliegenden Anmelderin, auf die hier verwiesen wird und deren Offenbarungsgehalt durch Bezugnahme in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Patentanmeldung mit einbezogen wird (Aktenzeichen 10 2005 ...).
Im dargestellten und bevorzugten Ausführungsbeispiel gilt dabei, daß die normale Arbeitstemperatur der unteren und oberen Keramikträger 8, 10 auf Werte zwischen 600 und 800 °C, vorzugsweise zwischen 650 und 700 °C, eingestellt wird. Oben sind als Beispiele bereits 670 °C für den oberen Keramikträger 10 und 690 °C für den unteren Keramikträger 8 angegeben worden.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel von 2 ist im übrigen eine Abdeckung 13 für den unteren Keramikträger 8 vorgesehen, so daß die Wärmestrahlung ausgehend vom unteren Keramikträger 8 vergleichmäßigt ist. Außerdem schützt die Abdeckung 13 die unteren Heizstrahler 7 gegen Verschmutzungen.
Für die normale Betriebstemperatur gilt im dargestellten und bevorzugten Ausführungsbeispiel, daß diese auf Werte zwischen 600 und 700 °C, insbesondere auf etwa 650 °C, eingestellt wird. Letztlich haben also die Keramikrollen 5 am Ende des Erwärmungsprozesses eine nur ein wenig geringere Temperatur als die Glasplatte 6. Natürlich kann es da geringfügige Abweichungen, auch lokaler Art geben.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient nun dem computergestützten Optimieren des Betriebs des Rollenofens 1 dadurch, daß der Rollenofen 1 mit seinen wesentlichen Wärmespeichern möglichst zutreffend abgebildet und in seiner Funktionsweise simuliert wird.
Bei dem Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht ( US 4,390,359 A ), werden zwar Berechnungen bestimmter Wärmeströme von bestimmten Wärmespeichern vorgestellt und durchgeführt, auch wird auf eine stufenlose Regelung entsprechender Heizleistungen hingewiesen. Die eigentliche Ermittlung der optimalen Betriebsdaten des Rollenofens erfordert dort aber nach wie vor das Fahren von Testchargen mit Analyse der Bruchbilder resultierender Gläser.
Demgegenüber erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren das computergestützte Optimieren des Betriebs des Rollenofens 1 im Extremfall ganz ohne testweise gefahrene Glaschargen und Analyse von Bruchbildern.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst festgelegt, welche Wärmespeicher definiert und mit ihren verfahrensrelevanten Parametern vorgegeben werden. Es sind dies folgende Wärmespeicher:

– Wärmespeicher Heizung oben W_HO mit Temperatur Heizung oben T_HO,
– Wärmespeicher Keramik oben W_CO mit Temperatur Keramik oben T_CO,
– Wärmespeicher Glas oben W_GO mit Temperatur Glas oben T_GO,
– Wärmespeicher Glas unten W_GU mit Temperatur Glas unten T_GU,
– Wärmespeicher Rollen W_R mit Temperatur Rollen T_R,
– Wärmespeicher Keramik unten W_CU mit Temperatur Keramik unten T_CU,
– Wärmespeicher Heizung unten W_HU mit Temperatur Heizung unten T_HU,

Besondere Bedeutung kommt hier der Tatsache zu, daß im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens die durchgehende Glasplatte 6 in zwei Wärmespeicher W_GO und W_GU aufgeteilt wird. Der Wärmeaustausch zwischen diesen beiden Wärmespeichern erfolgt nur durch Wärmeleitung, das wird im weiteren Verfahren berücksichtigt. Diese Aufteilung der Glasplatte 6 für die Zwecke der computergestützten Simulation in zwei Teilplatten erlaubt es, die Schüsselbildung (Durchbiegen) der Glasplatte 6 einigermaßen genau zu simulieren. Prinzipiell könnten auch mehrere Schichten der Glasplatte 6 in die Berechnungen aufgenommen werden, insbesondere drei Schichten für die Außenflächen mit Druckspannungen und der Innenfläche mit Zugspannungen.
Weiter wird vorgegeben, daß die Heizleistung Netz für Heizung oben N_HO und die Heizleistung Netz für Heizung unten N_HU, gestellt oder geregelt wird. Dazu später noch mehr.
Vorgegeben wird auch die Dicke der Glasplatte 6 bzw. der Glasplatten einer Chargen sowie deren Anfangstemperatur, von der aus der Aufheizvorgang beginnen soll.
Hinsichtlich der verfahrensrelevanten Parameter der Wärmespeicher sind insbesondere die Strahlungsflächen und Emissionsgrade relevant. Man kann diese je nach Verfeinerung des erfindungsgemäßen Verfahrens in unterschiedlichen Stufen berücksichtigen.
Im Rahmen eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens werden konstruktionsbedingt folgende Strahlungsflächen und Emissionsgrade (der Emissionsgrad liegt zwischen 0 und 1) herangezogen:
Strahlungsfläche Heizung oben/Keramik oben,
Strahlungsfläche Keramik oben/Heizung oben,
Strahlungsfläche Keramik oben/Glas oben,
Strahlungsfläche Glas oben/Keramik oben,
Strahlungsfläche Heizung oben/Glas oben,
Strahlungsfläche Glas oben/Heizung oben,
Strahlungsfläche Heizung unten/Keramik unten,
Strahlungsfläche Keramik unten/Heizung unten,
Strahlungsfläche Abdeckung unten/Rollen,
Strahlungsfläche Rollen/Abdeckung unten,
Strahlungsfläche Abdeckung unten/Glas unten,
Strahlungsfläche Glas unten/Abdeckung unten,
Strahlungsfläche Rolle/Glas unten,
Strahlungsfläche Glas unten/Rolle,
Emissionsgrad Keramik oben,
Emissionsgrad Heizung oben,
Emissionsgrad Heizung unten,
Emissionsgrad Keramik unten,
Emissionsgrad Abdeckung unten,
Emissionsgrad Rollen.
Die Erwähnung der Strahlungsflächen und Emissionsgrade Abdeckung bezieht sich auf die Abdeckung 13 für den unteren Keramikträger 8, die, wenn vorhanden, nach Gewicht und spezifischer Wärme auch der Keramik zugeschlagen werden kann, wobei dann für die von der Keramik im Unterofen ausgehenden Strahlung wiederum der Emissionsgrad der Abdeckung eingesetzt werden kann. Typische Abdeckungen sind durch Stahlblech oder durch Glaskeramik zu realisieren. Je nach Ausgestaltung des Rollenofens 1 und gewünschtem Annäherungsgrad des computergestützten Verfahrens kann man mit einer stärkeren oder weniger starken Aufteilung der Strahlungsflächen und Emissionsgrade arbeiten.
Hat man Wärmespeicher und zugehörige Werte für die wesentlichen Einflußgrößen bestimmt bzw. ermittelt und außerdem die Dicke der Glasplatte 6 sowie deren angenommene Anfangstemperatur beim Einlaufen in den Rollenofen 1 vorgegeben und außerdem den Emissionsgrad Glas oben und Glas unter für die konkret vorgesehene Glasplatte 6 vorgegeben, so kann man die resultierenden Wärmeströme im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens berechnen.
Dem Emissionsgrad Glas oben und Glas unten kommt deshalb besondere Bedeutung zu, weil in einem solchen Rollenofen 1, wie bereits oben erläutert, häufig auch oberseitig reflektierend beschichtete Glasplatten 6 (low-e-Glas) behandelt werden. Das kann man im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Wahl des entsprechenden Emissionsgrades als Einstellwert berücksichtigen.
Für das erfindungsgemäße Verfahren werden alsdann zumindest folgende Wärmeströme berechnet:
Strahlung Heizung oben an Glas oben N_SHGO,
Strahlung Heizung oben an Keramik oben N_SHCO,
Strahlung Keramik oben an Glas oben N_SCGO,
Wärmeleitung Glas oben/Glas unten N_LGG,
Strahlung Keramik unten an Glas unten N_SCGU,
Strahlung Heizung unten an Keramik unten N_SHCU,
Strahlung Keramik unten an Rollen N_SCRU,
Leitung Rollen an Glas unten N_LRGU,
Strahlung Rollen an Glas unten N_SRGU.
Um nun im Ergebnis die Temperaturdifferenz T_GOU zwischen der Temperatur Glas oben T_GO und der Temperatur Glas unten T_GU über die Gesamtzeit, also über den gesamten Zeitraum der Erwärmung der Glasplatte auf ihre Betriebstemperatur, dem Wert Null anzunähern, kann man nach dem erfindungsgemäßen Optimierungsverfahren zweckmäßigerweise folgende Parameter einstellen:

– Temperatursollwert Keramik oben T_CO,_SOLL
– Temperatursollwert Keramik unten T_CU,_SOLL
– Anfangsleistung Netz für Heizung oben N_HO
– Zeitdauer und/oder zeitlicher Verlauf der Anfangsleistung Netz für Heizung oben.

Hat man also vorweg die Glaseigenschaften, also Glasdicke, Emissionsgrad Glas oben, Emissionsgrad Glas unten und Anfangstemperatur der Glasplatte vorgegeben, so kommt man mit den vier Einstellparametern, die zuvor aufgeführt worden sind, für das erfindungsgemäße Verfahren grundsätzlich aus. Bei dem weiter oben beschriebenen, bevorzugten Betriebsverfahren des Rollenofens 1 mit zwei Phasen hat die Einstellung der Temperatursollwerte Keramik oben und Keramik unten dabei nur für die zweite Phase mit geregelten Temperaturen der Keramik oben und Keramik unten Bedeutung. In der ersten Phase dieses besonderen Betriebsverfahrens, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren computergestützt simuliert werden kann, werden hingegen die Heizleistungen für die Heizung oben und für die Heizung unten nicht geregelt, sondern auf die gewünschten Werte eingestellt.
Insgesamt ist das erfindungsgemäße Verfahren selbst auf einem PC übersichtlich und leicht nachvollziehbar anzuwenden.
Für das zuvor beschriebene erfindungsgemäße Verfahren können noch weitere Werte vorgegeben werden, um einen höheren Grad an Genauigkeit zu erreichen. Das könne insbesondere Gewichte, Dichten, spezifische Wärmen und Wärmeleitfähigkeiten sowie geometrische Daten wie Rollendurchmesser und Rollenabstände für die einzelnen Wärmespeicher sein.
Bereits oben ist erläutert worden, daß nicht zwingend vorhanden, aber zweckmäßig Treibluftgebläse 11 oberhalb der Keramikrollen 5, d. h. oberhalb der Glasplatte 6 auf den Keramikrollen 5, und unterhalb der oberen Heizstrahler 9 angeordnet sind. Ist eine solche Konvektionszusatzheizung mit Treibluftgebläsen 11 vorgesehen, so empfiehlt es sich, diese durch die folgenden Wärmeströme im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zu berücksichtigen:
Konvektion Heizung an Glas oben N_KHGO,
Konvektion Keramik an Glas oben N_KCGO,
Ferner empfiehlt es sich dann folgende Parameter einstellbar vorzusehen:
Zeitdauer und/oder zeitlicher Verlauf der Konvektion,
Druck für die Treibluftgebläse (11).
Diese Parameter berücksichtigen, daß es sich bei der Konvektionszusatzheizung empfiehlt, daß beim Einlaufen der kalten Glasplatte 6 auf die Keramikrollen 5 im Rollenofen 1 die Treibluftgebläse 11 eingeschaltet und dann gesteuert betrieben und zu gegebener Zeit wieder abgeschaltet werden. Die Leistung der Treibluftgebläse 11 kann in dieser Phase durch den Druck der Treibluft beeinflußt werden. Laufzeit und Druck der Treibluft können unabhängig von der Steuerung der Heizleistung der oberen Heizstrahler 9 im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens gesteuert oder geregelt werden.
Was die oberen Heizstrahler 9 betrifft, so gilt in dem hier diskutierten Ausführungsbeispiel, daß die erhöhte Arbeitstemperatur der oberen Heizstrahler 9 auf Werte zwischen 800 und 1000 °C, vorzugsweise zwischen 850 und 950 °C, eingestellt wird. Hier läßt sich die beim Einlauf des kalten Glases erforderliche zusätzliche Heizleistung zur Oberseite der Glasplatte 6 von vorzugsweise ca. 50 bis 70 kW/m² erreichen.
Dieses Verfahren läßt sich weiter durch eine Art "Vorheizen" der oberen Heizstrahler 9 optimieren. Dazu kann man vorsehen, daß die Heizleistung der oberen Heizstrahler 9 zum Erreichen der erhöhten Arbeitstemperatur bereits einige Sekunden, vorzugsweise etwa 5 bis 20 s, vor dem Einlaufen einer kalten Glasplatte 6 erhöht wird. Da während dieser Vorlaufzeit keine kalte Glasplatte 6 in der Wärmekammer 2 liegt, jedenfalls nicht nahe dem Einlauf 3, kann die gesamte Heizleistung in den Temperaturanstieg der oberen Heizstrahler 9 umgesetzt werden, diese heizen mit maximaler Temperaturanstiegsgeschwindigkeit auf.
Handelt es sich bei den Heizstrahlern 7, 9 um elektrische Widerstandsheizstrahler, so kann man vorsehen, daß während dieser Zeit der Stromfluß durch die unteren Heizstrahler 7 verringert oder ganz abgeschaltet wird, so daß auch insoweit die vorgesehene Netzanschlußleistung der oberen und unteren Heizstrahler 7, 9 insgesamt nicht überschritten wird.
In der Praxis bleiben die unteren Heizstrahler 7 häufig bis zu 30 % der Aufheizzeit abgeschaltet. Wegen des sehr trägen Wärmespeichers, den der untere Keramikträger 8 bildet, ändert sich die Temperatur dort jedoch nur mit der entsprechend geringen Temperaturänderungsgeschwindigkeit von unter 0,3 °C/s. Der Temperaturabfall ist gering und läßt sich anschließend leicht wieder aufholen.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum computergestützten Optimieren des Betriebs des Rollenofens 1 empfiehlt sich hierfür, daß als weiterer zu verändernder Parameter der zeitliche Vorlauf des Heizungsprogramms verändert wird.
Sowohl für die anfängliche erhöhte Heizleistung Heizung oben N_HO als auch für die erhöhte Heizleistung während des "Vorheizens" gilt, daß eine Einstellung eines einzelnen Wertes für eine bestimmte Zeit möglich ist oder eine vom höchsten Wert langsam abnehmende Heizleistung, evtl. auch eine Verbindung beider Komponenten. Das gilt in gleicher Weise für die Steuerung der Konvektionszusatzheizung.
Insgesamt wird das erfindungsgemäße Verfahren in der Anlage selbst in einer mit einem entsprechenden Computer ausgerüsteten elektronischen Steuerung 14 umgesetzt.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird man typischerweise folgende Einheiten verwenden:

Temperatur:	°C
Wärmestrom:	kW/m²
Heizleistung:	kW
Spezifische Heizleistung:	kW/m²
Speicherleistung:	kWh/°C
Dicke:	mm
Zeitdauer:	sec; s
Druck:	bar
Fläche:	m²
Volumen:	m³
Gewicht:	kg
Dichte:	kg/m³
Rollendurchmesser/Rollenabstand:	m
spezifische Wärme:	kWh/kg°C

Dies sind für eine bestimmte Dimensionierung passende Dimensionen, in anderer Dimensionierung können selbstverständlich andere Dimensionen verwendet werden.
Es kann nicht verhindert werden, daß die Keramikrollen 5 eine höhere normale Betriebstemperatur einnehmen, wenn Chargen mit geringerer Beladung gefahren werden oder größere Pausen zwischen aufeinanderfolgenden Chargen vorliegen. Dies kann man durch verschiedene Veränderungen bestimmter Einstellungen kompensieren. In der Praxis besonders gut nutzbar ist der zeitliche Vorlauf der erhöhten Heizleistung der oberen Heizstrahler 9. Das gilt insbesondere, wenn eine langsame Chargenfolge eingestellt ist. Dann hat man genügend zeitliche Lücken zwischen den Chargen, so daß der Vorlauf in der Wärmekammer 2 befindliche Glasplatten einer vorhergehenden Charge nicht beeinträchtigt. Interessant ist auch die Regelung über die Heizleistung der oberen Heizstrahler 9 durch eine Erhöhung derselben in der ersten Phase. Zur Kompensation der höheren Betriebstemperatur der Keramikrollen 5 eignet sich schließlich ferner der obere Keramikträger 10, weil er im Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens eine etwas höhere Temperaturänderungsgeschwindigkeit hat, also etwas weniger träge ist als der untere Keramikträger 8. Im dargestellten Ausführungsbeispiel genügt die Temperaturänderungsgeschwindigkeit von ca. 2 °C/s für den oberen Keramikträger 10, um eine Verstellung in der gewünschten Weise bis zur nächsten Charge umzusetzen.
Insgesamt können so die Parameter abhängig von Chargenbeladung und Chargenfolge unterschiedlich eingestellt werden dergestalt, daß bei geringer Chargenbeladung und/oder langsamer Chargenfolge die dann höhere Betriebstemperatur der Keramikrollen 5 ausgeglichen wird. Die Ursache für die höhere normale Betriebstemperatur der Keramikrollen 5 bei geringer Chargenbeladung und/oder langsamer Chargenfolge liegt darin, daß die Keramikrollen 5 durch Wärmeleitung Wärme an die darauf rollende Glasplatte 6 abgeben. Passiert das seltener, so erreichen die Keramikrollen 5 eine höhere mittlere Betriebstemperatur.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens berücksichtigt man die Chargenbeladung damit, daß bestimmte Wärmeströme und Wärmespeicher mit einem Faktor multipliziert werden. Insbesondere sind das die Wärmespeicher W_GO und W_GU sowie die Wärmeströme N_SHGO, N_SCGO, N_SCGU, N_SRGU, N_LRGU, N_LGG, und, so vorhanden, N_KHGO und N_KCGO.
Für die Berechnung der Wärmeströme empfiehlt es sich zunächst, daß die Wärmeströme der Wärmestrahlung unter Anwendung des Stefan-Boltzmann-Gesetzes berechnet werden. In diesem Zusammenhang darf auf übliche Fachliteratur hingewiesen werden, beispielsweise auf die oben angegebene Literatur Gerthsen "Physik".
Die Basisformel für Wärmestrahlung im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die dann für die unterschiedlichen Wärmespeicher, die durch Wärmeströme miteinander gekoppelt sind, anzuwenden ist, lautet:
A₁ ≤ A₂; Strahlungswirksame Fläche [m²]
ε; Absorptionskoeffizient
Strahlungskoeffizient für den schwarzen Körper
Typische Absorptionskoeffizienten sind für unbeschichtetes Glas 0,94, für Keramik 0,9 und für Stahlblech ebenfalls etwa 0,9. Beschichtetes Glas kann gelegentlich einen Absorptionskoeffizienten von nur 0,1 haben. Man kann sich vorstellen, welch erhebliche Einflüsse hinsichtlich der Schüsselbildung dann zu bewältigen sind.
Für die Wärmeleitung empfiehlt es sich, daß die Wärmeströme nach der Formel Temperaturdifferenz durch Wärmedurchgangswiderstand berechnet werden. Hier gilt die allgemeine Formel:
Für die Wärmeleitung von Glas oben nach Glas unten kann man beispielsweise folgendes berechnen:
D_G = Glasdicke in mm
Wärmeleitung ist auch ein maßgeblicher Faktor für den Wärmestrom von den Keramikrollen 5 in die Glasplatte 6. Hier gilt im Grundsatz dieselbe allgemeine Formel wie oben, wobei der Wärmeübergangswiderstand doppelt anzusetzen ist und die linienförmige Anlage durch eine entsprechende Berechnungsformel berücksichtigt wird.
Das Keramikmaterial der Keramikrollen 5 hat einen vergleichsweise hohen Wärmewiderstand, also eine vergleichsweise geringe Wärmeleitfähigkeit, die jedenfalls auch stark temperaturabhängig ist. Folglich kann man eine Optimierung der Berechnung dieses wesentlichen Wärmespeichers dadurch erzielen, daß man die Keramikrollen 5 in eine Mehrzahl, beispielsweise drei oder vier konzentrische Rohre mit gleichem Volumen aufteilt. Dann sind mehrere untergeordnete Wärmeströme und mehrere untergeordnete Temperaturen zu berechnen, die in den Prozeß der Glaserwärmung insgesamt über die Temperatur der Rollenoberfläche eingebunden werden.
Im Rahmen der Erfindung wird schließlich vorgesehen, daß die Wärmeströme der Wärmekonvektion nach der Formel Temperaturdifferenz mal Wärmeübergangszahl berechnet werden, wobei die Wärmeübergangszahl das Produkt einer Konstanten, dem Abstandsfaktor, der Treibluftverstärkung und der Düsenaustrittsgeschwindigkeit der Treibluftgebläse 11 ist.
Die Berechnung der Konvektion ergibt sich aus folgender Formel:
W_LG = wirksame Luftgeschwindigkeit am Glas
W_LG = K_ABS·W_L; K_ABS = 0,33 Abstandsfaktor
W_L = K_TLG·W_TL; Luftgeschwindigkeit am Austritt der Treibluftgebläse
W_TL = Düsenaustrittsgeschwindigkeit
Für ein konkretes Treibluftgebläse 11 des zuvor angesprochenen Standes der Technik ergibt sich die Wärmeübergangszahl α bei einem Treibluftdruck von 1 bar zu etwa 0,032 und bei einem Treibluftdruck von 2 bar zu etwa 0,039.
Eine Aufteilung in verschiedene Konvektionskomponenten ergibt sich beispielsweise wie folgt:

Konvektion N_KHGO von der Heizung Oberofen T_HO zum Wärmespeicher Glas oben W_GO NKHGO = 1/2α (THO – TGO)
Konvektion N_KCGO von der Keramik im Oberofen zum Wärmespeicher Glas oben W_GO NKCGO = i/2α (TCO – TGO)

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens, das computergestützt ausgeführt wird, werden die Temperaturänderungen an verschiedenen Wärmespeichern durch Zu- und Abfuhr von Wärmeströmen in einer bestimmten Zeitspanne berechnet. Dabei gilt beispielsweise für die Temperaturänderung am Wärmespeicher Heizung oben W_HO:
C_WH; spezifische Wärme Heizung oben
V_HO; Volumen Heizung oben
ρ_H; Dichte Heizung oben
In diesem Zusammenhang gilt im übrigen, daß die Heizleistung Netz für Heizung oben N_HO in einer ersten Phase mit erhöhter Heizleistung eingestellt, während der restlichen Heizzeit über die Temperatur Keramik oben T_CO geregelt wird mit der Heizleistung Netz für Heizung oben N_HO als Stellgröße.
Für die Temperaturänderung am Wärmespeicher Heizung unten W_HU, gilt hingegen:
Hat man elektrische Widerstandsheizstrahler als Heizstrahler 7, 9 im Rollenofen 1, so kann man vorsehen, daß die Heizleistung Netz für Heizung unten N_HU, auf die Differenz von Netzanschlußleistung und Heizleistung Netz für Heizung oben N_HO oder auf Null geregelt wird, wenn die Summe der berechneten Heizleistungen oben und unten N_HO, N_HU die Netzanschlußleistung überschreitet. Mit dieser speziellen Steuerung der Heizleistungen wird die weiter oben beschriebene und vorteilhafterweise verwirklichte Begrenzung auf die installierte Netzanschlußleistung erreicht.
Letztlich ergeben sich für die Temperaturänderungen am Wärmespeicher Glas oben W_GO und am Wärmespeicher Glas unten W_GU bei einem vollständig umgesetzten erfindungsgemäßen Verfahren folgende Gleichungen:
Schließlich sind die typischen Wärmekapazitäten und Temperaturänderungsgeschwindigkeiten der verschiedenen Wärmespeicher von Interesse. In einem durchgerechneten, einigermaßen typischen Beispiel eines Rollenofens 1 kann dabei folgendes gelten:
Daraus resultieren die entsprechenden Folgerungen für das erfindungsgemäße Optimierungsverfahren. Man sieht auch hier, von wie wesentlicher Bedeutung die Aufteilung der Glasplatte 6 bzw. der Glasplatten einer Charge der Länge nach in mindestens zwei Teile, also Glas oben und Glas unten, ist.
Die Zusammenhänge von Wärmespeichern, Wärmeströmen und Temperaturen erschließen sich bildlich aus der Blockdarstellung in 3, die nach den voranstehenden Ausführungen weiterer Erläuterungen nicht bedarf. Der Verbindungspunkt zwischen Oberofen und Unterofen konzentriert sich im Rahmen des erfindungsgemäßen Optimierungsverfahrens im Wärmestrom N_LGG innerhalb der Glasplatte 6 bzw. der Charge von Glasplatten. Dies gilt in Strenge nur bei vollständiger Belegung und sonstigen optimalen Randbedingungen. Ansonsten gibt es einige Leck-Wärmeströme, die bei einer höheren Genauigkeit des Optimierungsverfahrens berücksichtigen werden können.
Zur Vereinfachung der Berechnungen im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens empfiehlt es sich, daß die Kurvenverläufe von Temperaturkurven durch Polygonzüge angenähert werden.
Grundsätzlich kann man die Berechnungen mit Differentialgleichungen ausführen. Die dann resultierenden Berechnungen sind jedoch relativ komplex. Außerdem sind die einzelnen Koeffizienten in den Gleichungen nicht sehr gut nachvollziehbar. Aus diesem Grunde ist ein optimiertes erfindungsgemäßes Verfahren so konzipiert, daß die Temperatur des jeweiligen Wärmespeichers über die Zeit als Summe linearer Zeit-Temperatur-Abschnitte errechnet wird, insbesondere nach der Formel
wobei N die Summe der zu dem und von dem Wärmespeicher strömenden Wärmeströme ist. Das entspricht dem oben angesprochenen Polygonzug. Die zuvor angegebene allgemeine Formel wird für jeden der betroffenen Wärmespeicher angewandt, um im Rahmen des erfindungsgemäßen Optimierungsverfahrens die resultierenden Temperaturen der Wärmespeicher zu ermitteln. Dabei ist C_W die spezifische Wärme des betroffenen Wärmespeichers und G sein Gewicht.
Wählt man die Zeitintervalle Δt zu groß, so kann es wegen der starken Nichtlinearität der zugrundeliegenden Berechnungsgleichungen (vierte Potenz bei Stefan-Boltzmann) geschehen, daß die Simulation in eine Schwingung gerät. Dementsprechend ist vorzusehen, daß die Größe der Zeitintervalle Δt so klein gewählt wird, daß trotz starker nichtlinearer Vorgänge keine Schwingungserregung eintritt.
Im Zusammenhang mit dem weiter oben erläuterten Verfahren mit unterschiedlicher Chargenbeladung und Chargenfolge kann man im übrigen zweckmäßigerweise vorsehen, daß für den eingeschwungenen Zustand des Verfahrens in der n-ten Charge die Temperaturen der Wärmespeicher iterativ berechnet werden.
Beispielhaft wird bei einer Glasplatte 6 einer Dicke von 4 mm die Größe der Zeitintervalle Δt bei ungefähr 2 s liegen bei einer Gesamtzeit zur kompletten Erwärmung der Glasplatte 6 von 200 s. Beispielhaft wäre eine entsprechende Größenbestimmung der Zeitintervalle Δt mit 7 s bei einer Gesamtzeit von ca. 1000 s angebracht, wo eine Glasplatte 6 einer Dicke 15 mm auf die gewünschte Temperatur von 650 °C erwärmt werden soll.
4a zeigt den Erwärmungsverlauf einer Glasplatte 6 von 1 m² mit einer Glasdicke von 4 mm in einem Rollenofen 1, ohne daß eine Veränderung von Parametern im Sinne einer Optimierung stattgefunden hat. Die links liegende Skala gilt für die Kurven T_GO und T_GU, die rechts liegende Skala für die Kurve der Temperaturdifferenz T_GOU.
Neben der Glasdicke von 4 mm sind hier die Solltemperatur Keramik oben mit 670 °C und die Solltemperatur Keramik unten mit 690 °C eingegeben worden. Die Glasplatte 6 soll nicht beschichtet sein, so daß sich der Emissionsgrad Glas oben und Glas unten mit 0,94 ergibt. Die Anfangstemperatur des Glases wurde auf 20 °C eingestellt, die Chargenbelegung mit 70 % vorgegeben.
Man erkennt, daß die Temperaturdifferenz sich zwischen –25 °C und +4 °C bewegt. Die Schüsselbildung der Glasplatte 6 würde definitiv zu Glasbruch führen.
4b zeigt den gleichen Erwärmungsverlauf, nun jedoch mit nach dem erfindungsgemäßen Verfahren optimierten Parametern.
Zunächst sind auch hier die Glasdicke von 4 mm und die Solltemperatur Keramik oben mit 670 °C und die Solltemperatur Keramik unten mit 690 °C eingegeben worden. Die Anfangstemperatur des Glases wurde auch hier auf 20 °C eingestellt, die Chargenbelegung mit 70 % vorgegeben.
Eine höhere Anfangstemperatur des Glases kann beispielsweise bei einem Zweiofensystem vorgegeben sein, bei dem dieses Verfahren im zweiten Rollenofen 1 durchgeführt wird, dem bereits auf eine beachtliche Temperatur vorerwärmtes Glas zugeführt wird.

Zusätzlich sind nun folgende Parameter eingestellt worden:

Erhöhte Heizleistung Netz für Heizung oben N_HO:	35 kW.
Erhöhte Heizleistung Netz für Heizung oben N_HO, Zeitdauer:	39 s.
Abfallende erhöhte Heizleistung N_HO, Ende:	70 s
(Endzeitpunkt; die Länge dieser Phase entspricht also 31 s.).
Konvektionszusatzheizung, Zeitdauer:	20 s.
Treibluftdruck:	1,0 bar.
Abfallender Treibluftdruck, Zeitdauer:	70 s.
Heizungsvorlauf oben, Zeitdauer:	10 s.

Jetzt liegt die Temperaturdifferenz nur noch zwischen –2 °C und +4 °C. Die resultierende Aufwölbung der Glasplatte 6 liegt zwischen –0,4 mm und 0,8 mm, was im Hinblick auf Glasfehler ohne weiteres akzeptabel ist.
Übliche Glasdicken für Rollenöfen der in Rede stehenden Art liegen zwischen 2 min und etwa 20 mm, mitunter auch noch um einiges darüber.
5 zeigt ein Diagramm, das die Kurven der den Heizstrahlern 7, 9 zugeführten Heizleistungen über die Zeit zeigt. Die mit "7" bezeichnete strichpunktierte Kurve zeigt die Heizleistung der unteren Heizstrahlern 7, die mit "9" bezeichnete gestrichelte Kurve die den oberen Heizstrahlern 9 zugeführte Heizleistung. Die mit G bezeichnete durchgezogene Kurve zeigt die Gesamtheizleistung der unteren und oberen Heizstrahler 7, 9. Da hier ein erfindungsgemäßes optimiertes Verfahren angewandt worden ist, reicht die Netzanschlußleistung von 55 kW/m² aus, obwohl die Summe der installierten Heizleistungen bei 70 kW/m² liegt.
Im Rahmen der erfindungsgemäßen Lehre wird ein Verfahren zum computergestützten Optimieren des Betriebs eines Rollenofens 1 beschrieben.
Ein solches Verfahren konkretisiert sich in einem Computerprogramm mit Programmitteln mit den Merkmalen von Anspruch 17. Ein solches Computerprogramm wird handelsfähiges Produkt dadurch, daß es auf einem computerlesbaren Datenträger gemäß Anspruch 18 gespeichert vorliegt.
Im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren empfiehlt sich eine direkte Online-Temperaturmessung der Temperatur an der Oberseite der noch im Rollenofen 1 befindlichen Glasplatte 6. Ein speziell dafür bestimmter und geeigneter Wärmestrahlungssensor, der die hohe Hintergrundstrahlung im Rollenofen 1 korrigiert, ist Gegenstand einer weiteren parallelen Patentanmeldung (10 2005 ...) des vorliegenden Anmelders, auf die hier ausdrücklich hingewiesen wird.

Claims

Verfahren zum computergestützten Optimieren des Betriebs eines Rollenofens in einer Anlage zur Wärmebehandlung von Flachglas, wobei der Rollenofen (1) aufweist a) Keramikrollen (5) zur Lagerung und Förderung einer Glasplatte (6) bzw. der Glasplatten einer Charge von Glasplatten, b) untere Heizstrahler (7) unterhalb der Keramikrollen (5) und einen unteren Keramikträger (8) für die unteren Heizstrahler (7), c) obere Heizstrahler (9) oberhalb der Keramikrollen (5) und einen oberen Keramikträger (10) für die oberen Heizstrahler (9), d) ggf. Treibluftgebläse (11) oberhalb der Keramikrollen (5) und unterhalb der oberen Heizstrahler (9), wobei die Keramikrollen (5), die Heizstrahler (7, 9) und die Keramikträger (8, 10) als Wärmespeicher wirken, von denen ausgehende Wärmeströme durch Strahlung, Leitung und Strömung (Konvektion) die Glasplatte (6) erwärmen, und wobei die Keramikrollen (5) und die Glasplatte (6) im temperaturausgeglichenen Zustand des Ofens bei im wesentlichen vollständig aufgeheizter Glasplatte (6) ungefähr die gleiche normale Betriebstemperatur entnehmen und wobei die Zeit bis zur gleichmäßigen Erwärmung der Glasplatte (6) bzw. der Glasplatten einer Charge auf deren normale Betriebstemperatur als Gesamtzeit definiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest folgende Wärmespeicher definiert und mit ihren verfahrensrelevanten Parametern vorgegeben werden: a) Wärmespeicher Heizung oben (W_HO) mit Temperatur Heizung oben (T_HO), b) Wärmespeicher Keramik oben (W_CO) mit Temperatur Keramik oben (T_CO), c) Wärmespeicher Glas oben (W_GO) mit Temperatur Glas oben (T_GO), d) Wärmespeicher Glas unten (W_GU) mit Temperatur Glas unten (T_GU), e) Wärmespeicher Rollen (W_R) mit Temperatur Rollen (T_R), f) Wärmespeicher Keramik unten (W_CU) mit Temperatur Keramik unten (T_CU), g) Wärmespeicher Heizung unten (W_HU) mit Temperatur Heizung unten (T_HU), daß die Heizleistung Netz für Heizung oben (N_HO) und die Heizleistung Netz für Heizung unten (N_HU) gestellt oder geregelt wird, daß die Dicke der Glasplatte (6) bzw. Glasplatten einer Charge sowie deren Anfangstemperatur vorgegeben werden, daß zumindest folgende Wärmeströme berechnet werden: a) Strahlung Heizung oben an Glas oben (N_SHGO), b) Strahlung Heizung oben an Keramik oben (N_SHCO), c) Strahlung Keramik oben an Glas oben (N_SCGO), d) Wärmeleitung Glas oben/Glas unten (N_LGG), e) Strahlung Keramik unten an Glas unten (N_SCGU), f) Strahlung Heizung unten an Keramik unten (N_SHCU), g) Strahlung Keramik unten an Rollen (N_SCRU), h) Leitung Rollen an Glas unten (N_LRGU), i) Strahlung Rollen an Glas unten (N_SRGU), daß die Temperaturdifferenz (T_GOU) zwischen der Temperatur Glas oben (T_GO) und der Temperatur Glas unten (T_GU) über die Gesamtzeit dem Wert Null angenähert wird, indem folgende Parameter eingestellt werden: a) Temperatursollwert Keramik oben (T_CO,_SOLL) b) Temperatursollwert Keramik unten (T_CU,_SOLL) c) Anfangsleistung Netz für Heizung oben (N_HO) d) Zeitdauer und/oder zeitlicher Verlauf der Anfangsleistung Netz für Heizung oben.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als verfahrensrelevante Parameter der Wärmespeicher zumindest deren Strahlungsflächen und Emissionsgrade vorgegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei eine Abdeckung (13) für den unteren Keramikträger (8) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß ferner der Emissionsgrad Abdeckung unten vorgegeben wird und die Strahlungsflächen Keramik unten bezüglich Rolle und Glas als Strahlungsfläche der Abdeckung vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die meisten oder alle Wärmespeicher ferner die Dichte, die spezifische Wärme und die Wärmeleitfähigkeit vorgegeben werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß, bei einem Rollenofen (1) mit Treibluftgebläsen (11), ferner folgende Wärmeströme berechnet werden: j) Konvektion Heizung an Glas oben (N_KHGO), k) Konvektion Keramik an Glas oben (N_KCGO), und folgende Parameter zur Optimierung der Temperaturdifferenz (T_GOU) eingestellt werden: e) Zeitdauer und/oder zeitlicher Verlauf der Konvektion, f) Druck für die Treibluftgebläse (11).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleistung Netz für Heizung oben (N_HO) zum Erreichen einer erhöhten Arbeitstemperatur der oberen Heizstrahler (9) bereits einige Sekunden, vorzugsweise etwa 5 bis 20 s, vor dem Einlaufen einer kalten Glasplatte (6) in den Rollenofen (1) erhöht werden kann und daß als weiterer zu verändernder Parameter dieser zeitliche Vorlauf eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anfangstemperatur der Glasplatte (6) bzw. der Glasplatten einer Charge als weiterer zu verändernder Parameter eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß abhängig von Chargenbeladung und Chargenfolge ein Vorheizen gemäß Anspruch 6 und/oder die erhöhte Heizleistung der oberen Heizstrahler (9) und/oder die Arbeitstemperatur des oberen Keramikträgers (10) bzw. des unteren Keramikträgers (8) unterschiedlich eingestellt werden dergestalt, daß bei geringer Chargenbeladung und/oder langsamer Chargenfolge die dann höhere Betriebstemperatur der Keramikrollen (5) ausgeglichen wird und daß die Chargenbeladung dadurch berücksichtigt wird, daß die passenden Wärmespeicher und Wärmeströme mit einem entsprechend passenden Faktor multipliziert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeströme der Wärmestrahlung unter Anwendung des Stefan-Boltzmann-Gesetzes berechnet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeströme der Wärmeleitung nach der Formel Temperaturdifferenz durch Wärmedurchgangswiderstand berechnet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeströme der Wärmekonvektion nach der Formel Temperaturdifferenz mal Wärmeübergangszahl berechnet werden, wobei die Wärmeübergangszahl das Produkt einer Konstanten, dem Abstandsfaktor, der Treibluftverstärkung und der Düsenaustrittsgeschwindigkeit des Treibluftgebläses (11) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtzeit in eine erste Phase und eine zweite Phase aufgeteilt wird, daß die Heizleistung Heizung oben (N_HO) in der ersten Phase mit erhöhter Heizleistung eingestellt wird, und daß die Heizleistung Heizung oben (N_HO) in der zweiten Phase über die Temperatur Keramik oben (T_CO) geregelt wird mit der Heizleistung Heizung oben (N_HO) als Stellgröße.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß unter der Voraussetzung, daß als elektrische Widerstandsheizstrahler ausgeführte Heizstrahler (7, 9) im Rollenofen (1) vorgesehen sind, die Heizleistung Heizung unten (N_HU) auf die Differenz von Netzanschlußleistung und Heizleistung Heizung oben (N_HO) oder auf Null gestellt wird, wenn die Summe der berechneten Heizleistungen oben und unten (N_HO, N_HU) die Netzanschlußleistung überschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des jeweiligen Wärmespeichers über die Zeit als Summe linearer Zeit-Temperatur-Abschnitte errechnet wird, insbesondere nach der Formel
wobei N die Summe der zu dem und von dem Wärmespeicher strömenden Wärmeströme ist.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Zeitintervalle Δt so klein gewählt wird, daß trotz starker nichtlinearer Vorgänge keine Schwingungserregung eintritt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für den eingeschwungenen Zustand des Verfahrens in der n-ten Charge die Temperaturen der Wärmespeicher iterativ berechnet werden.
Computerprogramm mit Programmcodemitteln, das alle automatisch ablaufenden Verfahrensschritte des Anspruchs 1 und ggf. eines oder mehrere der Ansprüche 2 bis 16 durchführt, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird.
Computerlesbarer Datenträger, auf dem ein Computerprogramm gemäß Anspruch 17 gespeichert ist.