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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Herstellung eines Glasrohr- oder Glasstabprofils, insbesondere
eines eng tolerierten Glasrohr- oder Glasstabprofils.
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Hintergrund
der Erfindung
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Bei
der Herstellung von Glasrohr- oder Glasstabprofilen nach dem Dannerverfahren
muss das flüssige
Glas, das auf die Außenumfangswand
der sich drehenden Dannerpfeife aufgebracht und vergleichmäßigt wird,
einen gezielten Abkühlvorgang durchlaufen.
Dies geschieht üblicherweise
durch Wärmeeintrag
mit Hilfe von Düsenbrennern
längs der Dannerpfeife.
Die Brenner sind oberhalb und unterhalb der Dannerpfeife in den
Muffelwänden
angeordnet, wie beispielhaft in der 1 gezeigt.
Die dazu verwendeten Düsenbrenner
erzeugen eine lange, schlanke lanzenförmige Flamme, die relativ weit
in das Innere des Muffelofens hinein ragt. Für einen ausreichenden Wärmeeintrag
sind hohe vergleichsweise Heizleistungen erforderlich, was hohe
Strömungsgeschwindigkeiten
in dem strahlförmigen
Abgasstrom der Düsenbrenner
bedingt. Dies führt
zu Störungen
auf der Glasoberfläche
auf der Dannerpfeife, was unerwünscht
ist. Außerdem
erfolgt der Wärmeeintrag
lokal und nicht gleich verteilt über
die gesamte Außenumfangsoberfläche der
Dannerpfeife, was weitere Inhomogenitäten des Glasrohr- oder Glasstabprofils
hervorruft.
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Die
vorgenannten Störungen
und Inhomogenitäten
machen sich besonders deutlich bei der Herstellung von eng tolerierten
Glasrohr- oder Glasstabprofilen nachteilig bemerkbar.
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DE 44 40 708 C1 offenbart
den Aufbau einer herkömmlichen
Dannermuffel für
die Herstellung von Glasrohr- oder Glasstabprofilen. Die Dannermuffel weist
ein tragendes Stahlgerüst
auf, das aus mehreren Stahlträgermodulen
aufgebaut ist. Diese Stahlträgermodule
halten Feuerfestträgermodule
in ihrer Position. Zwischen den Feuerfestträgermodulen sind die Heizmodule
mit Zusatzisolierung eingelegt und mit den Stahlträgermodulen
durch einfache Klemmhalterungen arretiert. Ein Heizmodul enthält zwei
getrennte Heizkörper,
die als Heizdrähte
ausgebildet sind und in Fließ-
und Abzugsrichtung des Glases nebeneinander angeordnet sind. Dieser
Aufbau erfordert jedoch eine vergleichsweise aufwendige thermische
Isolierung der Heizmodule, da ein erheblicher Teil der Wärmeenergie
nicht in das Muffelinnere sondern zur Außenumgebung abgegeben wird.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung
bereit zu stellen, womit sich Glasrohr- oder Glasstabprofile mit
homogenen Eigenschaften in wirtschaftlicher Weise herstellen lassen.
Gemäß einem
bevorzugten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung soll insbesondere ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von eng tolerierten
Glasrohr- oder Glasstabprofilen mit geringer Ausschussquote bereitgestellt
werden.
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Diese
und weitere Aufgaben werden gemäß der vorliegenden
Erfindung durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1
sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen nach 11 gelöst. Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der rückbezogenen
Unteransprüche.
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Somit
geht die vorliegende Erfindung aus von einem Verfahren zur Herstellung
eines Glasrohr- oder Glasstabprofils, bei dem das Profil aus einer Glasschmelze
ausgebildet wird, durch eine Heizmuffel gezogen wird und durch Wärmeeintrag,
der über eine
Isolierverkleidung der Heizmuffel erfolgt, kontrolliert abgekühlt wird.
Dabei erfolgt der Wärmeeintrag durch
Verbrennung eines Brennstofffluids mittels zumindest eines Brenners,
der in oder unmittelbar an der Isolierverkleidung vorgesehen ist,
insbesondere in einer Aussparung oder Durchgangsöffnung derselben angeordnet
ist. Erfindungsgemäß findet
die Verbrennung innerhalb eines porösen Mediums des Brenners statt,
das von dem Brennstofffluid durchströmt wird.
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Erfindungsgemäß erfolgt
die Verbrennung des Brennstofffluids somit nicht mehr in einer freien Flamme,
sondern innerhalb eines porösen
Mediums, das beispielsweise aus einem porösen Keramikschaum, einer porösen Hochtemperaturkeramik
oder anderen hochtemperaturbeständigen
Strukturen besteht. Da das Reaktionsvolumen zur Verbrennung ins Innere
des porösen
Mediums verlagert ist, kann eine erhebliche Homogenisierung und
Stabilisierung der herkömmlich
strömungskontrollierten
Verbrennungsprozesse erzielt werden. Das poröse Medium wirkt quasi als Dämpfungsmittel,
um Inhomogenitäten
bei der Zufuhr des Brennstofffluids oder bei dessen Verbrennung
zu kompensieren. Poröse
Medien zeichnen sich üblicherweise
auch durch hervorragende Wärmetransporteigenschaften
aus, was zu einer weiteren Vergleichmäßigung der Temperaturbedingungen über die
gesamte Oberfläche
eines Brenners beiträgt.
Die Porösität ist mit
einer vergleichsweise hohen spezifischen Oberfläche verbunden, was die Temperaturbedingungen
weiter vergleichmäßigt. Im Vergleich
zu herkömmlichen
Lanzen- bzw. Düsenbrennern
weist das poröse
Medium eine hohe Wärmekapazität sowie
eine hohe thermische und mechanische Stabilität auf, was zur Vergleichmäßigung der Temperaturbedingungen
beiträgt.
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Brenner
im Sinne der vorliegenden Anmeldung werden auch als Porenbrenner
bezeichnet. Bei solchen Porenbrennern ist die Flamme vor dem Brenner
flächig
und nur von geringer Länge.
Im Vergleich zu herkömmlichen
Lanzen- bzw. Düsenbrennern
ist die Abgasströmung
im Muffelbereich somit gering und ragt nur eine verhältnismäßig kurze
Strecke in das Volumen der Muffel hinein. Somit wird das flüssige Glas
auf einer Dannerpfeife oder bei anderen Ziehverfahren innerhalb
des Muffelbereichs anders als im Stand der Technik durch die Abgasströmung nicht
gestört,
was insbesondere die Herstellung von eng tolerierten Glasrohr- oder Glasstabprofilen
ermöglicht.
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Durch
den Einsatz der erfindungsgemäßen Porenbrenner
kann auch eine wesentlich höhere Leistungsdynamik
als bei üblichen
Düsen-
bzw. Lanzenbrennern erzielt werden. Denn der Leistungsbereich der
Brenner kann durch Steuerung oder Regelung der Brennstofffluidzufuhr
in deutlich größerem Umfang
variiert werden. Typischerweise kann die Heizleistung der erfindungsgemäß eingesetzten
Porenbrenner bis zu einem Faktor 20 oder darüber hinaus moduliert werden,
was bei herkömmlichen
Lanzen- bzw. Düsenbrennern
nicht möglich
ist, da dies zu einem Abreißen
der Flamme oder zu turbulenten Abgasströmungen führen würde, was jeweils unerwünscht ist.
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Durch
das poröse
Medium verteilt sich die Abgasströmung erfindungsgemäß auf eine
große Fläche, die
ihre Wärme
hauptsächlich
durch Wärmestrahlung
an das Glas abgibt. Da durch Verbrennungsparameter des erfindungsgemäß eingesetzten Porenbrenners
im Vergleich zu herkömmlichen
Düsen-
bzw. Lanzenbrennern sehr viel genauer eingestellt werden können, sind
Schwankungen der abgegebenen Wärmestrahlung
erfindungsgemäß nicht
zu befürchten.
Schließlich
können
aufgrund der Dämpfungseigenschaften
des porösen
Mediums die Prozessparameter erfindungsgemäß sehr viel genauer und reproduzierbar
eingestellt werden, was insbesondere eine Umstellung der Produktion
auf Glasrohre oder Glasstäbe
mit anderen Abmessungen rasch und präzise ermöglicht.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform weist
das poröse
Medium einen feinporigen Bereich und einen diesem in Strömungsrichtung
des Brennstofffluids nachgeordneten grobporigen Bereich auf. Während der
feinporige Bereich als Vorwärmzone dient
und eine Stabilisierung der Brennstofffluidströmung ermöglicht, dient der grobporige
Bereich der Verbrennung und Abgabe der Wärme an die Außenumgebung
durch Wärmeleitung,
Wärmestrahlung und
Konvektion, wobei der Strahlungsanteil bei typischen Prozesstemperaturen
normalerweise überwiegt.
Durch geeignete Gestaltung der Porengrößenverteilung kann nach der
Zündung
die Oxidationsreaktion in den Poren stabilisiert werden, was zu
noch gleichmäßigeren
und reproduzierbareren Verbrennungsparametern beiträgt.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
sind die Brenner jeweils in Seitenwänden der Heizmuffel, nicht
jedoch an deren Stirnseiten angeordnet. Dabei kann eine gleichverteilte
Anordnung einer Mehrzahl von Brennern über die gesamte Innenoberfläche der Heizmuffel
angestrebt sein. Grundsätzlich
können
jedoch auch beliebige andere geometrische Anordnungen einer Mehrzahl
von Brennern der vorgenannten Art gewählt werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
das Brennstofffluid ein Brenngas-Luft-Gemisch, das mit Hilfe eines Gebläses durch
das poröse
Medium des jeweiligen Brenners geführt wird. Vorteilhaft ist,
dass Eigenschaften eines Brenngas-Luft-Gemisches, insbesondere das
Verhältnis
von Brenngas zu Luft, ausgedrückt
durch die so genannte Luftzahl, sehr präzise eingestellt werden können. Dies
ermöglicht
eine präzise
Kontrolle des Wärmeeintrags
und somit der Temperaturbedingungen bei der Herstellung eines Glasrohr- oder Glasstabprofils.
Ferner können
elektrische Gebläse
präzise
und reproduzierbar gesteuert oder geregelt werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
wird das Brenngas-Luft-Gemisch automatisch gemischt. Zu diesem Zweck
können
automatisierte Mischeinrichtungen, beispielsweise Mischventile mit
zugeordneten Stellmotoren, automatisch gesteuerte oder geregelte
Mischklappen oder dergleichen verwendet werden. Die automatisierte
Einstellung ermöglicht
die Bereitstellung von reproduzierbaren und präzise eingestellten Prozessparametern,
was insbesondere für die
Herstellung von sehr eng tolerierten Glasrohr- oder Glasstabprofilen
von weiterem Vorteil ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
wird die Heizleistung des jeweiligen Brenners geregelt. Zu diesem
Zweck werden an geeigneten Orten in und an dem Brenner sowie im
Muffelbereich Messgrößen erfasst,
beispielsweise Temperatur, Massestrom des Brenngas-Luft-Gemisches, und
einer Regelungseinrichtung zugeführt,
welche dann die Heizleistung des jeweiligen Brenners durch Regeln
der Brennstofffluidzufuhr, insbesondere der Zufuhr eines Brenngas-Luft-Gemisches
und dessen Luftzahl, auf einen Sollwert eingestellt werden. Da der
erfindungsgemäß eingesetzte
Porenbrenner Inhomogenitäten
bei der Verbrennung erheblich dämpft,
kann die Heizleistung erfindungsgemäß in einem wesentlich größeren Regelbereich
variiert werden. So konnte in Versuchsreihen die Heizleistung bis
zum einem Faktor von etwa 20 oder mehr moduliert werden, beispielsweise
im Bereich zwischen etwa 1 kW bis 20 kW.
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Die
erfindungsgemäße Beheizung
des Muffelbereichs mit Hilfe von Porenbrennern eignet sich grundsätzlich für sämtliche
gängigen
Verfahren zur Herstellung von Glasrohr- oder Glasstabprofilen. Beispielhaft
seien angeführt
das Danner-Verfahren, Vello-Verfahren oder ein Down-Draw-Verfahren
oder dergleichen.
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Weitere
Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung betreffen eine entsprechend
ausgebildete Vorrichtung zur Herstellung eines Glasrohr- oder Glasstabprofils
sowie die Verwendung von Porenbrennern der vorgenannten Art, um
in einem Muffelbereich bei der Herstellung eines Glasrohr- oder Glasstabprofils
für einen
geeigneten Wärmeeintrag in
das Profil zu sorgen.
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Figurenübersicht
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Nachfolgend
wird die Erfindung in beispielhafter Weise und unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben werden, woraus sich weitere Merkmale, Vorteile
und zu lösende
Aufgaben ergeben werden und worin:
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1 in
einer schematischen Seitenansicht einen Heizmuffelbereich gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt; und
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2 in
einer schematischen Darstellung die Steuerung oder Regelung eines
Luft-Brenngasgemisches
bei einem Porenbrenner des Muffelbereichs gemäß der 1 zeigt.
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Ausführliche
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen
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Gemäß der 1 ist
die Heizmuffel 1 durch eine Isolierverkleidung 2 ausgebildet,
in welcher die drehbeweglich gelagerte Dannerpfeife 3 angeordnet ist.
Um die Dannerpfeife 3 herum sind mehrere Brenner 4,
wie nachfolgend ausführlicher
beschrieben, verteilt angeordnet. Zur Herstellung eines Glasrohrs wird
flüssiges
Glas auf den Außenumfang
der sich drehenden Dannerpfeife 3 aufgebracht und zu einem schematisch
dargestellten Glasfilm vergleichmäßigt, der schließlich in
eine Ziehzwiebel unter Ausbildung eines Glasrohrs übergeht.
Parameter des Glasrohrs 5, wie beispielsweise Innendurchmesser,
Wandstärke,
und Außendurchmesser,
werden insbesondere durch die Abzugsgeschwindigkeit des Glasrohrs, durch
den Nachschub der Glasschmelze, durch die Abmessungen der Dannerpfeife
und die Temperatur- und Prozessparameter insbesondere im Muffelbereich
in der bekannten Weise bestimmt, so dass die Beschreibung näherer Einzelheiten
aus Vereinfachungsgründen
unterbleiben kann. Bei der Herstellung des Glasrohrs 5 wird
das noch flüssige
Glas auf der Dannerpfeife einem gezielten Abkühlvorgang unterzogen. Dies
geschieht in der bekannten Weise durch Energieeintrag mit Hilfe
von einem oder mehreren Brennern 4, die längs der
Dannerpfeife 3 angeordnet sind. Gemäß der 1 sind die
Brenner 4 oberhalb und unterhalb der Dannerpfeife 3 angeordnet.
Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass erfindungsgemäß jegliche
geeignete Anordnung von Brennern eingesetzt werden kann.
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Die
Verbrennung eines Luft-Brenngasgemisches erfolgt erfindungsgemäß innerhalb
eines porösen
Mediums auf der Basis hoch-poröser
Strukturen, welche die relevanten physikalischen und chemischen
Hochtemperaturprozesse vergleichmäßigen. Die Verbrennung des
Brennstoff-Luftgemisches erfolgt dabei nicht mehr in einer freien
Flamme sondern innerhalb einer porösen Hochtemperaturkeramik oder
anderen hochtemperaturbeständigen
Strukturen. Gemäß der 2 umfasst
der insgesamt mit 10 bezeichnete Porenbrenner einen feinporigen
Bereich 11, der einer Stabilisierung des Luft-Brenngasgemisches
und einer Vorerwärmung
dient und auch ein Rückschlagen
der Flamme unterbinden kann, sowie einen diesem nach geordneten
grobporigen Bereich 12, in welchem die eigentliche Verbrennung
bzw. Oxidation stattfindet. Ein solcher Porenbrenner 10 ist
innerhalb einer Aussparung oder Durchgangsöffnung der Isolierverkleidung
einer Heizmuffel angeordnet, so dass die vordere Stirnseite dem
Inneren der Heizmuffel zugewandt ist. Über diese vordere Stirnseite erfolgt
die Wärmeabgabe
an den Innenraum der Heizmuffel durch Wärmeleitung, in erheblich größerem Umfang
durch Wärmestrahlung
und zu einem geringen Restanteil auch durch Wärmekonvektion. Dem Porenbrenner 10 kann
eine Rückschlagsperre 13 zugeordnet
sein. Zur Erzeugung des Luft-Brenngasgemisches strömt ein Brenngas über einen Brenngas-Einlass 20 ein,
wobei der Massestrom mit Hilfe eines Mischventils 23 eingestellt
wird. Zum Verstellen des Mischventils 23 dient bevorzugt
ein elektrischen Stellglied, beispielsweise ein Elektromotor 25.
Das Brenngas strömt über ein
Rohr 24 in eine Mischeinrichtung 22 ein, wo die
Vermischung mit der über
den Luft-Einlass 21 einströmenden Luft erfolgt. Als Mischeinrichtung
wird erfindungsgemäß ein Gebläse 22 eingesetzt,
welches das Brenngas aus dem Rohr 24 ansaugt und dem die
Luft mit geeignetem Massestrom zugeführt wird. Das Gebläse 22 führt das
so ausgebildete Luft-Brenngasgemisch dem Porenbrenner 10 zu.
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Die
Einstellung der Masseströme
von Brenngas und Luft, insbesondere ausgedrückt durch die so genannte Luftzahl,
kann automatisch gesteuert werden. Zu diesem Zweck ist eine Steuereinrichtung 14 vorgesehen,
beispielsweise eine CPU. Gemäß einem
bevorzugten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird die Heizleistung
des Porenbrenners 10 weiter auf einen vorbestimmten Sollwert
geregelt. Zu diesem Zweck ist die Einrichtung 14 als Regelungseinrichtung
ausgelegt, was beispielsweise mittels einer CPU ausgeführt werden
kann. Zur Regelung werden an den mit den Bezugszeichen 15a–15c bezeichneten
Orten geeignete Messgrößen abgegriffen,
beispielsweise eine Temperatur im Innenraum der Heizmuffel, auf
oder in unmittelbarer Nähe
der Innenverkleidung, in dem porösen
Medium, oder ein Massestrom des Brenngases und/oder der Luft oder geeignete
andere Größen. Diese Messgrößen werden
der Regelungseinrichtung 14 eingegeben, welche dann die
Heizleistung des Porenbrenners 10 geeignet regelt.
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Da
der erfindungsgemäß eingesetzte
Porenbrenner keine störende
Abgasströmung
in den Innenraum der Heizmuffel abgibt, wird die Oberfläche des
auszubildenden Glasrohr- oder Glasstabprofils erfindungsgemäß im Wesentlichen
nicht gestört.
Wie vorstehend ausgeführt,
können
die Temperaturbedingungen gleichmäßiger und reproduzierbarer
unter Verwendung von Porenbrennern eingestellt werden. In aufwendigen
Versuchsreihen konnten mit einem üblichen Danner-Verfahren eng
tolerierte Glasrohre mit einer sehr geringen Variation der Wandstärke bei Außendurchmessern
im Bereich von etwa 3mm bis etwa 60mm oder darüber hinaus mit sehr homogener Qualität hergestellt
werden. Dabei wurde im Vergleich zu herkömmlichen Danner-Verfahren eine
Reduzierung der Wahrscheinlichkeit für ein Überschreiten der zulässigen Abweichung
der Wandstärke
von einem vorbestimmten Sollmaß um
bis zu etwa 66% (zwei Drittel) beobachtet. Erfindungsgemäß können somit
erheblich maßhaltigere
Glasrohre oder Glasstabprofile hergestellt werden. Durch Steuer-
und Regeleinrichtungen kann eine präzise Leistungsmodulation mit
wesentlich höherer
Leistungsdynamik erzielt werden. Der Leistungsbereich kann beispielsweise
zwischen etwa 2kW und 40kW liegen, was einer Regelbarkeit von 1:20
entspricht. Die erfindungsgemäß eingesetzten
Porenbrenner bieten auch einen höheren
Wirkungsgrad, weil der Wärmeeintrag hauptsächlich durch
Wärmestrahlung
erzielt wird. Dies führt
zu einer erheblichen Kostenersparnis durch Reduzierung der Energiekosten.
Weil die Prozessparameter automatisch und präzise eingestellt werden können, können die
zur Herstellung von Glasrohr- oder
Glasstabprofilen mit anderen Abmessungen erforderlichen produktspezifischen
Grundeinstellungen in der Heizmuffel erfindungsgemäß sehr viel
rascher und reproduzierbarer eingestellt werden. Dies ermöglicht erfindungsgemäß erheblich kürzere Umrüstzeiten.
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Wie
dem Fachmann ohne weiteres ersichtlich sein wird, kann das Prinzip
der Erfindung auch bei anderen Ziehverfahren als dem vorgenannten Danner-Verfahren
eingesetzt werden, insbesondere bei einem Fello-Verfahren oder Down-Draw-Verfahren.
Selbstverständlich
kann das Prinzip der Erfindung auch bei der Herstellung von Glasstabprofilen Anwendung
finden. Beispielsweise könnte
die in der 1 dargestellte Dannerpfeife
als Hohlkörper
ausgebildet sein und die Glasschmelze durch den Hohlraum unter Ausbildung
eines Glasstabs abgezogen werden.
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- 1
- Heizmuffel
- 2
- Isolierverkleidung
- 3
- Dannerpfeife
- 4
- Brenner
- 5
- Glasrohr
- 10
- Porenbrenner
- 11
- Feinporiger
Bereich
- 12
- Grobporiger
Bereich
- 13
- Rückschlagsperre
- 14
- Steuer-
oder Regeleinrichtung
- 15a-c
- Messpunkte
- 20
- Brenngas-Einlass
- 21
- Luft-Einlass
- 22
- Gebläse
- 23
- Mischventil
- 24
- Rohr
- 25
- Stellmotor