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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum effizienten und schnelleren Färben von kontinuierlich aus Glasschmelzanlagen abgezogenen Glasschmelzen in Speisern.
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stand der Technik
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Die
DE 35 35 792 A1 beschreibt ein Verfahren zum Färben von Glas durch hinbringen von Farbgranulat in den Speiser einer Glasverarbeitungsanlage und durch Mischen des Farbgranulats mit der Glasschmelze mittels einer Rühreinrichtung.
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Das Färben von kontinuierlich aus Glasschmelzanlagen abgezogenen Glasschmelzen in einem Speiser erfolgt dadurch, dass die färbenden Bestandteile in Form von Fritten oder Farbkonzentraten von oben der aus dem Durchlass der Glasschmelzanlage kommenden Glasschmelze – in der sogenannten Schmelzzone – zugeführt werden und anschließend mit mechanischen Rührern verrührt werden.
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Mithilfe der Rührer wird eine dreidimensionale Durchmischung der Glasschmelze durch eine Pumpbewegung der Rührer senkrecht zur Speiserebene, durch eine Förderbewegung der Rührer quer zur Speiserlängsachse und durch die Fließrichtung der Glasschmelze längs der Speiserlängsachse durchgeführt. Dabei sinken die färbenden Bestandteile in die Glasschmelze ab und werden von nachfolgenden Rühreranordnungen oft nur mit erhöhtem Aufwand wieder ausreichend angehoben und im gesamten Volumen hinreichend homogen verteilt. Homogene Durchfärbungen der Glasschmelze sind somit auf kleine Farbgranulatströme begrenzt, sodass intensive dunkle Glaseinfärbungen nicht möglich sind. Bei diesem Verfahren wird der glasführende Kanal in der Regel indirekt über Gasbrenner oder elektrische Heizstrahler (z. B. SiC-Stäbe), die über die Glasbadoberfläche angeordnet sind, beheizt, um eine definierte, nicht zu starke Abkühlung der Glasschmelze bis zur Formgebung zu erreichen.
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Bei diesen indirekten Beheizungen muss die Wärme hauptsächlich über Strahlung in die Glasschmelze transportiert werden. Reflexionen an der Glasbadoberfläche, wellenabhängige und geringe Emissions- und Absorptionskoeffizienten der Glasschmelze selbst – insbesondere bei dunklen und/oder intensiv einzufärbenden Gläsern – führen dazu, dass nur ein geringer Anteil der erzeugten Wärme in die Glasschmelze gelangt, aber die Kanaldecke thermisch stark belastet wird und sich in der Glasschmelze trotz geringer Schmelzbadtiefen große, unerwünschte Temperaturgradienten vom Kanalboden bis zur Glasbadoberfläche ausbilden. Zudem wirken Glasbrenner glasblasenfördernd. Heizstrahler haben sich infolge der thermischen Eigenbelastung und daraus folgender Frühausfälle nicht bewährt. Weiterhin sind bei indirekten Beheizungsmethoden infolge der großen thermischen Zeitkonstanten nur lange Regelzeiten möglich, sodass entsprechend lange Anfahrzeiten entstehen.
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Die
DD 234 853 A1 betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Beheizung von glasführenden Kanälen und Auslaufvorrichtungen an Speiserköpfen für die Tropfenspeisung von Glasausformmaschinen für die Herstellung von Stielglaserzeugnissen und Preßglasartikeln.
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Es werden indirekte elektrische Beheizungen von mit partiell oder vollständig metallisch umfassten Glasschmelzkanälen beschrieben, indem in die metallische Kanalwand ein elektrischer Strom eingeprägt wird oder induktiv Wirbelströme in der Kanalwand induziert werden. Hier ist zwar ein direkter Kontakt der Wärmequelle zur Glasschmelze vorhanden, jedoch erfolgt auch hier der Wärmetransport in der Schmelze durch Strahlung mit den bereits dargestellten Nachteilen. Ebenfalls besteht aber auch ein direkter thermischer Kontakt zu den angrenzenden Feuerfestmaterialien, sodass diese thermisch stark belastet werden.
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Es ist weiterhin bekannt, durch Einbau von Elektroden in Speiserkanälen und damit durch die direkte Beheizung der Glasschmelze eine bessere thermische Homogenität zu erzielen. Jedoch wird damit nicht das Absinken der zugegebenen färbenden Bestandteile verhindert, sondern eher begünstigt, da infolge der höheren bodennahen Temperaturen die Viskosität der Glasschmelze kleiner wird.
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In der
WO 01/14266 A1 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von farbigen Gläsern vorgestellt, bei dem der Glasschmelzanlage eine Skulleinrichtung nachgeschaltet wird, die von der Glasschmelze durchströmt wird und der die Farbstoffe zugegeben werden. Die Glasschmelze wird damit direkt mittels Wirbelströmen, die von einem hochfrequenten Magnetfeld in der Glasschmelze induziert werden, erwärmt. Die Wände der Skullvorrichtung werden wassergekühlt. Durch diese Wasserkühlung und durch die direkte Erwärmung der Glasschmelze mittels der induzierten Wirbelströme treten in der Schmelze hohe Temperaturdifferenzen und damit starke Konvektionsströmungen auf, die die Schmelze zwar chemisch durchmischen, die Schmelze allerdings die Skulleinrichtung thermisch nicht ausreichend homogenisiert verlässt, sodass ein langer Kondensierungs- und Abkühlungskanal erforderlich ist, um das Glas mit hinreichender Qualität verarbeiten zu können. Zudem werden über die wassergekühlten Wände der Skullvorrichtung sehr große Wärmemengen abgeführt. Dies führt zu einen hohem Energieverbrauch solcher Vorrichtungen.
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In der
DE 2056445 A wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Glas beschrieben, wobei zum Rühren von Glasschmelzen, insbesondere während des Gießvorganges oder der Läuterung, elektromagnetische Kräfte genutzt werden, die aus der Wechselwirkung des Heizstromes mit einem senkrecht dazu stehenden äußeren Magnetfeld resultieren. Es werden Wechselströme mit einer Frequenz von 50 Hz und magnetische Wechselfelder gleicher Frequenz genutzt. Die Phasenlage muss nicht zwingend übereinstimmen. Das Magnetfeld wird von einem oder mehreren von außen an die Schmelzgefäße adaptierten einphasigen und dreiphasigen eisenbehafteten Wechselstrommagneten erzeugt. Durch getrennte Ansteuerung einzelner Magnete sollen unterschiedliche Strömungen realisiert werden. Zur Erzielung hinreichender Rührwirkungen wird empfohlen, die elektromagnetische Kraft größer als die Konvektionskraft einzustellen. Obwohl hier schon die vorteilhafte Nutzung von Lorenzkräften zu Strömungsbeeinflussung von Glasschmelzen vorgeschlagen wird, lassen die vorgeschlagenen Vorrichtungen und Verfahren nur eine Veränderung der Strömung in oder entgegen der Schwerkraft zu.
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Weitere Nutzungen von Lorentzkräften in elektrisch schwach leitfähigen Fluiden – vorrangig Glasschmelzen – beziehen sich auf die Verbesserung der Homogenisierung der Schmelze (
SU 81 49 04 ,
SU 10 244 23 ) und auf die Verbesserung der Läuterung im Schmelzaggregat selbst.
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Dabei werden verschiedene Elektrodenanordnungen und Magnetsystemausführungen angewendet, die Phasenlage zwischen Elektrodenstrom und Magnetfeld variiert, Frequenzgleichheit oder definierte Frequenzunterschiede zwischen Elektrodenstrom und Magnetfeld gefordert.
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Das trifft auch für das in
DE 10 2004 015 055 A1 vorgeschlagene Verfahren und die dazugehörige Anordnung zur gezielten Beeinflussung des Flusses einer Glasschmelze bei der Überführung aus dem Schmelzofen in einem Verarbeitungsprozess zu. Die Lorentzkräfte werden hier zur Steuerung des Durchsatzes genutzt. Für eine Glaseinfärbung ist das Verfahren nicht vorgesehen.
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Die in den verschiedenen Vorrichtungen genutzten magnetischen Flussdichten in der Glasschmelze variieren zwischen 10 bis 600 mT. Die Stromdichten in der Glasschmelze betragen je nach Glasart und Elektrodenanordnung 10 bis 50 mA/mm2.
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Aufgrund der geringen elektrischen Leitfähigkeit von Glasschmelzen, der hohen Verluste sowie des hohen technischen Aufwands für die elektrische Stromversorgung der Magnetsysteme sind die realisierbaren geometrischen Abmessungen des Schmelzaggregates jedoch stark eingeschränkt (Durchmesser des Ausführungsbeispiels ca. 10 cm). Ein weiterer Nachteil des Verfahrens besteht darin, dass ein kontinuierlicher Betrieb des Herstellungsverfahrens bisher nicht realisiert wurde.
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In der
WO 2007 065937 A1 wird eine Vorrichtung und ein Verfahren beschrieben, die in einer in einem Kanal unter der Schwerkraft ausfließenden Glasschmelze senkrecht zu ihrer Fließrichtung eine tangentiale Lorentzkraft generiert, die wie ein Rührer eine ebenfalls tangentiale Strömungskomponente anregt und dadurch die auslaufende Glasschmelze chemisch und thermisch homogenisieren soll.
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Dafür muss der Kanal von einem Magnetsystem umschlossen werden und die äußere Kanalwand sollte zweckmäßig metallisch sein, sodass sie als Außenelektrode fungieren kann. In dem Kanal ist eine Innenelektrode mittig angeordnet und wird ebenso wie die Außenelektrode partiell oder vollständig elektrisch leitfähig ausgeführt.
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Die Ergebnisse zeigen, dass solche solenoidalen Magnetsysteme, die wassergekühlt sind, an realen Glasschmelzanlagen nahe genug an der Schmelze adaptierbar sind, sodass hinreichend große Lorentzkräfte in einer Kalk-Natron-Glasschmelze zur Veränderung der Strömungsverhältnisse generierbar sind. Die Lorentzkräfte erzeugen aber nur eine azimuthale Strömungskomponente, die mit der z-Komponente der unter der Schwerkraft ausfließenden Glasschmelze spiralförmige Stromlinien ergeben. Damit werden die Inhomogenitäten (Schlieren) in der Schmelze zwar gestreckt, aber nicht gefaltet, sodass keine ausreichende Quervermischung stattfindet.
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Die
WO 2009/106056 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Beeinflussung von viskosen Fluiden mit Hilfe der Lorentzkraft, die von einer elektrischen Stromdichte j und einer magnetischen Flussdichte B erzeugt wird. Sie dient insbesondere zur Mischung, Homogenisierung, Läuterung und Beschleunigung chemischer Reaktionen sowie auch physikalischer Prozesse in Glasschmelzen. Das Fluid befindet sich in einem Behälter. An oder in dem Behälter sind zur Erzeugung der Stromdichte j Elektroden derart angebracht, dass sie das Fluid kontaktieren. Außerhalb des Behälters ist im Bereich der Elektroden zur Erzeugung der Flussdichte B mindestens ein Magnet vorgesehen. Der Behälter weist Verengungen, Erweiterungen oder Kanten auf, in deren unmittelbarer Nähe die Pole N, S der Magnete zur Erzeugung der magnetischen Flussdichte B paarweise angeordnet sind. Eine Färbung der Glasschmelzen wird nicht angesprochen.
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Die
WO 2009/106057 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Erzeugung von Bewegungen in viskosen Fluiden mit Hilfe der Lorentzkraft, die von einer elektrischen Stromdichte j und einer magnetischen Flussdichte B erzeugt wird. Sie dient insbesondere zur Mischung, Homogenisierung, Läuterung und Beschleunigung chemischer Reaktionen sowie auch physikalischer Prozesse in Glasschmelzen. Das Fluid befindet sich in einem Behälter, mit dem das Fluid beheizende Elektroden zur Erzeugung der Stromdichte j in Verbindung stehen und dem im Bereich der Stromdichte j zur Erzeugung der Flussdichte B mindestens ein Magnet zugeordnet ist. Die Magnete sind als stab-, rohr- oder kanalförmige elektrische Leiter (
11) ausgebildet und zumindest annähernd parallel zu einer Längsausdehnung des Behälters gerichtet.
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Auch hier wird keine Färbung der Glasschmelzen angesprochen.
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Die
WO 2009/106058 A2 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Strömungen, Druckschwankungen und mechanischen Schwingungen innerhalb von elektrisch leitfähigen Fluiden mit Hilfe der Lorentzkraft in einem Arbeitsprozess, insbesondere zur Mischung, Homogenisierung, Läuterung und Beschleunigung chemischer Reaktionen und physikalischer Prozesse in Glasschmelzen mit Hilfe eines elektrischen Wechselfeldes und eines magnetischen Wechselfeldes. Während der gesamten Verfahrensdauer werden die Stromdichtefrequenz und die Frequenz der magnetischen Flussdichte voneinander verschieden gehalten und die Lorentzkraftdichte wird entsprechend variiert. Auch hier wird keine Färbung einer Glasschmelze offenbart.
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Die
DE 10 2008 011 047 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einengen, Trennen und Führen eines Fluid- oder Ladungsträgerstromes, insbesondere eines Glasstromes, ohne Verwendung mechanischer Werkzeuge. Im Strom bilden sich zwischen mindestens zwei Elektroden eine elektrische Stromdichte und zwischen mindestens zwei Magnetpolen eine magnetische Flussdichte aus, die im Wesentlichen senkrecht aufeinander stehen und eine Lorentzkraftdichte erzeugen, die zumindest angenähert radial zur Achse X-X des Fluidstromes gerichtet ist.
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Technisches Problem
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Die steigenden Anforderungen an Gläser sowie der Trend zur Kostenreduzierung erfordern eine stetige Verbesserung der Glasproduktion. Weiterhin ist das Realisieren neuer Glasprodukte mit vor allem dunklen und intensiven Glasfarben notwendig. Mit der Farbintensität sinkt der mögliche Wärmeeintrag durch Strahlung. Der direkte Wärmeeintrag über Elektroden und Möglichkeiten zur Beeinflussung der Strömungsverhältnisse in der Schmelzzone von Speisern von Glasschmelzanlagen sind deshalb von großer Bedeutung, um die erforderliche Qualität des Glasproduktes zu gewährleisten.
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Aufgabe der Erfindung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, womit eine effiziente und schnelle Färbung von kontinuierlich aus Glasschmelzanlagen abgezogenen Glasschmelzen in Speisern von Glasschmelzanlagen verwirklicht werden kann.
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Es soll eine Vorrichtung und ein Verfahren für das Herstellen von dunklen und/oder farbintensiven Glasschmelzen in nahezu waagerechten Kanälen beliebigen Querschnitts, die aus einer Glaswanne mit einer farblosen Glasschmelze gespeist werden, geschaffen werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird folgendermaßen gelöst: durch direkte elektrische Beheizung über in den Glasschmelzstrom hineinragende Elektroden werden mittels Magnetsystemen magnetische Wechselfelder erzeugt. Durch vektorielle Überlagerung von außerhalb der Glasschmelze erzeugten Magnetfeldern und den zwischen den Elektroden erzeugten elektrischen Stromdichteverteilungen in der Schmelze entstehen Lorentzkräfte, die zu einem Rühreffekt führen. Dieser Rühreffekt unterstützt die Vermischung von Farbkonzentraten, die in dem Bereich der Schmelze zugegeben werden.
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Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Schmelzzone über in den Glasschmelzstrom hineinragende Elektroden elektrisch beheizt wird und während wenigstens einem Abschnitt des Schmelzvorgangs das geschmolzene Glas einem durch mindestens ein Magnetsystem erzeugten Magnetfeld ausgesetzt wird, welches derart mit den in den Glasschmelzstrom hineinragenden Elektroden wechselwirkt, dass Lorentzkräfte entstehen, die zu einem Rühreffekt führen.
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Es wird die Schmelzzone des Kanals über in die Glasschmelze hineinragende Elektroden (zweckmäßig Bodenelektroden) direkt elektrisch beheizt und diese direkte elektrische Beheizung mit einer elektromagnetischen Strömungsbeeinflussung über Lorentzkräfte gemäß Gl. (1)
wobei
f →L – die Lorentzkraftdichte in der Glasschmelze,
F →L – die Lorentzkraft,
V – das Glasvolumen,
j → – die Stromdichte in der Glasschmelze und
B → – die magnetische Flussdichte in der Schmelze
darstellen, kombiniert, die der Hauptströmungsrichtung der Schmelze partiell entgegen bis senkrecht, aber antiparallel zur Schwerkraft gerichtet sind, sodass effizient eine homogene Temperaturverteilung im Querschnitt der Schmelze realisiert wird. Damit kann gezielt und werkzeuglos die bodennah strömende Glasschmelze nach oben gedrückt werden und die in die Schmelzzone von oben zugegebenen, meistens schwereren, noch nicht aufgeschmolzenen Färbemittel können in Bewegung gehalten werden. Dies führt überraschenderweise zu einer deutlich besseren Verteilung der Färbemittel in der Schmelze. Die Einströmbedingungen für die Rührerzone des Speisers werden gleichzeitig verbessert, sodass die Glasschmelze infolge der besseren Temperaturverteilung und Einströmbedingungen schneller und homogener eingefärbt wird.
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Vorzugsweise sind mindestens zwei Elektroden vorhanden, aber es ist durchaus vorstellbar, dass mehr als zwei Elektroden zum Einsatz kommen. Die Elektroden sind dabei bevorzugt als Bodenelektroden angeordnet. Weiterhin wird angestrebt dass der Elektrodendurchmesser und der Elektroden- und Wandabstand optimiert werden, sodass keine lokalen Überhitzungen > 10 K in der Glasschmelze entstehen.
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Ferner können die Elektroden auch als Seitenelektroden ausgestaltet sein, aber die Ausgestaltung als Bodenelektroden ist bevorzugt.
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Die Magnetsysteme sind eisenlos mit mindestens einer Windung und umfassen mindestens ein Elektrodenpaar und sind im Isoliermaterial nahe an der Grenze zum Feuerfestmaterial angeordnet.
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Die Magnetsysteme sind im Isoliermaterial so angeordnet sind, dass die Achsen von Magnetsystem und Elektroden kollinear sind, sodass die Lorentzkräfte hauptsächlich entgegen der Glasschmelzströmung gerichtet sind.
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Aber es ist auch realisierbar, dass die Magnetsysteme im Isoliermaterial so angeordnet sind, dass die Achsen von Magnetsystem und Elektroden einen Winkel bilden, sodass Lorentzkraftkomponenten entstehen, die entgegen der Schwerkraft gerichtet sind.
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Weiterhin wird die Größe der Lorentzkräfte über die Größe der Ströme in den Magnetsystemen gesteuert.
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Die Wirkung der Lorentzkräfte wird bei mehreren in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Elektrodenpaaren durch die Größe der Elektroden, Anzahl der Windungen der Magnetsysteme sowie durch die Größe der Elektroden- und/oder Magnetsystemströme abgestuft.
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Weiterhin werden die Elektrodenströme über die Temperatur in der Schmelze gesteuert. Somit wird die Brennerleistung reduziert.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die folgenden Vorteile erzielt:
- • die färbenden Komponenten werden besser in der Glasschmelze verteilt, was zu einer besseren Durchmischung der Farbe in der Schmelze führt.
- • dies wiederum führt zu einer homogeneren Farbeintönung und die Bildung von Blasen, Schlieren etc. wird vermieden.
- • auch ist dadurch das Färben von dunklen und/oder farbintensiven Glasschmelzen problemlos möglich.
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Die Erfindung wird im Weiteren an Hand der Figuren näher erläutert, die die Erfindung nicht einschränken.
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1 ist ein Längsschnitt eines Färbefeeders mit einem Bodenelektrodenpaar (1) und dazugehörigem Magnetsystem (2) sowie der Wirkung der in der Glasschmelze (3) generierten Lorentzkraftdichteverteilung auf den Strömungsweg (8) der an der Zuführeinrichtung (7) zugegebenen Färbemittel (Konzentrat oder Fritte).
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2 ist ein Querschnitt des Färbefeeders mit einem Paar Bodenelektroden und dazugehörigem Magnetsystem.
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3 ist die Lorentzkraftdichteverteilung in der Glasschmelze mit einem Durchsatz von 80 kg/h, generiert mit dem in 1 und 2 dargestellten Bodenelektrodenpaar mit einem Strom von IE = 960 A und Magnetsystem mit einer magnetischen Durchflutung von 11,52 kA.
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4 ist die Anhebung des Strömungsweges des Färbemittels nach Durchfliessen des Bodenelektrodenpaares.
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5 ist ein Längsschnitt eines Färbefeeders mit drei Bodenelektrodenpaaren (1) und dazugehörigen Magnetsystemen (2) sowie der Wirkung der in der Glasschmelze (3) generierten Lorentzkraftdichteverteilung auf den Strömungsweg (8) der an der Zuführeinrichtung (7) zugegebenen Färbemittel (Konzentrat oder Fritte).
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6 ist ein Längsschnitt eines Färbefeeders mit einem Seitenelektrodenpaar (1), einem Bodenelektrodenpaar (1) und dazugehörigen Magnetsystem (2).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektroden (Boden oder Seitenelektroden)
- 2
- Magnetsystem
- 3
- Glasschmelze
- 4
- Feuerfestmaterial
- 5
- Isolation
- 6
- Strömungsrichtung der Glasschmelze
- 7
- Zuführeinrichtung für Farbkonzentrate oder Fritte
- 8
- Strömungslinie des Konzentrats oder der Fritte
- 9
- Rührer
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3535792 A1 [0002]
- DD 234853 A1 [0006]
- WO 01/14266 A1 [0009]
- DE 2056445 A [0010]
- SU 814904 [0011]
- SU 1024423 [0011]
- DE 102004015055 A1 [0013]
- WO 2007065937 A1 [0016]
- WO 2009/106056 A1 [0019]
- WO 2009/106057 A1 [0020]
- WO 2009/106058 A2 [0022]
- DE 102008011047 A1 [0023]
