DE102013104450A1

DE102013104450A1 - Außendämmung für Drehrohröfen, spezielle Ausrüstung zur Isolierung

Info

Publication number: DE102013104450A1
Application number: DE201310104450
Authority: DE
Inventors: Gregor Tsiaprakas; Christoph Cremer; Stefan Göhe
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-05-01
Filing date: 2013-05-01
Publication date: 2014-12-24
Also published as: EP2799800A1; EP2799800B1

Abstract

Industrieanlagen werden immer weiter entwickelt34

34: Anmerkung: Die großen Energieerzeugenden Unternehmen investieren 0,2–0,3% ihres Umsatzes in Forschung und Entwicklung. Quelle: swr2_forum_20121206_hat_die_klimapolitik_kapituliert.6444m.mp3

. Diese Arbeit befasst sich mit einem Sonderfall, für den eine Lösung überfällig ist: Die Fassade von Drehrohröfen. In dieser Arbeit werden große bzw. großflächige Wärmeverluste von Drehrohröfen nachgewiesen und Lösungen vorgestellt.
Alle Anlagen sind nachrüstfähig unabhängig von Standort, Größe oder Alter. Es entstehen dadurch weder ökologische noch konstruktionsbedingte Nachteile. Die Gewichtszunehme der Anlage liegt bei <1%. Im Gegenzug werden Drehrohröfen in gewissem Sinn „unsichtbar”.
Als Folge davon verbessert sich die ökonomische Bilanz von Produkten wie Klinker und Zement. Außerdem werden Abfälle wie CO₂, Nitride, Carbide, Boride u. ä. erheblich reduziert.
Am Ende steht ein Vorschlag wie verbrauchte Autoreifen einer neuen Verwendung zugeführt werden können. Unter dem Stichwort „Kabelstränge unter Wasser in Schwebe halten” können Reifen, der eingesparte Sekundärbrennstoff, einen neuen Lebenszyclus beginnen.
Diese Patentanmeldung steht in Zusammenhang mit einer Folgearbeit und mit dem Ziel: „Monitorring von Rissbildung im nm-Bereich, in natura”. Einer quantitativen und qualittiven Erfassung von Oberflächenrissen.

Description

Die Erfindung betrifft ein System welches Industrieöfen wärmetechnisch dämmt und isoliert. Dabei werden die Prinzipien einer adiabatischen Verpackung1

1: Grundbegriff angewandter Physik.

Über den Inhalt.
Diese Arbeit beginnt mit einer Analyse des „Standes der Technik” und der Klärung einiger Begriffe. Anschließend werden Lösungen vorgestellt und Ansprüche abgeleitet.
Auf den Punkt gebracht: In diesem Patent werden große Anlagen, insbesondere Drehrohröfen2

2: Im folgenden Drehofen oder Objekt genannt.

3

3: Thermosflasche: Diese doppelwandige geblasene Glasflasche ist zwischen den beiden sehr dünnen Wandungen verspiegelt und evakuiert, d. h. (fast) luftleer. Die Wärmeabstrahlung wird nahezu vollkommen nach innen reflektiert.

Die Neuheit besteht aus einer Kombination von bekannten und neuen Anwendungen. Folgende Vergleiche verdeutlichen dies:

1. Ein Drehofen ist bis zu 200 Mal größer und bis zu 3 Mal wärmer als eine Thermoskanne.
2. Während in einer Thermoskanne vorwiegend Reflexion ausgenutzt wird, ist beim Drehofen eine Kombination von Reflexion auf der Innenseite und eine Emission(svermeidung) auf der Außenseite sinnvoll. Der Schwerpunkt liegt auf der Verhinderung von Emissionen auf der Außenseite. Dazu werden geeignete Oberflächenbeschichtungen vorgeschlagen.
3. In einer Thermoskanne wird als Wärmedämmung ein Luftleerer Raum eingebaut und somit ein beinahe perfektes Vakuum erreicht. Um den Drehofen kann ein Gasmantel angebracht werden, der bei 20°C auf ~0,1 bar eingestellt ist. Form und Aufbau des Gasmantels sind Bestandteile einer effektiven Wärmedämmung.
4. Der Drehofen rotiert um seine Längsachse. Um Schäden durch Fliehkräfte und Verluste durch Wärmeübertragung zu vermeiden werden geeignete Befestigungselemente eingeführt.

Zielsetzung
Ziel der Arbeit ist es den Einsatz von Energie und den Ausstoß von Abfällen wie CO₂, Nitriden, Carbiden, Boriden, etc. bei Drehofen um 20% bis 30% zu reduzieren4

4: Im Vergleich zu Drehrohröfen, Industrieöfen. Stand 2012.

Zielerreichung – Kurzfassung –
Durch:

1. Eine Veredlung der Oberflächen, der Innen- und Außenschichten bzw. der Innen- und Außenhaut. Indem der Emissionsgrad ε auf unter < 0,1 (derzeit ~0,85) angepasst wird, dadurch kann die Wärmeabstrahlung der Außenoberfläche auf unter < 10% reduziert werden.
2. Einen Gasring, welcher eingeschlossen in einer Hülle als Außendämmung am Umfang des Objekts angebracht wird und den Drehofen wie einen Mantel eng und dicht umschließt. Vergleichbar mit einem Reifen, der eine Felge umschließt. Mit einer Abschlusstemperatur gleich der Umgebungstemperatur, ohne Wärmeverluste durch Konvektion.
3. Befestigungselemente solcher Art, dass a. Wärmebrücken minimiert und b. Fliehkräfte kompensiert werden.

Beschreibung eines Drehofens (Quelle: Wikipedia)
Ein Drehrohrofen (Bild9) ist ein hochwertiges Investitionsgut mit Kosten von meist mehreren Millionen Euro. Zu seiner Inbetriebhaltung ist ein „Konti-Betrieb” zu organisieren; in aller Regel werden Drehrohröfen 24 Stunden pro Tag, 7 Tage die Woche und in 50 oder 51 Wochen des Jahres betrieben. Folgende Industrien verwenden Drehöfen6

6: Die energieintensiven Industrien in Deutschland (EID) beschäftigen rund 875.000 Mitarbeiter- oder 14 Prozent der Beschäftigten des Verarbeitenden Gewerbes. In Deutschland werden Klinker und Zement an 34 Standorten hergestellt.

– Zementherstellung
– Kalkbrennen
– Müllverbrennung (besonders Sonderabfälle)
– Schmelzen von keramischenGläsern/Fritten
– Trocknung von Mineralgestein in Asphaltmischanlagen oder in Betonmischanlagen
– Erschmelzung von Metallen (beispielsweise zur Reduktion von Nickelerz)
– Pigmentherstellung
– Aktivkohleaktivierung
– Wälzverfahren zur Aufarbeitung von Stahlwerksflugstäuben und anderen Zinkträgern
– Eisenerzreduktion

Die Betriebstemperaturen liegen zwischen 1000°C und 2000°C. Beispielswerte für einen Drehofen (Die Werte werden in den nachfolgenden Rechnungen verwendet.) in der Klinkerproduktion

Durchmesser	~4–6 m
Länge	~40–80 m
Innentemperatur	~1450°C (Die Temperatur des Ofens in der Sinterzone beträgt etwa 1.450° Grad. Die Flamme selbst ist heißer: 1.700–1.800° Grad)
Außentemperatur	~250°C
Rotationsgeschwindigkeit	~15 Umdrehungen pro Minute

Produktionskapazität	6.000 Tonnen Klinker pro Tag (Angabe für das Werk Gorazde, Polen. Aus der Mitarbeiterzeitung von HeidelbergCement vom Dezember 2010)
Brennstoffe (Der gesamte Brennstoffmix unter: www.vdzement.de/1565.html)	Sekundärbrennstoffe > 60% (Energieverbrauch, der Stand 2010 stellt eine deutliche Verbesserung dar gegenüber 2000.):
	Altholz, Altreifen, Altöl, Klärschlamm, Kunststoff- sowie Produktions- und Gewerbeabfälle
	Fossile Brennstoffe < 40%.

Emissionsgrad ε der strahlenden Fläche – Stahlblech verrostet bei 20°C
ε_{Stark verrostet} = 0,85
Stand der Technik:
Wärmeleitung in einem (Stahl-)Rohr ohne Außenmantel.
Der häufigste wärmetechnische Schutz besteht aus einem (oder mehreren) Innenring(en) aus feuerfesten Steinblöcken mit niedriger Wärmeleitfähigkeit (Keramik-, Schamottsteine, Sinterblöcke bestehend aus Siliciumnitriden, Siliciumcarbiden, Aluminiumtitanaten, u. a.). Der einzelne Stein hat eine Dicke von 20 bis 40 cm, während seine Wärmeleitfähigkeit λ temperaturabhängig ist: Wärmeleitfähigkeit von feuerfesten Steinblöcken

T/°C λ [W/(m k)]

20 ~1,0

400 ~2,6–4,6

700 ~2,4–3,7
Auf den (die) inneren Ring(e) folgt ein ungefähr 3 cm starker Stahlmantel (Bild 6) mit einer Wärmeleitfähigkeit von ~45 [W/(m k)] bei 20°C. Als Folge dieses Aufbaus erreicht die Oberfläche auf der Außenseite des Stahlmantels eine Betriebstemperatur von 250°C. Eine Oberfläche mit einem definierten Emissionsgrad ε ist in der Regel nicht vorhanden.
Ein besserer Wärmeschutz kann dadurch erreicht werden, dass eine zusätzliche Dämmung auf den Stahlmantel angebracht wird. Dazu stehen folgende Materialien zur Verfügung:

a. Feste keramische Blöcke
b. Weiche mineralische Faserwerkstoffe

Zu (a.) Ein Rohr mit festem Außenmantel.

Zu diesem Zweck wird vorgeschlagen in Umfangsrichtung auf dem Außenmantel hitzebeständige Elemente aus Sinterkeramik anzubringen (Bild 7). Diese Elemente können durch Spannringe, Spann- und Verriegelungsglieder fixiert/gehalten werden. Die Elemente haben verschiedene Nuten und werden mit dazu passenden Ankern kombiniert (V-, L- und T-Anker).

Dämmelemente können auf die Oberfläche geklebt oder geschweißt werden. Den Abschluss bildet ein neuer Stahlmantel (Coil) von ~1–2 mm Stärke.
Zu (b.) Ein Rohr mit weichem Außenmantel.

Wenn die Zusatzdämmung durch weiche Stoffe (z. B. Glas-Mineralfasern) hergestellt werden soll, dann tritt folgendes Problem auf: Durch die Rotation und die Temperaturschwankungen von über 100°C verlieren viele Faserwerkstoffe ihr Bindemittel und damit ihre Elastizität. Die Fasern werden spröde, zerbrechlich und können zerrieben werden.12

12: Quelle: G + H Isolierung GmbH

Darüber hinaus kommen keramische Faserwerkstoffe in Betracht, diese behalten ihre Flexibilität über 100°C hinaus und können an Oberflächen aufgeklebt werden. Keramische Faserwerkstoffe sind als Zusatzdämmung gut geeignet.
Ideen und Vorschläge zur Nutzung von Abwärme bzw. um diese zu speichern, sind in vielen Varianten vorhanden.
Nachteile des Standes der Technik. Die Energiebilanz auf einen Blick:
In der Situation [0001] treten große Wärmeverluste auf, die bei den alternativen Vorschlägen zum Teil vermieden werden. Die gesamten Wärmeverluste auf einen Blick:

1. Strahlungsverluste (Siehe Stefan Botzmann Gesetz)
2. Konvektionsverluste (Konvektionsverluste, d. h. Wärmemitführung durch Luft.)
3. Enthalpieverluste durch Verdampfung von Regenwasser und Luftfeuchtigkeit
4. Wärmeleitungsverluste über die Lager

In den angeführten Rechnungen gelten folgende Annahmen

Temp. – Jahresmittel:
10°C

Durchschnittlicher Niederschlag von kg/m² Niederschlagssumme:
536 mm
Diese Angaben sind dem Klimadiagramm in Bild 16 entnommen15

15: Quelle: http://commons, wikimedia.org/wiki/File:Klimadiagramm-Geisenheim-Deutschland-metrisch-deutsch.png

1. Verluste durch Wärmestrahlung – Stefan-Boltzmannsche Gesetze

P = s ε A(T₁ ⁴ – T₂ ⁴) ~ 3,5 MW

Annahmen zum Drehofen

Länge	L	60 m
Durchmesser	D	6 m
Oberflächentemperatur	T₁	250°C
Umgebungstemperatur	T₂	10°C
Emissionsgrad e der strahlenden Fläche – Stahlblech stark verrostet bei 0°C
		e_{stark verrostet} = 0,85

P	Strahlungsleistung
S	Strahlungskonstante	5,67·10^–8 W/m² K⁴
ε	Emissionsgrad
A	strahlende Oberfläche des Körpers

Stefan-Boltzmannsches Gesetz (Kuchling 18.3.2. Kapitel Emission W 18.18–20 und Physik für Ingenieure von Bohrmann/pitka Kap. 14.)

P = s ε A(T₁ ⁴ – T₂ ⁴) = 5,67·10^–8 W/m² K⁴·0,85·π·6 m·60 m·((520 K)⁴ – (280 K)⁴) ~ 3,5 MW

2. Verluste durch Konvektion – Indirekte Rechnung

ΔQ = C ΔT_d => ΔQ = π(r_a ² – r_i ²)·L·p·c·ΔT_d ΔQ = π(3,03² – 3²) m²·60 m·7800 kg/m³·470 J·10 K = 1,2·10⁹ J P(t 100 s) = ΔQ/Δt = 1,2·10⁹ J/100 s ~ 1,2·10⁷ W => P ~ 12 MW

Abkühlung einer Metallfläche an der Luft – eine Expotentialfunktion (Physik für Ingenieure Beispiel 23.3: Abkühlung eines Metallwerkstücks in Luft. Seite 665)
Ein Beispiel für t = 100 sec, α = 50
T(100 sec) ~ 240°C
Bei einer Umgebungstemperatur von T_Luft = 10°C kühlt ein Metallkörper mit einer Oberflächentemperatur von 250°C in 100 sec um ca. 10°C auf 240°C ab (angenommene Wärmeübergangszahl 50).

T(t): Zeitentwicklung der Temperatur
T_O: Temperatur des Metallstücks
T_L: Temperatur der Luft
ΔQ: Wärmeverlust während des Zeitraums ΔT_d
C: Wärmekapazität = c m (spezifische Wärmekapazität × Masse)
P: Leistung
α: Wärmeübergangszahl oder Koeffizient 3,5–290 W/m² K (Tabelle mit typischen Werten des Wärmeübergangskoeffizienten aus Physik für Ingenieure Tab. 23.1)
R^a: Stahlmantel Außenradius
R_i: Stahlmantel Innenradius

3. Verluste durch Verdampfung einer Wassersäule h = 0,53 m. Änderung des Aggregatzustandes von Regenwasser zu Wasserdampf. Phasenübergang erster Ordnung
Verdampfungswärme durch Phasenumwandlung: 2260 KJ/kg Wasser (bei 100°C). ΔQ = V c = A·h = L·D·h = 60 m·6 m·0,53 m·2260 KJ ~ 431 MJ P(t 365 d) = ΔQ/Δt ~ 431 MJ/365 d = 431/31,5 W => P ~ 13,6 W
Zusammenfassung der Energiebilanz
Durch die intensive Wärmeabstrahlung wird die nähere Umgebung weit über das Betriebsgelände hinweg erhitzt. Rund um den Ofen ist es zu jeder Jahreszeit heiß bzw. eisfrei. Die Wärmeabstrahlung ist in 100 m Entfernung auf der Haut deutlich fühlbar. Die Verluste durch Konvektion übersteigen die Verluste durch Strahlung sogar um den Faktor 3–4. Regenwasser verdampft sofort, spielt aber in der Gesamtbetrachtung keine Rolle.
Der Vorschlag in [0013] verhindert Verluste durch Konvektion vollständig und reduziert Energieverluste durch Wärmeleitung. Nachteile der Lösung sind:

1. Eine schwere Außenschicht ist ein Schwachpunkt. Bei einer angenommenen Wärmeleitfähigkeit von λ = 0,04 [W/(cm k)] und einer Dichte p von 250–300 kg/m³ für leichte Keramik wäre immerhin eine 30–40 cm Schicht für eine gute Dämmung (handwarm) notwendig. Die Gewichtszunahme wäre demzufolge dm = p L·pi·(r_a ² – r_i ²) ~ 100 Tonnen. Die Lager und Antriebe müssten angepasst werden. Darüber hinaus stellt die Fliehkraft eine Gefahr für die Verankerungen dar.
2. Eine Optimierung des Emissionsgrades ε ist in der Lösung nicht enthalten.

Der Vorschlag [0014] ist technisch durchführbar. Nachteile sind:

1. Eine aufwendige Konstruktion (das Objekt befindet sich in ca. 20 m Höhe)
2. Die Gefahr von Wärmeverlusten durch Konvektion bleibt bestehen.
3. Eine Verbesserung des Emissionsgrades ε ist in der Lösung nicht enthalten.

Der Vorschlag [0016], Energie aus laufenden Herstellungsprozessen zu ziehen, etwa um diese „zwischen” zu speichern, lässt außer Acht, dass jeder Prozess grundsätzlich so ökonomisch wie möglich betrieben werden muss. Das Entziehen von Energie ist ein systematischer Fehler. Auf diese Vorschläge wird deshalb nicht näher eingegangen.
Aufgabe der Erfindung:
Mittelfristige Ziele:

1. Wärmeverluste durch Strahlung – auf ~4% zu reduzieren.
2. Wärmeverluste durch Leitung – auf ~25% zu reduzieren.
3. Wärmeverluste durch Konvektion – auf ~6% zu reduzieren.

Erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe:
Die Aufgabe wird durch 3 Maßnahmen, Schritte, Komponenten gelöst:

1. Eine Veredlung von Außen- und Innenoberflächen.
2. Eine(n) gasundurchlässige(n) Hülle, Mantel, der am Drehofen befestigt wird. Dieser Mantel enthält in vielen einzelnen, hermetisch dichten Kammern eine genau definierte Gasfüllung.
3. Befestigungselemente, durch welche Wärme nur langsam nach außen strömt.

Zu Punkt 1. Einführung des Begriffs „Infrarotsperre”
Grundsätzlich gilt für den Strahlungsschutz:
Schutz nach außen durch einen niedrigen Emissionsgrad auf der Außenseite.
Schutz nach innen durch einen hohen Reflexionsgrad auf der Innenseite.
Folgende Merkmale kennzeichnen das System im Detail:

a. Auf der Außenseite des Objekts wird eine dauerhafte Schicht oder Haut angebracht die gekennzeichnet ist durch einen sehr kleinen Emissionsgrad für Infrarote Strahlung (ε < 0,1). Demzufolge wird die Emissionsleistung von Wärme d. h. für Emissionen zwischen den Bereichen 10^–6 – 10^–3 m (Elektromagnetische Wellenlängen in [m] Infrarot = Wärmestrahlung), mit den Frequenzen zwischen 3·10¹¹ bis 3·10¹⁴ Hz auf ein Minimum reduziert.
b. Auf der Innenseite des Objekts wird eine Schicht oder Haut angebracht die gekennzeichnet ist durch eine hohe Reflektionsleistung. Demzufolge wird die Wärmestrahlung, wenn möglich, nahezu vollständig nach innen reflektiert.

Im Folgenden werden alle Beschichtungen dieser Art unter dem Begriff „Infrarotsperre” zusammengefasst. Die Infrarotsperre kann mehrlagig sein und verhindert dauerhaft Wärmeabstrahlung in die Umgebung.
Materialstärke der Infrarotsperre

Dauerhaft und dünn.

Unter der Voraussetzung, dass Emission und Absorption20

20: Aus dem Lehrbuch für Mikrotechnologie von Sabine Globisch: Siehe dazu Kapitel 11.4 „Absorption von Licht im Lacken".

I: = I_O e^–εd
I: Intensität an der Stelle d
I_O: Ausgangsintensität
ε: Emissionsgrad (Es liegt ein Fehler darin, wenn man so täte, als wäre der Emissionsgrad konstant. Der Emissionsgrad ε ist abhängig von Faktoren wie Wellenlänge, Oberflächenbeschaffenheit und Temperatur.)
e: 2,718
d: Stärke der Materialschicht.

Daraus folgt, dass die Stärke der Materialaußenschicht bereits nach wenigen hundert nm einen effektiven Schutz bietet und sehr klein sein darf. Bei 1 nm Stärke ist der höchst mögliche Emissionsschutz erreicht.
Materialbeschaffenheit der Infrarotsperre
Die Infrarotsperre besteht aus der Gitterstruktur sehr vieler metallischer Atome. Zusammengeschlossen bilden die Atome ein extrem großes Molekül mit einer geschlossenen, dichten Oberfläche, diese wird durch mechanische oder elektische Politur auf Hochglanz poliert. Die Oberfläche glänzt dauerhaft metallisch und ist unanfällig gegen Korrosion-Oxidation.
Bestandteile dieser Gitterstruktur sind die Atome: Fe, Si, Ti, Al, Cr, Cu, Ni, Zn, Zink, Sn, Wolfram, sowie die Edelmetalle Silber und Gold. In Verbindung mit der Temperatur wird für den Emissionsgrad ε mittelfristig ein Wert von 0,03 bei ~ 250°C angestrebt.
Ausführungen
Die Schichten können hergestellt werden:

1. Als Metallring aus Roll-, Band-, Glattblech mit polierter Oberfläche. Materialstärke: 1–2 mm.
2. Aus einer hitzebeständigen, metallischen oder metallbedampften Folie.
3. Als hochhitzebeständiger Thermolack, Thermofilm, oder Anstrich mit einer Lackschicht von ~10–1000 μm Stärke.
4. Durch chemische Verfahren wie Elektrolyse, elektrolytisches Polieren, Oxidation z. B.: Trockene Oxidation Si + O₂ = SiO₂ Feuchte Oxidation Si + HO₂ = SiO₂ + H₂

Eine überall, sofort anwendbare Maßnahme ist, ein eng anliegender, dünnwandigen Ring aus polirete Metall wie Kupfer, Cr, Nickel, Edelstahl oder Aluminium. Entscheidende Merkmale sind: hoher metallischer Glanz und Korrosionsschutz. Als Träger eignen sich nichtrostende ChromStähle wie: X2CrNi19-11, X20Cr13, X6Cr17, X2CrNi18-9, X10CrNi18-8 und X12CrNi17.7. Beispiele für Unterschiede im Emissionsgrad ε sind (Auszug aus Tabelle 32 „Emissionsgrade” von Kuchlings Taschenbuch der Physik.):

Oberflächenbeschaffenheit		t/°C		Emissionsgrad ε
Schwarzer Körper		-	ε	1
Stahlblech	verrostet	20	ε verrostet	0,85
Stahlblech	vernickelt	20	ε vernickelt	0,06
Edelstahl	poliert	100	ε VA poliert	0,06
Kupfer	poliert	300	ε Cu poliert	0,01
Aluminium	poliert	20	ε vernickelt	0,04
Thermolack (Hochhitzebeständiger Thermolack, hitzefest bis 500°C: Silberbronze, Aluminiumbronze und andere.)	Anstrich	100	ε Alubronze	0,55
Nickel	poliert	1000	ε Nickel 1000°C	0,19
Wolfram	nicht oxydiert	2000	ε Wolfram 2000°C	0,28

Zu Punkt 2. Einführung des Begriffs „Thermische Hülle”
Auf der Außenseite des Drehofens kann eine leichte, reißfeste und hitzebeständige Hülle (oder Mantel) angebracht werden. Diese Hülle (Mantel) wird am Umfang des Drehofens fixiert, z. B. gewickelt oder geklebt und reicht über die gesamte Länge des Drehofens. Im Inneren der Hülle befinden sich viele kleine Kammern, die Bags. In den Bags befindet sich, hermetisch eingeschlossen, ein einzelnes Gas. Bei steigender Temperatur dehnen sich die Bags so aus, dass die thermische Hülle insgesamt den Drehofen eng, dicht und vollständig umschließt; ähnlich wie ein gut aufgeblasener (Reifen-)Schlauch eine Felde umspannt.
Als Material für die thermische Hülle kommen metallische Folien, mineralische Gewebe sowie Kunststofffolien in Frage. Die Bags werden durch Verklebungen, Schweißnähte und Kupplungen miteinander verbunden. Die Gasbefüllung der Bags erfolgt über kleine Spezialventile. Gasbags auf der Innenseite erreichen eine hohe Temperatur, leiten aber nur langsam Wärme nach Außen. Dementsprechend kühler sind die Gasbags auf der Außenseite.
Materialanforderungen an die thermische Hülle
Einige Bedingungen müssen für eine derartige Dämmung erfüllt werden:

a. Die Hülle muss langfristig stabil und absolut dicht bleiben. Das Material darf weder rissig noch spröde werden.
b. Die Gasmoleküle dürfen nicht entweichen. Deshalb müssen sie ggf. eine bestimmte Mindestgröße haben.
c. Die physikalischen Eigenschaften von Gasen haben einen großen Einfluss auf ihre Wärmeleitfähigkeit. (Dazu ein Kapitel im Nachtrag): 1. Eine Folge der allgemeinen Gaseigenschaften ist, dass nur ein einziges Gas in den Gasbags eingeschlossen sein darf. 2. Unbewegte Gase sind ausgezeichnete Dämmstoffe. Ziel der thermischen Hülle ist es, dass das eingeschlossene Gas, relativ gesehen, in Ruhe also unbewegt bleibt. Dies wird durch die Form und Größe der Bags ermöglicht. Gasbewegungen oder gar Gasströmungen müssen unbedingt vermieden werden. 3. Die Kinetische Energie von Gasen hat einen großen Einfluss auf ihre Wärmeleitfähigkeit. Diese ist unter anderem abhängig von den Freiheitsgraden eines Gases (Anmerkung: Die hier erwähnten Anforderungen, möglichst große Gasmoleküle und möglichst kleine Freiheitsgrade sind gegenläufige Eigenschaften.).

Für die Gasfüllung25

25: Die beste Isolation ist Vakuum. Hervorragende Isolatoren sind Edelgase: Ar und He.

₄

₂

Abschluss
Als Abschluss sind denkbar:

1. Eine übliche LKW-Plane, dazu Befestigungsgurte Oder
2. Ein Stahlmantel von 1–2 mm Stärke.

Für den Fall, dass als Abschluss ein Stahlmantel zum Einsatz kommt, wird an dieser Stelle ein Montageelement vorgestellt, das als „Wärmeschloss”, kurz WS, bezeichnet wird.
Einführung des Begriffs „Wärmeschloss” kurz WS

Ein Wärmeschloss ist ein quadratisches Bauteil. Die Einzelteile eines WS haben einfache Formen: Es sind Blöcke, Rahmen und Klemmstücke. Jedes Einzelteil besteht aus einem unterschiedlichen Material. Die Fertigungstoleranzen liegen in engen Grenzen, zum Teil im μm-Bereich.

Aufgaben und Funktionen eines Wärmeschlosses

Für ein Wärmeschloss gilt:

1. Bei steigender Temperatur nimmt der Wärmedurchfluss ab (Gemeint ist die relative Wärmedurchflussmenge in Bezug auf die Temperatur.). Das Verhältnis von Wärmezufuhr auf der Eingangsseite, gegenüber der Wärmeabfuhr auf der Ausgangsseite, liegt bei ungefähr 45 zu 1.
2. Bei steigender Temperatur nimmt die Stabilität zu (Im Gegensatz zu einem Gewinde nimmt die Reibungskraft in einem Wärmeschloss bei steigender Temperatur zu. Für Gewinde gilt: Bei jedem Temperaturanstieg wächst der Abstand zwischen Innen- und Außengewinde.). Der Zusammenhang zwischen Temperaturanstieg und Stabilität eines Wärmeschlosses ist linear proportional: Auf jeden Temperaturanstieg folgt ein Festigkeitsanstieg, kurz ausgedrückt: ΔT ~ ΔF.

– Material- und Gewichtseinsparung
– Vereinfachte Herstellung
– Kleine Kontaktflächen für die Wärmeübertragung

a. Für die Stabilität eines WS sind die Klemmstücke aus Aluminium von entscheidender Bedeutung, diese befinden sich aufgrund ihrer Lage fest eingeschlossen zwischen dem Eisenrahmen und Steinblock. Da die Wärmeausdehnung von Aluminium höher ist als die der benachbarten Materialien, steigen die Druckkräfte der Klemmstücke proportional zur Temperatur. Die Wärmeausdehnungskoeffizienten a = [10^–6] für Aluminium, Eisen und Stein sind wie folgt: a_Aluminium = 22 a_Eisen = 12 a_{Schamottsteine} = 5
b. Für den Wärmestrom sind zwei Faktoren von entscheidender Bedeutung: i. Die Querschnittsflächen und ii. die Wärmekapazität bzw. -leitfähigkeit der einzelnen Bauteile Querschnitte Wie erwähnt ist insbesondere in der zweiten Variante eine WS der äußere Eisenrahmen über Klemmstücke, Stege aus Aluminium, mit dem Innenkern verbunden. Die Bauteile aus Eisen und Stein stehen also indirekt in Kontakt miteinander. Diese Stege haben, im Vergleich zur gesamten Oberfläche aller Bauteile, kleine Querschnitte, eine geringe Wärmekapazität und kleine Kontaktflächen zu den Nachbarteilen. Die Wärme strömt vom Eisen – einem guten Wärmeleiter – durch die kleinen Querschnitte aus Aluminium in den Steinkern – einem schlechten Wärmeleiter. Durch diese Stege wird eine direkte, vollflächige Wärmeübertragung vermieden. Das Verhältnis aller Kontaktflächen zur gesamten Oberfläche steht ungefähr im Verhältnis von 1 zu 100. Dementsprechend wird der Wärmestrom gehemmt. Wärmeleitfähigkeit Ein üblicher Wert für die Wärmeleitfähigkeit λ von Schamottsteinen ist 1 W/(m K). Keramik erreicht durchaus niedrigere Werte. Das Verhältnis der Wärmeleitfähigkeit von Stein und Eisen ist ungefähr 1 zu 55. Durch diesen Unterschied wird die Wärmeleitfähigkeit insgesamt sehr stark herabgesetzt. Der übertragende Teil des Wärmestroms wird entkoppelt und die Gefahr einer Wärmebrücke, das heißt der direkte Abfluss von bedeutenden Wärmemengen, abgewendet. Als Vergleich denke man an einen Kachelofen. Die Oberfläche eines Kachelofens ist ungefähr 200°C warm, man sich trotzdem nicht, weil die Wärmeleitfähigkeit sehr niedrig ist.

A_Aluminium = 22 > a_Eisen = 12 > a_{Schamottsteine} = 5 a = [10^–6] m bzw. 4:2:1

λ_Aluminium ~ 220 > λ_Eisen ~ 45 > λ_{Schamottsteine} ~ 1.

Die Einzelteile werden bei Raumtemperatur zusammen gefügt. Bei Temperaturanstieg steigt die Spannung aufgrund der Wärmeausdehnung des Aluminiumrahmens (Bild 23 rechts). Der Steinkern hat eine Nut zur Aufnahme eines Tragarms. Der Wärmestrom durch den Stein ist aufgrund seiner Wärmeleitfähigkeit geringer als dies bei Metall ist. 12 oder mehr Wärmeschlösser können am Umfang eines Drehofen durch ein Spanglied, Gurte oder Ketten fixiert werden.

Der Steinblock des Wärmeschlosses wird mit einem ca. 1 Meter langen Tragarm starr verbunden. Das Material des Tragarms ist metallisch-, keramisch- oder kohlefaserverstärkt. Er ist daher massearm, jedoch steif.

Hauptanforderungen an den Tragarm sind:

a- Geringes Gewicht
b- Hohe Festigkeit
c- Niedrige Wärmeleitfähigkeit

Beschreibung und Funktion
Das Mittelstück ist ein L-Winkel mit einem langen Schenkel von 30–100 cm Länge und einem kurzen Schenkel von 5–10 cm Länge. Der obere Schenkel geht in eine Bogenform über die passend zum Abschlussblech ist. Die „Thermische Hülle” (Bild 29) kann am Tragarm fixiert werden, so dass der Arm die Bags wie ein Segel mit sich zieht.
In jedem Wärmeschloss wird ein Tragarm gesetzt.
Vorteile der Erfindung:
Durch die Erfindung wird an zwei Stellen gespart:

– Beim Ankauf von Energie
– Im Handel von Verschmutzungs-, sogenannten Emissionsrechten.

Hintergrundinformation
Energie
Beim Kauf von Energie gilt der Grundsatz:
Je höher der Verbrauch, je größer die Abnahmemenge, umso preiswerter die Energieeinheit.
Emissionshandel
Der Handel mit Emissionsrechten ist komplizierter, weil er von vielen Privilegien flankiert wird.

1. Große internationale Unternehmen, wie Flugverkehrsgesellschaften, sind vom Zertifikathandel vollständig befreit.
2. Für die emissionshandelspflichtigen Unternehmen gibt es branchenabhängige kostenlose Zuteilungen. So bekommt das verarbeitende Gewerbe den größten Teil der Zertifikate kostenlos zugeteilt, während die Energiebranche einen großen Teil zukaufen muss.
3. Einige bekommen sogar mehr Zertifikate als sie benötigen, was eine Art von Subvention

Zuteilung2012_VET-Bericht2009.pdf www.umweltbundesamt.de/emissionshandel

Zuständig für die Zuteilung von Zertifikaten ist die Deutsche Emissionshandelsstelle (DEHSt)29

29: Angesiedelt beim Umweltbundesamt.

30

30: Am 16.04.13 hat das europäische Parlament mit 334 zu 315 Stimmen gegen den Vorschlag der EU Kommission gestimmt „900 Millionen Zertifikate vom Markt zu nehmen”.

₂

31

31: CO₂-Zertifikate werden an der Börse, z. B. auf Exx.com gehandelt.

₂

Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass Kosteneinsparungen beim Kauf von Energie und im Zertifikathandel mit Emissionsrechten möglich sind. Hinzu kommt die Abfallvermeidung von Nitriden, Carbiden, Boriden und anderen Nebenprodukten. Darüber hinaus werden die Anlage, die Mitarbeiter und die Umwelt geschont.
Energieverbrauch bezogen auf die Zementindustrie
Für die Herstellung von Zement sind ungefähr 3000 kJ/kg notwendig. Der Stromverbrauch liegt bei ungefähr 100 KWh/t. Zu Beginn dieser Arbeit wurde das Einsparungspotential für den Betrieb eines Drehrohrofens auf 25% geschätzt. Das Einsparungspotential für Zement und Klinker wird auf 5% bis 10% geschätzt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

www.vdzement.de/1565.html [0008]
http://commons, wikimedia.org/wiki/File:Klimadiagramm-Geisenheim-Deutschland-metrisch-deutsch.png [0019]
Lehrbuch für Mikrotechnologie von Sabine Globisch: Siehe dazu Kapitel 11.4 „Absorption von Licht im Lacken” [0033]
Zuteilung2012_VET-Bericht2009.pdf www.umweltbundesamt.de/emissionshandel [0051]

Claims

Es wird Anspruch erhoben auf die Veredlung der Außenoberfläche eines Drehofens. Gekennzeichnet durch eine neue Haut oder mehrlagige Schicht mit einem kleinen Emissionsgrad ε, so dass elektromagnetische Emissionen, sogenannte Wärmestrahlung (Bild 30), deutlich reduziert wird. Der Emissionsgrad der gesamten Brenner-Außenoberfläche ε kann, bei Temperaturen von 200–250°C, auf ε < 0,15 eingestellt werden. Derzeit liegt dieser Wert über 0,85.
Es wird Anspruch erhoben auf die Veredlung der Innenoberflächen eines Drehofens. Gekennzeichnet durch eine neue Haut oder mehrlagige Schicht mit einem hohen Reflexionsvermögen, so dass Wärmestrahlung möglichst vollständig nach innen reflektiert wird. Bereits reine Cu-Spiegel erreichen einen Reflexionsgrad von 99% (Der Reflexionsgrad ist Wellenlängen-abhängig. Für bestimmte Wellenlänge kann eine sehr hohe Reflexion erreicht werden.).
Es wird Anspruch erhoben auf eine leichte, reißfeste, gasundurchlässige Hülle, die am Drehofen fixiert wird und die gesamte Brenneroberfläche umschließt. Die Hülle ist dadurch gekennzeichnet, dass sich im Inneren ein einzelnes Gas befindet, z. B. CO₂ oder CH₄. Dieses Gas ist in vielen kleinen, dehnbaren Kammern oder Beuteln – den Bags hermetisch eingeschlossen. So schwebt ein Gasring um den Brenner bzw. rotiert mit dem Drehofen um die Rotationsachse (Bild 31). Gasströmungen finden allerdings nicht statt. Das Gas bleibt während der Rotation „in Ruhe”. Der Anspruch 3 wird unter dem Begriff „Thermische Hülle” zusammengefasst.
Es wird Anspruch erhoben auf ein Befestigungselement, welches als Wärmeschloss bezeichnet wird und ausführlich im Abschnitt [0045–0046] beschrieben wurde. Dieses Bauteil wird als alternatives Montageelement vorgeschlagen um Wärmebrücken zu vermeiden. Das Prinzip wird anhand einer Zeichnung und eines Fotos erklärt. Das Wärmeschloss in Bild 32 besteht aus 6 Einzelteilen, die so zusammengesetzt sind, dass zwei Materialeigenschaften – die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmeausdehnung – den Wärmestrom regeln. Die Einzelteile sind durch unterschiedliche Materialien, Formen und Querschnitte gekennzeichnet. Zusammen wirken sie wie ein Sperrventil für die Wärmeströmung. So wird die Geschwindigkeit, mit der eine Wärmemenge Q von einer warmen Seite zu einer kühlen Seite strömt, ungefähr um den Faktor 45 verlangsamt. Es bildet sich ein großer Temperaturgradient ΔT/Δx zum Inneren, so dass nur wenig Wärme in einen Tragarm weitergeleitet wird. Durch die unterschiedliche Wärmeausdehnung der Einzelteile steigt gleichzeitig die Stabilität proportional zum Temperaturanstieg.
Es wird der Hauptanspruch erhoben die Ansprüche 1 bis 4 zu einem System zusammenzufassen, welches als „Thermische Verpackung” (Bild 33) bezeichnet wird. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Prinzipien von James Dewar – Vakuum und Strahlungsschutz – von einer Thermoskanne auf Industrieöfen übertragen werden und durch eine adiabatische Verpackung ergänzt werden. Insbesondere Drehrohröfen können dadurch so dicht abschließen wie eine Thermoskanne.
Es wird Anspruch auf eine Software erhoben. Ein EDV-Programm zur Berechnung der notwendigen Parameter um den Anspruch (5) einer „Thermischen Verpackung” zu erfüllen, dazu gehört die Bestimmung von: Material und Temperaturlauf, Geometrie und Maß, Konstruktionsplan und Montageplan, etc., so dass für jede Form und jeden Körper eine „Thermische Verpackung” errechnet werden kann.
Es wird Anspruch erhoben die „Thermische Verpackung” aus Anspruch (5) auf andere Objekte zu übertragen. Ein Beispiel sind Gebäude mit Eternitdächern, wie üblich bei beheizten Tennishallen. Eine Infrarotsperre und eine thermische Hülle auf der Außenseite dieser Eternitdächer kann Heizkosten reduzieren.
Es wird Anspruch erhoben auf eine flexible und bewegliche Kabelverlegung unter Wasser. Der eingesparte sekundäre Brennstoff, das sind vor allem Reifen, kann auf Kabelstränge aufgefädelt werden. Wenn in jedem Reifen eine Luftblase eingeschlossen ist, kann eine beliebig lange Reifenkette einen beliebig langen Kabelstrang unter Wasser in der Schwebe halten oder zum Tauchen bringen. Mehrere Gründe sprechen für eine schwebende Kabelverlegung unter Wasser, und gegen eine Verlegung auf dem Seegrund: a. Die Wartung oder Bergung des gesamten Kabels ist möglich, sogar relativ einfach. b. Die Leitungslänge verkürzt sich um schätzungsweise 30%. c. Ein bewegliches Ziel ist ein schwieriges Ziel für Sabotageakte. d. Tektonische Gefahren, die mit einer Verlegung auf dem Seegrund verbunden sind, entfallen. e. Fischbestände finden an den schwebenden Körpern Schutz und Lebensraum für ihren Fortbestand.