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Die Erfindung betrifft eine Ofenanlage, insbesondere zur thermischen Behandlung von Bauteilen vor einem Presshärten, beispielsweise für die Herstellung von Teilen für eine Kraftfahrzeugkarosserie. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Ofenanlage.
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Industrieöfen werden üblicherweise mit einer Mehrzahl von Brennern beheizt. Diese werden oft mit gasförmigem Brennstoff, insbesondere mit Erdgas betrieben. Bei bekannten Ofenanlagen kommt es allerdings regelmäßig zu Schwankungen in der Heizleistung der Brenner, weil der verfügbare Brennstoff eine schwankende Zusammensetzung hat, was sich in der Regel in einem schwankenden Heizwert ausdrückt. Derartige Schwankungen in der Heizleistung der Brenner können die Temperaturregelung erschweren. Dieses Problem zeigt sich immer deutlicher, weil aufgrund der knapper werdenden fossilen Brennstoffe und aus Gründen des Klimaschutzes immer häufiger Brennstoffe mit Beimischungen verwendet werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, auch bei schwankender Brennstoffzusammensetzung einen optimalen Wirkungsgrad zu erzielen und eine besonders präzise Temperaturregelung zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Ofenanlage und einem Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die in den Ansprüchen und in der Beschreibung dargestellten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar.
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Erfindungsgemäß wird eine Ofenanlage vorgestellt. Die Ofenanlage umfasst:
- - eine Ofenkammer,
- - einen Brenner zum Beheizen der Ofenkammer,
- - eine mit dem Brenner verbundene erste Zuleitung für einen Brennstoff,
- - einen Sensor zur Analyse des Brennstoffs,
- - eine mit dem Brenner verbundene zweite Zuleitung für ein Sauerstoff enthaltendes Gas mit einer Einstelleinrichtung zum Einstellen eines Durchflusses des Sauerstoff enthaltenden Gases durch die zweite Zuleitung,
- - eine Steuereinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, mit der Einstelleinrichtung den Durchfluss des Sauerstoff enthaltenden Gases durch die zweite Zuleitung in Abhängigkeit eines Signals des Sensors einzustellen.
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Die Ofenanlage kann beispielsweise dazu genutzt werden, metallische Bauteile zu erwärmen, insbesondere metallische Kraftfahrzeugteile. Insbesondere kann die Ofenanlage dazu genutzt werden, Bauteile vor einem Presshärten thermisch zu behandeln. Denkbar ist aber auch ein Einsatz für einen beliebigen anderen Zweck, bei dem eine Ofenanlage benötigt wird.
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Die Ofenanlage umfasst eine Ofenkammer und einen oder mehrere Brenner zum Beheizen der Ofenkammer. Die Brenner können ganz oder teilweise innerhalb der Ofenkammer angeordnet sein. Die Brenner sind vorzugsweise dazu eingerichtet, mit einem gasförmigen Brennstoff betrieben zu werden, insbesondere mit Erdgas. Allerdings können die Brenner auch mit verschiedenen anderen Brennstoffen betrieben werden, beispielsweise mit einem Gemisch aus brennbaren Gasen wie Wasserstoff und Methan. Es ist gerade ein Vorteil der beschriebenen Ofenanlage, dass die Brenner mit unterschiedlich zusammengesetztem Brennstoff betrieben werden können. Der Brennstoff kann sogar im Betrieb gewechselt werden, ohne dass eine bauliche Anpassung der Brenner erforderlich wäre. Die Ofenanlage ist also besonders flexibel hinsichtlich des verwendeten Brennstoffs. Anforderungen an die Zusammensetzung des Brennstoffs sind entsprechend gering. Das ist insbesondere mit Blick auf den Klimaschutz von Vorteil, weil beispielsweise die Beimischung von Wasserstoff oder Biomethan zum Brennstoff zum Klimaschutz beitragen kann. Mit der beschriebenen Ofenanlage können Wasserstoff und/oder Biomethan zum Brennstoff beigemischt werden, soweit diese verfügbar sind.
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Die Ofenanlage ist vorzugsweise eine industrielle Ofenanlage. Dazu werden nachfolgend vorzugsweise vorliegende Merkmale der Ofenanlage genannt, an denen dies zu erkennen ist. Die Ofenanlage ist vorzugsweise stationär. Vorzugsweise hat die Ofenkammer eine Ausdehnung von mehr als 1,5 m, insbesondere von mindestens 10 m in mindestens einer Richtung. Damit ist quantifiziert, dass die Ofenanlage für die industrielle Nutzung bestimmt und eingerichtet ist. Die Ofenanlage ist vorzugsweise als ein Rollenherdofen ausgebildet. Der Rollenherdofen hat vorzugsweise eine Länge von mindestens 10 m, insbesondere von mindestens 30 m. Unter der Länge des Rollenherdofens ist die Ausdehnung der Ofenkammer entlang der Richtung zu verstehen, in der Bauteile über Rollen durch die Ofenkammer bewegt werden können. Die Ofenanlage weist vorzugsweise mindestens 10, insbesondere sogar mindestens 50 Brenner auf. Vorzugsweise ist die Ofenanlage für eine Temperatur von mindestens 400 °C in der Ofenkammer eingerichtet, insbesondere von mindestens 600 °C.
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Die Ofenanlage umfasst weiterhin eine mit dem Brenner verbundene erste Zuleitung für einen Brennstoff. Sind mehrere Brenner vorgesehen, ist die erste Zuleitung vorzugsweise mit jedem der Brenner verbunden. Das kann beispielsweise dadurch der Fall sein, dass die erste Zuleitung für jeden der Brenner einen jeweiligen Abzweig aufweist, welcher von einem Hauptteil der ersten Zuleitung abzweigt. Die Ofenanlage kann einen Brennstoffeinlass aufweisen, über welchen der Brennstoff von außerhalb der Ofenanlage in die erste Zuleitung eingespeist werden kann. So kann die Ofenanlage an ein öffentliches Gasnetz angeschlossen sein. Alternativ kann die erste Zuleitung von einer Brennstoffquelle zu dem Brenner beziehungsweise zu den Brennern führen, wobei die Brennstoffquelle Teil der Ofenanlage ist. Die Brennstoffquelle kann ein Tank sein.
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Die Ofenanlage umfasst weiterhin einen Sensor zur Analyse des Brennstoffs. Der Sensor ist vorzugsweise dazu eingerichtet, eine chemische Zusammensetzung des Brennstoffs zu analysieren. Alternativ kann der Sensor dazu eingerichtet sein, den Heizwert des Brennstoffs zu bestimmen. Dieser ergibt sich aus der chemischen Zusammensetzung.
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Der Sensor ist vorzugsweise in die erste Zuleitung integriert. Das kann dadurch ausgedrückt werden, dass die Ofenanlage eine mit dem Brenner verbundene erste Zuleitung für einen Brennstoff mit einem Sensor zur Analyse des Brennstoffs umfasst. Die Messung mit dem Sensor kann inline erfolgen. Dabei wird der Brennstoff analysiert, während dieser am Sensor vorbei durch die erste Zuleitung strömt. Dies hat den Vorteil, dass die chemische Zusammensetzung des Brennstoffs kontinuierlich überwacht werden kann. Alternativ kann der Sensor zur offline-Analyse von Proben des durch die erste Zuleitung strömenden Brennstoffs eingerichtet sein. Damit kann die chemische Zusammensetzung des Brennstoffs zwar nur punktuell analysiert werden. Dies ist allerdings meist ausreichend, weil sich die chemische Zusammensetzung des Brennstoffs meist nur auf einer größeren Zeitskala verändert.
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Alternativ ist es auch denkbar, dass der Sensor dazu eingerichtet ist, den Brennstoff zu analysieren, bevor der Brennstoff in die erste Zuleitung eingeleitet wird. Beispielsweise kann der Sensor an einer Brennstoffquelle angeordnet sein, um den Brennstoff in der Brennstoffquelle zu analysieren.
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Die Ofenanlage umfasst weiterhin eine mit dem Brenner verbundene zweite Zuleitung für ein Sauerstoff enthaltendes Gas. Das Sauerstoff enthaltende Gas ist vorzugsweise Luft. Allerdings können die beschriebenen Vorteile auch erzielt werden, wenn das Sauerstoff enthaltende Gas von der Definition von Luft abweicht. Für den Betrieb des Brenners genügt es, dass diesem neben dem Brennstoff auch Sauerstoff zugeleitet wird. Vorzugsweise liegt ein Sauerstoffanteil in dem Sauerstoff enthaltenden Gas bei mindestens 10 %, insbesondere zwischen 10 und 50 %. Sind mehrere Brenner vorgesehen, ist die zweite Zuleitung vorzugsweise mit jedem der Brenner verbunden. Das kann beispielsweise dadurch der Fall sein, dass die zweite Zuleitung für jeden der Brenner einen jeweiligen Abzweig aufweist, welcher von einem Hauptteil der zweiten Zuleitung abzweigt. Die zweite Zuleitung führt vorzugsweise von einer Ansaugstelle für Umgebungsluft zu dem Brenner beziehungsweise zu den Brennern. Alternativ kann die Ofenanlage auch eine Quelle für das Sauerstoff enthaltende Gas aufweisen, beispielsweise einen Tank. In dem Fall führt die zweite Zuleitung von der Quelle für das Sauerstoff enthaltende Gas zu dem Brenner beziehungsweise zu den Brennern. Als weitere Alternative kann die Ofenanlage einen Einlass für das Sauerstoff enthaltende Gas aufweisen, über welchen das Sauerstoff enthaltende Gas von außerhalb der Ofenanlage in die zweite Zuleitung eingespeist werden kann.
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In der zweiten Zuleitung ist eine Einstelleinrichtung zum Einstellen eines Durchflusses des Sauerstoff enthaltenden Gases durch die zweite Zuleitung vorgesehen. Die Einstelleinrichtung kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass über diese eine einstellbare Menge Umgebungsluft angesaugt und in die zweite Zuleitung eingeleitet werden kann. Beispielsweise kann die Einstelleinrichtung ein Gebläse sein, welches Umgebungsluft in die zweite Zuleitung einleitet. Alternativ oder zusätzlich kann die Einstelleinrichtung durch ein Regelventil realisiert sein, über welches der Durchfluss des Sauerstoff enthaltenden Gases durch die zweite Zuleitung eingestellt werden kann. Allgemein ist die Einstelleinrichtung dazu eingerichtet, auf den Druck in der zweiten Zuleitung einzuwirken (wie dies bei einem einstellbaren Gebläse der Fall ist) und/oder lokal auf einen Strömungsquerschnitt der zweiten Zuleitung einzuwirken (wie dies bei einem Regelventil der Fall ist). Der Durchfluss des Sauerstoff enthaltenden Gases durch die zweite Zuleitung kann über einen oder beide dieser Parameter beeinflusst werden.
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Weiterhin umfasst die Ofenanlage eine Steuereinrichtung. Diese ist dazu eingerichtet, mit der Einstelleinrichtung den Durchfluss des Sauerstoff enthaltenden Gases durch die zweite Zuleitung in Abhängigkeit eines Signals des Sensors einzustellen. Ziel ist es dabei, dass die vom Brenner abgegebene Heizleistung möglichst konstant gehalten wird, auch wenn sich die chemische Zusammensetzung des Brennstoffs mit der Zeit verändert und der Brennstoff dadurch eine mit der Zeit veränderlichen Heizwert hat. Das ist insbesondere von Vorteil, wenn der Brennstoff Erdgas ist oder Erdgas umfasst. Erdgas kann mit verschiedenen chemischen Zusammensetzungen vorliegen, so dass besonders bei Verwendung von Erdgas mit Schwankungen der chemischen Zusammensetzung zu rechnen ist. Auch ist dies von Vorteil, wenn der Brennstoff Beimischungen wie Biomethan oder Wasserstoff enthält. Insbesondere durch die wie beschrieben eingerichtete Steuereinrichtung wird daher mit der Ofenanlage auch bei schwankender Brennstoffzusammensetzung ein optimaler Wirkungsgrad erzielt und eine besonders präzise Temperaturregelung ermöglicht.
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Idealerweise wird die von dem Brenner abgegebene Heizleistung konstant gehalten. Die Steuereinrichtung ist daher vorzugsweise dazu eingerichtet, mit der Einstelleinrichtung den Durchfluss des Sauerstoff enthaltenden Gases durch die zweite Zuleitung in Abhängigkeit eines Signals des Sensors derart einzustellen, dass eine von dem Brenner abgegebene Heizleistung konstant gehalten wird. Es ist aber bereits vorteilhaft, wenn Schwankungen in der Heizleistung nicht vollständig vermieden, sondern nur reduziert werden. Die Steuereinrichtung ist daher vorzugsweise dazu eingerichtet, mit der Einstelleinrichtung den Durchfluss des Sauerstoff enthaltenden Gases durch die zweite Zuleitung in Abhängigkeit eines Signals des Sensors derart einzustellen, dass eine Schwankung der von dem Brenner abgegebenen Heizleistung so gering wie möglich gehalten wird. Insbesondere kann die Steuereinrichtung dazu eingerichtet sein, mit der Einstelleinrichtung den Durchfluss des Sauerstoff enthaltenden Gases durch die zweite Zuleitung in Abhängigkeit eines Signals des Sensors derart einzustellen, dass eine von dem Brenner abgegebene Heizleistung um nicht mehr als einen vorgegebenen Grenzwert um einen Mittelwert schwankt. Der Grenzwert beträgt vorzugsweise 20 %, insbesondere 5 %, des Mittelwertes.
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Um das vorstehend Beschriebene zu erreichen, wird der Brennstoff analysiert, vorzugsweise in der ersten Zuleitung. Daraus ergibt sich eine in die Steuereinrichtung als Eingangsgröße eingehende Messgröße. Beispielsweis kann der Anteil einer bestimmten Substanz in dem Brennstoff als Messgröße verwendet werden. Besonders bevorzugt ist dabei der Wasserstoffanteil im Brennstoff. Auch können die jeweiligen Anteile mehrerer bestimmter Substanzen in dem Brennstoff als Messgrößen verwendet werden, beispielsweise von Wasserstoff und Methan. Das kann dadurch realisiert sein, dass in dem vom Sensor ausgegebenen Signal entsprechend mehrere Parameter kodiert sind. Alternativ oder zusätzlich kann in dem von dem Sensor ausgegebenen Signal der Heizwert des Brennstoffs kodiert sein. Dieser ergibt sich aus der chemischen Zusammensetzung des Brennstoffs und kann beispielsweise in einer Sensorelektronik aus dieser bestimmt werden.
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Aus dem vom Sensor ausgegebenen Signal wird in der Steuereinrichtung ein Stellsignal für die Einstelleinrichtung generiert. Das kann beispielsweise anhand einer in der Steuereinrichtung hinterlegten Wertetabelle oder mathematischen Funktion erfolgen. Die Wertetabelle beziehungsweise die mathematische Funktion können in Versuchen erstellt werden.
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In Reaktion auf die Ausgabe des Stellsignals kann die Einstelleinrichtung eingestellt werden. Die Einstelleinrichtung wird anhand des Stellsignals eingestellt, woraus sich ein entsprechender Durchfluss durch die erste Zuleitung ergibt. Möglich ist auch, dass das ausgegebene Stellsignal als Sollwert verwendet wird, auf welchen die Einstelleinrichtung den Durchfluss durch die erste Zuleitung regelt. In dem Fall ist die Einstelleinrichtung als eine Regeleinrichtung ausgebildet.
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Durch die in der Steuereinrichtung hinterlegte Abhängigkeit zwischen einzustellendem Durchfluss des Sauerstoff enthaltenden Gases durch die zweite Zuleitung und der Analyse des Brennstoffs kann das Ziel erreicht werden, dass die von dem Brenner abgegebene Heizleistung auch bei schwankender Brennstoffzusammensetzung konstant bleibt. So kann je nach Brennstoffzusammensetzung eine entsprechende Sauerstoffmenge bereitgestellt werden. Dadurch kann im Brenner ein für die jeweilige Brennstoffzusammensetzung optimales Verhältnis zwischen Brennstoff und Sauerstoff erreicht werden. Vorzugsweise wird ein stöchiometrisches Verhältnis erreicht.
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In vielen Anwendungsfällen kann angenommen werden, dass der Sauerstoffgehalt des Sauerstoff enthaltenden Gas konstant ist. Insbesondere bei Verwendung von Umgebungsluft ist das der Fall. Denkbar ist aber auch, dass der Sauerstoffgehalt des Sauerstoff enthaltenden Gases gemessen und berücksichtigt wird. So kann die Ofenanlage einen Sauerstoffsensor aufweisen, der dazu eingerichtet ist, den Sauerstoffgehalt in dem Sauerstoff enthaltenden Gas in der zweiten Zuleitung oder vor Eintritt des Sauerstoff enthaltenden Gases in die zweite Zuleitung zu messen. Die Steuereinrichtung kann dazu eingerichtet sein, mit der Einstelleinrichtung den Durchfluss des Sauerstoff enthaltenden Gases durch die zweite Zuleitung in Abhängigkeit eines Signals des Sensors zur Analyse des Brennstoffs und in Abhängigkeit eines Signals des Sauerstoffsensors einzustellen.
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Die Brenner können in Gruppen angeordnet sein. In dem Fall sind vorzugsweise für jede Gruppe eine jeweilige erste Zuleitung und eine jeweilige zweite Zuleitung vorhanden. Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise dazu eingerichtet, alle Gruppen jeweils so zu steuern, wie dies hierin für den mindestens einen Brenner beschrieben ist. Denkbar ist aber auch, dass jede Gruppe eine eigene Steuereinrichtung hat.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Ofenanlage ist der Sensor dazu eingerichtet, zumindest einen Wasserstoffanteil im Brennstoff zu bestimmen.
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In dieser Ausführungsform ist die Ofenanlage besonders gut für Brennstoff geeignet, dem jedenfalls zeitweise Wasserstoff beigemischt wird. Eine derartige Beimischung ist aus klimaschutzgründen vorteilhaft. Die beschriebene Ofenanlage kann selbsttätig reagieren, wenn die Wasserstoffbeimischung begonnen oder beendet wird oder wenn sich die pro Zeit beigemischte Menge des Wasserstoffs ändert. So kann der Wasserstoff dem Brennstoff beispielsweise je nach Verfügbarkeit des Wasserstoffs beigemischt werden, ohne dass eine manuelle Anpassung der Ofenanlage erforderlich wäre.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Ofenanlage ist die Einstelleinrichtung durch ein Gebläse mit einstellbarer Drehzahl gebildet.
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Mit dem Gebläse kann Umgebungsluft als das Sauerstoff enthaltende Gas angesaugt, verdichtet und in die zweite Zuleitung eingeleitet werden. Das gilt unabhängig davon, ob die Umgebungsluft tatsächlich die Definition von „Luft“ erfüllt. Auch ist es denkbar, dass das Gebläse ein Sauerstoff enthaltendes Gas aus einer anderweitigen Quelle ansaugt. Es wird daher auch hier allgemein von „Sauerstoff enthaltendem Gas“ und nicht von „Luft“ gesprochen. Über die Drehzahl des Gebläses kann der Durchfluss des Sauerstoff enthaltenden Gases durch die zweite Leitung eingestellt werden. Die Einstellung der Drehzahl des Gebläses kann auch als eine Frequenzregelung bezeichnet werden.
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Alternativ oder zusätzlich zur Einstellung der Drehzahl können das Gebläse und/oder die zweite Zuleitung ein oder mehrere Regelventile aufweisen, über welche der Durchfluss des Sauerstoff enthaltenden Gases durch die zweite Zuleitung eingestellt werden kann beziehungsweise können. Auch ein derartiges Regelventil beziehungsweise derartige Regelventile können als Teil der Einstelleinrichtung betrachtet werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Ofenanlage weiterhin eine Lambda-Sonde zur Analyse von Rauchgas, welches bei Umsetzung des Brennstoffs aus der ersten Zuleitung mit dem Sauerstoff enthaltenden Gas aus der zweiten Zuleitung entsteht.
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Das Rauchgas entsteht, wenn der Brennstoff aus der ersten Zuleitung mit dem Sauerstoff enthaltenden Gas aus der zweiten Zuleitung umgesetzt wird. Mit Lambda-Sonde kann dieses Rauchgas analysiert werden. Vorzugsweise ist die Lambda-Sonde dazu eingerichtet, jedenfalls einen Sauerstoffgehalt des Rauchgases zu bestimmen. Da das Rauchgas das Produkt der Umsetzung des Brennstoffs mit dem Sauerstoff enthaltenden Gas ist, kann der Sauerstoffgehalt im Rauchgas auch als Restsauerstoffgehalt bezeichnet werden. Die Kenntnis des Restsauerstoffgehaltes lässt Rückschlüsse auf die Verbrennung im Brenner zu. Mit der Lambda-Sonde kann die Verbrennung im Brenner optimiert werden. Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise dazu eingerichtet, ein Signal der Lambda-Sonde zu berücksichtigen.
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Alternativ oder zusätzlich zu der Lambda-Sonde umfasst die Ofenanlage weiterhin einen Sensor zur Bestimmung eines Kohlenmonoxidanteils in dem Rauchgas, welches bei Umsetzung des Brennstoffs aus der ersten Zuleitung mit dem Sauerstoff enthaltenden Gas aus der zweiten Zuleitung entsteht. Für die Anordnung dieses Sensors gilt das für die Lambda-Sonde Gesagte entsprechend.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Ofenanlage weiterhin einen mit der ersten Zuleitung und der zweiten Zuleitung verbundenen Referenzbrenner, wobei die Lambda-Sonde dazu eingerichtet ist, von dem Referenzbrenner erzeugtes Rauchgas zu analysieren.
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Die Umsetzung des Brennstoffs und des Sauerstoff enthaltenden Gases erfolgt unter anderem in dem Brenner. Es ist allerdings nicht erforderlich, dass das Rauchgas analysiert wird, welches tatsächlich in dem Brenner entsteht. Es genügt, dass Rauchgas analysiert wird, welches dem im Brenner entstehenden Rauchgas entspricht. Das ist in der vorliegenden Ausführungsform mit dem Referenzbrenner möglich. Diesem werden der Brennstoff aus der ersten Zuleitung und das Sauerstoff enthaltende Gas aus der zweiten Zuleitung so zugeleitet, dass im Referenzbrenner das gleiche Verhältnis zwischen dem Brennstoff und dem Sauerstoff enthaltenden Gas vorliegt wie in dem Brenner beziehungsweise in den mehreren Brennern. Im Referenzbrenner entsteht daher das gleiche Rauchgas wie in dem Brenner beziehungsweise in den Brennern. Der Referenzbrenner ist also repräsentativ für den Brenner beziehungsweise die Brenner.
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Der Referenzbrenner muss nicht dafür eingerichtet sein, die Ofenkammer zu beheizen. Selbst wenn der Referenzbrenner zum Beheizen der Ofenkammer beiträgt, muss der Referenzbrenner nicht speziell für diesen Zweck eingerichtet sein. So kann der Referenzbrenner stattdessen darauf ausgelegt sein, eine möglichst präzise und störungsfreie Analyse des Rauchgases zu ermöglichen. Vorzugsweise weist der Referenzbrenner eine geschlossene Brennerkammer auf. In dieser können der Brennstoff und das Sauerstoff enthaltende Gas ungestört von äußeren Einflüssen umgesetzt werden. Insbesondere kann so erreicht werden, dass neben dem Rauchgas nicht noch weitere Gase die Lambda-Sonde erreichen und das Messergebnis verfälschen. Die Lambda-Sonde ist vorzugsweise in einem Abgasrohr des Referenzbrenners angeordnet. Der Referenzbrenner ist vorzugsweise als ein Pilotbrenner ausgebildet.
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Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass das Rauchgas analysiert wird, welches in dem Brenner entsteht. Im Falle von mehreren Brennern ist es alternativ oder zusätzlich möglich, dass das Rauchgas analysiert wird, welches in einem, einigen oder allen der Brenner erzeugt wird. Wird das Rauchgas analysiert, welches an mehreren verschiedenen Stellen entsteht (beispielsweise in mehreren Brennern), kann die Lambda-Sonde in einer Sammelleitung angeordnet sein, in welcher das Rauchgas der verschiedenen Stellen gesammelt wird. Alternativ oder zusätzlich können auch mehrere Lambda-Sonden verwendet werden, deren Signale miteinander kombiniert werden, beispielsweise durch Mittelwertbildung.
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Auch das zu der vorliegenden Ausführungsform zur Positionierung der Lambda-Sonde Beschriebene gilt entsprechend für den vorzugsweise vorliegenden Kohlenmonoxidsensor beziehungsweise für mehrere vorzugsweise vorliegende Kohlenmonoxidsensoren. Hier kommt allerdings noch die weitere Alternative hinzu, dass der Kohlenmonoxidsensor auch in einem Abgasrohr angeordnet sein kann, über welches Rauchgas aus der Ofenkammer herausgeführt werden kann. Das ist möglich, weil in den meisten Anwendungsfällen Kohlenmonoxid in der Ofenkammer - im Gegensatz etwa zu Sauerstoff - notwendigerweise aus dem Rauchgas des Brenners beziehungsweise der Brenner stammt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Ofenanlage weiterhin einen Regler in der ersten Zuleitung, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, mit dem Regler einen Durchfluss des Brennstoffs durch die erste Zuleitung in Abhängigkeit eines Signals der Lambda-Sonde einzustellen.
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In dieser Ausführungsform wird die Analyse des Rauchgases mittels der Lambda-Sonde dazu verwendet, den Durchfluss des Brennstoffs durch die erste Zuleitung einzustellen. Insoweit kann die Verbrennung in dem Brenner optimiert werden. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, den Restsauerstoffgehalt auf einen vorgegebenen Sollwert zu regeln, insbesondere auf einen vorgegebenen Sollwert im Bereich von 1 bis 10 %, insbesondere auf 4 %. Das ist durch Einstellung des Durchflusses des Brennstoffs durch die erste Zuleitung möglich, weil sich die Menge des verbrannten Brennstoffs auf den Restsauerstoffgehalt auswirkt. Der Regler ist vorzugsweise ein Druckregler, insbesondere ein Ventil.
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Alternativ kann mit einem Sensor zur Analyse eines Kohlenmonoxidanteils im Rauchgas der Kohlenmonoxidanteil im Rauchgas auf einen entsprechenden Sollwert geregelt werden. Das ist durch Einstellung des Durchflusses des Brennstoffs durch die erste Zuleitung möglich, weil sich die Menge des verbrannten Brennstoffs auf den Kohlenmonoxidanteil im Rauchgas auswirkt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Ofenanlage ist der Brenner ein Strahlrohrbrenner.
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Insbesondere durch die Verwendung von Strahlrohrbrennern zeigt sich, dass die beschriebene Ofenanlage für den industriellen Einsatz bestimmt und eingerichtet ist.
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Als ein weiterer Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb einer Ofenanlage vorgestellt. Das Verfahren umfasst:
- a) Zuleiten eines Brennstoffs und eines Sauerstoff enthaltenden Gases zu einem Brenner zum Beheizen einer Ofenkammer der Ofenanlage,
- b1) Analysieren des dem Brenner zugeleiteten Brennstoffs,
- b2) Einstellen einer dem Brenner zugeleiteten Menge des Sauerstoff enthaltenden Gases in Abhängigkeit von der Analyse gemäß Schritt b1).
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Die beschriebenen Vorteile und Merkmale der Ofenanlage sind auf das Verfahren anwendbar und übertragbar, und umgekehrt. Die Ofenanlage ist vorzugsweise zum Betrieb gemäß dem beschriebenen Verfahren eingerichtet. Das Verfahren wird vorzugsweise mit der beschriebenen Ofenanlage durchgeführt.
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Schritt a) wird vorzugsweise kontinuierlich durchgeführt. Die Schritte b1) und b2) können einmalig, mehrfach zu diskreten Zeitpunkten, insbesondere periodisch, oder kontinuierlich durchgeführt werden. Die Schritte b1) und b2) werden vorzugsweise parallel zu Schritt a) durchgeführt. Eine zeitliche Abhängigkeit des Schritts b2) von Schritt b1) ergibt sich dabei lediglich insoweit, als dass der Schritt b2) das Ergebnis von Schritt b1) verwendet.
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In Schritt b1) wird vorzugsweise die chemische Zusammensetzung des Brennstoffs analysiert. Dabei wird vorzugsweise insbesondere ein Wasserstoffanteil des Brennstoffs bestimmt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin:
- c1) Analysieren eines Rauchgases, welches bei Umsetzung des in Schritt a) dem Brenner zugeleiteten Brennstoffs und Sauerstoff enthaltenden Gases entsteht,
- c2) Einstellen einer dem Brenner zugeleiteten Menge des Brennstoffs in Abhängigkeit von der Analyse gemäß Schritt c1).
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Die Schritte c1) und c2) können einmalig, mehrfach zu diskreten Zeitpunkten, insbesondere periodisch, oder kontinuierlich durchgeführt werden. Die Schritte c1) und c2) werden vorzugsweise parallel zu Schritt a) durchgeführt. Eine zeitliche Abhängigkeit des Schritts c2) von Schritt c1) ergibt sich dabei lediglich insoweit, als dass der Schritt c2) das Ergebnis von Schritt c1) verwendet. Die Schritte b1) und b2) einerseits und die Schritte c1) und c2) andererseits können zeitlich unabhängig voneinander durchgeführt werden. Es ist insbesondere nicht erforderlich, dass die Schritte b1) und b2) vor den Schritten c1) und c2) durchgeführt werden.
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In Schritt c1) wird vorzugsweise die chemische Zusammensetzung des Rauchgases analysiert. Dabei werden vorzugsweise insbesondere ein Restsauerstoffgehalt und/oder ein Kohlenmonoxidanteil des Rauchgases bestimmt. Für Schritt c1) ist keine Messung an dem tatsächlich in dem Brenner erzeugten Rauchgas erforderlich. Es genügt die Analyse von Rauchgas, welches dem in dem Brenner erzeugten Rauchgas entspricht. So kann insbesondere eine Messung an einem Referenzbrenner vorgenommen werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figur näher erläutert. Die Figur zeigt ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel, auf das die Erfindung jedoch nicht begrenzt ist. Die Figur und die darin dargestellten Größenverhältnisse sind nur schematisch. Es zeigt:
- 1: eine erfindungsgemäße Ofenanlage.
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1 zeigt eine Ofenanlage 1 mit einer Ofenkammer 2 und beispielhaft sechs Brennern 3 zum Beheizen der Ofenkammer 2. Die Brenner 3 sind als Strahlrohrbrenner ausgebildet. Weiterhin umfasst die Ofenanlage 1 eine mit den Brennern 3 verbundene erste Zuleitung 4 für einen Brennstoff. In der ersten Zuleitung 4 ist ein Sensor 6 zur Brennstoffanalyse angeordnet, mit welchem eine Zusammensetzung von zu den Brennern 3 geleitetem Brennstoff analysiert werden kann. Der Sensor 6 ist dazu eingerichtet, zumindest einen Wasserstoffanteil im Brennstoff zu bestimmen.
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Weiterhin umfasst die Ofenanlage 1 eine mit den Brennern 3 verbundene zweite Zuleitung 5 für ein Sauerstoff enthaltendes Gas mit einer Einstelleinrichtung 7 zum Einstellen eines Durchflusses des Sauerstoff enthaltenden Gases durch die zweite Zuleitung 5. Die Einstelleinrichtung 7 ist durch ein Gebläse mit einstellbarer Drehzahl gebildet, über welche Umgebungsluft als das Sauerstoff enthaltende Gas angesaugt, verdichtet und in die zweite Zuleitung 5 eingeleitet werden kann. Dies ist durch einen Pfeil angedeutet.
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Weiterhin umfasst die Ofenanlage 1 eine Steuereinrichtung 8, welche dazu eingerichtet ist, mit der Einstelleinrichtung 7 den Durchfluss des Sauerstoff enthaltenden Gases durch die zweite Zuleitung 5 in Abhängigkeit eines Signals des Sensors 6 einzustellen.
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Weiterhin umfasst die Ofenanlage 1 eine Lambda-Sonde 9 zur Analyse von Rauchgas, welches bei Umsetzung des Brennstoffs aus der ersten Zuleitung 4 mit dem Sauerstoff enthaltenden Gas aus der zweiten Zuleitung 5 entsteht, sowie einen Regler 11 in der ersten Zuleitung 4. Die Steuereinrichtung 8 ist dazu eingerichtet, mit dem Regler 11 einen Durchfluss des Brennstoffs durch die erste Zuleitung 4 in Abhängigkeit eines Signals der Lambda-Sonde 9 einzustellen. Die Lambda-Sonde 9 ist derart an einem mit der ersten Zuleitung 4 und der zweiten Zuleitung 5 verbundenen als Pilotbrenner ausgebildeten Referenzbrenner 10 angeordnet, dass mit der Lambda-Sonde 9 von dem Referenzbrenner 10 erzeugtes Rauchgas analysiert werden kann.
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Die Ofenanlage 1 kann mit einem Verfahren betrieben werden, welches umfasst:
- a) Zuleiten eines Brennstoffs und eines Sauerstoff enthaltenden Gases zu den Brennern 3 zum Beheizen der Ofenkammer 2 der Ofenanlage 1,
- b1) Analysieren des den Brennern 3 zugeleiteten Brennstoffs,
- b2) Einstellen einer den Brennern 3 zugeleiteten Menge des Sauerstoff enthaltenden Gases in Abhängigkeit von der Analyse gemäß Schritt b1),
- c1) Analysieren eines Rauchgases, welches bei Umsetzung des in Schritt a) den Brennern 3 zugeleiteten Brennstoffs und Sauerstoff enthaltenden Gases entsteht,
- c2) Einstellen einer den Brennern 3 zugeleiteten Menge des Brennstoffs in Abhängigkeit von der Analyse gemäß Schritt c1).
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Die Brenner 3 der beschriebenen Ofenanlage 1 geben auch bei schwankendem Heizwert des Brennstoffs eine konstante Heizleistung ab, was eine präzise Temperaturregelung ermöglicht. Insoweit kann die Ofenanlage 1 mit verschiedensten Brennstoffen betrieben werden. Insbesondere sind Beimischungen wie zum Beispiel von Wasserstoff zum Brennstoff möglich. Damit kann die Ofenanlage 1 besonders klimafreundlich betrieben werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ofenanlage
- 2
- Ofenkammer
- 3
- Brenner
- 4
- erste Zuleitung
- 5
- zweite Zuleitung
- 6
- Sensor
- 7
- Einstelleinrichtung
- 8
- Steuereinrichtung
- 9
- Lambda-Sonde
- 10
- Referenzbrenner
- 11
- Regler
