DE112017001500T5 - Industrieofen und Verfahren zur Nutzung seiner Wärme - Google Patents

Abstract

Durchlauf-Industrieofen, enthaltend: einen Einlass, eine Heizzone, eine Kühlzone und einen Auslass in dieser Reihenfolge, wobei der Durchlauf-Industrieofen dafür konfiguriert ist, ein Werkstück einer Wärmebehandlung zu unterziehen, während das Werkstück von dem Einlass zu dem Auslass befördert wird, wobei mindestens ein Teil der Heizzone einen Ofenwand-Wärmeisolierungsaufbau aufweist, welcher Ofenwand-Wärmeisolierungsaufbau enthält: eine Außenwand, die eine oder mehrere Gaseinführöffnungen hat, und eine poröse Wärmeisolierungsschicht, die mit einem Spalt an der Innenseite der Außenwand angeordnet ist; und wobei die Heizzone ferner eine oder mehrere Abgasöffnungen zum Ansaugen und Ausstoßen des Gases aufweist, nachdem das Gas von den Gaseinführöffnungen durch den Spalt und die poröse Wärmeisolierungsschichten in dieser Reihenfolge in die Heizzone fließt und anschließend in Richtung der Einlassseite fließt.

Description

• TECHNISCHES GEBIET
• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Industrieofen. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Nutzung der Wärme des Industrieofens.
• STAND DER TECHNIK
• Bisher wurden unter dem Gesichtspunkt der Energieeinsparung intensive Anstrengungen zur Verbesserung der thermischen Effizienz von Industrieöfen unternommen. Heute besteht zunehmend Bedarf für die Verbesserung der thermischen Effizienz aufgrund des Problems der globalen Erwärmung. Zur Verbesserung der thermischen Effizienz eines Industrieofens ist es wichtig, die Wärmeabgabe von der Ofenwand und durch Abgas abgeleitete Wärme zu reduzieren, was die beiden Hauptursachen für die Wärmeabgabe sind. Gegenwärtig werden in der Praxis mit zunehmender Verbreitung sogenannte Hochleistungs-Industrieöfen verwendet, in welchen ein Wärmeisoliermaterial aus anorganischer Faser mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit als Gegenmaßnahme für die Wärmeabgabe von der Ofenwand (beispielsweise japanisches Patent Nr. 3517372 B ), ein Brenner des Wärmetauschertyps (japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. H10-238757 A) oder ein regenerativer Brenner (beispielsweise japanisches Patent Nr. 5051828 B ) als eine Gegenmaßnahme für die durch Abgas abgegebene Wärme eingesetzt werden.
• Ferner wird herkömmlicherweise die durch Abgas abgegebene Wärme routinemäßig durch einen Kessel oder Wärmetauscher rückgewonnen und wird als Wärmequelle für den Ofen selbst oder andere Einrichtungen verwendet (beispielsweise japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2010-48440 A). In der jüngeren Vergangenheit hat die Entwicklung zur weiteren Nutzung der ungenutzten Wärme zur Wärmespeicherung, Kühlung, Stromerzeugung und dergleichen weitere Fortschritte gemacht und wurde teilweise in der Praxis umgesetzt. Mit anderen Worten gab es einen stetigen Fortschritt bei der Reduzierung der durch Abgas abgeleiteten Wärme und der Nutzung der Abgaswärme.
• Andererseits kann die Wärmeabgabe von der Ofenwand schwerlich weiter reduziert werden. Bei der Wärmeabgabe von der Ofenwand wird angenommen, dass die Außenwand als Doppelwand gebildet ist und Luft oder Wasser zur Rückgewinnung von Wärme durch den Zwischenraum geleitet werden. Im Allgemeinen ist jedoch die Temperatur der Wärme etwa 100 °C, was für eine Wärmequelle als gering gilt, und die Wärme ist hinsichtlich der Fläche weit verteilt, so dass die Exergie geringer ist und die Gestehungskosten zur Rückgewinnung der Wärme nicht angemessen sind. Daher wurde eine praktische Nutzung einer wirksamen Wärmerückgewinnung nicht erzielt. Ferner wurden thermoelektrische Stromerzeugung, thermoakustische Stromerzeugung oder Kaltextraktion unter Verwendung der Wärmeabgabe von der Ofenwand entwickelt, aber die Effizienz der Umwandlung ist dabei noch gering und befindet sich im Entwicklungsstadium.
• In Bezug auf die Reduzierung einer von der Ofenwand abgegebenen Wärmemenge führt ein NEDO-Forschungsbericht im Steuerjahr 2009 „Research for Extracting Theme of Thermal Radiation Control Technology Development Aiming at Energy Saving of High Temperature Equipment/Plants, etc.“ als ein fortschrittliches Wärmeisolierungsverfahren ein aktives Wärmeisolierungsverfahren ein, bei welchem ein Niedertemperaturgas, das in der entgegengesetzten Richtung zu der Wärmeübertragung fließt, durch eine optisch halbdurchlässige poröse Schicht geleitet wird. Einzelheiten des aktiven Wärmeisolierungsverfahrens sind in der japanischen Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. H03-41295 A offenbart, welche lehrt, dass das Verfahren insbesondere für die Wärmeisolierung während des Wiedereintritts einer Raketendüse oder eines Raumfahrzeugs sowie für den Wärmeschutz eines Ofens zur Entwicklung von neuen Werkstoffen oder eine Wand eines Kernfusionsofens verwendet wird. Ferner offenbart das Dokument, dass eine Durchlaufzeit eines Hochofens oder des Ofens zur Entwicklung neuer Werkstoffe verkürzt werden kann, da die Wärmeisolierschicht äußerst dünn ausgeführt werden kann und die Zeit zum Erreichen des stabilen Zustands ausgesprochen kurz ist, sodass eine effektive Nutzung der Einrichtungen und Energieeinsparung möglich sind.
• Der NEDO-Forschungsbericht kommt jedoch zu dem Schluss, dass, „obgleich diese Technik für die Wärmeisolierung hervorragend ist, sie die Wärmeübertragung bedingt durch die freie Wärme eines in eine entgegengesetzte Richtung zu dem Wärmeeintrag fließenden Gases nutzt, sodass diese Technik mit der Energieeinsparung von Hochtemperaturgeräten oder -anlagen etc. schwierig zu verbinden ist“. Gegenwärtig gibt es keine tatsächliche Anwendung dieser Technik.
• Des Weiteren schlägt die japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2005-048984 A einen Wärmebehandlungsofen vor, in welchem gasdurchlässiges Feuerfestmaterial innerhalb einer Ofenwand entlang einer Wandoberfläche der Ofenwand angeordnet ist. Der Wärmebehandlungsofen ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Ofenwand und dem Feuerfestmaterial ein Spalt vorgesehen ist und beim Einstellen einer Atmosphäre in dem Ofen ein Atmosphäreneinstellgas mit einer vorbestimmten Zusammensetzung in das Innere des Ofens geleitet wird, nachdem es in den Spalt eingeführt wurde und durch das Innere des Feuerfestmaterials getreten ist. Dieses Dokument offenbart, dass gemäß dem Wärmebehandlungsofen die für den Austausch der Anfangsatmosphäre in dem Ofen mit einer gewünschten Atmosphäre in dem Ofen erforderliche Zeit deutlich verkürzt werden kann, wenn die Ofenatmosphäre eingestellt wird, und die Steuerung der Atmosphäre weiter erleichtert werden kann. Ferner offenbart es, dass durch Einführen des Atmosphäreneinstellgases zwischen der Ofenwand und dem Feuerfestmaterial die Ofenwand durch das Atmosphäreneinstellgas gekühlt wird und die Temperatur der Oberfläche der Ofenwand im Vergleich zu der herkömmlichen Technik gesenkt wird, so dass der thermische Wirkungsgrad des Ofens und die Arbeitssicherheit verbessert werden.
• DRUCKSCHRIFTENVERZEICHNIS
• Patentliteratur
• Patentdokument 1: Japanisches Patent Nr. 3517372 B
• Patentdokument 2: Japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. H10-238757 A
• Patentdokument 3: Japanisches Patent Nr. 5051828 B
• Patentdokument 4: Japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2010-48440 A
• Patentdokument 5: Japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. H03-41295 A
• Patentdokument 6: Japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2005-048984 A
• Nicht-Patentliteratur
• NEDO Forschungsbericht im Steuerjahr 2009, „Research for Extracting Theme of Thermal Radiation Control Technology Development Aiming at Energy Saving of High Temperature Equipment/Plants, etc.“, New Energy and Industrial Technology Development Organization, März 2010, S. 9
• KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
• Technisches Problem
• Die japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. H03-41295 A legt nahe, dass das aktive Wärmeisolierungsverfahren zu Energieeinsparung führt, erörtert jedoch nicht genauer, wie die Energieeinsparung erzielt wird. Tatsächlich lehrt der NEDO Forschungsbericht, dass das aktive Wärmeisolierungsverfahren mit Energieeinsparung schwierig in Zusammenhang zu bringen ist. Das vorstehende Patentdokument offenbart, dass die Zuflussgeschwindigkeit des Arbeitsgases vorzugsweise so hoch wie möglich ist und von 0,1 bis 1,0 m/s betragen kann. In Beispiel 1 des Patentdokuments wird eine numerische Analyse einer Auswirkung der aktiven Wärmeisolierung bei einem spezifischen Heizwert von1 MW/m², einer Dicke der Wärmeisolierung von 10 mm und Gasdurchflussgeschwindigkeiten von 0,08 und 0,8 m/s durchgeführt. Unter diesen Bedingungen treten jedoch sehr hohe Abgasverluste bei Betriebsbedingungen von allgemeinen Industrieöfen auf und es ist somit schwierig, eine Energieeinsparung bei Industrieöfen herbeizuführen.
• Ferner offenbart die japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2005-048984 A, dass die in dem Dokument beschriebene Technik zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades des Wärmebehandlungsofens beiträgt. Es offenbart jedoch keine spezifischen Strukturen und Mechanismen, die zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrads beitragen. Vielmehr basiert die in dem Patentdokument beschriebene Technik auf dem Prinzip des Verfahrens der aktiven Wärmeisolierung und eine beträchtliche Menge von Abgaswärme, die vom Abgas abgeleitet wird, wird erzeugt, wenn das Atmosphäreneinstellgas nach außerhalb des Ofens abgelassen wird, so dass es schwierig ist, den thermischen Wirkungsgrad des gesamten Ofens zu verbessern.
• Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der vorstehenden Umstände gemacht. Eine der Aufgaben der vorliegenden Erfindung ist es, einen Industrieofen bereitzustellen, der es ermöglicht, die Reduzierung der Wärmeabgabe einer Ofenwand mit Energieeinsparung in Verbindung zu bringen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Nutzung von Wärme von einem Industrieofen bereitzustellen, welches es ermöglicht, die Reduzierung der Wärmeabgabe von der Ofenwand mit Energieeinsparung in Verbindung zu bringen.
• Lösung des Problems
• Wenn das vorstehend beschriebene aktive Wärmeisolierungsverfahren auf die Wärmeisolierung der Ofenwand des Industrieofens angewandt wird, wird die Wärmeabgabe von der Ofenwand beträchtlich reduziert, indem Gas von der Außenseite der Wärmeisolierungsschicht der Ofenwand, die aus einem porösen Material gebildet ist, in Richtung des Inneren des Ofens geleitet wird. Andererseits tritt das eingeströmte Gas in den Ofen ein. Daher wird wie vorstehend beschrieben eine beträchtliche Menge von Wärme erzeugt, die von dem Abgas abgeleitet wird, wenn das Gas nach außerhalb des Ofens abgegeben wird, sodass es schwierig ist, einen hohen Wirkungsgrad des gesamten Ofens zu erzielen.
• Unter einem anderen Gesichtspunkt kann jedoch das aktive Wärmeisolierungsverfahren eine Technik sein, bei welcher die Wärmeabgabe der Ofenwand, bei welcher die Rückgewinnung/Nutzung von Wärme für schwierig gehalten wird, in freie Gaswärme umgewandelt werden kann, mit welcher relativ effizient die Wärmerückgewinnung und Wärmenutzung verwirklicht werden kann. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben sich auf diesen Punkt konzentriert und detaillierte Untersuchungen für die Anwendbarkeit an Industrieöfen durchgeführt. Als Ergebnis haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung festgestellt, dass die Anwendung an der Ofenwand in einer Heizzone und einer Kühlzone eines Durchlauf-Industrieofens bei erhöhter Temperatur die Wärmenutzung in dem Ofen ermöglicht, sodass eine Energieeinsparung für das gesamte System unter Berücksichtigung der Nutzung der freien Gaswärme innerhalb und außerhalb des Ofens erzielt werden kann, und die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben dann die vorliegende Erfindung vollendet.
• Mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können wie folgt beschrieben werden:
1. (1) Durchlauf-Industrieofen, enthaltend: einen Einlass; eine Heizzone; eine Kühlzone; und einen Auslass in dieser Reihenfolge, wobei der Durchlauf-Industrieofen dafür konfiguriert ist, ein Werkstück einer Wärmebehandlung zu unterziehen, während das Werkstück von dem Einlass zu dem Auslass befördert wird, wobei mindestens ein Teil der Heizzone einen Ofenwand-Wärmeisolierungsaufbau aufweist, welcher Ofenwand-Wärmeisolierungsaufbau enthält: eine Außenwand, die eine oder mehrere Gaseinführöffnungen hat; und eine poröse Wärmeisolierungsschicht, die mit einem Spalt an der Innenseite der Außenwand angeordnet ist; und wobei die Heizzone ferner eine oder mehrere Abgasöffnungen zum Ansaugen und Ausstoßen des Gases aufweist, nachdem das Gas von den Gaseinführöffnungen durch den Spalt und die poröse Wärmeisolierungsschicht in dieser Reihenfolge in die Heizzone fließt und anschließend in Richtung der Einlassseite fließt.
2. (2) Durchlauf-Industrieofen nach Punkt (1), wobei das aus den Abgasöffnungen ausgestoßene Gas eine Temperatur von 100 bis 600 °C hat.
3. (3) Durchlauf-Industrieofen nach Punkt (1) oder (2), wobei der Ofen einen Teil aufweist, in welchem eine Innentemperatur des Ofens in der Heizzone, in welche das Gas durch die poröse Wärmeisolierungsschicht fließt, 1000 °C oder mehr beträgt.
4. (4) Durchlauf-Industrieofen nach einem der Punkte (1) bis (3), wobei das in die Heizzone des Ofens fließende Gas ein Ofenatmosphäreneinstellgas umfasst.
5. (5) Durchlauf-Industrieofen, enthaltend: einen Einlass; eine Heizzone; eine Kühlzone; und einen Auslass in dieser Reihenfolge, wobei der Durchlauf-Industrieofen dafür konfiguriert ist, ein Werkstück einer Wärmebehandlung zu unterziehen, während das Werkstück von dem Einlass zu dem Auslass befördert wird, wobei mindestens ein Teil der Kühlzone einen Ofenwand-Wärmeisolierungsaufbau aufweist, welcher Ofenwand-Wärmeisolierungsaufbau enthält: eine Außenwand, die eine oder mehrere Gaseinführöffnungen hat; und eine poröse Wärmeisolierungsschicht, die mit einem Spalt an der Innenseite der Außenwand angeordnet ist; und wobei die Kühlzone ferner eine oder mehrere Abgasöffnungen zum Ansaugen und Ausstoßen des Gases aufweist, nachdem das Gas von den Gaseinführöffnungen durch den Spalt und die poröse Wärmeisolierungsschicht in dieser Reihenfolge in die Kühlzone fließt und anschließend zum Kühlen des Werkstücks verwendet wird.
6. (6) Durchlauf-Industrieofen nach Punkt (5), wobei das aus den Abgasöffnungen ausgestoßene Gas eine Temperatur von 100 bis 600 °C hat.
7. (7) Verfahren zur Nutzung der Wärme eines Durchlauf-Industrieofens nach einem der Punkte (1) bis (4), welches Verfahren umfasst:
   • Zuführen von Gas durch die Gaseinführöffnungen, wobei das Gas aufeinanderfolgend durch den Spalt und die poröse Wärmeisolierungsschicht tritt und anschließend in die Heizzone des Ofens fließt, wobei zwischen dem Gas und der porösen Wärmeisolierungsschicht Wärme ausgetauscht wird, während das Gas durch die poröse Wärmeisolierungsschicht tritt, wodurch eine Temperatur des Gases erhöht wird und die Wärmeabgabe von der porösen Wärmeisolierungsschicht zur Außenseite des Ofens reduziert wird;
   • Zulassen, dass das in den Ofen fließende Gas zu der Einlassseite hin fließt, wobei zwischen dem Gas und dem Werkstück Wärme ausgetauscht wird, während das Gas durch den Ofen zu der Einlassseite hin fließt, wodurch die Temperatur des Gases verringert wird und die Temperatur des Werkstücks erhöht wird;
   • Ansaugen und Ausstoßen des Gases, nachdem das Fließen des in den Ofen fließenden Gases zu der Einlassseite hin zugelassen wurde; und
   • Nutzen der freien Wärme des angesaugten und ausgestoßenen Gases außerhalb des Ofens.
8. (8) Verfahren nach Punkt (7), wobei das Gas nach außerhalb des Ofens ausgestoßen wird, nachdem das Gas durch die poröse Wärmeisolierungsschicht an einer Position in den Ofen geflossen ist, an welcher eine Innentemperatur des Ofens in der Heizzone 400 °C oder mehr beträgt und durchschnittlich 40 % oder mehr der freien Wärme des Gases innerhalb des Ofens genutzt werden.
9. (9) Verfahren zur Nutzung der Wärme eines Durchlauf-Industrieofens nach einem der Punkte (5) oder (6), welches Verfahren umfasst:
   • Zuführen von Gas durch die Gaseinführöffnungen, wobei das Gas aufeinanderfolgend durch den Spalt und die poröse Wärmeisolierungsschicht tritt und anschließend in die Kühlzone des Ofens fließt, wobei zwischen dem Gas und der porösen Wärmeisolierungsschicht Wärme ausgetauscht wird, während das Gas durch die poröse Wärmeisolierungsschicht tritt, wodurch die Wärmeabgabe von der porösen Wärmeisolierungsschicht an die Außenseite des Ofens reduziert wird und eine Temperatur einer Oberfläche der porösen Wärmeisolierungsschicht an der Innenseite des Ofens verringert wird;
   • Kühlen des Werkstücks durch Konvektionswärmeübertragung durch das in den Ofen fließende Gas und durch Strahlungswärmeübertragung auf eine innenfläche der Ofenwand und Erhöhen der Temperatur des in den Ofen fließenden Gases durch Wärmeaustausch zwischen dem Gas und dem Werkstück, während zugelassen wird, dass das Gas durch den Ofen fließt;
   • Ansaugen und Ausstoßen des Gases, nachdem das in den Ofen fließende Gas zum Kühlen des Werkstücks genutzt wurde; und
   • Nutzen der freien Wärme des angesaugten und ausgestoßenen Gases außerhalb des Ofens.
10. (10) Durchlauf-Industrieofen, enthaltend: einen Einlass; eine Heizzone; eine Kühlzone; und einen Auslass in dieser Reihenfolge, wobei der Durchlauf-Industrieofen dafür konfiguriert ist, ein Werkstück einer Wärmebehandlung zu unterziehen, während das Werkstück von dem Einlass zu dem Auslass befördert wird, wobei mindestens ein Teil der Heizzone einen Ofenwand-Wärmeisolierungsaufbau aufweist, welcher Ofenwand-Wärmeisolierungsaufbau enthält: eine Außenwand, die eine oder mehrere Gaseinführöffnungen hat; und eine poröse Wärmeisolierungsschicht, die mit einem Spalt an der Innenseite der Außenwand angeordnet ist; und wobei die Heizzone ferner eine oder mehrere Abgasöffnungen zum Ansaugen und Ausstoßen des Gases aufweist, nachdem das Gas von den Gaseinführöffnungen durch den Spalt und die poröse Wärmeisolierungsschicht in dieser Reihenfolge in die Heizzone fließt und anschließend in Richtung der Einlassseite fließt, wobei mindestens ein Teil der Kühlzone einen Ofenwand-Wärmeisolierungsaufbau aufweist, welcher Ofenwand-Wärmeisolierungsaufbau enthält: eine Außenwand, die eine oder mehrere Gaseinführöffnungen hat; und eine poröse Wärmeisolierungsschicht, die mit einem Spalt an der Innenseite der Außenwand angeordnet ist; und wobei die Kühlzone ferner eine oder mehrere Abgasöffnungen zum Ansaugen und Ausstoßen des Gases aufweist, nachdem das Gas von den Gaseinführöffnungen durch den Spalt und die poröse Wärmeisolierungsschicht in dieser Reihenfolge in die Kühlzone fließt und anschließend zum Kühlen des Werkstücks verwendet wird.
11. (11) Durchlauf-Industrieofen nach Punkt (10), wobei das aus jeder Abgasöffnung der Heizzone und der Kühlzone ausgestoßene Gas eine Temperatur von 100 bis 600 °C hat.
12. (12) Durchlauf-Industrieofen nach Punkt (10) oder (11), wobei der Ofen einen Teil aufweist, in welchem eine Innentemperatur des Ofens in der Heizzone, in welche Gas durch die poröse Wärmeisolierungsschicht fließt, 1000 °C oder mehr beträgt.
13. (13) Durchlauf-Industrieofen nach einem der Punkte (10) bis (12), wobei das in die Heizzone des Ofens fließende Gas ein Ofenatmosphäreneinstellgas umfasst.
14. (14) Verfahren zur Nutzung der Wärme eines Durchlauf-Industrieofens nach einem der Punkte (10) bis (13), welches Verfahren umfasst:
    • Zuführen von Gas aus den Gaseinführöffnungen der Heizzone, wobei das Gas aufeinanderfolgend durch den Spalt und die poröse Wärmeisolierungsschicht in der Heizzone tritt und anschließend in die Heizzone des Ofens fließt, wobei zwischen dem Gas und der porösen Wärmeisolierungsschicht in der Heizzone Wärme ausgetauscht wird, während das Gas durch die poröse Wärmeisolierungsschicht in der Heizzone tritt, wodurch eine Temperatur des Gases erhöht wird und die Wärmeabgabe von der porösen Wärmeisolierungsschicht in der Heizzone zur Außenseite des Ofens reduziert wird;
    • Zulassen, dass das in die Heizzone des Ofens fließende Gas zu der Einlassseite hin fließt, wobei zwischen dem Gas und dem Werkstück Wärme ausgetauscht wird, während das Gas durch den Ofen zu der Einlassseite hin fließt, wodurch die Temperatur des Gases verringert wird und die Temperatur des Werkstücks erhöht wird;
    • Ansaugen und Ausstoßen des Gases, nachdem das Fließen des in die Heizzone des Ofens fließenden Gases zu der Einlassseite hin zugelassen wurde; und
    • Nutzen der freien Wärme des aus der Heizzone angesaugten und ausgestoßenen Gases außerhalb des Ofens.
    • Zuführen von Gas aus den Gaseinführöffnungen der Kühlzone, wobei das Gas aufeinanderfolgend durch den Spalt und die poröse Wärmeisolierungsschicht an der Kühlzone tritt und anschließend in die Kühlzone des Ofens fließt, wobei zwischen dem Gas und der porösen Wärmeisolierungsschicht an der Kühlzone Wärme ausgetauscht wird, während das Gas durch die poröse Wärmeisolierungsschicht an der Kühlzone tritt, wodurch die Wärmeabgabe von der porösen Wärmeisolierungsschicht an der Kühlzone an die Außenseite des Ofens reduziert wird und eine Temperatur einer Oberfläche der porösen Wärmeisolierungsschicht an der Innenseite des Ofens an der Kühlzone verringert wird;
    • Kühlen des Werkstücks durch Konvektionswärmeübertragung durch das in die Kühlzone des Ofens fließende Gas und durch Strahlungswärmeübertragung auf eine Innenfläche der Ofenwand und Erhöhen der Temperatur des in die Kühlzone des Ofens fließenden Gases durch Wärmeaustausch zwischen dem Gas und dem Werkstück, während zugelassen wird, dass das Gas durch den Ofen fließt;
    • Ansaugen und Ausstoßen des Gases, nachdem das in die Kühlzone des Ofens fließende Gas zum Kühlen des Werkstücks genutzt wurde; und
    • Nutzen der freien Wärme des aus der Kühlzone angesaugten und ausgestoßenen Gases außerhalb des Ofens.
15. (15) Verfahren nach Punkt (14), wobei das Gas nach außerhalb des Ofens ausgestoßen wird, nachdem das Gas durch die poröse Wärmeisolierungsschicht an einer Position in den Ofen geflossen ist, an welcher eine Innentemperatur des Ofens in der Heizzone 400 °C oder mehr beträgt und durchschnittlich 40 % oder mehr der freien Wärme des Gases innerhalb des Ofens genutzt werden.
• Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
• Der Betrieb des Durchlauf-Industrieofens gemäß der vorliegenden Erfindung erlaubt die Energieeinsparung durch Reduzierung der Wärmeabgabe von der Ofenwand, was zur Reduzierung der Betriebskosten des Durchlauf-Industrieofens und für Gegenmaßnahmen gegen die globale Erwärmung wirksam ist. Die vorliegende Erfindung kann eine epochale Erfindung sein, die die Reduzierung einer abgegebenen Wärmemenge von der Ofenwand und die Energieeinsparung erfolgreich kombiniert hat, was bisher als schwieriges Problem betrachtet wurde.
• Figurenliste
• 1 ist eine Darstellung, die eine grundsätzliche Konfiguration und eine Wärmekurve entlang einer Werkstücktransportrichtung in einem Ofen gemäß einer Ausführungsform eines Durchlauf-Industrieofens gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
• 2 ist eine Darstellung, die einen Wärmeisolierungsaufbau einer Ofenwand und dessen Wärmeisolierungsprinzip gemäß der vorliegenden Erfindung schematisch darstellt.
• 3 ist ein Schaubild, das Versuchsberechnungsergebnisse von Veränderungen der Wärmeabgabe der Ofenwand und der freien Gaswärme bei Veränderung des Durchflusses pro Flächeneinheit des durch eine poröse Wärmeisolierungsschicht fließenden Gases zeigt.
• 4(a) ist ein Schaubild, das einen Effekt der Reduzierung der Wärmeabgabe der Ofenwand durch Zuführen eines Ofenwand-Wärmeisoliergases zeigt; 4(b) ist ein Schaubild, das ein kleinstes Wärmenutzungsverhältnis η_min für freie Wärme des Ofenwand-Wärmeisoliergases darstellt, das im Vergleich zu einem Fall, in welchem kein Ofenwand-Wärmeisoliergas zugeführt wird, zur Energieeinsparung erforderlich ist.
• 5 ist eine Darstellung, die Bedingungen eines Modells eines Durchlaufofens zeigt, in welchem Versuchsberechnungen für die Effekte der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurden.
• BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
• Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben. 1 ist eine Darstellung, die eine grundsätzliche Konfiguration und eine Wärmekurve (Temperaturprofil) entlang einer Werkstücktransportrichtung in einem Ofen gemäß einer Ausführungsform eines Durchlauf-Industrieofens gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Der Durchlauf-Industrieofen gemäß der vorliegenden Erfindung enthält: einen Einlass 11, eine Heizzone 12, eine Kühlzone 13 und einen Auslass 14 in dieser Reihenfolge, und er kann eine Wärmebehandlung ausführen, während ein Werkstück (nicht dargestellt) von dem Einlass 11 zu dem Auslass 14 transportiert wird. In der Verwendung hierin bezeichnet die Heizzone einen Bereich in der Werkstücktransportrichtung von dem Einlass des Durchlauf-Industrieofens zu einer Heizvorrichtung zum Erwärmen des Ofeninneren, die an einer der Auslassseite nächstliegenden Position eingebaut ist, und bezeichnet die Kühlzone einen Bereich in der Werkstücktransportrichtung von einer Position unmittelbar nach der Einbauposition der Heizvorrichtung an der der Auslassseite nächstliegenden Position bis zu dem Auslass des Durchlaufofens. An den Durchlauf-Industrieofen der Ausführungsform sind eine Ofenwand-Wärmeisoliergas-Versorgungsleitung 15 und eine Abgasleitung 16 für die Heizzone sowie eine Ofenwand-Wärmeisoliergas-Versorgungsleitung 17 und eine Abgasleitung 18 für die Kühlzone angeschlossen. Mindestens eine und vorzugsweise beide der Abgasleitung 16 für die Heizzone und der Abgasleitung 18 für die Kühlzone können mit einer Wärmerückgewinnungseinrichtung außerhalb des Ofens verbunden sein. Wenn man Heißgas durch die Abgasleitung 16 und die Abgasleitung 18 fließen lässt, kann die Wärme außerhalb des Ofens genutzt werden.
• Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die Ofenwand-Wärmeisoliergas-Versorgungsleitungen der Heizzone und der Kühlzone separat zugeführt. Da die Heizzone und die Kühlzone wie nachstehend beschrieben unterschiedliche optimale Durchflussgeschwindigkeiten des Ofenwand-Wärmeisoliergases haben, ermöglicht es der Einsatz einer derartigen Konfiguration, die Gasdurchflussgeschwindigkeit für die Heizzone und die Kühlzone ohne weiteres separat einzustellen. Es ist jedoch auch möglich, die gleiche Gasversorgungsleitung in Leitungen für die Heizzone und die Kühlzone zu verzweigen, und es ist auch möglich, nach Bedarf ein Durchflussregelventil zur Einstellung des Durchflusses in der Gasversorgungsleitung einzubauen. Es sei angemerkt, dass in dem Durchlauf-Industrieofen zusätzlich zu den in der Figur gezeigten gewöhnlich weitere Luftzufuhr- und Abgasleitungen vorhanden sind, die jedoch hier weggelassen sind.
• Das Werkstück ist ein Gegenstand, der einer Wärmebehandlung unterzogen wird, darunter ohne besondere Einschränkung Elektronikteile, wie etwa Ferrit- und Keramikkondensatoren, Halbleiterprodukte, Keramikprodukte, Töpferwaren, Feuerfestmaterialien auf Oxidbasis, Glasprodukte, Metallprodukte und Feuerfestprodukte auf Kohlenstoffbasis, wie etwa Aluminiumoxid/Graphit und Magnesiumoxid/Graphit. Des Weiteren umfasst das Werkstück auch ein Brennofenwerkzeug. Die Erwärmungstemperatur des Werkstücks variiert in Abhängigkeit vom Zweck der Erwärmung, aber der Durchlauf-Industrieofen gemäß der vorliegenden Erfindung kann im Hinblick auf die effektive Wirkung eines Energieeinsparungseffekts in geeigneter Weise verwendet werden, wenn das Werkstück auf 1000 °C oder mehr und typischerweise 1200 °C oder mehr und noch typischer auf 1400 °C oder mehr, beispielsweise von 1000 bis 2000 °C erwärmt wird. Es sei angemerkt, dass das Konzept der „Erwärmung“ auch „Brennen“ einschließt. Durch Anwendung an einem Ofen mit erhöhter Temperatur, wie etwa einem Brennofen, wird das Wärmenutzungsverhältnis weiter verbessert.
• Das in den Ofen durch den Einlass 11 eintretende Werkstück wird in der Heizzone einer Erwärmung und in der Kühlzone einer Abkühlung gemäß einer vorbestimmten Wärmekurve unterzogen, während es in Richtung des Auslasses 14 transportiert wird. Obgleich die in 1 beispielhaft dargestellte Wärmekurve eine einfache Trapezkurve ist, kann sie auch eine komplizierte Kurve sein, die beispielsweise mehrere Temperaturhaltezonen hat. Das Verfahren zum Transportieren des Werkstücks in dem Ofen unterliegt keinen besonderen Beschränkungen und kann beispielsweise dem Wagentyp, dem Schiebertyp, dem Rollenherdtyp oder dergleichen entsprechen. Das Werkstück, das der vorbestimmten Wärmebehandlung unterzogen wurde, wird aus dem Auslass 14 entnommen. Zu den Beispielen des Erwärmungsverfahrens in der Heizzone 12 zählen ohne Einschränkung Erwärmungsverfahren unter Verwendung von elektrischer Leistung, wie etwa Widerstandserwärmung, Induktionserwärmung, dielektrische Erwärmung, Lichtbogenerwärmung und Strahlungserwärmung, sowie Erwärmungsverfahren unter Verbrennung eines Brennstoffs mit einem Brenner (einschließlich eines Wärmetauscherbrenners und eines regenerativen Brenners). Das Kühlverfahren in der Kühlzone, das in geeigneter Weise angepasst werden kann, schließt Gaskühlverfahren ein, die durch Zufuhr eines Kühlgases in den Ofen durchgeführt werden. In der Kühlzone wird das Werkstück durch Konvektionswärmeübertragung auf ein in den Ofen fließendes Kühlgas und Strahlungswärmeübertragung auf die innere Oberfläche der Ofenwand gekühlt.
• In dem Durchlauf-Industrieofen gemäß der vorliegenden Ausführungsform können die Heizzone 12 und die Kühlzone 13 einen Ofenwand-Wärmeisolierungsaufbau aufweisen, der enthält: eine Außenwand 21, die eine, zwei oder mehrere Gaseinführöffnungen 24a, 24b hat; und eine poröse Wärmeisolierungsschicht 23a, die mit einem Spalt 22 an der Innenseite der Außenwand 21 angeordnet ist. Da in dem Durchlauf-Industrieofen die Heizzone und die Kühlzone eine vorbestimmte Länge in der Transportrichtung des Werkstücks haben, sind die Heizzone und die Kühlzone in Übereinstimmung mit der Länge der Heizzone und der Kühlzone, wo der Ofenwand-Wärmeisolierungsaufbau eingebaut werden soll, vorzugsweise jeweils mit zwei oder mehr Gaseinführöffnungen 24a und 24b versehen, sodass das Ofenwand-Wärmeisoliergas in den Ofen gleichmäßig zugeführt wird. In diesem Fall kann jede der Gasversorgungsleitungen für die zwei oder mehr Gaseinführöffnungen 24a, 24b von einer gemeinsamen Gasversorgungsleitung verzweigt sein oder kann als eine zugewiesene Leitung durch individuelle Vorbereitung einer Gasversorgungsausrüstung hergestellt sein. In dem Fall, in welchem kein Unterschied hinsichtlich des Typs des zuzuführenden Ofenwand-Wärmeisoliergases besteht, sind die Gasversorgungsleitungen im Hinblick auf die Reduzierung der Gasrohrverlegekosten vorzugsweise von derselben Gasversorgungsleitung verzweigt.
• Wenn das Ofenwand-Wärmeisoliergas von den Gaseinführöffnungen 24a von der Ofenwand-Wärmeisoliergas-Versorgungsleitung 15 für die Heizzone zugeführt wird, tritt das Gas aufeinanderfolgend durch den Spalt 22 und die poröse Wärmeisolierungsschicht 24 und fließt dann in die Heizzone 12 des Ofens. Während das Gas durch die poröse Wärmeisolierungsschicht 23 der Heizzone 12 tritt, wird zwischen dem Gas und der porösen Wärmeisolierungsschicht 23 Wärme ausgetauscht, wodurch die Temperatur des Gases erhöht wird und die Wärmeabgabe von der porösen Wärmeisolierungsschicht 23 nach außerhalb des Ofens reduziert wird.
  Wenn ferner das Ofenwand-Wärmeisoliergas von den Gaseinführöffnungen 24b von der Ofenwand-Wärmeisoliergas-Versorgungsleitung 17 für die Kühlzone zugeführt wird, tritt das Gas aufeinanderfolgend durch den Spalt 22 und die poröse Wärmeisolierungsschicht 23 und fließt dann in die Kühlzone 13 des Ofens. Während das Gas durch die poröse Wärmeisolierungsschicht 23 der Kühlzone 13 tritt, wird zwischen dem Gas und der porösen Wärmeisolierungsschicht 23 Wärme ausgetauscht, wodurch die Wärmeabgabe von der porösen Wärmeisolierungsschicht 23 nach außerhalb des Ofens reduziert wird und die Oberflächentemperatur der porösen Wärmeisolierungsschicht 23 auf der Innenseite des Ofens verringert wird.
• Somit haben bei der vorliegenden Ausführungsform sowohl die Heizzone 12 als auch die Kühlzone 13 den Ofenwand-Wärmeisolierungsaufbau gemäß der vorliegenden Erfindung und diese Ausführungsform ist unter dem Gesichtspunkt der Energieeinsparung bevorzugt. Es kann jedoch auch nur entweder die Heizzone 12 oder die Kühlzone 13 den Ofenwand-Wärmeisolierungsaufbau gemäß der vorliegenden Erfindung haben.
• Ohne durch eine Theorie gebunden sein zu wollen, sind der Ofenwand-Wärmeisolierungsaufbau und sein Wärmeisolierungsprinzip gemäß der vorliegenden Erfindung schematisch in 2 dargestellt. Das Prinzip der Reduzierung der Wärmeabgabe von der Ofenwand ist einfach; da zwischen dem Gas und der porösen Wärmeisolierungsschicht 23 Wärme ausgetauscht wird, während das Ofenwand-Wärmeisoliergas durch die poröse Wärmeisolierungsschicht 23 von der Außenseite des Ofens zu der Innenseite des Ofens tritt, wird die von der Wärmeisolierungsschicht 23 zu der Außenseite des Ofens übertragene Wärme reduziert. In der porösen Wärmeisolierungsschicht 23 in einem thermisch stabilen Zustand sind eine Wärmeübertragungsveränderung der porösen Wärmeisolierungsschicht 23 (durchgezogen), eine Zunahme einer Gastemperatur (Veränderung der freien Wärme), der Wärmeaustausch zwischen der Wärmeisolierungsschicht und dem Gas ausgeglichen und eine Temperatur der Wärmeisolierungsschicht Ts und eine Temperatur des Gases Tg sind durch eine nachstehend angeführte grundsätzliche Gleichung verbunden.
• Wärmeübertragungsveränderung der Wärmeisolierungsschicht = Zunahme der Gastemperatur = Wärmeaustausch zwischen Isolierungsschicht/Gas: $$\mathrm{\lambda }\cdot \left({\partial }^2\text{Ts/}\partial {\text{x}}^2\right)=\text{m}\cdot \text{Cp}\cdot \left(\partial \text{Tg/}\partial \text{x}\right)=\text{Ae}\cdot \text{he}\cdot \left(\text{Ts-Tg}\right)$$

  

  
  worin:
• Ts: Temperatur der Wärmeisolierungsschicht [K] (Ts': zu der Zeit, wenn kein Gas zugeführt wird);
• Tg: Gastemperatur [K];
• λ: Wärmeleitfähigkeit in der Wärmeisolierungsschicht (einschließlich Strahlungswärmeübertragungseffekt) [W/(m·K)];
• m: Massenstrom des Gases pro Flächeneinheit [kg/(m²·s)];
• Cp: spezifische Wärme des Gases [J/(kg·K)];
• Ae: Oberfläche der Wärmeisolierungsschicht pro Volumeneinheit [m²/m³]; und
• he: Wärmeübertragungskoeffizient der Wärmeisolierungsschicht [W/(m²·K)].
• Vergleicht man die Temperatur der porösen Wärmeisolierungsschicht 23 in Richtung der Dicke unter Normalbedingung (Ts'), in welcher kein Gas zugeführt wird, mit derjenigen unter der Bedingung der vorliegenden Erfindung (Ts), in welcher Gas zugeführt wird, besteht ein grob in 2 dargestellte Unterschied. Da die Menge der Wärmeabgabe von der Ofenwand eine Funktion der Temperatur der äußeren Oberfläche ist, wird die Menge der Wärmeabgabe von der Ofenwand in Abhängigkeit von einem verminderten Anteil der Temperatur der äußeren Oberfläche gesenkt.
• Durch Bereitstellen des Spalts 22 zwischen der Außenwand 21 und der porösen Wärmeisolierungsschicht 23 füllt das einströmende Gas den Spalt 22 und bildet eine Gasschicht. Dies ermöglicht es, dass der Spalt 22 als Druckreservoir funktioniert und das Gas sich über die gesamte Oberfläche der porösen Wärmeisolierungsschicht 23 ausbreitet, sodass das Gas gleichmäßig durch die porösen Wärmeisolierungsschicht 23 fließt und der Effekt der Unterdrückung der Wärmeabgabe verbessert wird. Des Weiteren erlaubt die Steuerung einer Druckdifferenz zwischen dem Druckreservoir und dem Inneren des Ofens ein stabiles Fließen des Gases mit einer vorbestimmten Fließgeschwindigkeit. Die Fließgeschwindigkeit des Gases in dem Spalt sollte von 0,1 bis 1 m/s betragen, damit der Spalt als Reservoir mit gleichmäßigem Druck funktionieren kann. Unter diesem Gesichtspunkt kann die Dicke des Spalts 22 vorzugsweise von 5 bis 50 mm und bevorzugter von 10 bis 30 mm betragen.
• Ein Verfahren, um die poröse Wärmeisolierungsschicht 23 in einem Zustand zu halten, in welchem der Spalt 22 zwischen der Außenwand 21 und der porösen Wärmeisolierungsschicht 23 vorhanden ist, umfasst ohne Einschränkung ein Verfahren zur Befestigung der porösen Wärmeisolierungsschicht 23 über einen Abstandhalter unter Verwendung von Befestigungselementen, wie etwa Stehbolzen, Keramikstiften oder an der Außenwand befestigten Bolzen, und ein Verfahren zum Befestigen der porösen Wärmeisolierungsschicht 23 über einen Abstandhalter, bei dem die Außenwand mit einem Loch versehen wird, durch welches ein Befestigungselement wie etwa ein Stehbolzen, ein Keramikstift oder ein Bolzen geführt wird. Um die Steuerbarkeit der gleichmäßigen Durchflussgeschwindigkeit zu verbessern, kann an der Oberfläche der porösen Wärmeisolierungsschicht 23 zur Ofenaußenseite eine perforierte Platte eingebaut werden. Da die perforierte Platte als ein Widerstand für die Gleichrichtung dient, wird die Gleichmäßigkeit des Gasdurchflusses durch die poröse Wärmeisolierungsschicht 23 gesteigert.
• Das Ofenwand-Wärmeisoliergas kann in geeigneter Weise unter Berücksichtigung der Reaktivität mit dem Werkstück, einer Atmosphäre im Ofen, von Kosten, spezifischer Wärme und dergleichen ausgewählt werden, einschließlich beispielsweise oxidierender Gase (Luft, O₂ und dergleichen), Inertgase (N₂, Ar, He und dergleichen), reduzierender Gase (H₂, CO und dergleichen). Im Allgemeinen kann im Hinblick auf die Kosten Luft verwendet werden. Das zuzuführende Ofenwand-Wärmeisoliergas muss unter dem Gesichtspunkt der Energieeinsparung nicht erwärmt oder gekühlt werden und kann die Umgebungstemperatur aufweisen (beispielsweise von 5 bis 40 °C).
• In einigen Fällen kann dem Industrieofen Gas zugeführt werden, um die Ofenatmosphäre einzustellen, darunter beispielsweise in einem Fall, in welchem Sauerstoff als Atmosphäre in dem Ofen zur Wärmebehandlung des Werkstücks in einem Verbrennungsofen erforderlich ist, in einem Fall, in dem ein Inertgas in einen Elektroofen zugeführt wird, der eine Inertgasatmosphäre benötigt, in einem Fall, in welchem Gas wie etwa Luft zugeführt wird, um aus dem Werkstück entstehende flüchtige Bestandteile zu spülen, und dergleichen. Ein solches Atmosphäreneinstellgas wird ursprünglich nicht als das Wärmeisoliergas zugeführt, aber das Atmosphäreneinstellgas kann durch die poröse Wärmeisolierungsschicht 23 zugeführt werden, so dass es ebenfalls als das Ofenwand-Wärmeisoliergas wirkt. In diesem Fall wird ein verringerter Anteil der Wärmeabgabe von der Ofenwand in einen erhöhten Anteil der freien Wärme des Gases umgewandelt und die Verwendung der freien Wärme des Gases innerhalb oder außerhalb des Ofens bewirkt einen Energieeinsparungseffekt. Wenn das Atmosphäreneinstellgas durch die poröse Wärmeisolierungsschicht 23 in der Heizzone zugeführt wird, kann die Wärmeabgabe von der Ofenwand reduziert werden, ohne den Wärmeverlust des Abgases zu erhöhen, und als Folge wird eine Auswirkung der Verminderung der verwendeten Brennstoffmenge (Heizwert) erzielt.
• Das Material und die Form der porösen Wärmeisolierungsschicht 23 unterliegen keinen besonderen Einschränkungen, solang sie allgemein eine Wärmeisolierungsleistung aufweisen. Beispiele des Materials der porösen Wärmeisolierungsschicht 23, die in geeigneter Weise verwendet werden können, schließen Faserwerkstoffe mit hoher Gasdurchlässigkeit, wie etwa Keramikfaser, Aluminiumoxidfaser und Carbonfaser ein. Da die poröse Wärmeisolierungsschicht selbst weich ist, wird geeigneterweise die Außenwand 21 aus Metall wie Eisen, einer Eisenlegierung, Aluminium, einem Metall auf Nickel-/Chrombasis, rostfreiem Stahl oder dergleichen hergestellt, um die Festigkeit des Ofenkörpers aufrecht zu erhalten. Zu den Beispielen für die Form der porösen Wärmeisolierungsschicht 23 zählen eine Tuchform und eine Plattenform, und eine erforderliche Anzahl dieser Schichten kann geschichtet werden. Alternativ kann das Tuch zu einer Blockform gefaltet werden. Ferner können diese Formen in Kombination miteinander verwendet werden. Des Weiteren kann im Hinblick auf das Gleichgewicht zwischen der Gasdurchlässigkeit (Druckverlust) und der Wärmeisolierungsleistung die poröse Wärmeisolierungsschicht 23 eine Fülldichte von etwa 100 bis 500 kg/m³ und eine Porosität von etwa 0,8 bis 0,95 haben. Die Fülldichte kann gemäß JIS R 3311: 1991 gemessen werden. Die Porosität kann durch die folgende Gleichung berechnet werden: $$\begin{array}{cc}\text{Porosität}& =1-\text{Feststoffvolumenanteil}\\ & =1-\left(\text{Fülldichte/wahre Dichte}\right).\end{array}$$

  
• Auch wenn die Wärmeleitfähigkeit der porösen Wärmeisolierungsschicht 23 groß ist, entsteht der Effekt gemäß der vorliegenden Erfindung. Im Hinblick auf die möglichst weitgehende Unterdrückung der Wärmeabgabe kann jedoch eine poröse Wärmeisolierungsschicht 23 mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,1 bis 1 W/mK (gemäß JIS A 1412-1: 1999) verwendet werden. Die Dicke der porösen Wärmeisolierungsschicht 23 kann entsprechend der erforderlichen Wärmeisolierungsleistung eingestellt werden und kann von etwa 100 bis 500 mm betragen.
• Der Teil zur Verwendung des Ofenwand-Wärmeisolierungsaufbaus gemäß der vorliegenden Erfindung in der Heizzone 12 kann entsprechend der Wärmekurve eingestellt werden und es kann der gesamte Bereich oder ein Teilbereich der Heizzone 12 in der Transportrichtung des Werkstücks sein. Wenn aus einer Vielzahl von Gaseinführöffnungen 24a in der Heizzone 12 Gas der porösen Wärmeisolierungsschicht 23 zugeführt wird, kann der Durchfluss des Gases an allen Gaseinführöffnungen 24a gleich sein oder kann in Abhängigkeit von der Wärmekurve verändert werden. Unter dem Gesichtspunkt der Verbesserung einer Nutzungseffizienz der freien Wärme wird der Ofenwand-Wärmeisolierungsaufbau vorzugsweise in einem Bereich verwendet, in welchem die höchste Temperatur des Ofens vorliegt. Beispielsweise kann der Ofenwand-Wärmeisolierungsaufbau in einem Bereich verwendet werden, der eine erhöhte Temperatur von 1000 °C oder mehr hat, und das Ofenwand-Wärmeisoliergas kann diesem Bereich zugeführt werden, wodurch der Effekt der Energieeinsparung verbessert wird.
• In ähnlicher Weise kann die Position zur Verwendung des Ofenwand-Wärmeisolierungsaufbaus gemäß der vorliegenden Erfindung in der Kühlzone 13 entsprechend der Wärmekurve eingestellt werden, und es kann der gesamte Bereich oder ein Teilbereich der Kühlzone 13 in der Transportrichtung des Werkstücks sein. Wenn aus einer Vielzahl von Gaseinführöffnungen 24b in der Kühlzone 13 Gas der porösen Wärmeisolierungsschicht 23 zugeführt wird, kann der Durchfluss des Gases an allen Gaseinführöffnungen 24b gleich sein oder kann in Abhängigkeit von der Wärmekurve verändert werden. Herkömmlicherweise wird in der Kühlzone ein Betriebsablauf zur Verringerung der Temperatur eines zu erwärmenden Werkstücks durchgeführt, indem ein Kühlgas mit einer niedrigeren Temperatur als die des Werkstücks aus einer in einer Ofenwand eingebauten Einführöffnung zugeführt wird, wodurch zwischen dem Werkstück und dem Kühlgas Wärme ausgetauscht wird, woraufhin das Gas ausgestoßen wird. In diesem Fall fließt das Kühlgas örtlich in den Ofen, ohne dass ein wesentlicher Wärmeaustausch zwischen dem Kühlgas und der Ofenwand stattfindet. Im Gegensatz dazu kann gemäß der vorliegenden Erfindung das gesamte oder ein Teil des durch die Einführöffnung zugeführten Gases durch die poröse Wärmeisolierungsschicht 23 zugeführt werden. Die Verwendung des Ofenwand-Wärmeisolierungsaufbaus gemäß der vorliegenden Erfindung in der Kühlzone trägt nicht zur Reduzierung des Brennstoffverbrauchs bei. Der verringerte Anteil der Wärmeabgabe von der Ofenwand wird jedoch in einen erhöhten Anteil der freien Wärme des Gases umgewandelt, so dass durch die Verwendung der freien Wärme des Gases innerhalb oder außerhalb des Ofens die Energieeinsparung erzielt werden kann. Allgemein ist der erforderliche Durchfluss des Gases pro Flächeneinheit für die Kühlzone 13 größer als für die Heizzone, obgleich dies von den Bedingungen wie etwa der Wärmekurve abhängt. Daher kann die Kühlzone gemäß der Versuchsberechnung in 3, die nachstehend erläutert wird, ein Wärmeabgabeverhältnis von 0,1 oder weniger haben, was im Vergleich zur Heizzone 12 eine weitere effiziente Reduzierung des Wärmeverlustes aufgrund von Wärmeabgabe von der Ofenwand ermöglicht.
• Es ist bevorzugt, dass der Ofenwand-Wärmeisolierungsaufbau gemäß der vorliegenden Erfindung in der Heizzone 12 und auch der Kühlzone 13 so angeordnet ist, dass er bei Betrachtung des Ofens in einem zu der Werkstücktransportrichtung senkrechten Querschnitt den gesamten Umfang der Ofenkammer umgibt, um die Temperaturverteilung in dem Ofen auszugleichen und die Wärmeabgabe von der Ofenwand zu reduzieren. D.h., dass die Ofenwand in der Verwendung hierin ein Konzept ist, die eine Seitenwand der Ofenkammer, eine Decke des Ofens und eine Boden des Ofens einschließt.
• 3(a) und 3(b) zeigen Diagramme der durch Versuchsberechnung unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Basisgleichung erzielten Ergebnisse für Veränderungen der Wärmeabgabe von der Ofenwand und freien Wärme des Gases, wenn der Durchfluss des Gases pro Flächeneinheit beim Fließen durch die poröse Wärmeisolierungsschicht variiert wird. Die Innentemperatur des Ofens beträgt 1400 °C (im Fall von 4(a)) und 1000 °C (im Fall von 3(b)) und die Dicke der porösen Wärmeisolierungsschicht beträgt 400 mm (im Fall von 3(a)) und 300 mm (im Fall von 3(b)) und die Wärmeleitfähigkeit beträgt von 0,1 bis 0,6 W/(m·K) (in Abhängigkeit von der Temperatur), ausgehend von Keramikfaser mit einer Fülldichte von etwa 130 kg/m³. Im Vergleich zur Wärmeabgabe des Ofens (905 W/m² im Fall von 3 (a); 576 W/m² im Fall von 3(b)) unter Normalbedingungen (ohne Zufuhr von Ofenwand-Wärmeisoliergas) wird die Wärmeabgabe der Ofenwand mit zunehmendem Durchfluss des Gases reduziert, wenn das Ofenwand-Isoliergas zugeführt wird. Andererseits wird die freie Wärme des zugeführten Gases in Abhängigkeit von dem Durchfluss des Gases erhöht. Als Ergebnis wird festgestellt, dass der kombinierte Heizwert der Ofenwand-Wärmeabgabe und der freien Wärme des Gases größer als die Wärmeabgabe der Ofenwand unter Normalbedingungen wird und dass der gesamte Heizwert mit zunehmendem Durchfluss des Gases erhöht wird. Daher ist es zur Verbesserung der thermischen Effizienz bei dem gesamten Wärmenutzungssystem unter Berücksichtigung der Wärmenutzung innerhalb und außerhalb des Ofens durch Zufuhr des Ofenwand-Wärmeisoliergases wünschenswert, innerhalb oder außerhalb des Ofens annähernd die Hälfte oder mehr der freien Wärme des Gases zu nutzen, die gleichzeitig erzeugt wird.
• 4 erläutert die vorstehend beschriebenen Feststellungen im Detail. 4(a) zeigt ein Diagramm einer Beziehung zwischen einem dimensionslosen Gasdurchfluss (g) und einem Ofenwand-Wärmeabgabeverhältnis (r), wobei die Temperatur des Ofens und die Dicke der Wärmeisolierungsschicht (d) als Parameter verwendet werden. Dem Fachmann ist der Effekt der Reduzierung der Ofenwand-Wärmeabgabe durch Zufuhr des Ofenwand-Isoliergases verständlich. Hier gibt die horizontale Achse des Diagramms einen dimensionslosen Durchfluss an, der durch Dividieren einer Wärmekapazitätsrate (Cp × G / 3.6 [W/( m²·K)]) des zugeführten Gases durch einen Wärmeübertragungskoeffizienten in der Wärmeisolierungsschicht (λ / d [W/(m²·K)]) erhalten wird, da der Durchfluss des zuzuführenden Gases für die Wärmeisolierungsleistung der Wärmeisolierungsschicht aus der in 2 gezeigten Basisgleichung relevant ist. In der Verwendung hierin wird der Durchfluss als „ein dimensionsloser Gasdurchfluss“ bezeichnet. Es versteht sich, dass die Beziehung zwischen dem dimensionslosen Gasdurchfluss und dem Ofenwand-Wärmeabgabeverhältnis nicht von der Wärmeisolierungsleistung (Dicke) der Wärmeisolierungsschicht abhängig ist. Ferner versteht sich, dass, je höher die Ofentemperatur ist, desto niedriger das Ofenwand-Wärmeabgabeverhältnis bei dem gleichen dimensionslosen Gasdurchfluss ist. Die Ergebnisse zeigen an, dass dann, wenn die Ofenwand-Wärmeabgabe auf mindestens etwa 30 % reduziert werden soll, der dimensionslose Gasdurchfluss von 1 bis 2 betragen sollte, obgleich dies von der Ofentemperatur abhängig ist.
• Wie 3 zeigt, wird die freie Wärme des Abgases in Abhängigkeit von der zugeführten Menge des Ofenwand-Wärmeisoliergases erzeugt, während die Ofenwand-Wärmeabgabe reduziert wird. Um daher das Ausmaß der in dem Ofen genutzten Verbrennung durch dieses Verfahren zu reduzieren oder eine Energieeinsparung hinsichtlich des gesamten Systems einschließlich der Wärmenutzung außerhalb des Ofens zu erzielen, ist daher die Wärmenutzung zum Reduzieren eines bestimmten Anteils der erzeugten freien Wärme des Gases einschließlich innerhalb oder außerhalb des Ofens erforderlich. Somit ist ein Wärmenutzungsverhältnis der freien Gaswärme in dem Fall, in welchem der Heizwert exakt identisch mit dem unter Normalbedingungen ohne Ofenwand-Wärmeisoliergas-Zufuhr ist, in dem Diagramm von 4 (b) als ein kleinstes Nutzungsverhältnis η_min der freien Gaswärme dargestellt. Auch in diesem Fall besteht die Neigung, dass mit zunehmender Innentemperatur des Ofens das kleinste Nutzungsverhältnis der freien Wärme niedriger wird, ohne dass eine Abhängigkeit von der Wärmeisolierungsleistung vorliegt. Ferner versteht sich, dass unter allen Bedingungen dann, wenn die Durchflussgeschwindigkeit des Ofenwand-Isoliergases höher wird, das Nutzungsverhältnis der freien Gaswärme erhöht werden muss, um eine Energieeinsparung zu erzielen.
• Wenn beispielsweise das Ofenwand-Wärmeisoliergas einem Teil zugeführt wird, der eine Ofentemperatur von 1400 °C und eine Dicke der Wärmeisolierungsschicht von 0,4 m hat, so dass ein Ofenwand-Wärmeabgabeverhältnis in diesem Teil auf 30 % eingestellt ist, ist der dimensionslose Gasdurchfluss g 1. Ferner sollte, um dadurch einen Energieeinsparungseffekt zu erreichen, das Wärmenutzungsverhältnis η der erzeugten freien Gaswärme größer als mindestens 43 % sein.
• Die Bedingungen der Berechnung, die zum Erstellen der Kurven in den 4(a) und (b)verwendet wurden, sind nachstehend gezeigt:
• <(g) dimensionsloser zugeführter Gasdurchfluss> $$\text{g}=\text{Cp}\cdot \text{G/}\left(\mathrm{\lambda }/\text{d}\right)/\mathrm{3,6,}$$
  
  wobei
  • Cp: Gaswärmekapazität [J/(kg·K)] (hier, Cp = 1,34, ein konstanter Wert);
  • G: Gasdurchfluss pro Flächeneinheit [Nm³/(h·m²)] (Nm³ bezieht sich auf ein Volumen (m³) bei Umwandlung in einen Referenzstatus (0 °C, 1 atm);
  • λ: Wärmeleitfähigkeit in der Wärmeisolierungsschicht; $$\mathrm{\lambda }=\text{A}\cdot \mathrm{\rho }+\left(\text{B/}\mathrm{\rho }\right)\cdot {\text{Ts}}^3+\left(\text{C}\cdot \text{T}+\text{D}\right)\cdot \mathrm{\lambda }\text{f}\left[\text{W/}\left(\text{m}\cdot \text{K}\right)\right],$$
    
    wobei
  • Ts: Temperatur in der Wärmeisolierungsschicht [K];
  • ρ: Fülldichte: 130 [kg/m³];
  • λf: Wärmeleitfähigkeit im stationären Gas 0,05 [W/(m·K)];
  • A: 6,9 × 10^-5, B: 1,5 × 10^-8, C: -2,1 × 10^-5, D: 2,0.
• <r: Verhältnis der Ofenwand-Wärmeabgabemenge mit Zufuhr von Ofenwand-Isoliergas zur Ofenwand-Wärmeabgabemenge unter Normalbedingungen> $${\text{r=Q}}_{\text{w}}/{\text{Q}}_{\text{w0}};$$
  
  • Q_w0: Ofenwand-Wärmeabgabemenge unter Normalbedingungen [W/m²];
  • Q_w: Ofenwand-Wärmeabgabemenge unter Bedingungen, unter welchen Ofenwand-Isoliergas zugeführt wird [W/m²].
• <η_min: Kleinstes erforderliches Wärmenutzungsverhältnis der freien Wärme des Ofenwand-Isoliergases zum Erzielen einer Energieeinsparung des Systems>
  • η: Wärmenutzungsverhältnis der freien Wärme des Ofenwand-Zufuhrgases im System; $${\mathrm{\eta }}_{\text{min}}=1-\left({\text{Q}}_{\text{w0}}-{\text{Q}}_{\text{w}}\right)/{\text{Q}}_{\text{g}},$$
    
    wobei
  • Qg: freie Wärme, die das Gas in einem Zustand besitzt, in welchem das Ofenwand-Isoliergas die Ofentemperatur an der Zufuhrposition erreicht; $${\text{Q}}_{\text{g}}=\text{Cp}\times \text{G}\times \left({\text{T}}_{\text{i}}-{\text{T}}_0\right)\left[{\text{W/m}}^2\right];$$
    
  • Ti: Temperatur im Ofen an einer Position, an welcher das Ofenwand-Wärmeisoliergas zugeführt wird [°C];
  • T₀: Referenztemperatur von 20 °C.
• Einfach ausgedrückt wird das Wärmenutzungsverhältnis η der erzeugten freien Gaswärme durch eine Temperatur der freien Wärme bestimmt, die schließlich aufgegeben wird, nachdem die freie Wärme des von der Ofenwand zugeführten Gases innerhalb und außerhalb des Ofens genutzt wurde. Wenn die Temperatur während dieses Prozesses einfach durch Verdünnen mit einem Kühlgas verringert wird, sollte das Wärmenutzungsverhältnis durch Subtraktion des verringerten Temperaturanteils berechnet werden. In der Verwendung hierin bezieht sich das Kühlgas auf ein Kühlgas, das zur zusätzlichen Zufuhr von der speziellen Öffnung in das Innere des Ofens benötigt wird, ohne dass es durch die poröse Wärmeisolierungsschicht tritt, um eine gewünschte Wärmekurve zu bilden, und zwar begleitet von der Ofenwand-Wärmeisoliergasversorgung. Daher entspricht das Gas, dessen Zufuhr ins Innere des Ofens ursprünglich erforderlich war, auch wenn das Ofenwand-Isoliergas nicht zugeführt wird, nicht dem Kühlgas in der Verwendung hierin. Beispielsweise entsprechen in Fällen, in welchen Kühlluft für eine vorbestimmte Wärmekurve benötigt wird, auch wenn das Ofenwand-Wärmeisoliergas nicht zugeführt wird, wenn überschüssiger Sauerstoff als Atmosphäre im Ofen erforderlich ist und wenn Luftüberschuss zur Verwirbelung im Ofen erforderlich ist, dieser Sauerstoff und diese Luft nicht dem Kühlgas in seiner Verwendung hierin. Ferner wird in der vorliegenden Erfindung angenommen, dass dann, wenn ein Brenner zur Erwärmung verwendet wird, das für eine stabile Verbrennung erforderliche kleinste Luftverhältnis 1,05 beträgt, und von einem Teil der Luft, der dieses Verhältnis übersteigt, wird ein Teil der Luft ausschließlich eines Teils, der ursprünglich in das Ofeninnere zugeliefert werden muss, als das Kühlgas betrachtet.
• Allgemein wird das Wärmenutzungsverhältnis der erzeugten freien Gaswärme durch die folgende Gleichung berechnet: $$\mathrm{\eta }=\left[1-{\mathrm{\Sigma }}_{\text{j}}{\text{Qb}}_{\text{j}}/{\mathrm{\Sigma }}_{\text{i}}{\text{Qa}}_{\text{i}}\right]\times 100\left[\%\right],$$

  

  wobei: $${\text{Qb}}_{\text{j}}=\text{Cp}\cdot {\text{Gb}}_{\text{j}}\cdot \left({\text{Tb}}_{\text{j}}-{\text{T}}_0\right)/3600;$$

  

  $${\text{Qa}}_{\text{i}}=\text{Cp}\cdot {\text{Ga}}_{\text{i}}\cdot \left({\text{Ta}}_{\text{i}}-{\text{T}}_0\right)/3600;$$

  

  $${\mathrm{\Sigma }}_{\text{j}}{\text{Gb}}_{\text{j}}={\mathrm{\Sigma }}_{\text{i}}{\text{Ga}}_{\text{i}}+{\mathrm{\Sigma }}_{\text{k}}{\text{Gc}}_{\text{k}};$$

  
• Qb_j: freie Gaswärme [kW] nach dem Ausstoßen des Ofenwand-Wärmeisoliergases an Position j (im Fall der Wärmenutzung außerhalb des Ofens nach der Wärmenutzung);
• Qai: freie Gaswärme [kW] unmittelbar nach dem Zuführen des Ofenwand-Isoliergases in den Ofen an Position i;
• Cp: spezifische Gaswärme des Ofenwand-Isoliergases [kJ/(Nm³·K)] (zur Vereinfachung Cp = 1,34, was ein konstanter Wert ist; Nm³ bezieht sich auf ein Volumen (m³) bei Umwandlung in einen Referenzzustand (0 °C, 1 atm);
• T₀: Referenztemperatur [°C] (die Referenztemperatur ist eine Temperatur einer äußeren Umgebung des Ofens, wird jedoch zur Vereinfachung in der vorliegenden Erfindung definiert als T₀ = 20 °C);
• Gb_j: Abgasdurchfluss des Ofenwand-Isoliergases an Position j [Nm³/h];
• Gai: Durchfluss des Ofenwand-Wärmeisoliergases an Position i [Nm³/h];
• Gc_k: Durchfluss des mit der Ofenwand-Wärmeisoliergasversorgung an Position k zugeführten Kühlgases [Nm³/h];
• Tb_j: Temperatur des Ofenwand-Isoliergases an Position j [°C];
• Ta_i: Temperatur des Ofenwand-Wärmeisoliergases an Position i [°C].
Hier wird dann, wenn das Wärmenutzungsverhältnis η nur innerhalb des Ofens berücksichtigt wird, die freie Gaswärme Qb_j nach dem Ausstoßen des Gases als die freie Wärme des Gases an der Abgasöffnung des Ofens betrachtet.
• Wenn das Ofenwand-Isoliergas in einer Temperaturzone von 1400 °C zugeführt wird, wird die Wärme innerhalb des Ofens ohne Zufuhr der Kühlluft im Verlauf des Weges genutzt und wird das Gas in einer Temperaturzone von 500 °C ausgestoßen, und dann ist Ga₁ = Gb₁ und das Wärmenutzungsverhältnis η_f1 innerhalb des Ofens ist: $${\mathrm{\eta }}_{\text{f1}}=1-\left(500-20\right)/\left(1400-20\right)=65\%.$$

  

  In diesem Fall ist der Heizwert, der 22% (65 - 43) der erzeugten freien Gaswärme ist, die Brennstoffreduzierung innerhalb des Ofens. Wenn ferner das Abgas mit einer Ofenabgastemperatur von 500 °C mit einem Wärmenutzungsverhältnis von 50 % außerhalb des Ofens weiter genutzt würde, dann wäre die endgültige Abgastemperatur nach der Wärmenutzung außerhalb des Ofens 260 °C ((500 - 20) × 0,5 + 20). Daher ist das Wärmenutzungsverhältnis η_t1 in dem gesamten System: $${\mathrm{\eta }}_{\text{t1}}=1-\left(260-20\right)/\left(1400-20\right)=83\%.$$

  

  In diesem Fall ist der Heizwert, der 40% (83 - 43) der erzeugten freien Gaswärme ist, der Energieeinsparungseffekt des gesamten Systems. Wenn des Weiteren beispielsweise in dem vorstehend beschriebenen Beispiel vor dem Austritt aus dem Ofen überschüssige Wärme in dem Ofen verbleibt und Verdünnung und Kühlung mit Gas durchgeführt werden, das denselben Durchfluss wie der Ofenwand-Gaszufuhrdurchfluss hat, um das Innere des Ofens auf eine vorbestimmte Temperatur zu steuern, dann: $$\begin{array}{cc}{\text{Gb}}_2& ={\text{Ga}}_2+{\text{Gc}}_2\\ & =2\cdot {\text{Ga}}_2.\end{array}$$

  

  Das Wärmenutzungsverhältnis η_f2 innerhalb des Ofens ist: $${\mathrm{\eta }}_{\text{f2}}=1-2\times \left(500-20\right)/\left(1400-20\right)=30\%.$$

  

  Da in diesem Fall das kleinste Nutzungsverhältnis der freien Gaswärme (η_min) niedriger ist als 43 %, wird die Menge des in dem Ofen verwendeten Brennstoffs erhöht. Wenn ferner Wärme außerhalb des Ofens unter denselben Bedingungen wie in dem vorstehenden Beispiel genutzt wird, dann ist das Wärmenutzungsverhältnis η_t2 des gesamten Systems: $${\mathrm{\eta }}_{\text{t2}}=1-2\times \left(260-20\right)/\left(1400-20\right)=65\%.$$

  

  In diesem Fall ist der Heizwert, der 22% (65 - 43) der erzeugten freien Gaswärme entspricht, der Energieeinsparungseffekt des gesamten Systems.
• Bei einem Chargenofen ist es schwierig, die freie Gaswärme innerhalb des Ofens zu nutzen, und die Wärme wird außerhalb des Ofens rückgewonnen. Insbesondere sollte das Abgas mit einer erhöhten Temperatur von 1000 °C oder mehr aufgrund von Einschränkungen hinsichtlich der Wärmebeständigkeit der Wärmenutzungsanlage, beispielsweise Leitungseinrichtungen wie etwa Dämpfer und Wärmetauscher, allgemein auf etwa 500 °C gekühlt werden. Dieser Betriebsablauf senkt den Wirkungsgrad der Wärmerückgewinnung. Wenn beispielsweise im Vergleich zu dem vorstehend beschriebenen Beispiel des Durchlaufofens die freie Wärme von 1400 °C einfach mit Luft verdünnt wird, um ein Gas mit einer Temperatur von 500 °C in dem Chargenofen zu erzeugen, und die Wärme dann außerhalb des Ofens genutzt wird, ist die Wärmenutzungseffizienz η_t3 des gesamten Systems η_t3 = 50%, da dies das Wärmenutzungsverhältnis (50 %) selbst außerhalb des Ofens ist. In diesem Fall ist der Heizwert, der 7% (50 - 43) der erzeugten freien Gaswärme entspricht, der Energieeinsparungseffekt des gesamten Systems. Auch im Fall eines Ofens, in welchem die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 1400 °C durchgeführt wird, ist die Zeit, während der die Ofentemperatur 1400 °C beträgt, nur beschränkt und während der meisten Zeit herrschen 1400 °C oder weniger. Wenn die Ofentemperatur niedriger ist, überschreitet das kleinste Nutzungsverhältnis der freien Gaswärme η_min nach den Ergebnissen von 4(b) 50 %. Wenn daher die Bewertung in einem Zyklus des Chargenbetriebs erfolgt, kann nicht der Energieeinsparungseffekt des gesamten Systems erwartet werden und vielmehr wird oftmals die Energie erhöht.
• Andererseits kann in dem Durchlaufofen die freie Gaswärme, die in dem Hochtemperaturteil der Heizzone 12 erzeugt wurde, in dem Niedertemperaturteil der Heizzone 12 genutzt werden. Wenn beispielsweise das aus dem Gaseinlass 24a durch den Spalt 22 und anschließend die poröse Wärmeisolierungsschicht 23 in der Heizzone 12 in den Ofen fließende Ofenwand-Wärmeisoliergas zu dem Einlass 11 hin fließen kann, wird zwischen dem Gas und dem Werkstück Wärme ausgetauscht, während das Gas durch den Ofen fließen kann, wodurch die Temperatur des Gases verringert wird und die Temperatur des Werkstücks erhöht wird. Dies erlaubt eine effektive Nutzung der freien Gaswärme in der Heizzone 12. Nachdem es durch den Ofen geflossen ist, kann das Gas angesaugt und aus einer oder mehreren Abgasöffnungen 26a, die in der Heizzone 12 angebracht sind, ausgestoßen werden. Der Fluss des Ofenwand-Isoliergases, das in den Ofen fließt, kann durch Anpassen eines Ofendrucks in der Ofenlängsrichtung durch Einstellen einer Zufuhr-/Ausstoßmenge geregelt werden.
• Die Position für den Einbau der Abgasöffnung 26a in der Heizzone 12 kann in Übereinstimmung mit der Wärmekurve ermittelt werden. Hinsichtlich der effektiven Nutzung der freien Gaswärme innerhalb des Ofens, beispielsweise des gesamten Ofens, werden vorzugsweise 50 % oder mehr und bevorzugter 60 % oder mehr der freien Gaswärme zum Erwärmen des Werkstücks genutzt, bevor das Gas ausgestoßen wird. Um ferner eine Temperatur bereitzustellen, bei welcher die Wärme außerhalb des Ofens ohne weiteres genutzt wird, kann die Temperatur des aus der Heizzone 12 ausgestoßenen Gases bevorzugter von 100 bis 600 °C und noch bevorzugter von 250 bis 500 °C betragen. Daher ist die Abgasöffnung 26a der Heizzone vorzugsweise an einer Position vorgesehen, an welcher das Gas in dem Ofen in diesem Temperaturbereich liegt. Dies ermöglicht die Nutzung der Wärme mit einer Wärmerückgewinnungsrate von 50 % oder mehr außerhalb des Ofens. Nicht einschränkende Beispiele der Wärmenutzung außerhalb des Ofens schließen zusätzlich zur direkten Nutzung der freien Wärme mit erhöhter Temperatur zum Erwärmen anderer Werkstücke die Nutzung durch Umwandlung in Dampf, Heißwasser, Heißluft oder dergleichen in Wärmerückgewinnungseinrichtungen wie etwa Kesseln oder Wärmetauschern (Wasserkesseln, Luftvorwärmern und dergleichen) ein. Es sei angemerkt, dass dann, wenn keine Ausrüstung oder dergleichen zur Nutzung als Wärmequelle vorhanden ist, die Nutzungseffizienz um 5 bis 20 % reduziert wird, aber die Wärme kann zur Nutzung weiter in Elektrizität umgewandelt werden.
• Wenn ferner das Ofenwand-Wärmeisoliergas in der Kühlzone 13 in den Ofen fließt, indem es aufeinanderfolgend aus dem Gaseinlass 24b durch den Spalt 22 und die poröse Wärmeisolierungsschicht 23 tritt, wird das Werkstück durch Konvektionswärmeübertragung durch das Gas gekühlt. Die Temperatur des in den Ofen fließenden Gases wird durch Wärmeaustausch zwischen dem Gas und dem Werkstück erhöht, während es durch den Ofen fließt. Das Werkstück wird auch durch Strahlungswärmeübertragung auf die Innenfläche der Ofenwand gekühlt. Nachdem es durch den Ofen geflossen ist, kann das Gas angesaugt und aus einer oder mehreren Abgasöffnungen 26b, die in der Kühlzone 13 angebracht sind, ausgestoßen werden. Die Position für den Einbau der Abgasöffnung 26b in der Kühlzone 13 kann auch in Übereinstimmung mit der Wärmekurve ermittelt werden. Um eine einfache Wärmenutzung außerhalb des Ofens zu gewährleisten, kann die Temperatur des Abgases aus der Kühlzone 13 ebenso wie bei dem Abgas aus der Heizzone 12 vorzugsweise von 100 bis 600 °C und bevorzugter von 250 bis 500 °C betragen. Daher kann die Abgasöffnung 26b der Kühlzone 13 vorzugsweise an einer Position vorgesehen sein, an welcher das Gas in dem Ofen innerhalb eines derartigen Temperaturbereichs liegt.
• Gemäß den in 3 gezeigten Versuchsberechnungen ist auch dann, wenn das Ofenwand-Wärmeisoliergas mit etwa 4,7 Nm³/(hr·m²) im Hinblick auf die Nutzung der Kühlzone zugeführt wird, die Temperatur des von der Oberfläche der Ofeninnenseite der Ofenwand-Wärmeisolierungsschicht ins Innere des Ofens zugeführten Gases nur um etwa 30 °C niedriger als die Innentemperatur des Ofens, und ist die Temperatur der inneren Oberfläche der Ofenwand-Wärmeisolierungsschicht nur um etwa 10 °C niedriger als die Innentemperatur des Ofens. Mit anderen Worten kann das durch diese Temperaturzone laufende Werkstück (das in diesem Fall gekühlt wird) einer sanften Abkühlung durch Konvektionswärmeübertragung durch das bis nahe an die Innentemperatur des Ofens erwärmte Gas und durch Strahlungswärmeübertragung auf die Innenfläche der Ofenwand-Wärmeisolierungsschicht unterzogen werden, die eine geringfügig niedrigere Temperatur als die Innentemperatur des Ofens hat. Allgemein kann im Werkstück (das in diesem Fall gekühlt wird) eine sogenannte „Kaltrissbildung“ aufgrund eines raschen Kühlvorgangs entstehen, wie etwa bei einem Ablauf, bei dem das Werkstück Gasen ausgesetzt wird, die eine größere lokale Temperaturdifferenz haben. Wenn jedoch das Werkstück unter Verwendung des Ofenwand-Wärmeisolierungsaufbau gemäß der vorliegenden Erfindung gekühlt wird, wird der Kühlvorgang sanfter, was zu dem Vorteil führt, dass diese Probleme ohne weiteres vermieden werden können.
• Um den thermischen Wirkungsgrad des gesamten Wärmenutzungssystems einschließlich der Wärmenutzung innerhalb und außerhalb des Ofens zu verbessern, wird der Durchfluss des Gases, das der Heizzone und der Kühlzone zugeführt wird, wünschenswerterweise unter Berücksichtigung eines Ausmaßes des Gasdurchflusses ermittelt, der eine effektive Nutzung der Wärme innerhalb oder außerhalb des Ofens erlaubt. Wie aus dem Diagramm von 3 ersichtlich ist, sollte dann, wenn ein durch Zufuhr des Ofenwand-Wärmeisoliergases erzeugter Energieeinsparungseffekt nur innerhalb des Ofens erzielt werden soll, wenn der Durchfluss des zugeführten Gases gesteigert wird, die erzeugte freie Gaswärme gleichzeitig in einem höheren Verhältnis genutzt werden. Auch wenn die freie Gaswärme effektiv genutzt wird, um das Werkstück innerhalb des Ofens zu erwärmen, verbleibt überschüssige freie Gaswärme, obgleich dies von der Wärmekurve abhängig ist. Daher ist es im Hinblick auf den thermischen Wirkungsgrad der Wärmenutzung außerhalb des Ofens nicht wünschenswert, eine große Menge von freier Gaswärme zu erzeugen. Im Vergleich zu der Kühlzone ist unter diesem Gesichtspunkt der optimale Gasdurchfluss des der Heizzone zugeführten Ofenwand-Wärmeisoliergases auf einen relativ niedrigen Durchfluss begrenzt und ist von den technischen Daten des Ofens, wie etwa der Heizwertrate des Werkstücks, der Fläche der Ofenwand und der Wärmekurve abhängig. Als Beispiel kann ein geeigneter Durchfluss des Gases pro Flächeneinheit von 1 bis 3 Nm³/(h·m²) betragen. Ferner kann der dimensionslose Gasdurchfluss geeigneterweise in einem Bereich von 0,5 bis 3 und bevorzugt in einem Bereich von 1 bis 2 liegen. Wenn der Durchfluss niedriger als der untere Grenzwert ist, wird das kleinste Nutzungsverhältnis der freien Gaswärme niedriger, sodass die Wärmenutzung ohne weiteres realisiert werden kann, aber der quantitative Effekt ist hinsichtlich der Energie geringer. Wenn andererseits der Durchfluss größer ist als der obere Grenzwert, wird das kleinste Nutzungsverhältnis der freien Gaswärme höher, was nicht praxisgerecht ist. Ein optimaler Gasdurchfluss des Ofenwand-Wärmeisoliergases, das durch die Kühlzone zugeführt wird, ist von den technischen Daten des Ofens abhängig, wie etwa der Heizwertrate des Werkstücks, der Fläche der Ofenwand und der Wärmekurve. Berücksichtigt man den Zweck der Kühlung des Werkstücks, ist der optimale Gasdurchfluss allgemein größer als der optimale Gasdurchfluss des der Heizzone zugeführten Ofenwand-Wärmeisoliergases, und beispielsweise ist ein optimaler Gasdurchfluss von 3 bis 6 Nm³/(h·m²) angemessen.
• Somit ist es möglich, sowohl eine Reduzierung der Wärmeabgabe von der Ofenwand als auch eine Verbesserung des Wärmenutzungsverhältnisses zu erreichen und eine Energieeinsparung des gesamten System einschließlich außerhalb des Ofens zu ermöglichen, indem innerhalb oder außerhalb des Ofens die freie Wärme des Ofenwand-Isoliergases erfolgreich genutzt wird. Ferner ist es auch möglich, den Energieeinsparungseffekt nur innerhalb des Ofens zu erzielen, indem verschiedene Bedingungen optimiert werden, wie etwa der Durchfluss des jeweiligen Ofenwand-Isoliergases, das in Abhängigkeit von der Wärmekurve der Heizzone bzw. der Kühlzone zugeführt wird, die Position zum Einführen des Ofenwand-Wärmeisoliergases und die Abgasposition.
• BEISPIELE
• Nachfolgend werden Beispiele von Versuchsberechnungen des Reduzierungseffekts der Ofenwand-Wärmeabgabe und des Energieeinsparungseffekts gemäß der vorliegenden Erfindung angeführt, aber die vorliegende Erfindung soll nicht auf diese Beispiele beschränkt sein.
• <Beispiele 1-1 und 2-1, Vergleichsbeispiele 1 und 2>
• Versuchsberechnungen für die Auswirkungen der vorliegenden Erfindung wurden an dem Durchlaufofenmodell wie in 5 und Tabelle 1 gezeigt durchgeführt. Der Typ des Ofens ist ein Gas verbrennender Durchlaufofen, der eine Gesamtlänge von 90 m, eine Breite von 2,8 m und eine Höhe von 2,1 m als Ofeninnenabmessungen hat. Wie 5 zeigt, war der Durchlaufofen vom Ofeneinlass bis zum Ofenauslass aus einer Niedertemperatur-Heizzone, eine Mitteltemperatur-Heizzone, einer Hochtemperatur-Heizzone und einer Kühlzone aufgebaut. Die Durchgangszeit des Ofens betrug 30 h und die Innentemperatur des Ofens entsprach der in den Temperaturbedingungen der Tabelle in dem Wärmekurvendiagramm in 5 gezeigten. Die Höchsttemperatur der Heizzonen betrug 1400 °C und die Verweilzeit war 4 h. Die Wärmekapazität des Werkstücks wurde als eine Wärmekapazitätsrate unter Berücksichtigung seiner Bearbeitungsrate definiert und betrug 0,465 kW/K in der Summe der Wärmekapazitäten des Produkts und der Brennhilfsmittel. Der Ofen war in Richtung der Ofenlänge in 30 Teile unterteilt und eine Wärmegleichgewichtsberechnung wurde für jedes Element mit einer Länge von 3 m auf der Grundlage der beschriebenen Berechnungsbedingungen durchgeführt. Die Fläche der Ofenwand je Element betrug 29,4 m².
  Es sei angemerkt, dass zur Vereinfachung der Berechnung die spezifische Wärme des Gases in dem Ofen, die zur Berechnung des Wärmegleichgewichts verwendet wurde, ein konstanter Wert von 1,34 kJ/Nm³ ungeachtet der Temperatur und der Zusammensetzung war. Ferner wurde diese Versuchsberechnung unter der Bedingung durchgeführt, dass je Element ein Brenner eingebaut war. Da jedes Element eine Länge von 3 m hat, wird jedoch in der Praxis im Durchlaufofen eine Vielzahl von Brennern pro Element eingebaut.
• Tabelle 1

  Versuchsberechnungsbedingungen für Durchlaufofenmodell
  Typ			Gasbrenner-Durchlaufofen
  Brennstoff	Klasse		Stadtgas (13 A)
  	Unterer Heizwert		41,7 MJ/Nm3
  Verbrennungsgas	Spezifische Wärme (unabhängig von Temperatur und Gaszusammensetzunn konstant		1,34 KJ/Nm3
  Ofenabmessungen	Volle Länge		90 m
  	Anzahl der unterteilten Elemente in Richtung der Ofenlänge		30
  	Länge jedes Elements		3 m
  	Innenbreite		2.8 m
  	Innenhöhe		2,1 m
  	Oberfläche der Ofenwand pro Element		29,4 m2/Element
  Wärmekurve (Siehe 5)	Durchgangszeit		30 h
  	Höchsttemperatur		1400 °C
  	Höchsttemperatur-Haltedauer		4 h
  Wärmekapazität des Werkstücks (Produkt und Hochofenwerkzeug)			0,465 kW/K
  Ofenwand-Wärmeisolierungsleistung	Temperatur Ofenwand-Außenfläche	(z.B. in 1400 °C-Zone)	130 °C
  (Normal) *1	Ofenwand-Wärmeabgabemenge	(z.B. in 1400°C-Zone)	1245 W/m2
  Ofenwand-Gaszufuhrbedingungen (siehe 3)	Gasart		Luft
  	Durchfluss pro Flächeneinheit	Heizzone	2,2 Nm3/(h · m2)
  		Kühlzone	4,7 Nm3/(h · m2)
  	Durchfluss pro Element	Heizzone	64,7 Nm3/(h · Element)
  		Kühlzone	138,2 Nm3/(h · Element)
  	Wärmeabgabeverhältnis	Heizzone < 700 °C	0,40
  		Heizzone > 700 °C	0,30
  	(v.s. Normal	Kühlzone	0,15
  Brenner-Verbrennung	Niedertemperaturzone	Verbrennungsgasdurchfluss	100 Nm3/(h · Element)
  	Mittel-/HochTemperaturzone	Luftverhältnis	1,05
  	Anmerkung: eingestellter kleinster Luftdurchfluss		20 Nm3/(h · Element)
  Leistung regenerativer Brenner	Abgasrate (v.s. Brenner-Verbrennunasgasdurchfluss)		90 %
  *2	Wärmerückgewinnungsrate (v.s. Brenner-Verbrennungsgas-Heizwert)		72 %
  	Abgastemperatur	(z.B. in 1400 °C-Zone	307 °C
  *1: die folgenden Gleichungen wurden zur Berechnung der äußeren Oberflächentemperatur und der Menge der Wärmeabgabe verwendet:
  - Temperatur der äußeren Oberfläche Te (°C) = (100 / 1370) × (Innentemperatur des Ofens (°C) - 30) + 30;
  - Menge der abgegebenen Wärme (W/m2) = (0.5 × 5,67 × (((Te + 273) / 100)4- (303/100)4) + 2,3 × (Te - 30)(5/4)).
  *2: Die folgenden Gleichungen wurden zur Berechnung des regenerativen Abgasdurchflusses und der Abgastemperatur verwendet:
  - regenerativer Abgasdurchfluss (Nm3/h) = Verbrennungsgasdurchfluss (Nm3/h) × Abgasrate (%) / 100;
  - regenerative Abgastemperatur (°C) = Innentemperatur des Ofens (°C) × (1 - Wärmerückgewinnungsrate / Abgasrate).
  *3: Strahlungswärmeübertragung im Ofen

• Die Menge der Strahlungswärmeübertragung zwischen einem Element innerhalb des Ofens (i) und einem Element innerhalb des Ofens (i+1) wurde berechnet mit: $$-\text{Strahlungswärmeübertragung}\left(\text{i}\to \text{i+1}\right)\left({\text{W/m}}^2\right)=\text{Ai}\times \text{5}\text{.67}\times {\text{10}}^{-8}\times \left\{{\left(\text{T}\left(\text{i+1}\right)+273\right)}^4-{\left(\text{T}\left(\text{i}\right)+273\right)}^4\right\}$$

  

  wobei:
• T(i) und T(i+1) jeweils eine Innentemperatur des Ofens (°C) ist;
• Ai (m²) eine scheinbare Strahlungswärmeübertragungsfläche in dem Ofen ist (die in der Versuchsberechnung 1 m² betrug).
• Für die Wärmeabgabe von der Ofenwand in dem Normalzustand ohne Zufuhr des Ofenwand-Wärmeisoliergases wurde eine poröse Wärmeisolierungsschicht aus Keramikfaser mit einer relativ guten Wärmeisolierungseigenschaft angenommen. In der Versuchsberechnung wurde eine Menge der Wärmeabgabe durch die in „*1“ von Tabelle 1 gezeigte Gleichung angegeben. Wenn beispielsweise die Innentemperatur des Ofens 1400 °C beträgt, ist die Ofen-Außenflächentemperatur der porösen Wärmeisolierungsschicht 130 °C und die Ofenwand-Wärmeabgabemenge ist 1245 W/m². Das zuzuführende Ofenwand-Wärmeisoliergas war Luft mit einer Temperatur von 20 °C, die zu der Heizzone und der Kühlzone zugeführt wurde. Für den Gaszufuhrdurchfluss sind die optimalen Bedingungen zwischen der Heizzone und der Kühlzone wie vorstehend beschrieben unterschiedlich. In der in 3 gezeigten Versuchsberechnung betrug der Zufuhrdurchfluss pro Flächeneinheit 2,2 Nm³/(h·m²) bzw. 4,7 Nm³/(h·m²) für die Heizzone bzw. die Kühlzone und die Wärmeabgabeverhältnisse des Falles, in welchem Ofenwand-Wärmeisoliergas zugeführt wurde, zu dem Fall, in welchem kein Wand-Wärmeisoliergas zugeführt wurde, waren 0,40, 0,30 und 0,15 für die Heizzone mit einer Temperatur von weniger als 700 °C, die Heizzone mit einer Temperatur von 700 °C oder mehr bzw. die Kühlzone. Das Wärmeabgabeverhältnis wurde in Abhängigkeit von den Temperaturzonen in der Heizzone geändert, wobei die Tatsachen berücksichtigt wurden, dass die Dicke der Ofenwand in Abhängigkeit von den Temperaturzonen unterschiedlich war und das Wärmeabgabeverhältnis geringfügig verringert war, auch wenn der Zwangsgasdurchfluss derselbe war, wenn die Dicke der Wärmeisolierung dieselbe war.
• Der Brenner für die Niedertemperatur-Heizzone führt Atmosphäreneinstellluft ein, um flüchtige Stoffe sicher vom Werkstück zu entfernen. Der Zufuhrdurchfluss der Luft wurde dergestalt eingestellt, dass ein Verbrennungsgas mit 100 Nm³/h pro Element unter Luftüberschussbedingungen erzeugt wurde. Die Versuchsbedingungen wurden für zwei Fälle durchgeführt: einen normalen Brenner und einen regenerativen Brenner als Brenner für die Mitteltemperatur-Heizzone und die Hochtemperatur-Heizzone. Das Luftverhältnis während der Verbrennung des Brenners (wenn Aufheizen erforderlich war) betrug etwa 1,05 sowohl für die Mitteltemperatur-Heizzone als auch die Hochtemperatur-Heizzone. Der Mindest-Luftdurchfluss (20 Nm³/h) wurde jedoch eingestellt, um Beschädigungen durch Verbrennung von Metallteilen wie etwa der Brennerdüse während der Verbrennung zu verhindern. Ferner wurde dann, wenn die Heizzone kein Aufheizen unter dem Gesichtspunkt der Erzeugung einer Soll-Wärmekurve erforderte, sondern einen Kühlvorgang erforderte, eine erforderliche Luftmenge mit Referenztemperatur (20 °C) von dem Brenner zugeführt, sodass eine vorbestimmte Temperatur gehalten wurde. In der Kühlzone wurde eine erforderliche Luftmenge mit Referenztemperatur von einer Kühlöffnung zugeführt, sodass eine vorbestimmte Temperatur gehalten wurde.
• Wenn die Ofenwand-Wärmeisolierungsluft zugeführt wurde (Beispiel), wurden 64,7 Nm³/h Luft der porösen Wärmeisolierungsschicht für jedes Element in der Heizzone zugeführt. In der Niedertemperatur-Heizzone wurde, um 100 Nm³/h Verbrennungsgas für jedes Element einschließlich dieser Ofenwand-Wärmeisolierluft zu erzeugen, ein dieser Differenz entsprechender Luftdurchfluss von dem Brenner zugeführt. In der Kühlzone wurden 138,2 Nm³/h der porösen Wärmeisolierungsschicht für jedes Element zugeführt und in diesem Zustand wurde eine erforderliche Luftmenge auch von der Kühlöffnung zugeführt, sodass eine vorbestimmte Temperatur gehalten wurde.
  Das Abgas wurde in den Fällen, in welchen die Ofenwand-Wärmeisolierluft nicht zugeführt wurde (Vergleichsbeispiel) und in welchen die Ofenwand-Wärmeisolierluft zugeführt wurde (Beispiel), an derselben Position ausgestoßen. Genauer ausgedrückt wurde das Abgas an einer Abgasöffnung der Niedertemperatur-Heizzone (Ofentemperatur: 296 °C); an einer Abgasöffnung der Mitteltemperatur-Heizzone (Ofentemperatur: 448 °C); an einer Abgasöffnung der Kühlzone (Ofentemperatur: 435 °C); und einem Brenner-Abgasausgang während der Verwendung des regenerativen Brenners ausgestoßen (die Abgastemperatur betrug von etwa 100 bis 300 °C in Abhängigkeit von der Brennerposition).
• In der Heizzone bei Verwendung des normalen Brenners wird dann, wenn der direkte Abgasausstoß in dieser Temperaturzone ausgeführt werden soll, viel Wärme ausgetragen, da das Abgas eine erhöhte Temperatur hat, und die Konstruktion der Abgasöffnung wird schwierig. Daher wird allgemein kein direkter Abgasausstoß ausgeführt und das in der Hochtemperaturzone erzeugte Verbrennungsgas wird durch die Nieder- und Mitteltemperaturzone geleitet und nach dem Wärmeaustausch zwischen dem Gas und dem Werkstück ausgestoßen. Andererseits ist der regenerative Brenner ein Brenner, in welchem die Verbrennung und der Abgasausstoß abwechselnd wiederholt werden und der Brenner selbst Abwärme rückgewinnen kann, und auch wenn die Innentemperatur des Ofens 1000 °C oder mehr beträgt, ist die Temperatur des Abgases von dem Brenner etwa 100 bis 300 °C durch Wärmeaustausch innerhalb des Brenners. Daher ermöglicht die Verwendung eines regenerativen Brenners für die Heizzone den direkten Abgasausstoß aus der Heizzone. Der Abgasdurchfluss und die Abgastemperatur des regenerativen Brenners wurden durch die in „*2“ von Tabelle 1 gezeigte Gleichung berechnet.
• Unter diesen Bedingungen wurden jeweils die freie Wärme des Werkstücks, die Wärmeabgabe von der Ofenwand, durch das Abgas ausgetragene Wärme und die Strahlungswärmeübertragung in dem Ofen für jedes Element berechnet und ein erforderlicher Heizwert des Brennstoffs wurde berechnet. Die durch das Abgas ausgetragene Wärme wurde aus der zugeführten und ausgestoßenen Menge des Gases in jedem Element und die Mengen von Verbrennungsgas, die in ein und aus einem benachbarten Element fließen, berechnet. Die Strahlungswärmeübertragung in dem Ofen wurde durch die in „*3“ von Tabelle 1 gezeigte Gleichung berechnet.
• Der Brennstoffreduzierungseffekt gemäß der vorliegenden Erfindung wurde ermittelt, indem eine Wärmegleichgewichtsberechnung für die Bedingungen, bei welchen kein Ofenwand-Wärmeisoliergas zugeführt wurde (Vergleichsbeispiel) und bei welchen das Ofenwand-Wärmeisoliergas zugeführt wurde (Beispiel), in zwei Fällen durchgeführt wurde: Verwendung des normalen Brenners und Verwendung des regenerativen Brenners, Ermitteln der effizientesten Bedingungen der Verbrennung, der Zufuhr und des Abgasausstoßes für jeden dieser Fälle, und Vergleichen der erforderlichen Heizwerte und der durch das Abgas ausgetragenen Wärme. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 2 und 3 aufgeführt. Bei dem Durchlaufofenmodell wird der Wärmeverlust aufgrund von Gasaustritt aus dem Einlass und Auslass des Durchlaufofens nicht berücksichtigt. Auch wenn jedoch beispielsweise 100 Nm³/h Gas mit 100 °C abfließen, beträgt der Wärmeverlust nur etwa 3 kW, was ein vernachlässigbarer Heizwert ist.

  

  

  
• Tabelle 2 wird erläutert. Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse der Wärmeeingabe und der Wärmeausgabe, ein Wärmenutzungsverhältnis des Ofenwand-Wärmeisoliergases innerhalb des Ofens, die Wärme des Abgases aus der Abgasöffnung, die Nutzung der Wärme des Abgases außerhalb des Ofens und einen wirklichen Heizwert des gesamten Systems als Ergebnis des Wärmegleichgewichts. Tabelle 2 zeigt ferner einen Reduzierungseffekt des Brennstoffheizwerts innerhalb des Ofens, einen Effekt der Steigerung der Wärmenutzung des Abgases außerhalb des Ofens und einen Effekt der Reduzierung des wirklichen Heizwerts des gesamten Systems als die Effekte von Beispielen gegenüber Vergleichsbeispielen auf der Grundlage von diesen Ergebnissen.
• Zunächst sind die Wärmeeingabe und die Wärmeausgabe in kW-Einheiten für den gesamten Ofen und jede Temperaturzone als die Wärmegleichgewichtsergebnisse gezeigt. Die Wärmeeingabe ist nur ein Brennstoff-Heizwert A und die Einzelheiten der Wärmeausgabe zeigen die freie Wärme des Werkstücks, die Wärmeabgabe von der Ofenwand, von dem Abgas ausgetragene Wärme und Strahlungsverlust. Hier können einige der Einzelheiten der Wärmeausgabe in jeder Temperaturzone Wärmeeingaben sein, aber in diesem Fall sind sie der Einfachheit halber mit einem Minuszeichen bezeichnet. Wenn beispielsweise die durch das Abgas ausgetragene Wärme mit minus bezeichnet ist, bedeutet dies, dass die Wärme des Abgases eingetragen wurde. Es sei angemerkt, dass die durch das Abgas ausgetragene Wärme in jeder Temperaturzone nicht nur die aus der Abgasöffnung abgegebene Wärme, sondern auch eine Zunahme und eine Abnahme der freien Gaswärme in Verbindung mit dem Fließen des Gases in die und aus der benachbarten Zone einschließt.
• Das Wärmenutzungsverhältnis des Ofenwand-Wärmeisoliergases innerhalb des Ofens stellt ein Verhältnis dar, für welches die freie Gaswärme als eine Wärmequelle für die Heizzone genutzt wurde, bis das Gas aus dem Ofen nach außerhalb des Ofens ausgestoßen wird, nachdem das Gas von der Ofenwand in der Mitteltemperaturzone und der Hochtemperaturzone zugeführt wurde und die Temperatur auf die Innentemperatur des Ofens innerhalb der Ofenwand erhöht wurde. Genauer ausgedrückt wurde das Wärmenutzungsverhältnis durch die in Tabelle 2 gezeigte Gleichung berechnet. Bei der Berechnung der freien Wärme der Ofenwand zu der Zeit, wenn das in jedem Element zugeführte Ofenwand-Wärmeisoliergas an der Abgasöffnung des Ofen ausgestoßen wird, ist es dann, wenn die Kühlluft gemeinsam zugeführt wird, erforderlich, den Durchfluss der Kühlluft zu dem Durchfluss des Ofenabgases zu addieren. Da hierbei der Durchfluss der Ofenwand-Gaszufuhr von den jeweiligen Elementen der Mitteltemperaturzone und der Hochtemperaturzone gleich eingestellt wurde, wurde der Durchfluss des Ofenabgases dergestalt berechnet, dass dann, wenn ein oder mehrere Elemente vorhanden waren, in welchen die Kühlluft zugeführt wurde, der Gasdurchfluss der Kühlluft gleichmäßig auf alle Elemente verteilt wurde, in welchem das Ofenwand-Wärmeisoliergas zugeführt wurde, einschließlich des Elements bzw. der fraglichen Elemente und derjenigen, die näher an der Ofenauslassseite als das bzw. die Elemente liegen, und der gleichmäßig verteilte Kühlgasdurchfluss wurde zu dem Zufuhrdurchfluss des Ofenwand-Wärmeisoliergases von jedem Element addiert. Es sei angemerkt, dass für die Niedertemperaturzone und die Kühlzone das Wärmenutzungsverhältnis des Ofenwand-Wärmeisoliergases innerhalb des Ofens weggelassen wurde, da es nicht direkt mit der Brennstoffreduzierung oder dem Energieeinsparungseffekt des gesamten Ofens in Zusammenhang steht.
• Die Tabelle zeigt die durch das Abgas in jeder Temperaturzone ausgetragene Wärme in den Einzelheiten der Wärmeausgabe. Die Tabelle zeigt ferner die durch das Abgas aus der Abgasöffnung (einschließlich des Brennerabgases) ausgetragene Wärme, um die nach außerhalb des Ofens in jeder Temperaturzone ausgetragene Wärme zu bezeichnen. Es sei angemerkt, dass dann, wenn die ausgetragene Wärme durch eine Wärmerückgewinnungseinrichtung außerhalb des Ofens genutzt wird, der Heizwert nicht nur durch die Enthalpie des gesamten Heizwerts, sondern auch durch die Exergie bewertet werden sollte, welche die effektive Energie bezeichnet. Daher sind diese auch in der Tabelle angegeben.
  Die Nutzung von Abwärme außerhalb des Ofens (B) wurde so definiert, dass sie in der Lage ist, 50 % oder mehr der durch das Abgas des gesamten Ofens ausgetragenen Wärme für andere Schritte zu nutzen. Die Tabelle zeigt auch einen wirklichen Heizwert (A - B), der durch Subtrahieren der Nutzung der Abwärme (B) außerhalb des Ofens von dem Brennstoff-Heizwert (A) durch Wärmeeingabe innerhalb des Ofens erhalten wird.
• Fall der Verwendung eines normalen Brenners (Beispiel 1-1, Vergleichsbeispiel 1)
• Der erforderliche Heizwert bei Verwendung des normalen Brenners betrug für das Beispiel 1251 kW, wohingegen er für das Vergleichsbeispiel 1336 kW betrug. Die Rate der Brennstoffreduzierung betrug 6 %.
  Beim Vergleich der Einzelheiten der Wärmeausgabe für den gesamten Ofen wird zunächst festgestellt, dass bei dem Beispiel die Wärmeabgabe von der Ofenwand aufgrund des Effekts der Ofenwand-Wärmeisoliergaszufuhr signifikant verringert ist, während die durch das Abgas ausgetragene Wärme erhöht wird.
  Dann wurde ein Vergleich in den jeweiligen Temperaturzonen durchgeführt. In der Niedertemperaturzone wird der Brennstoffheizwert von 268 kW (Vergleichsbeispiel) auf 253 kW (Beispiel) reduziert, obgleich der Unterschied zwischen diesen nur 15 kW beträgt. Aus den Einzelheiten der Wärmeeingabe wird verständlich, dass dies durch den verringerten Anteil der Ofenwand-Wärmeabgabe bedingt ist. Der Grund dafür liegt darin, dass der Durchflussanteil der von der Ofenwand zugeführten Luft auch zum Spülen der flüchtigen Bestandteile von dem Werkstück beiträgt, sodass in dem Beispiel eine von dem Brenner zugeführte Luftmenge entsprechend reduziert wird, sodass sie nicht die Gesamtmenge der der Niedertemperaturzone zugeführten Luft erhöht, und der Grund dafür liegt darin, dass der Anteil der von der Ofenwand zugeführten Luft anstelle dessen durch Wärmeaustausch zwischen dem Anteil und der Wärmeisolierungsschicht der Ofenwand vorgeheizt wird.
  In der Mitteltemperaturzone wird der Heizwert von 129 kW (Vergleichsbeispiel) auf 11 kW (Beispiel) reduziert, und die substantielle Reduzierung des Heizwerts beträgt 118 kW. Bei Betrachtung der Einzelheiten wäre der Grund dafür, dass die Wärmeabgabe von der Ofenwand deutlich reduziert wurde und die durch das Abgas eingetragene Wärme (Minusbezeichnung für die ausgetragene Wärme) auch geringfügig erhöht wurde. Eine detailliertere Analyse zeigt, dass das Wärmenutzungsverhältnis des Ofenwand-Wärmeisoliergases im Inneren des Ofens nur in der Mitteltemperaturzone 26 % beträgt, was darauf hinweist, dass, wie in 4 beschrieben, die Zufuhr von Ofenwand-Wärmeisoliergas zu der Mitteltemperaturzone zu keiner Brennstoffreduzierung innerhalb des Ofens führt. Darüber hinaus weisen die Tatsachen, dass in der Mitteltemperaturzone die durch das Abgas eingetragene Wärme mehr ist als die durch das Abgas ausgetragene Wärme (Minusbezeichnung für die ausgetragene Wärme) und dass die Abgaswärme aus der Abgasöffnung deutlich erhöht ist, darauf hin, dass die von der benachbarten Hochtemperaturzone eingetragene Wärme deutlich erhöht ist, was der wahre Grund für die Brennstoffreduzierung in der Mitteltemperaturzone ist.
  In der Hochtemperaturzone wird der Brennstoffheizwert von 938 kW (Vergleichsbeispiel) auf 987 kW (Beispiel) erhöht, was eine Steigerung um 49 kW bedeutet. Bei Betrachtung der Einzelheiten der Wärmeausgabe wäre der Grund dafür, dass die Wärmeabgabe von der Ofenwand deutlich reduziert wurde, während die durch das Abgas ausgetragene Wärme weiter gesteigert wurde. Dies ist eine natürliche Folge auf der Grundlage des Prinzips der Ofenwand-Wärmeisoliergaszufuhr, wie in 3 erläutert. Das Extrahieren des Wärmegleichgewichts nur der Hochtemperaturzone des Durchlaufofens ist im Wesentlichen dasselbe wie das Betrachten des Wärmegleichgewichts des Chargenofens, was darauf hinweist, dass in dem Chargenofen die Vorgehensweise der Ofenwand-Isoliergaszufuhr schwierig mit einer Energieeinsparung des Ofens in Verbindung zu bringen ist. In dem Durchlaufofen wird die von dem Abgas in der Hochtemperaturzone ausgetragene Wärme in die benachbarte Mitteltemperaturzone gebracht und die Wärme wird in der Mitteltemperaturzone genutzt, wodurch eine Energieeinsparung hinsichtlich des gesamten Ofens ermöglicht wird. Das Wärmenutzungsverhältnis innerhalb des Ofens des Ofenwand-Wärmeisoliergases nur in der Hochtemperaturzone beträgt 55 %, was angibt, dass die Wärmerückgewinnung auch nur innerhalb des Ofens möglich ist.
  Zusätzlich ist das durchschnittliche Wärmenutzungsverhältnis innerhalb des Ofens des Ofenwand-Isoliergases in der Mitteltemperaturzone und der Hochtemperaturzone 45 %, was im Hinblick auf das Diagramm in 4 nahe an dem kleinsten Nutzungsverhältnis der freien Gaswärme η_min liegt. Ein derartiger Brennstoffreduzierungseffekt wurde jedoch erzielt, da der Verbrennungsofen, der einen erforderlichen Heizwert durch Verbrennung bereitstellt, einen synergistischen Effekt der Reduzierung der Verbrennungsluft erreicht, wenn der erforderliche Heizwert reduziert wird.
  Da die Verbrennung in der Kühlzone nicht ausgeführt wurde, wurde die von dem Abgas ausgetragene Wärme einfach in einem Ausmaß erhöht, die der Reduzierung der Wärmeabgabe von der Ofenwand durch die Zufuhr des Ofenwand-Wärmeisoliergases entspricht, und das Ausmaß der Erhöhung war 80 kW. In dem Beispiel der Versuchsberechnung war der Einfachheit halber der Zufuhrdurchfluss des Ofenwand-Isoliergases über die gesamte Kühlzone konstant. Die Wärmeabgabe von der Ofenwand kann jedoch weiter reduziert werden, indem die Gaszufuhrmenge des Ofenwand-Isoliergases gemäß der Kühlungswärmekurve optimiert wird, wodurch die von dem Abgas ausgetragene Wärme erhöht wird.
  Die Resultate werden summiert. Der Brennstoffreduzierungseffekt innerhalb des Ofens betrug 6 %, der Effekt der Erhöhung der Wärmenutzung des Abgases außerhalb des Ofens betrug 46 %, unter der Annahme, dass 50 % der vom Abgas ausgetragenen Wärme in anderen Schritten rückgewonnen werden kann, und basierend auf diesen Ergebnissen war der wirkliche Reduzierungseffekt des Heizwertes 25 %. Ein beträchtlicher Energieeinsparungseffekt wurde erzielt.
• Fall der Verwendung eines regenerativen Brenners (Beispiel 2-1, Vergleichsbeispiel 2)
• Der erforderliche Brennstoff-Heizwert bei Verwendung des regenerativen Brenners betrug für das Beispiel 1081 kW, wohingegen er für das Vergleichsbeispiel 1244 kW betrug. Die Rate der Brennstoffreduzierung betrug 13 %, was effektiver war als bei der Verwendung des normalen Brenners. Beim Vergleich der Einzelheiten der Wärmeausgabe für den gesamten Ofen kann auch festgestellt werden, dass die Wärmeabgabe von der Ofenwand aufgrund des Effekts der Ofenwand-Wärmeisoliergaszufuhr bei dem Beispiel signifikant verringert ist, während die durch das Abgas ausgetragene Wärme erhöht wird. Im Vergleich zu dem Fall, in welchem der normale Brenner verwendet wird, ist der erhöhte Anteil der durch das Abgas ausgetragenen Wärme kleiner, sodass die Brennstoffreduzierungsrate des gesamten Ofens größer wird.
  Anschließend wird ein Vergleich in den jeweiligen Temperaturzonen durchgeführt. Für die Niedertemperaturzone und die Kühlzone sind die Versuchsberechnungsbedingungen gleich wie diejenigen in dem Fall, in welchem der normale Brenner verwendet wird, und die Ergebnisse sind ebenfalls gleich.
  In der Mitteltemperaturzone wird der Brennstoff-Heizwert von 388 kW (Vergleichsbeispiel) auf 210 kW (Beispiel) vermindert und eine Differenz zwischen diesen beträgt 178 kW, was wesentlich niedriger als im Fall der Verwendung des normalen Brenners (118 kW) ist. Der Grund dafür ist, dass im Vergleich zu dem Fall, in welchem der normale Brenner verwendet wird, der erhöhte Anteil der durch das Abgas eingetragenen Wärme (Minusbezeichnung für die durch das Abgas ausgetragene Wärme) größer ist, obgleich die Reduzierung der Wärmeabgabe von der Ofenwand gleich ist, und das Wärmenutzungsverhältnis innerhalb des Ofens des Ofenwand-Wärmeisoliergases von 26 % auf 44 % für die Mitteltemperaturzone und von 55 % auf 68 % für die Hochtemperaturzone und von 45 % auf 60 % im Durchschnitt für beide erhöht wird. Ferner liegt der Hauptgrund darin, dass bei dem regenerativen Brenner 90 % des durch die Brennerverbrennung erzeugten Verbrennungsgases durch den Brenner selbst ausgestoßen werden können und somit der Durchfluss des Abgases, das aus der an dem Anfangsteil der Mitteltemperaturzone angeordneten Abgasöffnung ausgestoßen wird, nachdem es durch die Mittel- und Hochtemperaturzone zur Einlassseite des Ofens geflossen ist, extrem viel niedriger ist als bei dem normalen Brenner. Mit anderen Worten fließt unter den Bedingungen des normalen Brenners das in der Hochtemperaturzone erzeugte Verbrennungsabgas in die Mitteltemperaturzone und wird als eine Wärmequelle für die Mitteltemperaturzone auch dann genutzt, wenn das Ofenwand-Wärmeisoliergas nicht zugeführt wird, sodass die durch Zufuhr des Ofenwand-Wärmeisoliergases neu erzeugte freie Wärme innerhalb des Ofens nicht vollständig genutzt werden kann und übrig bleibt. Als Ergebnis war die Zufuhr von einfacher Kühlluft erforderlich, um eine vorbestimmte Wärmekurve zu erzeugen und die Abgastemperatur mit der Kühlluft zu senken, bevor es aus dem Ofen ausgestoßen wird. Andererseits war im Fall des regenerativen Brenners das Wärmenutzungsverhältnis innerhalb des Ofens aus dem Grund verbessert, dass, da der Gasfluss von der Hochtemperaturzone in die Mitteltemperaturzone inhärent geringer ist, die durch Zufuhr des Ofenwand-Wärmeisoliergases erzeugte freie Wärme in der Mitteltemperaturzone effektiv und vollständig genutzt werden kann. Da jedoch Beispiel 1-1 und Beispiel 2-1 denselben Heizwert haben, der durch Zufuhr des Ofenwand-Wärmeisoliergases erzeugt wird, wird in Beispiel 2-1 die nach außerhalb des Ofens ausgetragene Abgaswärme reduziert, da mehr Wärme innerhalb des Ofens genutzt werden kann.
  In der Hochtemperaturzone wurde der Brennstoffheizwert von 587 kW (Vergleichsbeispiel) auf 619 kW (Beispiel) erhöht, was eine Steigerung um 32 kW bedeutete. Das Ausmaß der Erhöhung war niedriger als bei der Bedingung des normalen Brenners, was durch die Tatsache bedingt ist, dass der Brennstoff-Heizwert aufgrund des Effekts des regenerativen Brenners ursprünglich niedriger ist.
  Die Resultate werden summiert. Der Brennstoffreduzierungseffekt innerhalb des Ofens betrug 13%, der Effekt der Erhöhung der Wärmenutzung des Abgases außerhalb des Ofens betrug 40%, unter der Annahme, dass 50 % der vom Abgas ausgetragenen Wärme in anderen Schritten rückgewonnen werden können, und basierend auf den Ergebnissen war der wirkliche Reduzierungseffekt des Heizwertes 30%, was effizienter als im Fall der Verwendung des normalen Brenners war.
• <Beispiele 1-2 bis 1-5, Beispiele 2-2 bis 2-5>
• In den Beispielen 1-1 und 2-1 wurden die Versuchsberechnungen des Energieeinsparungseffekts gemäß der vorliegenden Erfindung in dem Durchlaufofen unter den Bedingungen durchgeführt, dass das Ofenwand-Wärmeisoliergas allen der Niedertemperatur-Heizzone, der Mitteltemperatur-Heizzone, der Hochtemperatur-Heizzone und der Kühlzone zugeführt wurde. Dabei wurden die Ofenwand-Wärmeisoliergas-Zufuhrpositionen in Kombination ausgewählt, wie in Tabelle 3 angegeben, und das Wärmegleichgewicht wurde berechnet. Die anderen Bedingungen waren gleich wie diejenigen in Beispiel 1-1 für den Fall der Verwendung des normalen Brenners und diejenigen in Beispiel 2-1 für den Fall der Verwendung des regenerativen Brenners. Auf der Grundlage der Wärmegleichgewichtsberechnung wurde der Brennstoffreduzierungseffekt gemäß der vorliegenden Erfindung ermittelt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 aufgeführt.
• Tabelle 3

  Zusammenfassung der Berechnungsergebnisse
  Beispiel #			1-1	1-2	1-3	1-4	1-5	2-1	2-2	2-3	2-4	2-5
  			Normaler Brenner					Regenerativer Brenner
  Zufuhrpositionen des Ofenwand-Wärmeisoliergases	Heizzone	Niedertemp	◯			◯		◯			◯
  		Mitteltemp.	◯		◯		◯	◯		◯		◯
  		Hochtemp.	◯	◯	◯	◯		◯	◯	◯	◯
  	Kühlzone		◯	◯	◯	◯	◯	◯	◯	◯	◯	◯
  Wärmenutzungsverhältnis des Ofenwand-Wärmeisoliergases im Ofeninneren (%) *1			45	51	45	51	42	60	68	60	68	44
  Reduzierungseffekt des Brennstoff-Heizwerts innerhalb des Ofens (%)			6	5	5	7	0	13	11	12	12	1
  Steigerungseffekt der Wärmenutzung des Abgases außerhalb des Ofens (%)			46	32	46	32	24	40	27	40	27	27
  Wirklicher Wärmereduzierungseffekt des gesamten Systems (%)			25	19	23	21	9	30	23	29	25	10
  *1: das Nutzungsverhältnis innerhalb des Ofens wird für den Antei der freien Gaswärme des Ofenwand-Wärmeisoliergases berechnet, das in der Mitteltemperaturzone und der Hochtemperaturzone zugeführt wird.

• Eine ähnliche Tendenz wurde für beide Fälle, in welchen der normale Brenner verwendet wurde und der regenerative Brenner verwendet wurde, beobachtet. In beiden Fällen wurde der Energieeinsparungseffekt erzielt, aber der Energieeinsparungseffekt des gesamten Systems wurde in der Reihenfolge des Falles, in welchem das Ofenwand-Wärmeisoliergas der Mitteltemperaturzone und der Kühlzone zugeführt wurde (Beispiel 1-5, Beispiel 2-5), des Falles, in welchem das Ofenwand-Wärmeisoliergas der Hochtemperaturzone und der Kühlzone zugeführt wurde (Beispiel 1-2, Beispiel 2-2), des Falles, in welchem das Ofenwand-Wärmeisoliergas der Niedertemperaturzone, der Hochtemperaturzone und der Kühlzone zugeführt wurde (Beispiel 1-4, Beispiel 2-4), des Falles, in welchem das Ofenwand-Wärmeisoliergas der Mitteltemperaturzone, der Hochtemperaturzone und der Kühlzone zugeführt wurde (Beispiel 1-3, Beispiel 2-3) und des Falles, in welchem das Ofenwand-Wärmeisoliergas allen der Niedertemperatur-Heizzone, der Mitteltemperatur-Heizzone, der Hochtemperatur-Heizzone und der Kühlzone zugeführt wurde (Beispiel 1-1, Beispiel 2-1), verbessert.
• Die Resultate zeigen, dass der Energieeinsparungseffekt für jede der Niedertemperatur-Heizzone, der Mitteltemperatur-Heizzone und der Hochtemperatur-Heizzone erzielt werden kann, indem das Ofenwand-Wärmeisoliergas zugeführt wird, und der Beitrag des Effekts wird in der Reihenfolge der Niedertemperatur-Heizzone, der Mitteltemperatur-Heizzone und der Hochtemperatur-Heizzone gesteigert.
• INDUSTRIELLE ANWENDUNGSMÖGLICHKEITEN
• Der Durchlauf-Industrieofen gemäß der vorliegenden Erfindung kann auf Gebieten der Industrie, die einen Durchlaufofen bei einer hohen Temperatur von mehr als 1000 °C nutzen, wie beispielsweise die Keramikindustrie, Elektronikteile produzierende Industrie, Keramik produzierende Industrie, Glas produzierende Industrie, Feuerfestmaterialien produzierende Industrie und Stahlindustrie, effektiv genutzt werden.
• Bezugszeichenliste

11

Einlass

12

Heizzone

13

Kühlzone

14

Auslass

15

Gasversorgungsleitung für Ofenwand-Isoliergas für die Heizzone

16

Abgasleitung für die Heizzone

17

Gasversorgungsleitung für Ofenwand-Isoliergas für die Kühlzone

18

Abgasleitung für die Kühlzone

21

Außenwand

22

Spalt

23

poröse Wärmeisolierungsschicht

24a, 24b

Gaseinführöffnung

25

Gebläse

26a, 26b

Abgasöffnung

• 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 Patentliteratur
• JP 3517372 B [0002, 0007]
• JP 5051828 B [0002, 0007]

Claims (15)

1. Durchlauf-Industrieofen, enthaltend: einen Einlass; eine Heizzone; eine Kühlzone; und einen Auslass in dieser Reihenfolge, wobei der Durchlauf-Industrieofen dafür konfiguriert ist, ein Werkstück einer Wärmebehandlung zu unterziehen, während das Werkstück von dem Einlass zu dem Auslass befördert wird, wobei mindestens ein Teil der Heizzone einen Ofenwand-Wärmeisolierungsaufbau aufweist, welcher Ofenwand-Wärmeisolierungsaufbau enthält: eine Außenwand, die eine oder mehrere Gaseinführöffnungen hat; und eine poröse Wärmeisolierungsschicht, die mit einem Spalt an der Innenseite der Außenwand angeordnet ist; und wobei die Heizzone ferner eine oder mehrere Abgasöffnungen zum Ansaugen und Ausstoßen des Gases aufweist, nachdem das Gas von den Gaseinführöffnungen durch den Spalt und die poröse Wärmeisolierungsschicht in dieser Reihenfolge in die Heizzone fließt und anschließend in Richtung der Einlassseite fließt.
2. Durchlauf-Industrieofen nach Anspruch 1, wobei das aus den Abgasöffnungen ausgestoßene Gas eine Temperatur von 100 bis 600 °C hat.
3. Durchlauf-Industrieofen nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Ofen einen Teil aufweist, in welchem eine Innentemperatur des Ofens in der Heizzone, in welche das Gas durch die poröse Wärmeisolierungsschicht fließt, 1000 °C oder mehr beträgt.
4. Durchlauf-Industrieofen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das in die Heizzone des Ofens fließende Gas ein Ofenatmosphäreneinstellgas umfasst.
5. Durchlauf-Industrieofen, enthaltend: einen Einlass; eine Heizzone; eine Kühlzone; und einen Auslass in dieser Reihenfolge, wobei der Durchlauf-Industrieofen dafür konfiguriert ist, ein Werkstück einer Wärmebehandlung zu unterziehen, während das Werkstück von dem Einlass zu dem Auslass befördert wird, wobei mindestens ein Teil der Kühlzone einen Ofenwand-Wärmeisolierungsaufbau aufweist, welcher Ofenwand-Wärmeisolierungsaufbau enthält: eine Außenwand, die eine oder mehrere Gaseinführöffnungen hat; und eine poröse Wärmeisolierungsschicht, die mit einem Spalt an der Innenseite der Außenwand angeordnet ist; und wobei die Kühlzone ferner eine oder mehrere Abgasöffnungen zum Ansaugen und Ausstoßen des Gases aufweist, nachdem das Gas von den Gaseinführöffnungen durch den Spalt und die poröse Wärmeisolierungsschicht in dieser Reihenfolge in die Kühlzone fließt und anschließend zum Kühlen des Werkstücks verwendet wird.
6. Durchlauf-Industrieofen nach Anspruch 5, wobei das aus den Abgasöffnungen ausgestoßene Gas eine Temperatur von 100 bis 600 °C hat.
7. Verfahren zur Nutzung der Wärme eines Durchlauf-Industrieofens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, welches Verfahren umfasst: Zuführen von Gas durch die Gaseinführöffnungen, wobei das Gas aufeinanderfolgend durch den Spalt und die poröse Wärmeisolierungsschicht tritt und anschließend in die Heizzone des Ofens fließt, wobei zwischen dem Gas und der porösen Wärmeisolierungsschicht Wärme ausgetauscht wird, während das Gas durch die poröse Wärmeisolierungsschicht tritt, wodurch eine Temperatur des Gases erhöht wird und die Wärmeabgabe von der porösen Wärmeisolierungsschicht zur Außenseite des Ofens reduziert wird; Zulassen, dass das in den Ofen fließende Gas zu der Einlassseite hin fließt, wobei zwischen dem Gas und dem Werkstück Wärme ausgetauscht wird, während das Gas durch den Ofen zu der Einlassseite hin fließt, wodurch die Temperatur des Gases verringert wird und die Temperatur des Werkstücks erhöht wird; Ansaugen und Ausstoßen des Gases, nachdem das Fließen des in den Ofen fließenden Gases zu der Einlassseite hin zugelassen wurde; und Nutzen der freien Wärme des angesaugten und ausgestoßenen Gases außerhalb des Ofens.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Gas nach außerhalb des Ofens ausgestoßen wird, nachdem das Gas durch die poröse Wärmeisolierungsschicht an einer Position in den Ofen geflossen ist, an welcher eine Innentemperatur des Ofens in der Heizzone 400 °C oder mehr beträgt und durchschnittlich 40 % oder mehr der freien Wärme des Gases innerhalb des Ofens genutzt werden.
9. Verfahren zur Nutzung der Wärme eines Durchlauf-Industrieofens nach einem der Anspruch 5 oder 6, welches Verfahren umfasst: Zuführen von Gas durch die Gaseinführöffnungen, wobei das Gas aufeinanderfolgend durch den Spalt und die poröse Wärmeisolierungsschicht tritt und anschließend in die Kühlzone des Ofens fließt, wobei zwischen dem Gas und der porösen Wärmeisolierungsschicht Wärme ausgetauscht wird, während das Gas durch die poröse Wärmeisolierungsschicht tritt, wodurch die Wärmeabgabe von der porösen Wärmeisolierungsschicht an die Außenseite des Ofens reduziert wird und eine Temperatur einer Oberfläche der porösen Wärmeisolierungsschicht an der Innenseite des Ofens verringert wird; Kühlen des Werkstücks durch Konvektionswärmeübertragung durch das in den Ofen fließende Gas und durch Strahlungswärmeübertragung auf eine Innenfläche der Ofenwand und Erhöhen der Temperatur des in den Ofen fließenden Gases durch Wärmeaustausch zwischen dem Gas und dem Werkstück, während zugelassen wird, dass das Gas durch den Ofen fließt; Ansaugen und Ausstoßen des Gases, nachdem das in den Ofen fließende Gas zum Kühlen des Werkstücks genutzt wurde; und Nutzen der freien Wärme des angesaugten und ausgestoßenen Gases außerhalb des Ofens.
10. Durchlauf-Industrieofen, enthaltend: einen Einlass; eine Heizzone; eine Kühlzone; und einen Auslass in dieser Reihenfolge, wobei der Durchlauf-Industrieofen dafür konfiguriert ist, ein Werkstück einer Wärmebehandlung zu unterziehen, während das Werkstück von dem Einlass zu dem Auslass befördert wird, wobei mindestens ein Teil der Heizzone einen Ofenwand-Wärmeisolierungsaufbau aufweist, welcher Ofenwand-Wärmeisolierungsaufbau enthält: eine Außenwand, die eine oder mehrere Gaseinführöffnungen hat; und eine poröse Wärmeisolierungsschicht, die mit einem Spalt an der Innenseite der Außenwand angeordnet ist; und wobei die Heizzone ferner eine oder mehrere Abgasöffnungen zum Ansaugen und Ausstoßen des Gases aufweist, nachdem das Gas von den Gaseinführöffnungen durch den Spalt und die poröse Wärmeisolierungsschicht in dieser Reihenfolge in die Heizzone fließt und anschließend in Richtung der Einlassseite fließt, wobei mindestens ein Teil der Kühlzone einen Ofenwand-Wärmeisolierungsaufbau aufweist, welcher Ofenwand-Wärmeisolierungsaufbau enthält: eine Außenwand, die eine oder mehrere Gaseinführöffnungen hat; und eine poröse Wärmeisolierungsschicht, die mit einem Spalt an der Innenseite der Außenwand angeordnet ist; und wobei die Kühlzone ferner eine oder mehrere Abgasöffnungen zum Ansaugen und Ausstoßen des Gases aufweist, nachdem das Gas von den Gaseinführöffnungen durch den Spalt und die poröse Wärmeisolierungsschicht in dieser Reihenfolge in die Kühlzone fließt und anschließend zum Kühlen des Werkstücks verwendet wird.
11. Durchlauf-Industrieofen nach Anspruch 10, wobei das aus jeder Abgasöffnung der Heizzone und der Kühlzone ausgestoßene Gas eine Temperatur von 100 bis 600 °C hat.
12. Durchlauf-Industrieofen nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Ofen einen Teil aufweist, in welchem eine Innentemperatur des Ofens in der Heizzone, in welche Gas durch die poröse Wärmeisolierungsschicht fließt, 1000 °C oder mehr beträgt.
13. Durchlauf-Industrieofen nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei das in die Heizzone des Ofens fließende Gas ein Ofenatmosphäreneinstellgas umfasst.
14. Verfahren zur Nutzung der Wärme eines Durchlauf-Industrieofens nach einem der Ansprüche 10 bis 13, welches Verfahren umfasst: Zuführen von Gas aus den Gaseinführöffnungen der Heizzone, wobei das Gas aufeinanderfolgend durch den Spalt und die poröse Wärmeisolierungsschicht in der Heizzone tritt und anschließend in die Heizzone des Ofens fließt, wobei zwischen dem Gas und der porösen Wärmeisolierungsschicht in der Heizzone Wärme ausgetauscht wird, während das Gas durch die poröse Wärmeisolierungsschicht in der Heizzone tritt, wodurch eine Temperatur des Gases erhöht wird und die Wärmeabgabe von der porösen Wärmeisolierungsschicht in der Heizzone zur Außenseite des Ofens reduziert wird; Zulassen, dass das in die Heizzone des Ofens fließende Gas zu der Einlassseite hin fließt, wobei zwischen dem Gas und dem Werkstück Wärme ausgetauscht wird, während das Gas durch den Ofen zu der Einlassseite hin fließt, wodurch die Temperatur des Gases verringert wird und die Temperatur des Werkstücks erhöht wird; Ansaugen und Ausstoßen des Gases, nachdem das Fließen des in die Heizzone des Ofens fließenden Gases zu der Einlassseite hin zugelassen wurde; und Nutzen der freien Wärme des aus der Heizzone angesaugten und ausgestoßenen Gases außerhalb des Ofens, Zuführen von Gas aus den Gaseinführöffnungen der Kühlzone, wobei das Gas aufeinanderfolgend durch den Spalt und die poröse Wärmeisolierungsschicht in der Kühlzone tritt und anschließend in die Kühlzone des Ofens fließt, wobei zwischen dem Gas und der porösen Wärmeisolierungsschicht in der Kühlzone Wärme ausgetauscht wird, während das Gas durch die poröse Wärmeisolierungsschicht an der Kühlzone tritt, wodurch die Wärmeabgabe von der porösen Wärmeisolierungsschicht in der Kühlzone an die Außenseite des Ofens reduziert wird und eine Temperatur einer Oberfläche der porösen Wärmeisolierungsschicht an der Innenseite des Ofens an der Kühlzone verringert wird; Kühlen des Werkstücks durch Konvektionswärmeübertragung durch das in die Kühlzone des Ofens fließende Gas und durch Strahlungswärmeübertragung auf eine Innenfläche der Ofenwand und Erhöhen der Temperatur des in die Kühlzone des Ofens fließenden Gases durch Wärmeaustausch zwischen dem Gas und dem Werkstück, während zugelassen wird, dass das Gas durch den Ofen fließt; Ansaugen und Ausstoßen des Gases, nachdem das in die Kühlzone des Ofens fließende Gas zum Kühlen des Werkstücks genutzt wurde; und Nutzen der freien Wärme des aus der Kühlzone angesaugten und ausgestoßenen Gases außerhalb des Ofens.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Gas nach außerhalb des Ofens ausgestoßen wird, nachdem das Gas durch die poröse Wärmeisolierungsschicht an einer Position in den Ofen geflossen ist, an welcher eine Innentemperatur des Ofens in der Heizzone 400 °C oder mehr beträgt und durchschnittlich 40 % oder mehr der freien Wärme des Gases innerhalb des Ofens genutzt werden.

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