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Temperaturregelvorrichtung für Öfen mit Steinstahlbrennem Die Erfindung
betrifft eine Temperaturregelvorrichtung für Öfen mit Steinstrahlbrennern, die eine
Hauptbrennstoffzuführung und eine Nebenbrennstoffzuführung aufweist, wobei die Nebenbrennstoffzuführung
in Abhängigkeit von der Ofentemperatur geregelt wird.
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Bei der bekannten Vorrichtung, von der die Erfindung ausgeht, wind
sowohl die Haupt- als auch die Hilfsregelung von der konstant zu haltenden Zustandsgröße
beeinffußt, wobei .die Arbeitsweise derart ist, daß bei einer Änderung der Zustandsgröße
in gesetzmäßiger Folge Regelstöße der Hilfsregelung bis zur Wiederherstellung des
Normalzustandes erfolgen, wobei diese Regelstöße von einem bestimmten Wert des Strömungszustandes
aus erfolgen, der von einer Hauptregulierung und nur dann von dieser stufenweise
geändert wird, wenn die algebraische Summe jener Einzelstöße eine vorbestimmte Größe
überschreitet, worauf der von der Hauptregulierung nunmehr eingestellte neue Wert
.des Strömungszustandes den Ausgangspunkt für .die Regelstöße der Hilfsregulierung
bildet. Wie noch ersichtlich werden wird, ist diese Arbeitsweise völlig verschieden
von der des Erfindungsgegenstandes, bei dem nur die Nebenbrennstofffzuführung in
Abhängigkeit von der Ofentemperatur geregelt wird.
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Bei Regenerativöfen ist es bekannt, eine Steuereinrichtung vorzusehen,
um das für diese Öfen charakteristische periodische Umschalten der Gasströme unabhängig
von der Ofentemperatur zu bewirken, was jedoch für Steinstrahlbrenner, auf die die
Erfindung gerichtet ist, nicht zutrifft.
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Mit ,der Erfindung soll eine Temperaturregelvorrichtungder eingangs
erwähnten Art geschaffen werden, welches es gestattet, den Ofen schnell auf eine
eingestellte Temperatur aufzuheizen, die dann auf dem eingestellten Wert mit minimalen
Schwankungen konstant gehalten werden soll.
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Zur Lösung dieser Aufgabenstellung besteht die Erfindung .darin, daß
.die Hauptbrennstoffzuführung in an sich bekannter Weise :unabhängig von der Ofentemperatur
mittels einer Zeitschaltuhr periodisch ein-und ausschaltbar ist, wobei die Zeitschaltuhr
eine größere Schaltfrequenz als die Nebenbrennstoüzuführang aufweist.
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Bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Temperaturregelvorrichtung nimmt
also die Hauptbrennstoffzuführung nacht direkt an der Temperaturregelungteil. Der
überraschende technische Fortschritt, der sich durch die Anwendung dieser periodisch
ein, und ausschaltbaren Hauptbrennstoffzuführung ergibt, kann darauf zurückgeführt
werden, :dal3f in .die Energiezufuhr zum Ofen eine nicht von der Eigenschwingungsdauer
des Regelkreises abhängige periodische Schwankung mit ziemlich hoher Frequenz eingeführt
wird. Die :dadurch erzeugte Temperaturschwankung von gleicher Frequenz hat infolge
der -schon erwähnten relativ hohen Wärmekapazität des Ofens nur eine kleine Amplitude.
Demzufolge- empfängt der dem Temperaturregler zugehörige Temperaturfühler im Inneren
des Ofens eine Temperaturwelle von der Frequenz des Zetschalters,deren Mittelwert
normalerweise langsam ansteigt oder abfällt. Nähert sich der Mittelwert dieser Temperaturwelle
beispielsweise von oben her dem Sollwert .der Temperaturregelung, so wird schon
vor Erreichen des Sollwertes in den Wellentälern der Temperaturwelle der Temperaturregler.
für idie Nebenbrennstoffzuführung kurzzeitig eingeschaltet. Die Dauer dieser kurzzeitigen
Einschaltintervalle ist um so größer, je mehr sich der Mittelwert der Temperaturwelle
lern Sollwert nähert. in dieser Weise erhält man einen zumindest in der Nähe des
Sollwertes der Abweichung vom Sollwert nähcrungsweise proportionalen Heizleistungsanteil.
Die einfache Ein-Aus-Regelung mit ihren bei hohen Wärmekapazitäten unvermeidlichen
großen überschwingungen wird somit in überraschend einfacher Weise im Sinne einer
Proportionalregelung verbessert. Es ist klar, idaß durch die Veränderung der Schaltfrequenz
des Zeitschalters die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Temperaturregelvorrichtung
in
wiederum überraschend einfacher und wirksamer Weise variiert
und an die jeweils vorliegenden Verhältnisse angepaßt werden können.
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Um die nach der Erfindung ausgebildete Temperaturregelvorrichtung
leicht an verschiedene Betriebsbedingungen anpassen zu können und die gewünschte
Ofentemperatur in engsten Grenzen zu halten, d. h. ,die Schwankungen um den Sollwert
auf ein Minimum zu beschränken, besteht ein weiteres Merkmal der Erfindung darin,
daß ein von Hand betätigbarer Wählschalter vorgesehen ist, mit dem in einer ersten
Stellung ein im Inneren des Ofens mit Abstand von der Steinstrahlbrennerw and angeordneter
Thermostat und ein auf die Brennerwandtemperatur ansprechendes Pyrometer in Serie
schaltbar und die Zeitschaltuhr der Hauptbrennstoffzuführung ausschaltbar ist, in
einer zweiten Stellung nur das Pyrometer mit der Zeitschaltuhr und :in einer dritten
Stellung nur der Thermostat mit der Zeitschaltuhr einschaltbar ist.
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Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung soll nunmehr
an Hand der Zeichnungen beschrieben werden. Es zeigt F i g. 1 eine schematische
Darstellung der Ofensteueranlage, bei der ein thermoelektrisches Steuerelement mit
.einer Meßstreifensteuerung und eine unabhängige Zeitrelaissteuerung zur Anwendung
kommt, F i g. 2 ein Temperatur-Zeit-Diagramm eines typischen Versuchslaufes und
die Temperaturkurvender in die Versuchsbeschickung eingebauten thermoelektrischen
Elemente, F i .g. 3 ein Schaltschema mit dem Pyrometer als auch den Thermostaten,
die das Magnetventil der Nebenbrennstoffzuführung der in der F i g. 1 gezeigten
Ofensteueranlage steuern, F i g. 4 ein Schema der alternativ wählbaren Stellungen,
F i g. 5 .ein Schaltschema einer Fernsteuerung zur Veränderung :des Testpunktes
entweder des Pyrometers oder des thermoelektrischen Steuerelementes.
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Bei der Ofenbauart mit Steinstrahlbrennern wird das Gasluftgemisch
oder die Luft allein, wenn das Gas abgeschaltet ist, von einem Mischrohr 9 (F i
g. 1) zum Einlaß der Ofenabfüllkammern und durch gebohrte Kanäle in der feuerfesten
Wand bis zu etwa 25 mm von der Innenseite der Schamottsteine weitergeführt, von
wo es sich durch die übrige poröse Wand -auf die Zündfläche verteilt, dort gezündet
wird, verbrennt und dabei die Zündfläche auf einen leuchtenden hohen Grad von Wärmestrahlung
erhitzt. Innerhalb des Ofens ist zwischen der Brennerwand einer Versuchsbeschickung
ein Thermostat 16 angeordnet. Mit der Versuchsbeschickung sind thermoelektrische
Elemente T.C.2, T.C.3 und T.C.4 (F i g. 2) verbunden. Die Versuchsbeschickung besteht
:aus zwei Stahlblöcken, die oberhalb zweier Kohleblöcke angeordnet sind, wobei das
Ganze in einem geschweißten Stahlkasten eingeschlossen ist. Das thermoelektrische
Versuchselement T.C.4 ist in einer nur durch :den ersten Stahlblock gebohrten Bohrung,
das Element T.C. 3 in einer durch beide Stahlblöcke geführten Bohrung und
das Element T.C. 2 in einer durch beide Stahlblöcke und die Hälfte des ersten
Kohleblockes geführten Bohrung angeordnet.
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Der Boden des Ofens ist mit einem Kühllufteinlaß (nicht gezeigt) versehen,
welcher getrennt von der in der F i,.. 1 gezeigten Ofensteueranlage gesteuert wird.
In dieser Anlage wird von einem nicht gezeigten Gebläse ununterbrochen Luft an das
Mischrohr 9 herangeführt, an welches durch ein von -dem Thermostaten 16 und einer
Meßstreifensteuerung 24 betätigtes, in oder Nebenbrennstoffzuführung liegendes Magnetventil
22 und durch ein zusätzliches von einer Zeitrelaisstauerung 25 betätigtes, in der
Hauptbrennstoffzuführung liegendes Magnetventil 23 Gas herangeführt wird.
In der gemeinsamen Leitung von den Magnetventilen 22 und 23 zu dem Mischrohr 9 ist
ein Handventil 26 angeordnet.
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Bei dem in der F i g. 2 dargestellten Versuchsarbeitsspiel wurde die
anfängliche Zündung bei einer Einstellung des Thermostaten auf 955° C und bei abgeschaltetem
Zeitrelais durchgeführt. Die durch die Kurve des Thermostaten angezeigte Ofentemperatur
veranschaulicht die normale Tätigkeit einer bekannten Steueranlage. durch das anfängliche
Zeitband A. Beim Beginn von B wurde Idas Zeitrelais mit einer Schaltfrequenz von
5 Sekunden Ein- und 5 Sekunden Ausschaltezeit eingeschaltet, wobei d as Zeitrelais
eine Glättung der Temperaturschwankungen um den Sollwert bewirkt, wenn es in Verbindung
mit dem Thermostaten ,arbeitet. Bei Beendigung von B wurde das Gasverhältnis erhöht,
was, da die gleiche Schaltfrequenz .des Zeitrelais beibehalten wurde, zu einer Temperaturerhöhung
führte. Ein Wechsel der Schaltfrequenz des Zeitrelais von 4 Sekunden Ein- auf 4
Sekunden Abschaltezoit bei D trug nicht wesentlich zur Temperatursenkung bei, als
jedoch die Schaltfrequenz des Zeitrelais auf zwei Sekunden Ein- und 4 Sekunden Abschaltezeit
bei E verändert wurde, kehrte die Temperatur bei etwas größeren Schwankungen um
den Sollwert im Bereich B auf den Wert von 955° C zurück. Bei F wurde die
Schaltfrequenz des Zeitrelais auf 4 Sekunden Ein- und 6 Sekunden Abschaltezeit umgestellt,
was eine höhere Temperatur und eine größere Schenkung um den Sollwert verursachte.
Bei C wurde die Schaltfrequenz des Zeitrelais,auf 4 Sekunden Ein- und 8 Sekunden
Abschaltezeit umgestellt, was eine Rückkehr -auf im wesentlichen die gleiche Temperatur
und die gleichen Schwankungen wie im Falle E mit 2 Sekunden Eir-und 4 Sekunden Abschaltezeit
zur Folge haue. Bei H und 1 wurde die Schaltfrequenz des Zeitrelais auf 5 Sekunden
Ein- und 6 Sekunden Abschaltezeit bei auf 1175° C eingestelltem Thermostat und bei
I auf 4 Sekunden Ein- und 6 Sekunden Abschaltezeit umgestellt, wobei es ersichtlich
ist, daß das Zeitrelais die Steuerung mit etwas größeren Schwankungen als im Falle
der unteren Temperatur von 955° C wieder aufnahm. Die Glättungswirkung des Zeitrelais
ist wiederum mit Bezug auf K ersichtlich, wo das Zeitrelais abgeschaltet wurde,
und der Temperaturausschlag unter der Regelung des Thermostaten allein anstieg.
Bei L wunde das Zeitrelais wiederum auf 5 Sekunden Ein- und 6 Sekunden Abschaltezeit
eingestellt und zeigt hier eine wiederaufgenommene Glättungswirkung, während die
Schaltfrequenz des Zeitrelais bei M auf 5 Sekunden Ein- und 5 Sekunden Abschaltezeit,
bei N auf 4 Sekunden Ein- und 4 Sekunden Abschaltezeit umgestellt wurde, wobei kein
wesentlicher Wechsel in der Glättungswirkung auftrat. Bei P wurde das Gas abgeschaltet,
und die am Boden des Ofens eingeführte Kühlluft erzeugte zusammen mit dem ununterbrochenen
Luftstrom, welcher von dem Mischrohr 9 durch die feuerfeste Wand führt, einen schnellen
Temperaturabfall am
Thermostaten wie auch einen Temperaturabfall
der Versuchsthermoelemente. Während die Temperatursteuerung innerhalb dieses Probelaufes
vollkommen unter dem Thermostaten 16 und :der unabhängigen Zeitrelaissteuerung stattfand,
zeigte eine gelegentliche Betrachtung der Ofenwand durch ein strahlungsempfindliches
Gerät einen vergleichlichen Temperaturausschlag bei leicht höherer Temperatur an.
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Um die Temperatursteuerung möglichst vielseitig und empfindlich zu
gestalten, wurde ein Pyrometer, welches auf die Temperatur der Zündwand des Ofens
anspricht, so eingestellt, daß es abwechselnd das Magnetventil 22 der Nebenbrennstoffzuführung,
wie es in der F i g. 3 gezeigt ist, steuert, und ein von Hand zu betätigender Steuerschalter
vorgesehen, welcher die Kontakte A, B, C und D betätigt, um die gewünschte
Kombination des Pyrometers, des Thermostaten und der unabhängigen Zeitrelai.ssteuerung,
wie es in der F i g. 4 gezeigt ist, zu erlangen. Beispielsweise sind bei einer Einstellung
des von Hand zu betätigenden Schalters in der Stellung 1 der Thermostat 16 und das
Pyrometer hintereinander geschaltet, um das Magnetventil 22 der Nebenbrennstoffzuführung
zu steuern; in der Stellung 2 des Schalters steuert das Pyrometer allein das Magnetventil
22, während das unabhängige Zeitrelais 25 zusätzlich das Magnetventil 23 der Hauptbrennstoffzuführung
steuert, und in der Stellung 3 steuert der Thermostat 16 allein das Magnetventil
22 der Nebenbrennstoffzuführung, während das Magnetventil 23 der Hauptbrennstoffzuführung
von dem Zeitrelais 25 gesteuert wird.
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Unter der Annahme, daß die Stellung 1 benutzt wird und daß sowohl
das Pyrometer als auch der Thermostat 16 auf den gleichen Temperaturansprechwert
eingestellt sind, wird das Magnetventil 22 der Nebenbrennstoffzuführung betätigt,
um die Gaszufuhr zu sperren, wenn sich die Temperaturen sowohl des Pyrometers als
.auch des Thermostaten an dem oder oberhalb des Ansprechpunktes befinden, wobei
der Gasstrom wieder hergestellt wird, wenn entweder die Temperatur der Wand oder
des Thermostaten 16 unter diesen Ansprechpunkt absinkt.
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Diese Einstellung würde normalerweise zur Anwendung kommen, nachdem
die Beschickung die Ofentemperatur angenommen hat, und der Ofen und die Beschickung
sauf genau gleichmäßiger Temperatur gehalten werden sollen. Diese kombinierte Steuerung
ist den Wärmeforderungen gegenüber empfindlicher als das Pyrometer und auch -der
Thermostat allein, da ein Absinken der Temperatur entweder .an der Ofenwandung oder
an :dem nach innen auf Abstand gehaltenen Thermostaten 16 das Magnetventil 22 der
Nebenbrennstoffzuführung öffnet.
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Die Stellung 2, welche das Pyrometer und den Thermostaten 16 miteinander
verbindet, ist zweckmäßig, wenn die Beschickung so schnell wie möglich erhitzt werden
soll. Das Zeitrelais bewirkt eine Verminderung der Wandabkühlung während der Abschaltezeit
:der Pyrometersteuerung und eine Glättung der Temperaturschwankungen, wie im Falle
der Kombination des Zeitrelais und des Thermostaten 16. Die Anpassungsfähigkeit
dieser Anlage macht sie für eine Verwendung bei einer Mehrzonensteuerung geeignet,
wobei ein einziges Zeüteinstellventil eine Anzahl Zonen in Verbindung mit einzelnen
Pyrometer- oder Thermostatsteuerungen für die entsprechenden Zonen versorgen kann.
In solchen Anlagen kann, wie es in der F i g. 5 gezeigt ist, eine Fernsteuerung
vorgesehen werden, um den Ansprechpunkt jedes Steuerelementes entweder eines Pyrometers
oder eines Thermostaten zu ändern.
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Bei Betriebstemperaturen von unter 650° C ist es nicht erforderlich,
eine ununterbochene Luftzufuhr zum Mischrohr aufrechtzuerhalten, in welchem Fall
ein Magnetventil zum An- und Abschalten der Luftzufuhr mit der Gaszufuhr wünschenswert
sein kann. Bei Betriebstemperaturen von mehr .als 650° C ist es jedoch wünschenswert,
die Luftzufuhr als einen Sicherheitsfaktor zur Sicherung gegenüber einer Rückerwärmung
ununterbrochen aufrechtzuerhalten, wobei eine solche ununterbrochene Luftzufuhr
ferner beider Verminderung,der Wärmespeicherung in der Brennerwand ein wünschenswertes
Merkmal ist und eine Verminderung der Zeit des Arbeitsspieles zur Folge hat, wenn
Beschickungen .aufeinanderfolgend in demselben Ofen erwärmt und abgekühlt werden.