Zur
Erfüllung
dieser Forderungen kann die Konditioniereinrichtung je nach angestrebtem
Leistungsumfang aus mehreren Teilen bestehen, die unterschiedliche
Aufgaben zu erfüllen
haben:
- 1. Behälter als Oberbegriff, z.B.
als Kühlkanal/Speiser
mit Kreis- oder elliptischem oder annähernd rechteckigem Querschnitt
ausgebildet, wobei während
des Durchlaufs des Glases dessen mittlere Temperatur in den meisten
Fällen
abgesenkt oder aber annähernd
beibehalten wird
- 2. Behälter
als Oberbegriff, speziell im Sinne einer Läuterzelle (wenn sehr hohe Anforderungen
bezüglich
Blasenfreiheit bestehen)
- 3. Behälter
als Oberbegriff, speziell im Sinne einer Rühreinrichtung zur chemischen
und thermischen Homogenisierung, gegebenenfalls auch mehrere hintereinander
oder parallel angeordnete Rührzellen,
wenn die Glasart und die sonstigen aus dem Produkt abgeleiteten
Forderungen dies notwendig machen.
- 4. Behälter
als Oberbegriff, speziell im Sinne einer Dosierzelle (z.B. als Plungerzelle
ausgebildet) zur Dosierung von Glasposten oder zur Abgabe eines Glasstrangs
- 5. Behälter
als Oberbegriff, speziell im Sinne eines Auslauforgans mit Öffnungsbereich
(Orifice) und Düse
unterhalb einer Plungerzelle oder eines anderen Auslauf- oder Dosierorgans.
Was
als ausreichend gute thermische Homogenität angesehen werden kann, hängt vom
vorgesehenen Zweck ab. Herkömmliche
Speiser aus Keramikmaterial können
bei sehr guter Dimensionierung und optimaler Betriebsweise die thermische
Inhomogenität
des Glases bis auf ca. 10K oder noch etwas darunter senken. Das
ist in vielen Fällen
wie bei Behälterglas
völlig
ausreichend. Dabei tritt eine solche Differenz zwischen dem meist
etwas wärmeren
Glas in der Hauptströmung
gegenüber
dem Randglas auf, während
sie in der Hauptströmung
geringer ist.
Wenn
es um eine sehr hohe Qualität
des Glases wie bei optischem Glas, Kristallglas oder hochwertigen
technischen Gläsern
geht, dann soll die thermische Inhomogenität des Glases den Betrag 1K
nicht überschreiten
und in der Regel unterschreiten, um eine hohe Dosiergenauigkeit
bei den Verfahren der Formgebung zu ermöglichen. Bestimmte Formgebungsprozesse
wie die Rohrziehverfahren nach Danner oder Vello, die Blas- und
Preßverfahren oder
das Ziehen von Flachglas verlangen eine hohe Dosiergenauigkeit bei
der den Formgebungsorganen zugeführten
Glasmasse. Weiterhin sind die geforderten geometrischen Toleranzen
der unterschiedlich geformten Glasprodukte in engsten Grenzen nur
mit thermisch homogener Glasschmelze möglich.
Die
Erfassung der thermischen Inhomogenität ist oft nicht einfach erreichbar.
Die häufig
bei Keramikspeisern praktizierte Methode, im Speiserkopf oder kurz
davor mehrere Thermoelemente in verschiedener Höhe (z.B. 3 × 3 Thermoelemente) anzuordnen
bietet für
die Herstellung von Behälterglas eine
gute Aussage. Temperaturdifferenzen von 10K und mehr können noch
nachgewiesen werden, die Messung kleinerer Differenzen ist mit einem
erheblichen Fehler verbunden. Dieser Fehler setzt sich aus der einfachen
Wiederholgenauigkeit einer Messung und anderen Beiträgen zusammen.
Nicht
erfaßt
wird dabei die Temperatur des Glases nahe der Kanalwand. Diese ist
meist infolge der längeren
Verweilzeit nahe der Wandung niedriger als die des Glases in der
Hauptströmung.
Im
Falle von optischem Glas, Kristallglas oder hochwertigen technischen
Gläsern
mit besonders hohen Anforderungen (Temperaturdifferenzen im Glas < 1 K) an die chemische
und thermische Homogenität
liefert oft erst die meßtechnische
Kontrolle der Glasdickenverteilung oder anderer geometrischer Abmessungen
des Erzeugnisses den hinreichenden Nachweis der gewünschten
Homogenität. Temperaturdifferenzmessungen
sind dann in der Regel nicht mit der dazu erforderlichen Präzision möglich.
In
der Patentschrift
US 2,310,715 vom 4.5.1940
wird bereits die direkte elektrische Beheizung eines metallischen
glasdurchströmten
Kanals beschrieben. Die metallische Kanalwand wird direkt elektrisch
beheizt. Diese grundsätzliche
Verfahrensweise wurde im Verlaufe der nächsten Jahrzehnte in zunehmendem
Maße angewendet
wie in den Patentschriften
US
5,776,221 ,
EP 0722907 ,
DE 3045603 und WO 81/00403.
Eine
besondere Rolle spielen direkt elektrisch beheizte Kanäle, Rühr- oder
Plungerzellen, Auslauforgane und Ziehdüsen, deren Wandung aus Edelmetallen,
-legierungen oder anderen metallischen Materialien bestehen. Solche
Einrichtungen bieten besonders gute Möglichkeiten zur Lösung der gestellten
Aufgabe, verursachen aber in der Regel auch hohe Kosten infolge
des Einsatzes von Edelmetallen. Ein gutes Kosten-Nutzen-Verhältnis setzt
die zielgerichtete Optimierung der Anlage nach verschiedenen Gesichtspunkten
voraus.
In
den Patentschriften
EP
0722907 A2 und
US 5,925,161 werden
eine Methode und Apparat beschrieben, die u.a. zur Konditionierung
eines Glasstroms bei der Herstellung von Mehrschichtenglas verwendet
werden. Auch hier wird teilweise eine direkte elektrische Beheizung
eines metallischen Kanals bzw. Rohrs angewendet. Die Stromzuführung erfolgt über Flansche,
die ohne zusätzliche
Kühlung betrieben
werden. Es ist davon auszugehen oder zu vermuten, daß diese
Flansche aufgrund ihrer Umgebung (Luft) für die im Rahmen dieser Erfindung
verwendeten Betriebstemperaturen durch Strahlung und freie Konvektion
hinreichend gekühlt
werden. Dazu ist ein entsprechend hoher Aufwand an thermisch und
elektrisch hoch belastbaren metallischen Werkstoffen erforderlich.
Diese Bauweise schränkt
den Anwendungsbereich dieser Stromzuführung bezüglich des zulässigen Bereiches
der Glastemperatur ein, wenn man Edelmetalle nur sparsam einsetzen will.
Diese
Temperaturgrenze kann erhöht
werden, wenn infolge entsprechender Materialdicken und Durchmesser
des Stromzuführungsflanschs
größere Mengen
an Edelmetall beim Bau dieser Flansche eingesetzt werden. Ohne angemessenen
Aufwand an Edelmetallen (bei kleinem Durchmesser des Stromzuführungsflanschs)
ist zu befürchten,
daß diese
Konstruktion bei sehr hohen Glastemperaturen in unmittelbarer Nähe dieses
Stromzuführungsflanschs nicht
mehr wie gewünscht
arbeitet. Die zulässigen Betriebstemperaturen
der Löt-
bzw. Schweißstellen des
Flanschs und besonders der elektrischen Kontaktflächen (elektrische
Anschlußschiene
oder Kabelanschluß)
dürfen
nicht überschritten
werden. Je weiter die elektrischen Anschlußstellen (Stromschiene oder
Kabel) vom heißen
Glas radial entfernt sind, um so geringer ist bei sonst gleichen
Bedingungen ihre Temperatur.
Auch
in den Patentschriften
EP
0157162 B1 ,
EP
0054125 A1 ,
DE
3045603 A1 ,
DE
3507852 A1 ,
JP
08217463 A wird eine direkte elektrische Beheizung von
Edelmetallkanälen
angewendet, um die Glastemperatur beim Ziehen von Glasbändern, Glasfolien,
Glasfasern u.a. im gewünschten
Bereich zu halten. Besondere Maßnahmen
zur Kühlung
der Stromanschlußflansche
sind nicht angegeben.
Eine
solche Vorgehensweise, unerwünschte Wärmeverluste
in der Konditioniereinrichtung (Rührzelle, Plungerzelle usw.)
durch Zufuhr elektrischer Energie an die metallische Kanalwandung
auszugleichen, liefert nicht automatisch die gewünschte hohe thermische Homogenität des Glases.
Wenn
die Beheizung nur summarisch die Energieverluste ausgleicht, dann
kann es in bestimmten Fällen
vorkommen, daß z.B.
das Randglas heißer
als das Kernglas in der Mitte des Strömungsquerschnitts wird. Ebenso
kann es unter ungünstigen
Bedingungen vorkommen, daß die
ohnehin kälteren
Teile z.B. in der Nähe
eines Stromzuführungsflanschs
aufgrund des positiven Temperaturkoeffizienten des spezifischen
Widerstands der Edelmetalle weniger beheizt, die ohnehin heißeren Teile
prozentual stärker
beheizt werden. In diesem Falle wird die thermische Homogenität des Glases
in diesem Bereich unter Umständen
verschlechtert.
Eine
elektrisch beheizte Düse
für geschmolzenes
Glas wird in der
DE
4336046 A1 beschrieben. Die Stromanschlußklemmen
in der Form von Streifen aus einer Metallegierung, vorzugsweise
Platin, PtRh, Ir und/oder Pd sind an Stromschienen angeschlossen.
Für diesen
Anwendungsfall ist keine besondere zusätzliche Kühlung vorgesehen. Hier gilt ähnliches wie
bei der
EP 0722907
A2 .
In
der WO 81/00403 A1 wird eine elektrisch beheizte Düse zur Herstellung
von Faserglas beschrieben. Sie besteht aus Edelmetall und wird unter Vermittlung
von ausreichend groß dimensionierten Stromzuführungsflanschen
direkt elektrisch beheizt. Für
diesen Anwendungsfall ist keine besondere zusätzliche Kühlung vorgesehen. Hier gilt ähnliches
wie bei der
EP 0722907
A2 . Die groß dimensionierten Stromflansche
verursachen einen entsprechenden Aufwand an thermisch und elektrisch
hoch belastbaren Werkstoffen.
In
der
DE 3113505 A1 wird
eine Vorrichtung zur Steuerung der Beheizung bzw. Abkühlung von geschmolzenem
Glas führenden
Kanälen,
Speisern und Speiserköpfen
beschrieben. Diese Vorrichtung ist mit einer variablen und intensiven
Kühlung
durch Wasser verbunden.
Bei
dieser direkten starken Wasserkühlung am
Rand des Stromzuführungsflanschs
können
sich unter bestimmten nicht optimierten Betriebsbedingungen Gefahren
für die
thermische Homogenität des
Glases und/oder ein hoher Verbrauch an elektrischer Energie ergeben,
wenn nicht durch besondere konstruktive Gestaltung diese Probleme
verhindert werden. Diese Probleme können grundsätzlich gelöst werden, indem mit spezieller
Dimensionierung der Anlage und besonders der Stromzuführungsflansche
die Temperaturverteilung in der Anlage oder dem Anlagenteil korrigiert
wird. Diese konstruktiven Varianten zur Lösung der Probleme bedingen
meist einen erhöhten
Edelmetalleinsatz, der Verzicht auf solche Maßnahmen würde den Anwendungsbereich der
Anlage einschränken
oder die angestrebte sehr hohe Homogenität des Glases nicht unter allen
angestrebten Betriebsbedingungen erreichen lassen. Die mathematische
Simulation des Temperaturfeldes im Glas und seiner Umgebung unter
verschiedenen Betriebsbedingungen zeigt auf, wann die thermischen Homogenität in unerwünschter
Weise beeinflußt
werden kann. Die möglichen
Probleme a) und b), die sich unter ungünstigen Betriebsbedingungen
ergeben können,
werden nachfolgend dargestellt:
Problem a):
Eine
starke Kühlung
des Randglases hat zur Folge, daß hauptsächlich dieses aufgrund seiner
gegenüber
dem Kernglas wesentlich größeren Kontaktzeit
stark abgekühlt
wird, das Glas im Bereich der Mitte des Kanals aufgrund seiner dort
höheren
Strömungsgeschwindigkeit
weit weniger. Besonders dann, falls größere Temperaturdifferenzen
zwischen dem heißeren
Kernglas und dem kälteren
Randglas auftreten, dann wird bei konstantem Gesamtdurchfluß durch
den erheblichen Viskositätsanstieg
im Randglas dieses langsamer fließen als es bei einer rein parabolischen
Geschwindigkeitsverteilung der Fall wäre. Die dadurch erhöhte Aufenthaltszeit
des Randglases führt
zu einer noch stärkeren
Abkühlung. Diese
Abkühlung
wird bei nicht sehr großer
Länge des
glasführenden
Kanals nur in geringem Maße
für das
sich bei konstantem Durchsatz bedeutend schneller bewegende Kernglas
wirksam. Im Ergebnis dessen kann es bei hohen Temperaturdifferenzen zwischen
kälterem
Randglas und heißerem
Kernglas infolge ungünstiger
technologischer Bedingungen zu einem Vorauseilen des heißeren Kernglases
kommen. Dies bedeutet eine Verschlechterung der thermischen Homogenität des Glases.
Dieses
Problem kann bei grundsätzlicher Änderung
der Temperaturführung
oder in einem zusätzlichen
nachfolgenden Anlagenteil zur thermischen Homogenisierung bei zusätzlichem
Materialaufwand mit gezielter Beeinflussung der Temperaturverteilung
im Glasstrom gelöst
werden.
Problem b):
Dem
Glas wird über
die elektrisch beheizte Rohrwandung Wärme zugeführt. Wenn das Randglas gegenüber dem
Kernglas gerade im Bereich des Stromzuführungsflansches bei bestimmten
technologischen Bedingungen zu stark abgekühlt wurde und anschließend auf
kurzer Weglänge
bzw. in kurzer Zeit wieder stark erwärmt wird, dann besteht die
Gefahr, daß thermisches
Reboil hervorgerufen wird. Ein solches Reboilproblem ist bei den
im Speiser üblichen
Temperaturen meist nicht mehr korrigierbar, so daß Qualitätseinbußen die
Folge sind. Dieses Problem b) ist grundsätzlich z.B. mit geänderter
Konstruktion und insbesondere einer verlängerten Bauweise des Anlagenteils
korrigierbar, verlangt dann aber wiederum einen höheren Einsatz
an Edelmetallen u.a.
Eine
beliebige Absenkung der Kühlwirkung des
Wassers ist bei den bisher beschriebenen Erfindungen nicht möglich. Weder
die Maße
des Kühlkanals,
z.B. Rohrdurchmesser, noch die Durchflußmenge können beliebig gesenkt werden,
ohne den zuverlässigen
Betrieb der Anlage zu gefährden.
Bei längerem
Betrieb dieser Kühlung
kann es zu Querschnittsverringerungen infolge von Verunreinigungen
oder Ablagerungen an der Wandung kommen, wenn kein enthärtetes und
kein sehr sauberes Wasser verwendet wird und nicht regelmäßig auf
Ablagerungen kontrolliert wird. Diese können zum Abfall der Kühlwirkung
bis zum Versagen führen.
Der Volumenbedarf von Wasser erhöht
sich bei Übergang
vom flüssigen Zustand
in dampfförmigen
Zustand um ca. drei Größenordnungen.
Eine plötzlich
einsetzende Verdampfung müßte demnach
ein Zerplatzen des Wasserkühlkanals
befürchten
lassen. Daher muß durch
ein ständiges Überangebot
an Wasser dafür
gesorgt werden, daß diese
Gefahr sicher verhindert wird. Das bedeutet, daß die Temperatur des Wassers
nach Durchlaufen des Kühlkanals
noch erheblich unter 100°C
liegen muß.
Damit kann es vorkommen, daß das
Randglas in der Konditioniereinrichtung stärker als notwendig gekühlt wird.
Bei
anderen Patentschriften wie
US 5,776,221 ohne
besondere Kühlung
ist der Einsatzbereich der Einrichtung bezüglich der Betriebstemperatur
begrenzt. Eine Überschreitung
der zulässigen Betriebstemperatur
könnte
zu einer thermischen Überlastung
der Stromanschlüsse
infolge eines zu hohen elektrischen Übergangswiderstand und zu Korrosion
an der Kontaktstelle führen
können
und den stabilen Betrieb der Anlage verhindern. Diese Gefahr kann
grundsätzlich
vermieden werden, wenn auch dort Edelmetalle verwendet werden, oder
bei zusätzlichem
Materialaufwand der Durchmesser der Stromzuführungsflansche im Bereich des
eigentlichen elektrischen Anschlusses vergrößert und damit dort für eine ausreichend
niedrige Temperatur zu gesorgt wird.
Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, aus der Berücksichtigung
dieser Zusammenhänge
verbesserte Konstruktionen, geeignet für verschiedene Einsatzfälle der
Konditioniereinrichtung, zu erarbeiten. Diese Einsatzfälle können sich
unterscheiden bezüglich
- – Glasart/Viskositätskurve/Strahlungsleitfähigkeit
- – Temperaturbereich
(unterschiedlich für
z.B. Bleiglas und Borosilikatglas)
- – zu
erreichender Temperaturabsenkung
- – minimalen
und maximalen Glasdurchsatzes
- – verfügbarer Baulänge für die Konditioniereinrichtung
aufgrund räumlicher
Gegebenheiten usw.
Die
Lösung
muß so
gestaltet sein, daß für den eigentlichen
elektrischen Stromanschluß (Kupfer o.a.
Materialien) am Flansch unter den geplanten Betriebsbedingungen
keine unzulässige
Erwärmung auftritt.
Ziele der Konditioniereinrichtung:
- 1. Die thermische Homogenität des Glases am Ausgang der
Konditioniereinrichtung ist bei sparsamem Edelmetalleinsatz besser
als 1 K (Temperaturdifferenzen im Glas)
- 2. Die Einrichtung dient entweder zur überwiegenden Abkühlung bzw.
Temperaturanpassung an die Anforderungen des nachfolgenden Anlagenteils bzw.
der Formgebungsmaschine (Kühlkanal
bzw. Feeder) oder
zur Herstellung des erforderlichen Temperaturprofils
für den
optimierten Betrieb einer Plunger-, Rühr- oder Läuterzelle.
- 3. Die Anlage kann auch der aktiven Verbesserung der thermischen
Homogenität
und/oder der chemischen Homogenität des Glases dienen oder sichert
an kritischen Stellen eine aus verfahrenstechnischer Sicht wichtige
Temperaturverteilung wie z.B. zur Verhinderung von Entglasungen
Kennzeichnung der Einrichtung:
- 1. Die Anlage stellt die Verbindung zwischen Schmelzwanne
bzw. Vorherd einerseits und der Formgebungseinrichtung andererseits
dar.
- 2. Sie ist modular aufgebaut und besteht mindestens teilweise
aus einem Behälter
mit einer Wandung aus Edelmetall, Metall oder aus daraus gebildeten
Legierungen und wird mittels Stromfluß durch diese Wandung direkt
elektrisch beheizt.
- 3. Die Einrichtung kann aus verschiedenen Teilen wie z.B. Kühlkanal,
Feeder, Läuter-,
Plunger- oder Rührzelle,
Dosierorgan oder Ausflußorgan
ausgebildet sein.
Lösung der Aufgabe:
Im
Bild 1 ist ein umfassenderes Ausführungsbeispiel für eine denkbare
Gesamtanordnung, bestehend aus mehreren Modulen, als Grobschema angegeben.
Ebensogut kann die Gesamtanordnung auch z.B. nur aus einem Kühlkanal
und einer nachfolgenden Plungerzelle oder anderen Baugruppen bestehen.
Das
Beispiel im Bild 1 wurde gewählt,
um zu dokumentieren, daß das
erfindungsgemäße Vorgehen
sich auf alle Teile der Konditioniereinrichtung beziehen soll. Erst
dann werden beste Ergebnisse bezüglich
Homogenität
des Glases für
die Formgebung, hoher Flexibilität
der Anlage und möglichst
geringem Edelmetallverbrauch erreicht.
Das
geschmolzene Glas fließt
der Konditioniereinrichtung über
den Ausgang der Schmelzwanne bzw. des Vorherds (1) zu.
Die Stromzuführungsfansche
(2) Nr. 1 bis 7 sind im Bild 1 als F1 bis F7 angegeben.
Die Zahl der Flansche hängt
von der Zahl der elektrischen Niederspannungs – Heizkreise ab und beträgt für nur einen
Heizkreis zwei, für
zwei benachbarte Heizkreise drei usw. Die keramische Isolation der
Baugruppen der Anlage ist nicht dargestellt.
Im
Bild 2 ist der Blick auf einen einzelnen Stromzuführungsflansch
(2) in schematischer Darstellung gegeben.
Nachfolgend
werden folgende Bezeichnungen verwendet:
Oberbegriff Edelmetall,
Material a (der innersten radialen Zone zugeordnet)
Dieser
Materialbegriff soll als Kurzform Edelmetalle wie Platin, Rhodium,
Palladium u.a., deren Legierungen, dispersionsstabilisiertes Platin
(FKS, ZGS, DVS, ODS) und dispersionsstabilisierte Platinlegierungen
beinhalten.
Oberbegriff Metall, Material b: (der mittleren
radialen Zone zugeordnet)
Dieser Materialbegriff soll als Kurzform
sowohl Edelmetalle wie Platin, Rhodium, Palladium u.a., deren Legierungen,
als auch Nichtedelmetalle, andere Legierungen, die teilweise aus
Nichtedelmetallen wie z.B. Chrom, Kupfer u.a. bestehen können, wie
auch thermisch hoch belastbare, elektrisch gut leitende und korrosionsbeständige Edelstahllegierungen
und andere Sonderlegierungen beinhalten.
Oberbegriff Metall,
Material c: (der äußersten
radialen Zone zugeordnet)
Dieser Materialbegriff soll als Kurzform
Nichtedelmetalle der vierten Periode des Periodensystems mit den
Ordnungszahlen 22 bis 29 und Legierungen, die teilweise aus diesen
Nichtedelmetallen bestehen, und oberflächenbeschichtete Metalle oder
Legierungen, wie z.B. verchromtes Kupfer beinhalten.
Der
Durchmesser D1 repräsentiert
den Außendurchmesser
des Behälters
(7) als Rührzelle
(3) bzw. Kühlrohr
(4) bzw. Plungerzelle (5) usw., wobei dieser Behälter von
schmelzflüssigem
Glas (8) durchströmt
wird. Die radiale Zone 1 (9) zwischen D1 und D2 entspricht
dem innersten Teil des Stromzuführungsflanschs
(2) und ist grundsätzlich
aus Edelmetall im Sinne von "Material
a" angefertigt.
Die radiale Zone 2 (10) zwischen D2 und D3 entspricht dem mittleren
Teil des Stromzuführungsflanschs
(2) und ist je nach Betriebsbedingungen aus Edelmetall
(Material a) oder anderen thermisch und elektrisch hoch belastbaren
metallischen Werkstoffen (Material b) angefertigt.
Die
radiale Zone 3 (11) zwischen D3 und D4 entspricht dem äußeren Teil
des Stromzuführungsflanschs
(2) und ist aus elektrisch gut leitenden und hinreichend
korrosionfesten metallischen Werkstoffen (Material c) angefertigt.
Diese Zone 3 (11) kann bei bestimmten Einsatzbedingungen
weggelassen werden, wenn die Zone 2 (10) entsprechend dimensioniert
ist und diese Aufgabe mit übernimmt.
Die
Stromzuführung
erfolgt über
flanschartig ausgebildete Metallteile, die nachfolgend als "Stromzuführungsflansch" (2) bezeichnet
werden. Diese müssen
den elektrischen Strom gut leiten, dürfen die Glasmasse im Inneren
der Einrichtung nicht übermäßig stark
abkühlen
und müssen
bei den vorgesehenen Betriebstemperaturen eine hinreichende Korrosionsfestigkeit
und mechanische Stabilität
besitzen. Daher sind besonders Edelmetalle wie Platin, Palladium,
Edelmetallegierungen wie z.B. PtRh-Legierungen und dispersionsstabilisierte
Edelmetalle (ZGS, ODS, FSK, DVS) und daraus gebildete Edelmetallegierungen
für die
Metallteile (Rohr bzw. Behälter
oder Flansch) geeignet. Aus Kostengründen werden für bestimmte
Teile der erfindungsgemäßen Einrichtung, soweit
es die vorgesehenen Betriebstemperaturen zulassen, bevorzugt Nichtedelmetalle
oder daraus gebildete Legierungen und thermisch sehr hoch belastbare
korrosionsbeständige
Edelstähle
verwendet, soweit ihre elektrische Leitfähigkeit ausreichend gut ist.
Grundsätzlich besteht
der Stromzuführungsflansch
(2) aus mehreren Teilen. Er ist mit dem Edelmetallbehälter (7),
z.B. einem Kühlrohr
(4) oder der Rührzelle
(3) eng verbunden (verlötet
oder verschweißt),
so daß der
elektrische Stromfluß gut
möglich
ist, gerade die dort vorgesehene elektrische Beheizung erfolgt und
ein Glasaustritt zwischen dem Stromzuführungsflansch (2)
und dem Ausgang von Schmelzwanne bzw. Vorherd (1) verhindert
wird. Dieser erste ringförmige
Teil (9), der konzentrisch um den Behälter (7) angeordnet
ist, besteht aus Material a) (Platin, dispersionsverfestigtem Platin,
dispersionsverfestigten oder normalen Platinlegierungen oder anderen
Edelmetallen).
Bei
mehrteiligen Konditioniereinrichtungen (Oberbegriff werden jeweils
zwei Teile über
deren Flansche (2) so miteinander verbunden, daß der Glasaustritt
an der Kontaktstelle durch geeignete Gestaltung der Temperaturverteilung
verhindert wird.
Der
zweite ringförmige
Teil (10), der von außen
konzentrisch um den inneren ersten ringförmigen Teil (9) angelötet bzw.
angeschweißt
ist, kann wiederum aus Platin, dispersionsverfestigtem Platin, dispersionsverfestigten
oder normalen Platinlegierungen oder aber bei nicht zu hohen Betriebstemperaturen
auch aus anderen metallischen Werkstoffen oder Legierungen von Nichtedelmetallen,
oder thermisch und elektrisch hoch belastbaren sowie korrosionsfesten
Edelstählen
oder Sonderlegierungen bestehen.
Dieser
Teil soll für
eine möglichst
gleichmäßige Verteilung
der elektrischen Stromdichte über
dem Umfang der Wandung bei der direkten Beheizung des Behälters (7)
oder Behälterteils
sorgen. Das ist durch Wahl des entsprechenden Materials und einer geeigneten
Konstruktion (Durchmesser, Materialdicke u.a.) zu erreichen. Noch
wichtiger als die gleichmäßige Stromdichteverteilung
ist eine gute Symmetrie der Temperaturverteilung im Stromzuführungsflansch.
Auch
hier soll eine Joulesche Wärmeentwicklung
nur im vorgesehenen Maße
erfolgen. Eine zu große
Wärmeentwicklung
senkt die Haltbarkeit der Anlage. Eine zu große Wärmeabfuhr kann je nach Umständen die
Erreichung einer sehr guten thermischen Homogenität des Glases
behindern.
Die
dritte radiale Zone (11), die außen an der zweiten radialen
Zone (10) als ringförmiger
Teil angeschweißt
oder angelötet
ist, dient vor allem dem Anschluß der Stromschienen (17)
bzw. Stromkabel. Sie erfährt
vor allem durch die Wärmeleitung
von den radialen Zone 2 (10) des Stromflanschs (2)
eine deutliche Erwärmung,
am wenigsten durch den Stromfluß. Ihre
Temperatur darf nur so hoch werden, wie es das Material des elektrischen
Anschlusses (13) zuläßt. Eine
zu hohe Temperatur kann die ohmschen Verluste aufgrund des Temperaturkoeffizienten
des elektrischen Widerstands wie auch die Übergangswiderstände der
Verbindungsstelle durch Korrosion oder Oxidation in einem nicht
mehr zu akzeptierenden Maße
erhöhen.
Daher ist einerseits ein ausreichend korrosionsbeständiges wie
auch elektrisch gut leitendes Material wie z.B. Kupfer oder andere
Nichtedelmetalle bzw. deren Legierungen oder andere geeignete Legierungen
erforderlich, andererseits muß durch
eine Kühlung
dafür gesorgt
werden, daß weder die
Korrosion noch der elektrische Widerstand die vorher festgelegten
Grenzen überschreiten.
Bei
Einsatzfällen
mit besonders hoher thermischer Belastung kann sogar Material b)
für die
dritte radiale Zone notwendig sein, wenn Material c) für die vorgesehene
Konstruktion elektrisch und thermisch nicht hinreichend belastbar
ist.
Für die Kühlung des
Stromzuführungsflanschs
wird vorzugsweise Luft eingesetzt. Die Stromzuführungseinrichtung (2)
wird vorzugsweise von einem daran angeschweißten luftdurchströmten doppelten
Metallkanal (12) gekühlt
(Bild 3 und Bild 4). Dafür
sind Ausführungen
wie in Bild 3 und 4 oder andere Varianten entsprechend der vorgesehenen
Anwendung zu wählen.
Bei ausreichender Menge und Strömungsgeschwindigkeit
der Luft im Kanal (12) und der damit verbundenen turbulenten
Strömung sind
die Kühlwirkungen
hinreichend groß.
Bei geeigneter Dimensionierung der Luftkanäle (12) und ihrer Zuleitungen
kann in der bevorzugten Ausführung
bereits ein Gebläse
den erforderlichen Druck liefern. Die Luftgeschwindigkeit im Luftkanal
soll in der Regel mindestens 2 m/s betragen. Der Luftstrom muß so bemessen
sein, daß die
Luftmenge pro Sekunde (ggf. unter Berücksichtigung des Wasserdampfanteils)
eine Wärmekapazität besitzt,
welche die angestrebte Kühlleistung
ermöglicht.
Die
Luftkanäle
(12) des Stromzuführungsflanschs
(2) liegen bevorzugt außerhalb der keramischen Isolierung
des Teils der Konditioniereinrichtung, um eine Wärmeabgabe an die Umgebung durch
Strahlung und Konvektion zuzulassen. Sie sind jeweils paarig angeordnet,
wobei zwei Kanäle
eines Paars stets gegenläufig
von Luft durchströmt
werden, um eine thermische Unsymmetrie zu verhindern. Für den Abschluß der Luft-Rohrleitung
nach Durchströmen
der Luftkühlrohre
ist ein Diffusor zur Geräuschminderung
vorgesehen, der aber nicht zwingend erforderlich ist. Seine Wirkung
kann durch andere schallmindernde Maßnahmen wie z.B. schwingungsdämpfende
Verlegung der Rohrleitungen für
die Luftzuführung
und der Einstellventile für die
Luftmenge, durch Reflexionsschalldämpfer u.a. ergänzt werden.
Eine
Wasserkühlung
ist prinzipiell möglich, wird
in den meisten Fällen
aber nicht angestrebt, da sie oft eine zu starke Kühlung bewirkt.
Lediglich bei besonders hohen Betriebstemperaturen des Glases ist
sie erforderlich, und dann auch nur in einer bestimmten Art und
Weise. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß das Wasserkühlrohr (16)
nur indirekt über
einen Metallsteg (15) zwischen ihm und dem Metall der radialen
Zone 3 (11) zu dessen Abkühlung beitragen kann (Bild
5). Durch die erfindungsgemäße Konstruktion
des Stromzuführungsflanschs
(2) wird dafür
gesorgt, daß die
Temperatur der Stromzuführungseinrichtung
die vorgesehenen Grenzen nicht überschreitet.
Sie muß aus
geeigneten Materialien bestehen und eine ausreichende Dimension
(Durchmesser und Materialdicke) haben, damit im Bereich des elektrischen
Anschlusses von Stromschiene (17) bzw. Kabel keine Korrosion
oder unzulässige
Widerstandserhöhung
auftritt. Besonders der elektrische Anschluß (13) selbst muß durch
Konvektion und Strahlung ausreichend Wärme an die Umgebung abgeben
können.
Die
Erfindung bietet folgende Vorteile:
- – bessere
thermische Homogenität
des Glases
- – Senkung
des Verbrauchs an Edelmetallen
- – Senkung
des Bedarfs an Elektroenergie
- – Senkung
des Aufwands zur Bereitstellung von Kühlwasser
Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
Die
vorliegende Erfindung ist durch folgende Merkmale gekennzeichnet:
1.
Bewußte
Wahl der Stärke
der Kühlwirkung
des Stromzuführungsflanschs
(2), wobei die Kühlung
der Flanschmaterialien in den verschiedenen radialen Zonen (9),
(10) und (11) zur Sicherung von deren mechanischer
Festigkeit, temperaturabhängiger
elektrischer Leitfähigkeit
und Korrosionsbeständigkeit
bei Dauerbetrieb, nicht aber die Kühlung des Glases im Behälter Ziel
der Kühlung
ist.
Die
Luftkühlung
sollte vorzugsweise bei Betriebstemperaturen bis ca. 1100°C im Glas
und entsprechender Konstruktion durch zwei Luftkühlrohre (12) mit rechteckigem
oder kreisförmigen
Querschnitt auf der Fläche
des Stromzuführungsflansches
(2) und zusätzlich
durch Konvektion und Abstrahlung nach außen erfolgen. Die ausströmende heiße Luft wird über Rohre
und/oder Schläuche
und einen Diffusor soweit abgeleitet, daß keine unkontrollierten störenden Beeinflussungen
an der Anlage auftreten. Die eben genannte Temperaturgrenze von
ca. 1100°C kann
bei spezieller konstruktiver Gestaltung deutlich nach oben verschoben
werden. Die Stärke
des Luftstroms kann für
beide Luftkühlrohre
eines Stromzuführungsflanschs
separat eingestellt werden.
Bei
Glastemperaturen oberhalb von ca. 1200°C im Bereich des Stromzuführungsflanschs
(2) kann die Kühlung
vorzugsweise durch Luft, die mit Wasserdampf vermischt ist, oder
durch ein anderes Fluid als Luft, z.B. Wasser oder andere Flüssigkeiten erfolgen.
Erfindungsgemäß wird ein
solches Wasserkühlrohr
(16) am Stromzuführungsflansch
(2) so angebracht, daß die
Kühlwirkung
auf das Glas (8) nur die zulässige Stärke erreicht. Im Falle von
Luft oder wasserdampfhaltiger Luft ist die Kühlwirkung leicht auf gewünschte Werte
einstellbar, z.B. mit Hilfe einer stufenlosen Drehzahlregelung des
Gebläses
und separater Ventile für
die einzelnen Luftkanäle.
Die
Dosierung von Wasserdampf an die Kühlluft erfolgt in einem Wasser-Vorratsbehälter zwischen
Gebläse
(oder sonstiger Druckluftquelle) einerseits und dem luftgekühlten Stromzuführungsflansch
andererseits. Durch eine Regelung an diesem Wasservorratsbehälter wird
der Wasserstand konstant gehalten. Die Wassertemperatur im Vorratsbehälter ist
mit Hilfe einer Heizung und Temperaturregelung stufenlos einstellbar
und erlaubt so die Einstellung des Wasserdampfpartialdrucks (Wasserdampfanteil)
in der Kühlluft.
Die Kühlluft
strömt
durch den ausreichend großen
Dampfraum über
dem Wasserspiegel und reißt
so Wasserdampf mit, der zur Verstärkung der Kühlung beiträgt. Die Wasserdosierung kann
mit Hilfe von Wassernebel aus einer Gruppe von mehreren Sprühdüsen im oberen
Teil des Vorratsbehälters
oder einem zusätzlichen
Bauteil verstärkt
werden.
2.
Falls Wasser als Kühlmedium
eingesetzt wird, gibt es bei der Senkung der Kühlwirkung erfindungsgemäß zwei mögliche Varianten:
- a) Das Fluidrohr (16) (Wasserkühlrohr des Flanschs)
wird nicht direkt, sondern indirekt über einen Metallsteg (15)
auf dem Stromzuführungsflansch
(2) angeschweißt
(Bild 5). Dieser Metallsteg (15) wird in der Dicke, Höhe und Materialart so
bemessen, daß die
Kühlwirkung
auf das Glas (8) nicht zu groß wird, daß aber die Temperatur der elektrischen
Anschlußteile
(13) unter den vorgesehenen Betriebsbedingungen in den
gewünschten
Grenzen bleibt und die gewünschte Temperaturverteilung
in allen drei Zonen des Stromzuführungsflanschs
erreicht wird. Die elektrische Stromzuführung von der außen verlegten Stromschiene
(17) über
eine flexible Leitung kann durch eine verschraubte massive Platte
aus gut elektrisch leitfähigem
Material wie Kupfer oder anderen Nichtedelmetallen oder Legierungen
aus diesen und anderen Metallen erfolgen, wobei eine sehr glatte,
oxidfreie Kontaktfläche
(ggf. mit Oberflächenbeschichtung)
zu gewährleisten
ist.
- b) Gemäß Bild 6
werden nur an den vier elektrischen Anschlußstellen (18) am Umfang
des Stromzuführungsflanschs
(2) symmetrisch verteilt eng begrenzte kürzere Fluidrohre
(19) zur Kühlung
z.B. mit Wasser verlegt. Die intensive Kühlung erfolgt nicht am gesamten
Umfang des Stromzuführungsflanschs
(2). Es kann abweichend zu Bild 6 auch nur drei oder zwei
symmetrisch angeordnete Anschlußstellen
geben, an denen die Stromzuführung
erfolgen kann.
3.
Bewußte
Aufteilung des Stromzuführungsflansches
in verschiedene Zonen in radialer Richtung ab Behälter (7)
bzw. Kühlrohr,
wobei die innerste Zone 1 (9) grundsätzlich aus Edelmetall (Material
a) besteht. Sie ist durch die Aufgabe gekennzeichnet, den Strom
hinreichend gut zu leiten, aber auch in bestimmten Fällen wie
bei einer beheizten Düse
am Ende der Konditioniereinrichtung, eine gezielte Beheizung zur
teilweisen Kompensation der Wärmeverluste
zu bewirken.
Die
nächste
nach außen
folgende Zone 2 (10) kann auch aus Edelmetall oder -legierungen,
bei nicht sehr hohen Betriebstemperaturen des Glases in diesem Bereich
aber auch aus anderen Metallen der vierten Periode des Periodensystems
(Ordnungszahlen von 22 bis 29) oder Legierungen mit entsprechender
thermischer Belastbarkeit, hoher elektrischer Leitfähigkeit
und mechanischer Stabilität
bei dieser Temperatur (Material b)) bestehen.
In
der bevorzugten Bauform wird bei Betriebstemperaturen des Glases
bis ca. 1100°C
im zutreffenden Teil der Anlage die Grenze zwischen der inneren
Zone 1 und der nach außen
folgenden Zone 2 (der Durchmesser D2) gerade so gewählt, daß dort nicht
Edelmetalle (Material a) verwendet werden müssen. Diese Grenze wird erfindungsgemäß im Rahmen
der Erarbeitung der Konstruktion mit Hilfe von Simulationsrechnungen
(Methode der finiten Differenzen und/oder der finiten Elemente)
ermittelt. Diese ergeben nach Lösung
der partiellen Wärmeleitungsgleichung
unter Berücksichtigung
der Kopplung mit der Glasströmung
und der Beheizung den radialen Temperaturverlauf vom Glas (8)
bis zum äußeren Umfang
des Stromzuführungsflanschs
(2).
Bei
Betriebstemperaturen des Glases in der Nähe des Stromzuführungsflansches
(2) oberhalb von ca. 1200°C wird diese Zone 2 (10)
bevorzugt aus Edelmetall (Material a) bestehen.
Die
am weitesten außen
liegende radiale Zone 3 (11) besteht grundsätzlich aus
Nicht-Edelmetallen (Material c)). Sie hat hauptsächlich die Aufgabe, den elektrischen
Stromanschluß zu
ermöglichen. Sie
wird soweit gekühlt,
daß die
Metalle oder Legierungen des Stromanschlusses (13) nicht
korrodieren und deren elektrischer Widerstand in den vorgesehenen
Grenzen bleibt.
Die
Luftkanäle
(12) sind entweder einseitig wie im Bild 3 oder beidseitig
an der Fläche
der äußeren radialen
Zone 3 (11) angebracht, oder der metallische Ring der äußeren radialen
Zone (11) enthält mittig
in seiner Wandung die Luftkanäle
(12), wobei dann die Außenflächen der radialen Zone 3 (11) über Strahlung
und Konvektion Wärme
an die Umgebung abgeben. Die Luftkanäle werden so dimensioniert, daß der für die Kühlung erforderliche
Luftdurchsatz bei nicht zu hohem Druck erreicht werden kann. Eine zu
hohe Strömungsgeschwindigkeit
(zu kleiner Querschnitt) würde
auch eine unerwünschte
Lärmentwicklung
verursachen.
Die
Grenze zwischen der mittleren radialen Zone 2 (10) und
der äußeren Zone
3 (11) (der Durchmesser D3) wird so gewählt, daß in der Zone 3 (11) Nicht-Edelmetalle
(Material c) verwendet werden können.
Diese Grenze wird erfindungsgemäß im Rahmen
der Erarbeitung der Konstruktion mit Hilfe von Simulationsrechnungen
(Methode der finiten Differenzen und/oder der finiten Elemente)
ermittelt.
Bei
besonderen Einsatzfällen
kann die Zone 3 (11) weggelassen werden, wenn gleichzeitig
die radiale Zone 2 (10) entsprechend dimensioniert ist.
Die
Wanddicken der Metalle der einzelnen radialen Zonen sind in den
Bildern nur schematisch, nicht maßstabsgerecht dargestellt.
Sie müssen
je nach Einsatzfall und Betriebsbedingungen unterschiedlich gewählt werden.
Grundsätzlich
ist die Dicke des Materials der innersten radialen Zone 1 erheblich
geringer als die der beiden anderen radialen Zonen 2 und 3.
4.
Die konstruktive Auslegung der wichtigsten wärme- und strömungstechnischen
Details der Konditioniereinrichtung einschließlich der Stromzuführungsflansche
erfolgt nach Simulationsrechnungen. Diese berücksichtigen die Einsatzbedingungen wie
Temperaturbereich, minimalen und maximalen Durchsatz, Viskositätskurve
des Glases, thermische Randbedingungen, geforderte Temperaturabsenkung
usw. und liefern nach Prüfung
verschiedener Varianten die für
den gegebenen Einsatzbereich vorteilhafteste Dimensionierung wie
die Baugröße, die thermische
Isolation mit feuertestem Material und die Stärke der elektrische Beheizung.
Die
konstruktive Auslegung der Stromzuführungsflansche (2)
wird so gestaltet, daß auch
für kleinere
Bereiche der gesamten Anlage eine Verbesserung des Temperaturprofils
erreicht wird. Dies kann in bestimmten Fällen wie bei einer beheizten
Düse am Ende
der Konditioniereinrichtung eine gezielte Beheizung zur teilweisen
Kompensation der Verluste infolge Wärmeabstrahlung beinhalten und
ist bei geeigneter Wahl des Querschnitts/Materialdicke im betreffenden
Bereich möglich.
Damit kann u.a. der Gefahr einer Entglasung begegnet werden.
Die
Konditioniereinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß auch unter
verschiedenen technologischen Bedingungen eine hohe thermische Homogenität des Glases
bei Verlassen der Konditioniereinrichtung gewährleistet wird. Das wird erreicht,
indem die Temperatur- und Strömungsverhältnisse
im untersuchten Bereich der Anlage berücksichtigt und die Beheizung
zielgerichtet durch konstruktive Maßnahmen nach dem örtlichen
Bedarf (z.B. für
den Oberteil einer Rührzelle
oder den Auslaufbereich) beeinflußt wird.
Solche
Untersuchungen und Optimierungen sind aufgrund der Nichtlinearität des Systems
mit gegenseitiger Abhängigkeit
von Temperatur und elektrischer Leistungsdichte im Metall u.a. nicht
durch einfache Berechnungen möglich.
Erst wenn die Kopplung des Temperaturfeldes und des Geschwindigkeitsfeldes
bewußt
berücksichtigt
wird und die elektrische Beheizung aufgrund der Ergebnisse der mathematischen
Modellierung und Simulation entsprechend dimensioniert und betrieben
wird, dann kann eine sehr gute thermische Homogenität des Glases auch
unter verschiedenen Betriebsbedingungen (Temperaturbereich, Durchsatz,
Glasart u.a.) erreicht werden. Für
die Simulationsrechnungen stehen die Methode der finiten Differenzen,
die Methode der finiten Elemente u.a. zur Verfügung.
Die
direkte elektrische Beheizung erfolgt nach Optimierung mit Hilfe
von Simulationsrechnungen auf eine Weise, die beste thermische Homogenität des Glases
am Ende der Einrichtung bei Übergabe
des Glaspostens an die Formgebungseinrichtung (Blasmaschine, Presse,
Rohrzieheinrichtung, Flachglasziehmaschine, Kugelspeiser oder manuelle
Ausarbeitung) sichert.
Die
direkte elektrische Beheizung von glastechnischen Anlagen ist seit
vielen Jahren Stand der Technik. Die vorliegende Erfindung betrifft
Konstruktionen zur optimierten Gestaltung der Temperaturführung, der
direkten elektrischen Beheizung der metallischen Wandung und der
Stromzuführungsflansche, wobei
die Optimierung aus einer Gesamtsicht des Systems einschließlich der
feuerfesten Isolierung erfolgt.
Erfindungsgemäß erfolgt
die Optimierung der Konditioniereinrichtung bezüglich
- – thermischer
Inhomogenität
des Glases am Ausgang der Einrichtung < 1 K
- – minimalem
Edelmetalleinsatz
- – hoher
Nutzungsdauer (Zeitstandfestigkeit)
- – möglichst
gleichmäßiger Verteilung
der elektrischen Stromdichte über
dem Umfang der Rohrwandung
Sie
beinhaltet eine entsprechende Konstruktion und Dimensionierung der
gesamten Konditioniereinrichung als System und insbesondere auch der
thermisch und elektrisch optimierte Stromzuführungsflansche (2)
Optimierung hinsichtlich mehrerer Kriterien bedeutet, daß bei keinem
der Kriterien übermäßige Schwächen bei
der Erfüllung
der gestellten Aufgabe auftreten, wobei die Gesamtlösung hinsichtlich
einzelner Kriterien durchaus für
ein einzelnes Kriterium wie z.B. den Edelmetalleinsatz in kg nicht
optimal sein muß,
um nicht bei anderen Zielkriterien wie z.B. der thermischen Homogenität des Glases
oder der Zeitstandfestigkeit der Materialien unakzeptable Nachteile
zuzulassen.
Die
konkrete Ausführungsform
hängt von Glasart,
Durchsatrbereich, dem vorgesehenen Betriebstemperaturbereich, den
räumlichen
Gegebenheiten u.a. ab.