-
Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Konditionieren wenigstens
eines Teilbereichs eines Abkühlprozessbereichs.
-
Zum
Herstellen von Flachglas ist ein als „Float-Glass”-Verfahren
bezeichneter Herstellungsprozess aus der Praxis bekannt. Dabei wird
zunächst kontinuierlich Glasschmelze durch Schmelzen eines Gemenges
aus mineralischen Glasrohstoffen, die typischerweise außer
SiO2 auch Al2O3, CaO, MgO, Na2O,
K2O und mitunter auch noch Fe2O3 und TiO2 oder SO3 umfassen, in einer beheizten Glaswanne oder
einem Schmelzofen erzeugt. Die Glasschmelze wird auf ein Zinnbad
aus flüssigem Zinn ausgegossen und breitet sich unter Einwirkung
der Schwerkraft und der Oberflächenkräfte in Form
eines Glasbandes oder eines Glasfilmes auf dem Zinnbad gleichmäßig aus
und schwebt („float”) dabei auf dem flüssigen Metall.
Diese Zone heißt deshalb auch „float zone”. Die
Temperatur auf dem Zinnbad beträgt zunächst typischerweise
etwa 1000°C. Anschließend wird das Glasband noch
auf dem Zinnbad auf etwa 600°C bis 700°C abgekühlt
und dabei mittels am Rand angeordneter Walzen vom Zinnbad abgezogen.
-
Das
abgezogene Glasband wird anschließend über ein
Transportband durch eine Abkühlanlage, die einen Kühlofen
und eine Kühlstrecke umfasst und im Englischen „Annealing
lehr” genannt wird, transportiert. In der Abkühlanlage
wird eine gezielte, vergleichsweise langsame Abkühlung
des Glases zur Vermeidung thermisch bedingter innerer Spannungen
im Glas vorgenommen, auch als „Annealing” bezeichnet.
Normalerweise würde nämlich das Glasband an den
Flachseiten schneller auskühlen als im Innern und die durch
diese hohen Temperaturgradienten bewirkten Spannungen im Glas würden
zu Sprüngen oder Brüchen des Glasbandes führen
vor allem beim späteren Schneiden in einzelne Scheiben.
Beim Annealing wird nun ein mittels Temperatursensoren und Reglern
geregelter Temperaturverlauf genau eingehalten, durch den vor allem
die Temperaturgradienten im Glasband gering gehalten werden und
Entspannungsprozesse im Glas ablaufen können. So wird typischerweise
das Glas auf eine sogenannte Annealing-Temperatur herabgekühlt
und dann für eine bestimmte Zeitdauer auf dieser Temperatur
gehalten, wobei die Zeitdauer von dem Glastyp, der Glasdicke, dem
thermischen Ausdehnungkoeffizienten und der erwünschten
Restspannung abhängt. Bei dieser Annealing-Temperatur finden
Relaxationsprozesse im Glas statt zur Reduzierung der inneren Spannungen.
Danach wird das Glas weiter herabgekühlt mit einem vorgegebenen
Temperaturgradienten. Nach Durchlaufen der Kühlstrecke
werden einzelne Flachglaseinheiten von dem durchlaufenden Glasband
abgetrennt und dann in einem Lager gelagert vor einer Weiterverarbeitung
oder einem Transport. Der gesamte beschriebene Float-Glass-Prozess
erfolgt in der Praxis kontinuierlich, d. h. es wird kontinuierlich
das Glasband vom Zinnbad abgezogen und entsprechend Glasgemenge
und daraus erzeugte Glasschmelze nachgeführt.
-
Beim
Glasschmelzprozess bilden sich die Gläser bei den hohen
Schmelztemperaturen in der Glaswanne durch die Gemengereaktion aus
den Ausgangssubstanzen. Diesen Prozess nennt man auch Rauschmelze.
Nach Beendigung der Rauschmelze liegt eine sehr inhomogene Schmelze vor,
bei der die auftretenden SiO2-Konzentrationen als
Hauptbestandteil des Glases von Sättigungskonzentration
bis wenigstens zur gewünschten Konzentration reichen und
zudem die Schmelze stark mit Blasen durchsetzt ist, die Reaktionsgase
und eingeschlossene Hohlraumgase, insbesondere Luft oder Wasserdampf,
enthalten. Deshalb werden in der sogenannten Blankschmelze die entstandenen
Blasen in einem Läuterungsprozess ausgetrieben, insbesondere
unter Einsatz geeigneter Läutermittel zum Realisieren der
während der Läuterung notwendigen Gasübersättigung,
und dann ein Abstehen der Schmelze unter einer Homogenisierung durchgeführt.
Am Ende des Abstehprozesses wird die Schmelze auf das Zinnbad ausgegossen
und bildet das Glasband.
-
Aus
EP 1 285 887 A2 ist
ein „Float-Glass”-Verfahren bekannt, bei dem in
einer Schmelzzone eines Glasschmelzofens durch die Verbrennung von
Brennstoff und sauerstoffangereichertem Oxidationsgas (oder: gasförmigem
Oxidationsmittel) mit mindestens 80 Vol.-% Sauerstoff in Brennern
Wärme erzeugt wird, um aus Glasrohstoffen geschmolzenes
Glas zu erzeugen. Als typische Brennstoffe werden Methan, Propan, Öl
und Wasserstoff angegeben. Das geschmolzene Glas wird auf die Oberfläche
eines geschmolzenen Metalls, typischerweise geschmolzenen Zinns,
in einer Wanne aufgebracht, breitet sich dort aus und formt dabei eine
Scheibe oder Platte aus Glas (Flachglas). Dann wird das flache Glas
in eine nicht befeuerte Läuterzone oder Blankschmelzenzone
(„refining zone”) gebracht und dort ohne Verbrennung
von Brennstoff und Oxidationsmittel abgekühlt. Gegenüber
der Verbrennung mit Luft mit typischerweise 20 bis 21 Vol.-% Sauerstoff
hat die Verwendung von sauerstoffangereichertem Brenngas den Vorteil,
dass ein größerer Wirkungsgrad, verbesserte Läuterreaktionen,
höhere Temperaturen, ein niedrigeres Gasvolumen und eine geringere
Bildung von Teilchen und Stickoxiden erreicht wird. Allerdings steigt
die Konzentration von Wasserdampf in der Atmosphäre eines
mit sauerstoffangereichertem Oxidationsgas befeuerten Glasschmelzofens
auf 50 bis 65 Vol.-% im Vergleich zu 15 bis 20 Vol.-% in einem Ofen,
der mit einem Luft-Brennstoff-Gemisch befeuert wird. Es wird nun in
EP 1 285 887 A2 beschrieben,
dass dieser höherer Wasserdampfdruck in der Atmosphäre
bewirkt, dass beim Läuterprozess gebildete kleine mit Wasserdampf
gefüllte Gasblasen sich nicht auflösen und im Endprodukt
verbleiben, so dass ein höherer Ausschuss zu beobachten
sei.
-
Als
mögliche Lösung dieses Problems wird in
EP 1 285 887 A2 angedacht,
den Partialdruck des Wassers an der Glasoberfläche in den
Gebieten, in denen die kleinen Gasblasen desorbiert werden müssen,
zu reduzieren, indem Luft in den Ofen nahe dessen Ausgang geblasen
wird, um die Konzentration von Verbrennungsprodukten und damit insbesondere
auch Wasser an der Glasoberfläche zu reduzieren. Jedoch
werden einige Nachteile dieser potentiellen Lösung angegeben,
insbesondere die Reduktion im Energiewirkungsgrad, der Anstieg von
Stickoxidemissionen und auch der Anstieg von Gasvolumen, das den
Ofen verlässt.
-
Als
bessere Lösung wird deshalb in
EP 1 285 887 A2 vorgeschlagen,
einen Teil des Oxidationsgases vor der Verbrennung durch die Läuterzone
oder im Bereich nahe des Ausgangs des Ofens zu leiten und zwar mit
einer ausreichend geringen Geschwindigkeit unter 16,6 m/s, um eine
Mischung des Oxidationsgases mit darüber liegenden Gasen
zu vermeiden. Der durchgeleitete Gasstrom des Oxidationsgases erniedrigt
den Wasserdampfanteil in der Atmosphäre an der Oberfläche
des geschmolzenen Glases in der Läuterzone auf weniger
als 25 Vol.-%. Es wird in
EP
1 285 887 A2 auch ausgeführt, dass anstelle des
Oxidationsgases jedes andere trockene Gas, das nicht chemisch mit
dem Glas reagiert, zum Entfernen von Wasserdampf verwendet werden
könnte, insbesondere Luft, Brennstoffgas oder Kohlendioxid.
-
Aus
der weiteren Druckschrift
EP
1 206 422 B1 ist ein Kühlofen oder Tunnelofen
zum Annealing oder zur spannungsarmen thermischen Abkühlung von
Flachglas bekannt, bei dem ein Glasband nacheinander durch drei
Kühlzonen, eine Vorkühlzone (A), eine Kühlzone
(B) und eine Nachkühlzone (C), geführt wird. In
jeder dieser Kühlzonen ist eine Gruppe von Kühlluft-Wärmetauschern
angeordnet, die durch Strahlungswärmeaustausch das durchlaufende
Glasband kühlen. Durch Messen der Temperatur und Steuern
der durch die Wärmetauscher strömenden Kühlluft
wird die Temperatur in den einzelnen Kühlzonen geregelt,
so dass sich ein flacher räumlicher negativer Temperaturgradient
in der Transportrichtung ergibt von einer Anfangstemperatur von etwa
600°C bis zu einer Temperatur von etwa 360°C, wobei
der Temperaturgradient in der Vorkühlzone betragsmäßig
geringer ist als in der Kühlzone und in der Nachkühlzone.
Nach der Nachkühlzone ist eine Kühlstrecke mit
weiteren Kühlzonen (D und F) vorgesehen, in denen durch
direkte Kühlung durch Luftkonvektion das Glas weiter abgekühlt
wird bis auf eine Umgebungstemperatur. Während also im
Kühlofen oder Tunnelofen Umgebungsluft nur als mittelbares Kühlmedium über
die Wärmetauscher und die Kühlung über
Austausch von Wärmestrahlung geschieht, ist in der nachgeschalteten
Kühlstrecke, die bei der
EP 1 206 422 B1 den beiden letzen Zonen (D,
F) entspricht, Umgebungsluft als direktes Kühlmedium vorgesehen,
das unmittelbar auf das Glasband geleitet wird. Nun gibt es in den
Zwischenzonen (X und Y) zwischen den Hauptzonen (A, B, C) Bereiche,
in denen sich das Glas in unerwünschter Weise wieder aufheizen
kann, also ein positiver Temperaturgradient auftreten kann. Zur
Vermeidung dieses Problems wird eine sich über den gesamten
Kühlofen erstreckende Wärmetauschereinheit vorgeschlagen,
die auch die Zwischenzonen erfasst. In der Wärmetauschereinheit
sind Auslässe zum Auslassen von warmer Luft zum Regeln
der Temperatur vorgesehen sowie auch Ventile zum Steuern der Menge
der zugeleiteten Umgebungsluft.
-
Auf
der Internetseite www.energie-industrie.de vom 18.03.2003 ist
eine Methode zur Energierückgewinnung oder Abwärmenutzung
bei fossilbeheizten Glasschmelzwannen in einem Werk der Schott Glas
in Mainz bekannt. In einem ersten Schritt wird in den Verbrennungsgasen
enthaltene, nicht genutzte Wärme als heißer Abgasstrom
der Glaswannen zur Verbrennungsluftvorwärmung benutzt.
In einem zweiten Schritt wird die dann noch enthaltene Wärmeenergie
zur Heißwassererzeugung herangezogen, wodurch der gesamte
Wärmebedarf zur Raumheizung und Warmwasserbereitung des
Werkes gedeckt wird. Da der Wärmebedarf witterungsbedingt
zum Sommer hin geringer wird, jedoch der Klimakältebedarf
gleichzeitig ansteigt, wird ausgeführt, dass sich die Nutzung
der Wärme zur Klimakälteerzeugung mittels Absorptionskältemaschinen
anbietet. Es sind dazu drei Lithiumbromid-Absorptionskältemaschinen
im Einsatz, die ab einer Außentemperatur von 0°C
mit einer Maschine in Betrieb gehen und ab 26°C mit allen
drei Maschinen laufen.
-
Auf
derselben Internetseite ist eine weitere Methode zur Nutzung der
beim Glasschmelzprozess entstehenden Abwärme der Firma
Hermann Heye, Germersheim, beschrieben. Auch hier wird ein Teil der
Abwärme genutzt, um die Verbrennungsluft vorzuwärmen
mittels eines zweistufigen Rekuperators. Die Umgebungsluft wird
von Umgebungstemperatur auf ca. 800°C vorgewärmt
und dann der Verbrennung zugeführt. Die verbleibende Restwärme
wird mit einer Temperatur von ca. 730°C einer Kesselanlage
zugeführt, in der Dampf erzeugt wird, der in einer Kondensationsturbine
in elektrische Energie umgewandelt wird. Dadurch wird Eigenstrom
für das Werk erzeugt. Das restliche Abgas, das noch eine Temperatur
von ca. 145°C besitzt, gelangt über eine Filteranlage
in den Kamin.
-
Ein
in der Praxis bekanntes Problem ist die unterschiedliche Qualität
der Oberflächen des mit dem „Float-Glass”-Prozess
hergestellten Flachglases, wobei im Sommer eine schlechtere Qualität
und ein höherer Ausschuss auftritt als im Winter. Qualitätsprobleme
verursachen insbesondere die Ausbildung einer für die Weiterverarbeitung,
insbesondere Veredelung oder Beschichtung des Glases, störenden
Gelschicht mit einer silicaähnlichen Zusammensetzung sowie
die Auslaugung und Korrosion der Glasoberfläche. Diese
Oberflächenprobleme treten hauptsächlich auf der
Atmosphärenseite der Glasscheibe, also der Seite, die im
Zinnbad nicht dem Zinn zugewandt war, auf. Die genannten verschiedenen
Phänomene werden in der vorliegenden Anmeldung unter dem
einheitlichen Begriff der Korrosion zusammengefasst, der alle physikalischen
oder chemischen Prozesse umfassen soll, die die Glasoberfläche
in ihrer Struktur oder Zusammensetzung durch Reaktion mit der angrenzenden
Atmosphäre verändern.
-
Neben
den Reaktionen mit den Atmosphärengasen Sauerstoff, Stickstoff
und Kohlendioxid ist besonders die Reaktion des Glases mit Wasser
aus der Atmosphäre relevant. Nach heutigen Erkenntnissen
führt der mit dem Glas an der Glasoberfläche reagierende
Wasserdampf zu einer Erhöhung der Alkalimetallionenkonzentration
an der Oberfläche des Glases und zur Bildung entsprechender
Alkalhydroxide oder -laugen, die das Glas angreifen (auslaugen). Ferner
entstehen sogenannte Silanol-Gruppen, die die optischen und mechanischen
Eigenschaften des Glases verändern, insbesondere eine Verfärbung verursachen
und das Glas an der Oberfläche weicher machen als im Inneren
der Glasscheibe, weshalb man auch von einer Gelschicht spricht.
Die genauen chemischen und physikalischen Abläufe der Glaskorrosion
sind noch nicht vollständig aufgeklärt.
-
Die
Glaskorrosion hat eine Reihe gravierender Nachteile. So können
beim Handhaben der Glasscheiben im Lager durch Sauger Saugerabdrücke
an der Gelschicht der Glasscheibenoberflächen entstehen.
Ferner entsteht bei der Lagerung der Glasscheiben durch Luftfeuchtigkeit
und Kondensation von Wasser auf den Oberflächen des Glases
eine Korrosions- und Gelschicht eines solchen Ausmaßes, dass
sogar aneinanderliegende Scheiben in Scheibenstapeln miteinander
quasi verkleben können. In den Lagern achtet man deshalb
darauf, die Glasscheiben in den Stapeln zu beabstanden mit Hilfe von
Abstandhaltern, die Luft zwischen den Glasplatten kontinuierlich
umzuwälzen und die Temperatur möglichst konstant
zu halten in den Lagerräumen sowie die Lagergebäude
gegen das Eindringen von feuchter Atmosphäre abzusichern.
Ein weiteres Problem der Glaskorrosion ist, dass es zu Fehlern oder mangelhaften
Qualitäten bei Beschichtungen oder Veredelungen auf der
Gelschicht oder korrodierten Schicht kommen kann.
-
Eine
einmal eingetretene Korrosion des Glases ist im Prinzip irreversibel
und akkumuliert an der Glasoberfläche und kann nur durch
Abtragen der korrodierten Oberflächenschicht beseitigt
werden. Die Glasscheiben werden in der Regel beschichtet, wodurch
die weitere Glaskorrosion gestoppt werden kann. In der Praxis wird
deshalb die Lagerzeit und Transportzeit bis zur Beschichtung des
Glases möglichst kurz gehalten oder gleich in einem einzigen Verfahrensprozess
durch eine nachgeschaltete Beschichtungsanlage die Beschichtung
unmittelbar im Anschluss an den Glasherstellprozess durchgeführt.
-
-
Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben,
mit denen die Korrosion einer Glasoberfläche aufgrund oder
in Anwesenheit von Wasserdampf in der an die Oberfläche angrenzenden
Atmosphäre reduziert oder hinausgezögert werden
kann.
-
Diese
Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst
durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
-
Die
Erfindung beruht auf der überraschenden und neuen Erkenntnis,
dass die Glaskorrosion nicht erst im Lager oder beim Transport,
sondern bereits in dem Kühlofen und in der Kühlstrecke
stattfindet und sogar ein erhebliches Ausmaß annimmt, da beim
Abkühlen des Glases durch das Zuführen von Umgebungsluft
oft erhebliche Feuchtemengen in den Kühlprozess eingetragen
werden, die zu den Korrosionsproblemen führen. Ausgehend
von dieser neuen Erkenntnis beruht die Erfindung weiter auf der Überlegung,
beim spannungsarmen Abkühlen des aus der Schmelze erzeugten
Glases (Annealing) konditioniertes Gas, insbesondere Luft, mit einem
relativen Wassergehalt oder Feuchtegehalt von höchstens 30%
oder einem absoluten Wassregehalt von höchstens 0,0011
zuzuführen und dadurch den Wasserdampfanteil an der korrosionsgefährdeten
Glasoberfläche gering zu halten. Dadurch kann die Korrosion des
Glases deutlich reduziert werden.
-
Damit
wird ein lange bestehendes Bedürfnis der Fachwelt gelöst,
da keine unterschiedliche Glasqualitäten mehr im Sommer
und im Winter auftreten, sondern eine über das gesamte
Jahr praktisch gleichbleibende und sogar verbesserte Glasoberflächenqualität
hinsichtlich der Korrosion durch Wasser erreicht werden kann. Folgemängel
der Glaskorrosion wie Saugerabdrücke oder Beschichtungsfehler werden
vermieden oder zumindest reduziert und die Lagerfähigkeit
des Glases wird verbessert. Dies ist mit der Konditionierung gemäß der
Erfindung möglich, ohne eine Beschichtung auf der Glasoberfläche als
Korrosionsschutz aufzubringen. Die Erfindung ist bei allen Glasformkörpern,
insbesondere Flachglas und Glashohlkörpern, anwendbar.
-
Die
Erfindung beruht weiter auf der Überlegung, dass die Prozesskonditionierung
der Oberfläche mit trockenem Konditioniergas nicht nur
bei der Glasherstellung, sondern auch beim Herstellen von allen
einem Annealing zu unterziehenden Werkstoffen oder Prozessprodukten
geeignet ist, die an ihrer Oberflä che ihre Struktur oder
Zusammensetzung durch Reaktion mit Wasser in der angrenzenden Atmosphäre
verändern, beispielsweise auch Stählen. Der am
Ende des Herstellprozesses festzustellende Korrosionsgrad des Prozessproduktes
soll also gemäß der Erfindung durch das Konditionieren
der Atmosphäre des Prozesses zumindest während
eines Teils des Prozesses unterhalb eines vorbestimmten Wertes gehalten
werden.
-
Vorteilhafte
Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Anwendungen der Vorrichtung
ergeben sich aus den vom Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen.
-
Da
in der Literatur widersprüchliche Terminologien für
die physikalischen Größen bei feuchter Luft oder
allgemein feuchtem Gas zu finden sind, sei hier nochmals kurz auf
die Definitionen und Zusammenhänge im Sinne der vorliegenden
Anmeldung eingegangen.
-
Der
Wassergehalt des Konditioniergases umfasst im noch nicht gesättigten
Zustand im Wesentlichen Wasserdampf (oder: Feuchte, Anteil des Wassers
in gasförmigem Zustand) und im übersättigten
Zustand zusätzlich auch noch im Konditioniergas mitgeführte
oder schwebende Wassertröpfchen (oder: Wasser in flüssiger
Form). Bei Sättigung oder dem zugehörigen Sättigungsdruck
herrscht bei einer konstanten Temperatur Gleichgewicht zwischen
einer Flüssigkeit und ihrem Dampf in einem vorgegebenen
beliebigen Volumen.
-
Der
absolute Wasserdampfgehalt oder die Feuchtebeladung X entspricht
dem Quotienten aus der im Konditioniergas enthaltenen Masse des
Wasserdampfes (Dampfmasse), gemessen beispielsweise in Gramm (g),
und der Masse des trockenen restlichen Konditioniergases (Trockengasmasse), üblicherweise
angegeben in kg, wobei beide Massen in demselben Gasvolumen, beispielsweise
einen Kubikmeter (1 m3), bei derselben Temperatur
und bei demselben Druck bestimmt werden. Der absolute Dampfgehalt
oder die Feuchtebeladung X ist also eine dimensionslose Größe.
-
Der
relative Wasserdampfgehalt oder die relative Feuchte φ wird
bezogen auf den Sättigungszustand und ist definiert als
Quotient aus der Partialdichte oder Konzentration des Wasserdampfes
bei der vorgegebenen Temperatur, beispielsweise gemessen in g/m3, und der Sättigungspartialdichte
des Wasserdampfes, die sich bei Erreichen des Sättigungspartialdruckes
des Wassers, also bei Sättigung des Konditioniergases mit
Wasser, bei gleicher Temperatur einstellt oder einstellen würde
und ebenfalls gemessen wird in g/m3. Die
relative Feuchte entspricht auch dem Quotienten aus dem aktuellen Dampfpartialdruck
und dem Sättigungsdampfpartialdruck. Die relative Feuchte
ist dimensionslos und wird üblicherweise in Prozent (%)
angegeben, wobei im untersättigten Zustand die relative
Feuchte unter 100% liegt und im gesättigten Zustand 100%
beträgt. Die relative Feuchte eines Gases, beispielsweise Luft,
mit einer vorgegebenen Feuchtebeladung oder absoluten Feuchte nimmt
bei gleichem Druck mit steigender Temperatur ab. Bei gleicher relativer Feuchte
und gleichem Druck enthält das Gas bei der höheren
Temperatur absolut mehr Feuchtigkeit als bei der niedrigeren Temperatur.
Das wärmere Gas kann also mehr Feuchtigkeit aufnehmen als
das kältere Gas.
-
Insbesondere
wird der relative Wassergehalt des Konditioniergases auf höchstens
30 Prozent eingestellt, insbesondere höchstens 25% und
mitunter sogar auf höchstens 10%. Die absolute Feuchtebeladung
wird vorzugsweise unterhalb oder höchstens bei 0,011, also
11 g Wasser auf 1 kg Trockengas, vorzugsweise höchstens
0,006, also 6 g Wasser auf 1 kg Trockengas, gehalten, was in etwa
einer relativen Feuchte von 30% bei 25°C und von 17% bei
35°C entspricht. Hinsichtlich des eingestellten relativen oder
absoluten Wassergehalts ist in der Regel auf den Eintritt des Konditioniergases
in den Prozessbereich abzustellen, da das Konditioniergas im Allgemeinen
im Prozessbereich wieder Feuchtigkeit aufnimmt. Bei diesen Trocknungsgraden
oder niedrigen Wassergehalten des Konditioniergases wird der Wassergehalt
der Atmosphäre an der Oberfläche der Formkörper
so weit vermindert, dass eine Korrosion der Glasoberfläche
in dem konditionierten Prozessbereich praktisch vermieden wird.
-
In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird mit
Hilfe der Prozessabwärme mittels eines Kältekreislaufes
oder einer Kältemaschine Kälte erzeugt und mit
der Kälte Feuchte aus dem Konditioniergas auskondensiert
zur Trocknung des Konditioniergases (Kältetrocknung). Zur
Trocknung des Konditioniergases besonders verwendbare Kältemaschinen
sind Kompressionskältemaschinen und vorzugsweise Absorptionskältemaschinen.
-
Kältemaschinen
führen Wärme von einem zu kühlenden Bereich
an einen Abgabebereich ab. Dazu wird bei den meisten Kältemaschinen
ein Kältemittel in einem Verdampfer, der in Wärmeaustausch
zu dem zu kühlenden Bereich steht, verdampft und dadurch
dem zu kühlenden Bereich die für die Verdampfung
des Kältemittels notwendige Wärme oder Verdampfungsenthalpie
entzogen. Anschließend wird das Kältemittel in
einem Kondensator oder Verflüssiger, der mit dem Abgabebereich
in Wärmeaustausch steht, die der Verdampfungsenthalpie
entsprechende Wärme wieder freigesetzt und an den Abgabebereich
abgegeben. Das verflüssigte Kältemittel wird dann
wieder dem Verdampfer zugeführt und der Kreislauf beginnt
von vorn. Da im Allgemeinen die Temperatur im Abgabebereich höher
ist als im zu kühlenden Bereich, ist zur Überwindung dieses
negativen Temperaturgradienten Betriebsenergie für die
Kältemaschine erforderlich.
-
Bei
einer Kompressionskältemaschine wird, in der Regel mit
elektrischer Betriebsenergie, ein Verdichter oder Kompressor betrieben,
der den Dampf des Kältemittels aus dem Verdampfer absaugt
und verdichtet und dann dem Kondensator zuführt. Durch den
derart erhöhten Druck im Kältemitteldampf wird dessen
Verflüssigung ermöglicht, wobei sowohl die Wärmeenergie
gemäß der Verdampfungsenthalpie als auch die Kompressionsenergie
im Kondensator an den Abgabebereich abgegeben wird. Über
eine Drosselstrecke für den Druckaufbau im Kondensator beim
Verdichten wird das kondensierte Kältemittel wieder dem
Verdampfer zurückgeführt.
-
Bei
einer Absorptionskältemaschine ist ein Absorberkreislauf
vorgesehen, in dem eine Flüssigkeit oder Gas als Kältemittel
in einer (anderen) Flüssigkeit als Lösungsmittel
in einem Absorber absorbiert und dann wieder von dieser in einem
Kocher oder Austreiber durch Zuführen von Wärme
als thermischer Betriebsenergie getrennt oder desorbiert wird, beispielsweise
ein System aus Lithiumbromid als Lösungsmittel und Wasser
als Kältemittel oder ein System aus Wasser als Lösungsmittel
und Ammoniak als Kältemittel. Das Kältemittel
hat eine niedrigere Verdampfungs- oder Siedetemperatur als das Lösungsmittel.
Es wird der im Verdampfer erzeugte Kältemitteldampf dem
Absorber zugeführt und im Lösungsmittel absorbiert. Über
eine Lösungspumpe wird die Lösung aus Lösungsmittel
und Kältemittel zu dem Kocher gepumpt. Dort wird das Kältemittel
aus der Lösung durch die Wärmezufuhr ausgetrieben und
der ausgetrieben Kältemitteldampf wird dem Kondensator
zugeleitet und dort verflüssigt unter Abgabe von Wärme
an die Umgebung des Kondensators. Das flüssige Kältemittel
gelangt nun wieder zurück zum Verdampfer.
-
Es
wird nun in den zu kühlenden oder gekühlten Bereich
der Kältemaschine das zu trocknende Konditioniergas gebracht
und in Wärmeaustausch zu dem Verdampfer gebracht, beispielsweise
in einem Wärmetauscher, der in eine Zuleitung für
das Konditioniergas geschaltet ist. Das auskondensierte und an Wänden
sich niederschlagende Wasser wird in einem Kondensatsammler gesammelt
und regelmäßig oder kontinuierlich abgepumpt.
Das noch in Form von Tröpfchen in dem Konditioniergas mitgeführte
auskondensierte Wasser wird vorzugsweise in einem an sich bekannten
Tröpfchenabscheider abgeschieden und das dabei entstehende
Kondensatwasser ebenfalls entfernt.
-
Anschließend
wird das Konditioniergas wieder auf eine gewünschte Konditioniertemperatur
erwärmt, beispielsweise in einem weiteren Wärmetauscher,
der in die Zuleitung für das Konditioniergas geschaltet
ist.
-
Für
die technische Betrachtung, welche Energien notwendig sind, um die
Feuchte in dem Konditioniergas zu verändern, ist eine maßgebliche
Größe die Enthalpie h des feuchten Gases, die
sich aus der Enthalpie hg des trockenen
Gases und der Enthalpie hd des Dampfes zusammensetzt.
Die Enthalpie hg des trockenen Gases entspricht
näherungsweise dem Produkt aus der Temperatur T und der
spezifischen Wärme cg des Trockengases.
Die Enthalpie hd des Dampfes entspricht
näherungsweise der Summe aus dem Produkt aus Temperatur
T und der spezifischen Wärme cd des
Dampfes einerseits und zusätzlich der Verdampfungsenthalpie
andererseits.
-
In
der Praxis benutzt man sehr häufig das sogenannte Mollier-Diagramm,
in dem die Enthalpie h des feuchten Gases, üblicherweise
feuchte Luft, über dessen Feuchtebeladung X aufgetragen
wird, wobei auf zwei orthogonalen Achsen des Diagramms auf der Abszisse
die Feuchtebeladung X und auf der Ordinate auch die Temperatur T
abgelesen werden kann. Es sind Isothermen ausgehend von den entsprechenden
Temperaturwerten auf der Ordinate als Geraden mit mit der Temperatur
zunehmender Steigung eingezeichnet. Ferner enthält das
Mollier-Diagramm Isenthalpen, die nach rechts unten verlaufende
parallele Geraden mit der Steigung der negativen Verdampfungsenthalpie
sind, sowie außerdem konvex gekrümmte Parameterkurven
gleicher relativer Feuchte φ, wobei die Sättigungskurve
für φ = 100% am Weitesten unten liegt und oberhalb
dieser Sättigungskurve die Kurven für φ < 100%, also das
Gebiet der Untersättigung und unterhalb das Gebiet der Übersättigung
oder Nebelgebiet liegen.
-
Im
Mollier-Diagramm kann man insbesondere anschaulich nachvollziehen,
welche Temperaturdifferenz und welche Energie oder Leistung erforderlich
sind, um, beispielsweise in einem Kältekreislauf, eine
gewünschte Reduzierung der Feuchtebeladung X des Konditioniergases
zu erreichen und damit eine entsprechende relative Feuchte im Konditioniergas zu
erreichen.
-
In
der bevorzugten Ausführungsform, bei der als Konditioniergas
Umgebungsluft verwendet wird, die aus einer Umgebung angesaugt und
in einem Filter von Fremdstoffen gereinigt wurde, kann man dem Mollier-Diagramm
die verschiedenen Anwendungsfälle, insbesondere folgendes
Zahlenbeispiel, entnehmen:
Enthält die Umgebungsluft
zunächst eine relative Feuchte φ = 60% bei einer
Temperatur von 30°C, was im Sommer eine mögliche
Atmosphärenbedingung ist, so ist die (absolute) Feuchtebeladung
X der feuchten Luft etwa 0,0165 oder 16,5 g Wasser auf 1 kg trockene
Luft. Will man nun diese absolute Feuchtigkeit auf 0,006 reduzieren,
so kann man die Luft auf ca. 13°C abkühlen und
nach Abführen des auskondensierten Wassers wieder auf die
ursprüngliche Temperatur von 30°C erwärmen,
ohne neue Feuchtigkeit zuzulassen. Die absolute Feuchte beträgt dann
0,006 und die relative Feuchte φ erniedrigt sich auf etwa
23%. Die für diesen Prozess erforderliche Enthalpie beträgt
etwa 25 kJ/kg, so dass eine entsprechende Wärmemenge von
mindestens 25 kJ pro kg feuchter Luft der Kältemaschine
zur Verfügung gestellt werden muss.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform wird die relative Feuchte
des Oxidationsgases für den Verbrennungsprozess, das zum
Oxidieren des Brennstoffes für die Brenner in der Schmelzzone beim
Schmelzprozess verwendet wird, vor dem Zuführen des Oxidationsgases
zu den Brennern oder in die Schmelzzone innerhalb eines Bereiches
von höchstens 30%, vorzugsweise höchstens 25%,
gehalten. Auch unter Berücksichtigung von beim Verbrennungsprozess
zusätzlich entstehendem Wasser ist dadurch der Einfluss
von Wasser in der Verbrennungsatmosphäre an der Oberfläche
der Schmelze oder dem nach und nach aus der Schmelze erstarrenden
Formkörper reduziert, wodurch die Materialeigenschaften
verbessert werden. Dadurch kann insbesondere die Oberflächenspannung
zur Reduzierung von Blasenbildung positiv beeinflusst werden.
-
Zumindest
die hinteren Brenner hinter der Schaumgrenze sollten mit trockener
Prozessluft gefahren werden.
-
Insbesondere
kann das Konditioniergas beim in der eingangs genannten
EP 1 285 887 A2 offenbarten
Prozess zum Überströmen des Glasbandes in der
Läuterzone des Schmelzofens verwendet werden.
-
Der
Volumenstrom des Konditioniergasstromes kann typischerweise zwischen
10.000 und 500.000 m3/h gewählt
werden.
-
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
-
- - EP 1285887
A2 [0005, 0005, 0006, 0007, 0007, 0015, 0039]
- - EP 1206422 B1 [0008, 0008, 0015]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - www.energie-industrie.de
vom 18.03.2003 [0009]