DE2427548C3 - Wirbelschicht-Konvektionsofen - Google Patents

Description

Es ist bekannt, in einer Wirbelschicht Metallteile oder andere Gegenstände zu erwärmen.

Ein Wirbelschicht-Ofen umfaßt eine meist metallische vertikale Kammer in einem beheizbaren Ofenmantel. Die Kammer ist durch ein horizontales Diaphragma in zwei Zonen geteilt; die obere enthält das Wirbelgut; in die untere tritt das Trägergas, insbesondere Luft oder Inertgas, ein. Das Diaphragma gestattet eine möglichst homogene Verteilung des Trägergases über den gesamten Kammerquerschnitt, hält jedoch das Wirbelgut zurück. Das Wirbelgut wird auf die gewünschte Temperatur gebracht und auf dieser gehalten.

Die Entwicklung der Wirbelschicht-Öfen ist durch technologische Schwierigkeiten begrenzt, die insbesondere auf die Notwendigkeit der vollständigen Abdichtung zwischen Diaphragma und Kammerwand beruhen. Jeder Dichtungsfehler zwischen Umfang des Diaphragmas und der Kammerwand führt nämlich zu einer bevorzugten Gaszirkulation auf Kosten einer guten Fluidisierung; es genügen mehrere solche Fehlstellen, um überhaupt die Aufrechterhaltung der Wirbelschicht in Frage zu stellen.

Die Diaphragmen bestehen aus billigen porösen keramischen Platten, sind jedoch schwierig anzuwenden wegen des Problems der vollständig dichten Verbindung zwichen keramischem Werkstoff und einem Blech, allgemein aus warmfestem Stahl. Diese Verbindung ist zwar in der Kälte leicht zu erreichen, bleibt jedoch in der Wärme nicht bestehen infolge der unterschiedlichen Ausdehnungkoeffizienten des keramischen und metallischen Werkstoffs. Andererseits fand man bisher auch noch keir.e Dichtung, die bei den üblicherweise geforderten Temperaturen beständig wäre.

Das Diaphragma kann aus handelsüblichen Sintermetallplatten bestehen und eine feine und homogene Fluidisierung des Wirbelguts sicherstellen. Die Platten können auf die Kammerwand aufgeschweißt sein.

ίο Die unterschiedliche Ausdehnung von Diaphragma und Kammerwand führt jedoch bei Temperaturen über 600° C zum Aufreißen der Schweißnaht, zu einer Deformation oder auch zu Rissen im Diaphragma. Wird keine außerordentliche Feinheit der Fluidisierung benötigt, so kann man an Stelle eines Diaphragmas eine gelochte Metallplatte verwenden, wobei jedes Loch mit einer pilzförmigen Kappe abgedeckt ist Die Pichtungsprobleme werden hierdurch vereinfacht, aber die Verteilung des Trägergases ist nicht so fein und homogen wie mit einer Keramikplatte.

Unabhängig von der Art ist der Ersatz eines beschädigten Diaphragmas aufwendig. Andererseits ist die Wärmebilanz der Wirbelschicht-Öfen relativ schlecht durch den schlechten transversalen Wärme-

i$ übergang.

Da die Kammer von außen beheizt wird, ist die Kammerwand eigentlich die Heizfläche für die Wirbelschicht Dieser Wärmeübergang ist nicht gut, weil sich an der Kammerwand eine Gasschicht ohne Wirbelgut ausbildet, die eine gute Wärmeübertragung verhindert Der gleiche Nachteil findet sich in der Nähe der Wände aller in die Wirbelschicht eingebrachten Gegenstände wie zu behandelinde Werkstücke, Ofeneinbauten, z. B. Temperaturfühler.

Daraus ergibt sich eine schlechte Ofenleistung und ein beträchtlicher Temperaturunterschied zwischen Wirbelgut und Kammerwand, verbunden mit einer Überbeanspruchung des Heizelementes, und dies trotz des großen Vorteils von Wirbelschichten, in denen sonst ein sehr guter Wärmeübergang zwischen den Wirbelgutteilchen herrscht

Aus der US-PS 30 53 704 ist ein Ofen zur Behandlung von Gegenständen in der Wirbelschicht durch Konvektion bekannt, der eine Heizkammer und eine Behandlungskammer aufweist, welch letztere in Bodennähe ein Verteilerrohrsystem für Trägergas angeordnet hat, dessen einzelne Ringrohre horizontal in einer Ebene verlaufen. Es ist ein ringförmiges Konvektionsgas-Verteilerrohrsystem vorgesehen, wobei die Ringso rohre der beiden Verteilergasrohrsysteme mit Durchtrittsöffnungen versehen sind.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, bei einem Ofen zur Wärmebehandlung von Gegenständen durch Konvektion in der Wirbelschicht den Wärmeübergang von der Wirbelschicht auf die Gegenstände zu verbessern und die bei Wirbelschichtrosten und -diaphragmen vorhandenen Abdichlungsprobleme gegenübei den Ofenwänden zu vermeiden.
Der erfindungsgemäße Ofen geht aus von obigem Ofen zur Wärmebehandlung von Gegenständen durch Konvektion in der Wirbelschicht und ist dadurch gekennzeichnet, daß das Trägergas-Verteilerrohrsystem ir einem offenen Muffeleinsatz, der mit Abstand zu der Kammerwänden und dem Boden der Behandlungskammer angeordnet ist, und das Konvektionsgas-Verteilerrohrsystem sich in dem Ringraum zwischen den Wänden und dem Muffeleinsatz befindet. Die Durchtrittsöffnungen der beiden Verteilerrohrsysteme finden

sich im unteren Teil der Ringrohre. Diese sind nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgeroäßen Ofens schräg nach außen gerichtet.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand einiger Ausführungsbeispiele und der Zeichnung näher beschrieben.

Fig. 1 ist ein Aufriß des erfindungsgemäßen Wirbelschichtofens;

Fig. 2 bis 5 zeigen Beispiele für die horizontal angeordneten und zu einem flächigen Gebilde vereinigten Verteilerrohre.

Der in Fig. 1 gezeigte Konvektionsofen besteht aus einer Heizkammer 1, deren Gehäuse 2 dicht ausgeführt und mit einer wärmeisolierenden Schicht 3 versehen ist. Die Heizelemente 4 können elektrische Widerstände oder (nicht gezeigte) Brenner sein. Am Boden der Heizkammer sind Eintrittsöffnungen 5 vorgesehen, in die die Trägergasleitung 6 mündet Im oberen Teil der Heizkammer 1 sind Gasaustrittsöffi.ungen 7 vorgesehen.

In die Heizkammer 1 ist die Behandlungskammer 8 mit ihrem oberen umgebogenen Rand 9 eingehängt. Zwischen diesem Rand 9 und dem oberen Wandteil 10 der Heizkammer 1 ist eine Dichtung 11 vorgesehen, die z. B. mit Bolzen 12 gepreßt wird.

In der Nähe des Bodens der Behandlungskammer 8 befindet sich ein Trägergas-Verteilerrohrsystem 13 in Form eines Rohrbündels 14 von kommunizierenden Verteilerrohren in einer horizontalen Ebene, dem das Trägergas über ein oder mehrere vertikale Rohre IS zugeführt wird. Die Verteilerrohre sind im wesentlichen entlang ihrer unteren Mantellinie gelocht; die kleinen Löcher 16 sind mehr oder weniger einander benachbart, je nach der angestrebten Feinheit der Fluidisierung. Die vertikalen Rohre 15 sind nicht gelocht; sie treten in den oberen Teil der Behandlungskammer 8 ein und stehen mit den Öffnungen 7 der Heizkammer 1 über die wärmeisolierten Leitungen 17 in Verbindung. In der Heizkammer 1 wird das Trägergas vorgewärmt und tritt über 7, 17, 15, 14 in die Behandlungskammer 8 ein.

Am Boden der Behandlungskammer 8 steht ein muffelartiger Einsatz 18 im Abstand von einigen Zentimetern von der Wand 19 in gleicher Form, so daß sich zwischen Wand und Muffel ein Ringraum 20 bildet. Damit diese*· Ringraum mit dem zentralen Bereich 29 der Behandlungskammer 8 in Verbindung stehen kann, ruht der Einsatz nicht direkt am Boden 21 der Kammer 8, sondern auf Füßen 22.

Im unteren Bereich des Ringraumes 20 ist ein Geblase 23 für die Förderung von Trägergas oder einem anderen Gas durch ein Ringrohr 24 mit einem oder mehreren vertikalen Rohren 25 vorgesehen. Das Ringrohr 24 ist im unteren Teil mit einer Reihe von kleinen Löchern 26 versehen, die vorzugsweise schräg nach außen gerichtet sind.

Die Behandlungskammer 8 ist gegebenenfalls mit einem Deckel 27 verschlossen, in dem sich eine (nicht gezeigte) Austrittsöffnung für die Gase befindet. Über die Zone 28 innerhalb der Wand 19 und unter der oberen Kante des Einsatzes 18 gelangt das Wirbelgut aus dem Ringraum 20 in den zentralen Raum 29, in welchem sich die zu behandelnden Gegenstände befinden.

Das Rohrbündel 14 ist je nach Dimension und Form der Behandlungskammer 8 ausgebildet.

Bei kreisförmigem Kammerquerschnitt kann das Rohrsystem 13 (Fig. 2) aus konzentrischen Kreisrohren 30, die durch radiale Rohre 31 verbunden sind, oder (Fig. 3) durch ein Spiralrohr 32 gebildet sein.

Bei rechteckigem Kammerquerschniit, insbesondere dann, wenn die Länge viel größer als die Breite ist, können gemäß Fig. 4 zwei Rohre 33 in Längsrichtung angeordnet sein, die durch quer verlaufende Rohre 34 verbunden sind; es kann auch eine Rohrschlange 35 verwendet werden (Fig. 5).

Das Gehäuse 2 der Heizkammer 1 besteht aus einem Werkstoff ausreichender Festigkeit, allgemein aus Metall, wie Stahl, und die Behandlungskammer 8 sowie das Rohrsystem 13 aus einem warmfesten Werkstoff. Bei großen Ofeneinheiten können mehrere obige Rohrsysteme vorgesehen sein.

Durch den erfindungsgemäßen Ersatz des Diaphragmas der bekannten Öfen durch ein leicht demontierbares Verteilerrohrsystem 13 entfallen alle Dichtungsprobleme. Andererseits kann durch den Muffeleinsatz 18 und das Gebläse 23 der Durchgangsquerschnitt am unteren Teil des Einsatzes verringert werden, derart, daß die zentrale Wirbelschicht ständig in seinem unteren Bereich angesaugt, in einem aufsteigenden erzwungenen Strom in den Ringraum 20 gepumpt und hier in Berührung mit der Heizfläche gebracht wird und dann über dem Einsatz bei 28 in den zentralen Bereich 29 gelangt. Die zu gewährleistende Leistung hängt ab von der Wirbelgutmasse und der angestrebten Heizleistung. Das Wirbelgut wird dauernd im geschlossenen Kreislauf geführt, wodurch ein guter Wärmeübergang auf die zu behandelnden Gegenstände sichergestellt wird. Man erhält eine ausreichende Leistung und eine leichte Regelbarkeit mit Hilfe des Gebläses 23 mit Ringrohr 24, welches mit Luft oder Gas niederen Druckes gespeist wird und nach dem Prinzip der Wasserstrahlpumpe arbeitet. Das zentrale Wirbelgut wird auf diese Weise ständig zwei Einflüssen ausgesetzt, nämlich der Fluidisierung und der Konvektion in entgegengesetztem Sinn; hierdurch wird der Wärmeaustausch mit den zu behandelnden Werkstücken begünstigt.

Die Bedeutung der Konvektionsrichtung für das Wirbelgut bestehend aus dem Einsatz 18 und dem Gebläse 23 wird in der Tabelle gezeigt; diese bezieht sich auf sechs Stahl-Knüppel, Durchmesser 50 mm, Länge 78o mm, Gesamtgewicht 72 kg. Die Bedeutung der Konvektion ist überraschend.

Tabelle

Ohne Mit

Konvektion Konvektion

Zeit bis zur Temperatureinstellung auf
500⁰C in der Wirbelschicht 9 h 30 min

Temperatur in der Heizkammer 705° C 550° C

Wärmeangebot der
Wirbelschicht an die

Knüppel 4,5 kW 28 kW

Wärme!eistungsflu3-

dichte 0,25 W/cm² 44 W/cm²

Zeit zum Durchwärmen der Knüppel von
kalt auf 500° C 75 min 12 min

Fortsetzung

Ohne Mit

Konvektion Konvektion

Überschreiten von
500° C im Knüppelinneren.......;.... 1O⁰C 5° C

Neuerliche Einstellung

auf 500° C 60 min 3 min

Gesamtzeit zum

Durchwärmen der

Knüppel 135 min 15 min

Dabei wird unter dem Begriff »Wärmeleistungsflußdichte« die Energie pro cm Grenzoberfläche verstanden, die pro Sekunde von der Wirbelschicht auf die Knüppel übergeht.

Für den Ofenbetrieb wird das Wirbelgut, z. B. Kieselerde oder Tonerde, in die Behandlungskammer 8 gebracht und über 5 Trägergas, beispielsweise Luft, Stickstoff oder Argon, zugeführt. Die Heizelemente 4 werden in Betrieb gesetzt; darauf wird über das Rohr 25 das Konvektionsgas eingeleitet; im allgemeinen entspricht dies dem Trägergas, steht jedoch unter einem geringeren Druck. Man braucht nun nur noch abzuwarten, bis das Wirbelgut die angestrebte Temperatur erreicht hat, und führt dann in die Behandlungskammer 8 die zu behandelnden Gegenstände ein. Diese können selbstverständlich auch früher eingebracht werden. Der Ersatz oder Austausch des Verteilerrohrsystems 13 geht sehr schnell ohne Abkühlen der Ofenkammer und sogar ohne Unterbrechung dei Beheizung. Das gleiche gilt für den Einsatz 18 und füt das Gebläse 23. Die Behandlungskammer braucht dazu nicht demontiert werden.

Beachtenswert ist bei dem erfindungsgemäßen Ofen der gute Wärmeübergang, die sehr kleinen Temperaturunterschiede zwischen Wirbelschicht und Heizele menten und das große Wärmeangebot und die aus gezeichnete Temperaturverteilung im zentralen Be reich der Wirbelschicht 29. Daraus ergibt sich, daß di< Temperatur sehr leicht und einfach geregelt werdei kann.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   1 Ofen zur Wärmebehandlung von Gegenständen durch Konvektion in der Wirbelschicht, bestehend aus einer Heizkammer, in der eine Behandlungskammer angeordnet ist, wobei in der Behandlungskammer in Bodennähe ein Trägergas-Verteilerrohrsystem, dessen einzelne Ringrohre horizontal in einer Ebene verlaufen, und ein Konvektionsgasverteilerrohrsystem in Ringformsich befinden, wobei die Ringrohre der beiden Verteilergasrohrsysteme mit Durchtrittsöffnungen versehen sind, dadurch gekennzeichnet,daß dasTrägergasverteilerrohrsystem (13) in einem otfenen Muifeleinsatz (18), der mit Abstand zu den Wänden (19) utd dem Boden (21) der Behandlungskammer (8) angeordnet ist, und das Konvektionsgas-Verteilerrohrsystem (23, 24) im Ringraum (20) zwischen den Wänden (19) und dem Muffeleinsatz (18) sich befindet, wobei die Durchtrittsöffnungen (16, 26) die Wandungen der Ringrohre (13, 24) in deren unteren Teil durchtreten.
2. 2. Ofen zur Behandlung von Gegenständen in der Wirbelschicht durch Konvektion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im unteren Teil des Ringrohres (24) angeordneten Löcher (26) schräg nach außen gerichtet sind.
3. 3. Ofen zur Behandlung von Gegenständen in der Wirbelschicht durch Konvektion nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägergasrohrsystem (13) über ein vertikales Rohr (15) und ein außerhalb des Gehäuses (2) des Ofens angeordnetes wärmeisoliertes Rohr (17) mit der Heiz kammer (1) verbunden ist.