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Verfahren und Vorrichtung intensiven Wärme- und
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Stoffaustausch Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum intensiven Wärme- und Stoffaustausch an länglichen oder
auf einem langgestreckten Träger liegenden Festkörpern.
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Es sind verschiedene Vorschläge zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades
von Oefen zum Anwärmen im Durchlauf bekannt. Naheliegend ist die Verwendung von
Rekuperatoren, welche ausserhalb des Ofenraumes angeordnet sind und die Wärme aus
der aus dem Ofenraum kommenden Heizgase zum Vorwärmen der Verbrennungsluft und/oder
des gasförmigen Brennstoffes ausnützen.
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Ferner ist bekannt (FR-PS 2 362 353), die Heizgase wiederholt aus
dem Ofenraum abzusaugen und durch Schlitzdüsen erneut in den Ofenraum zu blasen.
Diese Lösung ist nur in Verbindung mit Heizgastemperaturen anwendbar, welche vom
Gebläserad ertragen werden, und somit erheblich tiefer sind als die bei 1000 - 12000C
liegende Temperatur von Flammen.
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Aus der DE-OS 26 20 211 ist bekannt, dass der Wärmeübergang von einem
im Gegenstrom zum langgestreckten Glühgut strömenden Heizgas dadurch verbessert
werden kann, dass ein unter Druck stehendes, kälteres Sekundärgas in Form von Strahlen
hoher Geschwindigkeit gegen das Glühgut geblasen wird.
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Der Erfinder hat sich das Ziel gesetzt, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum intensiven Wärme- oder Stoffaustausch zwischen einem Gas und einem langgestreckten,
festen System zu schaffen, bei welchem es sich um einen einzelnen Festkörper in
Form eines Stabes, Bandes, Drahts oder dgl. handeln kann, oder um eine Vielzahl
von Festkörpern, welche sich in
einer oder mehreren Reihen auf einem
langgestreckten Träger befinden. Der W&rme- oder Stoffaustausch erfolgt in den
meisten Fällen auf der ganzen Länge des erwähnten festen Systems, vorzugsweise im
Durchlauf, doch kann das Verfahren auch sinnvolle Anwendung finden zum Anwärmen
eines Endes eines nicht gleichzeitig bewegten langgestreckten Festkörpers, beispielsweise
eines durch Strangpressen zu verarbeitenden Metallbarrens.
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Bei den geschilderten Arten des Wärme- und Stoffaustausches kann es
aus verschiedenen Gründen von Vorteil sein, ausser einer hohen Dichte des Stoff-
oder Wärmefluss eine hohe Ausnützung des Gasstromes zu erreichen, und zwar in einer
der folgenden Weisen: - bei Wärmeabgabe aus dem Gas an das feste System, möglichst
weitgehende Ausnutzung des Wärmeinhaltes des Gases - bei Wärmeaufnahme durch das
Gas aus dem festen System, Erwärmung des Gases auf eine möglichst hohe Austrittstemperatur,
zwecks allfälliger Nutzung der abgeführten Wärmemenge.
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- bei Stoffaufnahme durch das Gas aus dem festen System, Erreichen
einer möglichst hohen Stoffkonzentration im austretenden Gas, um eine allfällige
Rückgewinnung oder Unschädlichmachung des abgeführten Stoffes zu erleichtern.
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- bei Stoffabgabe vom Gas an das feste System, möglichst geringe
Restkonzentration des Stoffes im austretenden Gas.
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Dieses Ziel wird dadurch erreicht, dass nach dem Kennzeichen der Ansprüche
1 und 7 die Dicke der Grenzschichten entlang der Oberfläche des festen Systems,
welche den Wärme- bzw.
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Stoffaustausch stark hemmen würden, durch mehrmalige Verengung des
Strömungsquerschnittes des Gases mittles Blenden vermindert wird, und das in den
Kammern zwischen den Blenden
in Rotation befindliche Gas die Oberfläche
des festen Systems mehrmals beaufschlagt.
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Dadurch werden gleichzeitig eine hohe Wärme- bzw. Stoffübergangszahl
zwischen dem Gas und dem festen System und eine lange Verweilzeit des Gases im Bereich,
wo Wärme- bzw. Stoff ausgetauscht werden, erreicht.
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Die Durchlaufanlage dient zum Erwärmen oder auch Abkühlen eines langgestreckten
oder einer Vielzahl auf einem langgestreckten Träger angeordneter Festkörper, oder
auch einem Stoffaustausch an denselben, wie Trocknen, Befeuchten, Oxidieren, Reduzieren
und dgl.. Es ist für derartige Aufgaben allgemein vorteilhaft, das Gas nahe dem
Austritt des zu behandelnden Gutes einzuleiten und dann im Gegenstrom durch die
Blenden zu leiten.
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Jede Blende verursacht einen Druckabfall von der Grössenordnung von
0,01 bar, so dass für den Durchtritt durch eine Reihe von Blenden eine Druckdifferenz
von der Grössenordnung von 0,1 bis 1 bar erforderlich ist. Für die mutmassliche
Hauptanwendung des erfindungsgemässen Verfahrens, nämlich das Anwärmen von langgestrecktem,
festem Gut im Durchlauf, scheint es zweckmässig, diese Druckdifferenz dadurch zu
erzeugen, dass der gasförmige oder flüssige Brennstoff und die zu dessen Verbrennung
erforderliche Luftmenge (sowie eine allfällige Menge an überschüssiger Luft, wenn
aus irgendwelchen Gründen die Temperatur der Verbrennungsgase herabgesetzt werden
muss) einer innerhalb der Glühstrecke befinlichen Brennkammer unter entsprechendem
Druck zugeführt werden. Die Verbrennungsgase sollen dann gegen beide Enden der Glühstrecke
jeweils durch eine Reihe von Blenden dem Glühgut entlag abströmen, so dass an den
Enden (Ein- und Austrittsöffnungen) der Ueberdruck im wesentlichen abgebaut ist.
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Da auf dem Wege zum Eintritt des kalten Glühgutes eine Ausnutzung
der Heizgase bis auf eine tiefere Temperatur möglich ist, wird bevorzugt, den grösseren
Teil der Verbrennungsgase nach der Eintrittsseite zu leiten (Gegenstromprinzip),
während gegen die Austrittsseite die Blenden zur Hauptsache nur noch als Labyrinth-Dichtung
wirken, mit der Nebenfunktion, gerade soviel Verbrennungsgas durchzulassen, als
noch zum Warmhalten der Glühgutoberfläche benötigt wird.
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Eine Verteilung der Verbrennungsgasströme im gewünschten Sinne kann
durch entsprechende Bemessung der Blenden erreicht werden.
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Es kann sich als nötig erweisen, einzelne Blenden (vorzugsweise die
jeweils letzten am Ein-und Austritt) in bekannter Weise so auszuführen, dass der
Spalt zwischen Blende und Glühgut zur Regelung des Druckabfalles verändert werden
kann.
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Im besonderen Fall von dünnem Glühgut (Bänder), wo bei direkter Einwirkung
der Brenner die Gefahr einer örtlichen Ueberhitzung besteht, kann es erforderlich
sein, die Brennkammer so anzuordnen, dass die einzelnen Flammen das Glühgut nicht
direkt beaufschlagen;-es muss dafür gesorgt werden, dass an der Stelle, wo der Strom
der Verbrennungsgase das Glühgut erreicht, innerhalb dieses Stroms eine einheitliche
Temperatur herrscht.
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Analoges gilt für das Trocknen im Durchlaufofen, wobei der Gasstrom
nahe dem Austritt des Trockengutes eingeleitet wird und die kurze Strecke zwischen
Eintritt des Gases und Austritt des Trockengutes vor allem dazu dienen muss, den
unerwünschterweise gleichsinnig mit dem Trockengut fliessenden Teilstrom des Gases
zu drosseln oder womöglich zu unterdrükken.
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In der Technik des Strangpressens von Metallen kann es aus verschiedenen
Gründen erwünscht sein, Barren zu verwenden,
deren Temperatur an
dem der Matrize zugewandten Ende höher ist als im übrigen Teil des Barrens; damit
kann eine Verminderung der Anpresskraft, eine geringere thermische Belastung der
Werkzeuge, eine höhere Pressgeschwindigkeit oder eine Erleichterung der Entlüftung
erreicht werden; damit wird eine höhere Produktivität erzielt.
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Für die besondere Aufgabe, zur Weiterverarbeitung durch Strangpressen
bestimmte Metallbarren (Pressbolzen) an einem Ende höher zu wärmen als am anderen
(Kopfheizung), wird eine von der oben beschriebenen abweichende Anordnung bevorzugt.
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Eine einseitig verschliessbare Kammer umgibt den höher anzuwärmenden
Teil des Pressbolzen, und die Brennkammer befindet sich an dem verschlossenen Ende.
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Die Brenner können die Stirnfläche des Bolzens direkt beaufschlagen,
und die Verbrennungsgase strömen durch mehrere kurz nacheinander angeordnete Blenden
entlang der Mantelfläche des Bolzens ab.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden-Erfindung sind in der
Zeichnung beschrieben. Es zeigen schematisch: Fig. 1 Die teilweise durch die Hauptachse
geschnittene Draufsicht eines Durchlaufofens.
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Fig. 2 Der teilweise durch die Hauptachse z geschnittene Längsschnitt
eines Durchlaufofens.
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Fig. 3 Ein Diagramm über Veränderungen einiger Parameter des Glühgutes
und des Heizgases über der Länge (L) eines Durchlaufofens.
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Fig. 4 Einen Schnitt nach A-A von Fig. 2 (Querschnitt mit den Hauptebenen
y und z).
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Fig. 5 Einen Längsschnitt durch die Hauptachsen x und z eines Kopfofens.
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Fig. 6 Eine Draufsicht auf einen Durchlaufofen.
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Fig. 7 Einen veränderbaren Blendenspalt im Längsschnitt durch einen
Durchlaufofen.
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Das zu behandelnde Gut G tritt durch die Eintritts öffnung 1 in das
Rohr R ein, passiert eine Einlaufkammer B und tritt durch die Austrittsöffnung 2
des Rohres R wieder aus. Im Sonderfall des Anwärmen von Metall oder dgl. ist das
Gut G so aufgeheizt, dass es auf der Oberfläche 3 etwa die gleiche Temperatur hat
wie im Inneren 4.
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Das in der besonderen Ausführung für längliches Gut G geeignete Rohr
R ist ein Kasten mit vier jeweils senkrecht aufeinander stehenden Wänden 5, welche
aus isoliertem Material bestehen. Ansonsten ist das Rohr R dem Querschnitt des Gutes
G angepasst. Die Einlaufkammer B, welche als Bestandteil des Rohres R angesehen
wird, besteht in der besonderen Ausführung gemäss Fig. 1, 2 und 4 aus jeweils vier
Wänden 7.
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Die vordere Seitenwand 91 und die hintere Seitenwand 92 der Einlaufkammer
B sind jeweils so rechteckig ausgeschnitten, dass das Rechteckrohr R genau hinein
passt. Die Wände 5 des Rohres R sind parallel zu entsprechenden Wänden 7 der Einlaufkammer
B. Durch Schweissen oder durch andere Mittel ist die Brennkammer B mit dem Glührohr
R verbunden.
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Ebensowenig wie beim Rohr R sind bei der Einlaufkammer B innerhalb
vernünftiger geometrischer Formen gestalterisch Grenzen gesetzt. Es ist jedoch stets
die Länge der Einlaufkammer B klein, verglichen mit der Gesamtlänge L des Rohres
R mit Einlaufkammer B, und es empfiehlt sich, letztere nicht mit Blenden 14 zu versehen.
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Im Abstand 11 von der Eintrittsöffnung 1' befördern durchgehende Bohrungen
11, welche Auslässe mit dem Durchmesser d1 bilden, das abgekühlte Gas nach aussen.
Im Abstand 13 von der Eintrittsöffnung 1, nahe der Austrittsöffnung 2, ist mindestens
ein Auslass 13 mit dem Durchmesser d3 für das Entweichen des restlichen Gases vorgesehen.
Im Abstand 12 von der Eintrittsöffnung 1 ist in der Einlaufkammer B eine weitere
durchgehende Bohrung 12 mit Durchmesser d2 vorgesehen, in welche herkömmliche Gasbrenner
oder Röhren, die das Gas von aussen zuleiten, eingesetzt werden.
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Das von der Oeffnung 12 in die Einlaufkammer B strömende Gas verteilt
sich nicht gleichmässig auf das Gut G. Im einlaufenden Teil des Gutes in bezug auf
die Einlaufkammer B wird mehr Masse durchgesetzt als im auslaufenden Teil des Gutes,
was dadurch angedeutet ist, dass der Auslass 13 einen kleineren Durchmesser als
der Auslass 11 hat.
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Bevorzugt entweicht nur wenig Masse des kaum abgekühlten Gases durch
den Auslass L3 in den freien Raum, ein wesentlich grösserer Teil des abgekühlten
Gases entweicht durch den Auslass 11 in den freien Raum.
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Das Glühgut durchläuft eine Reihe von Blenden 14, welche an den Innenwänden
6 des Rohres R angeformt sind. Die Spalten 15 der Blenden 14 werden gebildet vom
Blendeninnenrand 16 und der Glühgutoberfläche 3.
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Die Spalten 15, welche von der Einlaufkammer B zur Eintrittsöffnung
1 zeigen, sind weiter als diejenigen, welche von der Einlaufkammer B zur Austrittsöffnung
2 zeigen, wodurch der Strömungswiderstand zur Eintrittsseite kleiner ist als derjenige
zur Austrittsseite.
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Die Blendenspalten 15 beim Eintritt 1 und beim Austritt 2 sind zudem
enger als die übrigen Blendenspalten.
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In dieser Weise wird die grössere Masse Heizgas in Eingangsrichtung
gelenkt, kommt zwischen den Blenden 141 und 142 zum rotieren, und dasselbe Heizgas
beaufschlagt gleich mehrmals das Heizgut, wobei der Wärmeübergang in das Glühgut
durch teilweises AuEreissen der Grenzschicht und durch Beschränkung deren Dicke
auf den Spalt (152,15) verbessert wird. Dieselben Bewegungen entstehen im wesentlichen
bis zur letzten von jeweils zwei benachbarten Blenden 14 gebildeten Kammern 18.
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An der auf die Austrittsseite 2 weisenden Seite der Einlaufkammer
B geschieht dasselbe wie oben beschrieben. Die der Einlaufkammer B am nächsten stehende
Blende 143 hat einen wesentlich engeren Spalt 153 wie die Blende 141. Die nach Blende
143 folgende Blende 144 hat einen Spalt 154, der etwa gleich gross ist wie bei der
vorhergehenden Blende 143 (Fig. 2). Das von der Kammer B strömende Gas ist somit
gedrosselt, was zur Folge hat, dass eine wesentlich kleinere Masse Heizgas in die
Richtung des Pressgutes bewegt wird wie in der Gegenrichtung.
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In Fig. 3 sind einige Parameter über der gesamten Länge L des Durchlaufofens
im Prinzip dargestellt. Es bedeuten 1 gleich Eintritt und 2 gleich Austritt des
zu erwärmenden Gutes G; a stellt den ungefähren Temperaturverlauf, d den ungefähren
Druckverlauf (Ueberdruck) des bei 12 eintretenden Heizgases dar; und b ist die Temperatur
an der Oberfläche 3 des Glühgutes, c die Temperatur im Inneren des Glühgutes G.
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Wir erkennen, dass die Kurven b und c am Ende der Heizstrecke L zusammenfallen.
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Um die Blenden 14 seitlich nicht zu verletzen, können Lagerelemente
(19) an der Innenwand 6 zwischen benachbarten Blenden 14 angeformt sein. Den gleichen
Zweck erfüllen Förderelemente 20, welche das Glühgut spannen und in Richtung X befördern
können. Das Rohr R ruht auf Standbeinen 21 mit auf einer Ebene befindlichen Sockeln
22. Die Stützpunkte für die Förderrollen 20 sind nicht gezeigt.
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In Fig. 5 wurden des besseren Verständnisses wegen sämtliche Teile
(z.B. Standbeine, Stützrollen usw.) weggelassen, welche nicht unmittelbar zur Erfindung
gehören.
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Das Heizrohr R von der Länge L ist zusammengesetzt aus einer Brennkammer
B von der Länge 11 und einem Glührohr R von der Länge 12. Das in diesem besonderen
Fall runde Glühgut G vom
Durchmesser dl ist konzentrisch zur Hauptachse
x angeordnet und ragt mit einer Länge 14 über den Glührohreintritt 25, der zugleich
Austritt ist, hinaus, um mit nicht gezeigten Greifern konzentrisch zum Glührohr
R und zur Brennkammer B befördert und gehalten zu werden, bis das Glühgut eine geeignete
Temperatur zum Strangpressen angenommen hat. Die Bewegungen 26 der Greifer wurden
nur angedeutet.
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Die topfförmige Brennkammer B besteht aus einem Boden 27 an den konzentrisch
zur x-Achse eine Wand 28 bis zur Länge 11 angeformt ist. Die an die Wand 28 angeformte
Wand 29 der topfförmigen Brennkammer B verengt sich in radialer Richtung, derart,
dass sich ein konzentrisches zur x-Achse verlaufendes Rohr R mit der Aussenseite
30, der Innenseite 31 und dem inneren Durchmesser d3 anschliesst und angeformt ist.
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Es versteht sich von selbst, dass alle Wände isoliert sind.
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Der Boden 27 oder die Wand 28 der topfförmigen Brennkammer B enthält
Bohrungen 32, in welche Brenner eingesetzt werden, die herkömmliche Brennstoffe
unter Luftzutritt zu Heizgas verbrennen, oder Röhren, die Heizgas in der Brennkammer
einführen. Es empfiehlt sich, die Brennkammer B nicht mit Blenden 35 zu versehen.
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Das von der Brennkammer kommende Heizgas prallt direkt auf die Vorderseite
33 des Pressbarrens 34 auf und wird in der Folge durch Blenden 35, die an der Innenwand
31 des Rohres R angeformt sind, gezwängt, so dass sich in den von je zwei benachbarten
Blenden 36 und 37 gebildeten Blendenkammern 38 derselbe Bewegungsablauf des Heizgases
wie oben beschrieben einstellt. Der Blendenspalt 39 ergibt sich aus dem Innenrand
40 der Blende 35 und dem Aussenrand 41 des Pressknüppels 34. In der gezeigten Ausführung
sind alle Spalten 39 gleich gross, abgesehen vom Spalt der das Heizrohr R abschliessenden
Blende 43, der enger ist. Kurz vor dem Ende 25 des Glührohres R befindet sich eine
durch die Wand hin-
durchgehende Bohrung 42, durch die das abgekühlte
Heizgas in den freien Raum entlassen wird.
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Eine andere Massnahme, den Strömungsverlauf des Gases zu beeinflussen,
ist eine Vorrichtung (Fig. 7) mit welcher die Blende 14,35 mechanisch verstellt
wird, so dass sich der entsprechende Blendenspalt 15,39 entweder erweitert oder
verengt. Beispielsweise wird die Blende 14,35 in zwei Nuten 44,44' der einander
parallel gegenüberliegenden inneren Oberflächen 45,45' des Rohres R geführt, und
mit Hilfe eines an die Blende 14,35 angelenkten Gestänges' 46 durch eine Oeffnung
47 in der Wand 5 hindurchgezogen. Das Gestänge 46 stellt einen zweiarmigen Hebel
dar, dessen Drehpunkt 48 an einer Erhebung 49 auf der Oberfläche der Wand 5 des
Rohres R angebracht ist. Auf der rechten Seite der Zeichnung befindet sich der längere
Hebelarm, der in eine gelochte Stange 50 oder dgl. einrastet.
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Da das gleiche Prinzip auch für einen intensiven Stoffaustausch gültig
ist, sind Verfahren und Vorrichtungen auch für diesen Zweck geeignet. Wenn z.B.
ein Farbanstrich getrocknet wird, ergeben sich oft gesundheitliche Schäden wie Hautkrankheiten,
Krankheiten der Atemwege und allergische Reaktionen auf der Haut und in den Atemwegen.
Die beim Trokknungsprozess entstehenden aggressiven Dämpfe dürfen nicht in den freien
Raum entlassen werden. In diesem Falle werden die Dämpfe samt Trocknungsgas durch
Röhren', die an der den Bohrungen 11,13 des Rohres R angeflanscht ist, einer anderen
Vorrichtung 51 zugeführt, in welcher die aggressiven Dämpfe unschädlich gemacht
werden (Fig. 6). Die Vorrichtung 51 kann auch so ausgestaltet sein, dass die im
aus dem Rohr R austretenden Gas enthaltene Wärme weiter genutzt wird.
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