DE3314824C2

DE3314824C2 - Vorrichtung zum induktiven Erhitzen eines in einem vorzugsweise zylindrischen Behälter befindlichen Gutes

Info

Publication number: DE3314824C2
Application number: DE3314824A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl.-Ing. 5107 Simmerath Schluckebier; Friedrich 5353 Mechernich-Kommern Suppan
Original assignee: Otto Junker GmbH
Current assignee: Otto Junker GmbH
Priority date: 1983-04-23
Filing date: 1983-04-23
Publication date: 1987-01-08
Also published as: DE3314824A1

Abstract

Der Förderer, das Mischwerkzeug oder Rührwerk ist mit Hilfe eines Wirbelströme erzeugenden elektromagnetischen Feldes erhitzt. Der Behälter ist in an sich bekannter Weise von Induktionsspulen umgeben. Vorteilhaft besteht die Wandung des Behälters aus einem dünnwandigen Normalstahl und der Förderer, das Mischwerkzeug oder das Rührwerk aus einem magnetischen Material. Die Wandung des Behälters kann auch aus einem unmagnetischen Material, zum Beispiel keramischen Material, Feuerfestmaterial, einer unmagnetischen Stahllegierung oder einem Nichteisenmetall und der Förderer, die Mischwerkzeuge oder das Rührwerk aus einem magnetischen Material bestehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum induktiven Erhitzen eines in einem insbesondere zylindrischen Behälter befindlichen Gutes, wobei die Wandung des Behälters von Induktionsspulen umgeben und das Gut im Behälter von einem Fördermischwerkzeug bewegt ist.
Eine derartige Vorrichtung ist aus der JP-OS 52-131 238 bekannt.
In der chemischen Verfahrenstechnik eingesetzte, Förder-, Misch- und Rührsysteme werden zumeist dadurch erwärmt, daß man die Gehäusewandung eines Gefäßes, in dem sich Misch- und Förderschnecken bzw. Rührorgane oder Rührwerke befinden, mit Doppelmänteln, Rohrschlangen, Widerstands- oder Induktionsheizungen etc. versieht, um dem zu mischenden oder zu fördernden Gut durch Wärmeübertragung von der Gehäusewandung her eine vorgesehene Guttemperatur zu erteilen.
Da die Erwärmung der zu mischenden und/oder zu fördernden Substanzen im wesentlichen durch konvektiven Wärmetransport erfolgt, benötigt man bei diesem bekannten Verfahren oftmals sehr lange Wartezeiten, bis beispielsweise schüttfähige Güter bzw. viskose Stoffe soweit erwärmt sind, daß sie gerührt oder gefördert werden können, bzw. durchgewärmt sind. Vielfach kann man dieser Schwierigkeiten nur Herr werden, indem man die entsprechenden Apparate in ihren Dimensionen und damit in ihrer Kapazität vergleichsweise klein hält. Einer Vergrößerung der Heizflächen mit konventionellen Mitteln, die die angeführten Schwierigkeiten beheben könnten, stellen sich zumeist immense Probleme entgegen.
Durch die JP-OS 52-1 31 238 ist eine Vorrichtung zur induktiven Erhitzung von Kunststoffpulver bekannt. Zufolge dieser Offenlegungsschrift ist ein zylindrischer Behälter mit vertikaler Achse vorgesehen, der von Induktions-Magnetspulen umgeben ist. Dem Behälter wird im unteren Bereich einerseits Kunststoffpulver und werden andererseits Eisenpartikel aufgegeben. Beim Transport mit Hilfe der Schnecke von unten nach oben erhält man eine Mischung aus Kunststoffpulver und Eisenpartikeln. Die Metallpartikel werden mit Hilfe des von den Spulen erzeugten elektromagnetischen Feldes erhitzt und übertragen Wärme auf das Kunststoff-Pulver. Dem Austrag der Vorrichtung ist eine Siebeinrichtung nachgeschaltet, in welcher das erhitzte Kunststoff-Pulver von den Metallpartikeln getrennt wird. Bei dieser bekannten Lösung wird demnach die Erhitzung des Kunststoff-Pulvers im Kontakt mit den induktiv erwärmten Eisen-Partikeln vorgenommen, welche mit dem Kunststoff-Pulver in einer Mischung vorhanden sind und durch den Behälter hindurchtransportiert und dabei gemischt werden.
Nachteilig hierbei ist der hohe Aufwand der im Kreislauf geführten Metallpartikel, die mit einer Siebeinrichtung vom erhitzten Kunststoff-Pulver getrennt werden sollen. Weil Kunststoffpulver thermoplastische Eigenschaften aufweist, ist die Erwärmung nur sehr begrenzt möglich, weil bei höherer Temperatur ein viskoser Zustand des Kunststoffmaterials erreicht werden würde, welcher eine Trennung von den Metallpartikeln praktisch unmöglich macht.
Eine weitere Anwendungsgrenze ergibt sich von den stofflichen Eigenschaften der zur Erwärmung benötigten Metallpartikeln im Kontakt mit dem zu erwärmenden Gut. Weil beim Transport mit dem mechanischen Rührwerk ein wenn auch nur geringer Abrieb der Metallteile nicht zu vermeiden ist, läßt sich grundsätzlich die bekannte Erwärmung eines mit magnetischen Partikeln in Mischung durchsetzten Gutes dort nicht anwenden, wo der Metallabrieb die chemische Substanz schädlich beeinflussen würde.
Aus der US-PS 31 87 152 ist ein in horizontaler Ebene umlaufender Förderer in Gestalt eines Bandes bekannt, das auch aus einzelnen, gelenkig aneinander gereihten Förderbandgliedern bestehen kann. Vorhanden ist eine in einem größeren Abstand zum Förderband angeordnete Induktionsspule und eine das Band umgreifende Anordnung von Magnetpolen, und eine in Förderrichtung oder entgegengesetzt dazu verschiebbare ferromagnetische Masse, welche infolge ihrer Verschiebung eine mehr oder minder große induktive Erhitzung des Förderbandes einstellbar macht. Als zu erhitzendes Gut werden beispielsweise aufeinandergeschichtete Holzplatten und Backwaren erwähnt. Es sind Temperaturen des Förderbandes im Bereich zwischen 100° und 250°C erreicht, letztere Temperaturen in Verbindung mit der Anordnung mehrerer Induktionsspulen in Förderrichtung des Bandes hintereinander. Die zu erwärmenden oder zu erhitzenden, gegebenenfalls zu backenden Gegenstände werden während des Transportes auf dem Förderband keiner Relativbewegung zu diesem unterzogen.
Mit der bekannten Vorrichtung nach der US-PS können nur sehr begrenzt auswählbare Erwärmungsvorgänge beherrscht werden, wie solche beispielsweise in einem Backofen mit umlaufender Transporteinrichtung durch ein Transportband gegeben sind.
Zur Erwärmung rheologisch reagierender Stoffe wie pulverförmiger, rieselförmiger oder flüssiger Gutarten ist die bekannte Vorrichtung völlig ungeeignet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Erwärmung oder Erhitzung eines in einem Behälter befindlichen pulverförmigen, schüttfähigen oder flüssigen Gutes unter weitgehender Anpassung an Eigenschaften oder Behandlungsmaßnahmen des Gutes wie Erwärmungstemperatur und Mischungsintensität signifikant zu verbessern und energiesparend durchzuführen. Hierzu soll eine sehr unkomplizierte Vorrichtung benutzbar sein, und diese soll gegebenenfalls einer bekannten Ausführung eines Fördermischsystemes entsprechen und somit auch die Möglichkeit bieten, einen Apparat der chemischen Industrie dieser bekannten Gattung im nachhinein mit einer Einrichtung zum induktiven Erhitzen des Gutes zu versehen oder umzubauen. Dabei soll die Erhitzung des Gutes möglichst von innen heraus, das heißt nicht ausschließlich von außen durch die Wandung des Gerätes in das Gut eingetragen werden.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt bei einer Vorrichtung der im Oberbegriff des Hauptanspruchs gekennzeichneten Gattung mit der Erfindung dadurch, daß die Wandung des Behälters aus einem durch Induktion nicht erhitzbarem Material besteht oder sofern die Wandung durch Induktion erhitzbar ist, dann dünnwandig ist, und das Fördermischwerkzeug oder ein Rührwerkzeug aus einem magnetischen Material bestehen, derart, daß dieses durch induktive Erhitzung die ausschließliche oder überwiegende Hitze auf das Gut überträgt.
Mit sehr großem Vorteil wird durch die erfindungsgemäße Lösung, die im Fördermischwerkzeug induktiv hervorgerufene Wärme während des Rühr- oder Mischvorganges auf das Gut zu übertragen, zwischen Erhitzungsquelle und Gut ein intensiver konvektiver Wärmetransport erzeugt, mit geringen räumlichen Entfernungen, wodurch eine intensive, kostengünstige und sehr gleichmäßige Erhitzung bzw. Wärmeverteilung im Gut ermöglicht wird. Eine Wärmeübertragung vom Fördermischwerkzeug oder Rührwerkzeug auf das Gut wird dabei auch deshalb intensiviert, weil sich permanent die Kontaktflächen zwischen Fördermischwerkzeug bzw. Rührwerkzeug und Mischgut ändern und somit pro Zeiteinheit eine intensive Wärmeübertragung durch direkten Wärmekontakt gegeben ist. Dadurch kommen, beispielsweise bei einem körnigen, durch Hitzeeinwirkung zu behandelnden Gut die Oberfläche der einzelnen Körner vielfach mit der erhitzten Oberfläche des Fördermisch- oder Rührwerkzeuges in Berührung, so daß nicht nur eine vergleichsweise schnelle, sondern auch über den Querschnitt des Behälters sehr gleichmäßige Erwärmung des Gutes stattfindet.
Um die nach der Erfindung gezielte Erhitzung des Förderers oder Mischwerkzeuges zu erhalten, wird in vorteilhafter Ausgestaltung vorgeschlagen, daß die Wandung des Behälters aus einem dünnwandigen Normalstahl besteht. Hierbei wird auch die Behälterwandung induktiv erwärmt, jedoch im Vergleich zur Wärmeentwicklung im Fördermischwerkzeug nur in geringem, vorgesehenem Maße.
Hingegen kann es in vielen Fällen, je nach stofflicher Eigenart des zu erwärmenden Gutes, zweckmäßig sein, daß die Wandung des Behälters gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung aus einem unmagnetischen Material, z. B. keramischem Material, Feuerfestmaterial oder einer unmagnetischen Stahllegierung oder einem Nichteisenmetall besteht.
Mit Vorteil sieht eine weitere Ausgestaltung vor, daß Außenflächen des Fördermischwerkzeuges mit einem unmagnetischen Material versehen, insbesondere plattiert sind. Hierdurch wird erreicht, daß bei beispielsweise die einem Abrieb ausgesetzten Rührflächen eines Rührorganes vom Grundmaterial her induktiv erwärmt werden, wogegen eine abrasionsresistente Panzerung die Arbeitsflächen vor Verschleiß schützt.
Zur genauen Dosierung der Wärmezufuhr kann nach einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen sein, daß über die Länge des Behälters Abschnitte von Induktionsspulen mit unterschiedlichen Frequenzen vorhanden sind.
Weiterhin kann zur gezielten Beeinflussung der Wärmeübertragungsverhältnisse vorteilhaft vorgesehen sein, daß das in Behälter angeordnete Rührwerkzeug im Bereich seiner Drehachse eine größere Masse als in seinem äußeren Bereich aufweist. Weil die Rühr- und Mischarbeit vom Bereich der Drehachse zur Peripherie eines im wesentlichen zylinderförmigen Mischgefäßes zunimmt, wird auf diese Weise eine höhere Wärmeerzeugung in den weniger intensiv durchmischten Bereich verlagert, und dadurch insgesamt über den Querschnitt des Rührbehälters der Wärmefluß vom Werkzeug an das Gut vergleichmäßigt.
Dabei kann nach einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung das Rührwerkzeug vorteilhaft aus magnetischen Elementen wie Stäben bestehen, die an ihren Enden an in Radialrichtung verlaufenden Auslegern, insbesondere an einem Kreuzrahmen, gelagert sind.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung wird vorgeschlagen, daß die Stäbe im mittleren Bereich des Rührwerkzeuges eine größere Wanddicke, insbesondere einen größeren Durchmesser aufweisen, als im äußeren Bereich.
Auch diese Maßnahme dient der Vergleichmäßigung des Flusses der Wärmeströme innerhalb der zu erwärmenden Masse bzw. des zu erwärmenden Gutes und trägt somit zu einer schnellen Vergleichmäßigung von dessen Temperaturzustand in vorteilhafter Weise bei.
Ein weiterer Vorschlag geht dahin, daß die Stäbe hohl ausgebildet sind.
Die Erfindung wird in schematischen Zeichnungen in mehreren bevorzugten Ausführungsformen gezeigt, wobei aus den Zeichnungen weitere Einzelheiten der Vorrichtung entnehmbar sind. Es zeigt
Fig. 1 einen Teilabschnitt eines induktiv erhitzten Röhrenofens in vertikalem Schnitt,
Fig. 2 einen Fig. 1 gegenüber abgewandelten Ofen,
Fig. 3 ein induktiv erhitztes Behandlungsgefäß im vertikalen Schnitt,
Fig. 4 einen Mischer in der Ansicht von oben,
Fig. 5 einen weiteren Mischer in der Ansicht von oben,
Fig. 6 einen weiteren Mischer in der Ansicht von oben.
Fig. 1 zeigt einen Ofen oder dergleichen Behandlungsgefäß, dessen Wandung 10 aus einem nichtmagnetischen Werkstoff besteht. Dieser ist umgeben von einer Wärmeisolation 11 aus Keramik oder Fasermaterial. Umschlossen wird dieser nach außen abisolierte Behälter von den Induktionsspulen 13, die aus bekannten Werkstoffen bestehen und von Kühlwasser durchflossene Kanäle 12 haben. Innerhalb des Behälters ist ein Fördermischwerkzeug 14 angeordnet, z. B. eine Förderschnecke, die in angegebener Pfeilrichtung 15 transportiert. Diese Förderschnecke besteht aus einem magnetischen Material, beispielsweise magnetischem Stahl.
Fig. 2 zeigt die Abwandlung, daß die Förderschnecke 14 und der Behälter konisch ausgebildet sind. auch sind die Induktionsspulen nicht einheitlich, sondern es sind Spulen 13 a vorhanden, die eine andere Frequenz haben, beispielsweise kleiner als 50 Hz, während die Spulen 13 b eine größere Frequenz als 50 Hz haben. Die Spulen 13 c haben wieder eine andere Frequenz. Aus den Fig. 1 und 2 ergibt sich, daß folgende Kombinationen möglich sind:

a) das die Schnecke umgebende Gehäuse ist aus dünnwandigem Normalstahl,
b) das Gehäuse besteht aus einer unmagnetischen Legierung oder Nichteisenmetall, die Schnecke besteht aus magnetischem Material,
c) das Gehäuse besteht aus Graphit, Siliziumcarbid oder ähnlichen Materialien ebenso die Schnecke,
d) die Frequenz der elektromagnetischen Wellen ist kleiner als 50 Hz,
e) die Frequenz der elektromagnetischen Wellen ist größer als 50 Hz,
f) die Schnecke aus einem magnetischen Material ist mit einem unmagnetischen Material plattiert,
g) das äußere Rohr, das Gehäuse, ist ebenfalls aus unterschiedlichen Materialien aufgebaut,
h) die einzelnen Abschnitte werden mit unterschiedlichen Frequenzen beaufschlagt,
i) die Steigung der Schnecke ändert sich über die Länge kontinuierlich,
j) die Steigung der Schnecke ändert sich entsprechend der Schrumpfung oder Ausdehnung des zu erwärmenden Materials,
k) Schnecke und Gehäuse haben konische Gestalt.

Vorteile ergeben sich bei Rührvorgängen, wenn man ein Planetenrührwerk oder Rührer benutzt, bei denen die das Gut bewegenden Teile des Rührers in Form von massiven Stahlstangen oder dickwandigen Rohren derart in geraden oder gebogenen Halterungen angeordnet sind, daß die Stangen oder Rohre zur Peripherie des Rührers hin einen geringeren Durchmesser besitzen als in der Nähe der Achse.
Dazu zeigt Fig. 3 einen Behälter 10, der zu einer vertikalen Anordnung bestimmt ist und eine obere Wandung 15 und einen Boden 16 hat. Mit 17 ist der Einlaß für das zu behandelnde Gut, mit 18 ist der Auslaß zum Absaugen der Dämpfe, Gase oder dergl. bezeichnet. Im Boden 16 sind zwei Auslässe 19 und 19 a vorhanden. Der Behälter 10 ist wie die Rohre 10 in Fig. 1 außen mit einer Induktionsspule 13 versehen. Auch ist die Wärmeisolation 11 vorhanden.
Im Inneren des Behälters ist das Rührwerkzeug 20 vorhanden, bestehend aus der sehr stark bemessenen Welle mit der Drehachse 21. An dieser sind vertikal abstehende Ausleger oder gelochte Platten 22, 22 a und 22 b vorhanden. Im Bereich des Bodens 16 des Behälters ist eine ebenfalls stark bemessene Platte 23 vorhanden. An den Auslegern 22 und der Platte 23 sind Stäbe 24, 24 a und 24 b vorhanden, die ebenfalls aus magnetischem Material bestehen.
Die Fig. 4 und 5 zeigen an den Auslegern 22 die Stäbe 24 als Rundstäbe, die teilweise hohl ausgebildet sind.
Fig. 6 zeigt S-förmige Ausleger mit ebenfalls runden Stäben.
Die Mischer mit den Rührwerken nach den Fig. 3 bis 6 können folgende Kombinationen aufweisen:

l) Der eigentliche Rührer besteht aus massiven Stangen eines magnetischen Materials von gleichem Durchmesser, die an ihren Enden in zwei Haltevorrichtungen angeordnet sind.
m) die Stangen bestehen aus unmagnetischem Material,
n) die Stangen haben unterschiedliche Durchmesser,
o) der Durchmesser der Stangen nimmt zur Peripherie hin ab,
p) anstelle der Stangen treten Rohre,
q) die Rohre haben unterschiedliche Wandstärken,
r) die Stangen oder Rohre sind in Haltevorrichtungen angeordnet, die jeweils senkrecht zu einander stehen,
s) die Stangen oder Rohre sind in Haltevorrichtungen angeordnet, die S-förmige Gestalt haben,
t) Gehäuse und Rührer sind aus unterschiedlichen Materialien.

Claims

1. Vorrichtung zum induktiven Erhitzen eines in einem insbesondere zylindrischen Behälter befindlichen Gutes, wobei die Wandung des Behälters von Induktionsspulen umgeben und das Gut im Behälter von einem Fördermischwerkzeug bewegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung (10) des Behälters aus einem durch Induktion nicht erhitzbarem Material besteht oder sofern die Wandung (10) durch Induktion erhitzbar ist, dann dünnwandig ist, und das Fördermischwerkzeug (14) oder ein Rührwerkzeug (20) aus einem magnetischen Material bestehen, derart, daß dieses durch induktive Erhitzung die ausschließliche oder überwiegende Hitze auf das Gut überträgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung (10) des Behälters aus einem dünnwandigen Normalstahl besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung (10) des Behälters aus einem unmagnetischen Material, zum Beispiel keramischem Material, Feuerfestmaterial oder einer unmagnetischen Stahllegierung oder einem Nichteisenmetall besteht.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Außenflächen des Fördermischwerkzeuges (14) mit einem unmagnetischen Material versehen, insbesondere plattiert sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß über die Länge des Behälters Abschnitte von Induktionsspulen (12) mit unterschiedlichen Frequenzen vorhanden sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das im Behälter angeordnete Rührwerkzeug (20) im Bereich seiner Drehachse (21) eine größere Masse als in seinem äußeren Bereich aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Rührwerkzeug (20) aus magnetischen Elementen wie Stäben (24) besteht, die an ihren Enden an in Radialrichtung verlaufenden Auslegern (22), insbesondere an einem Kreuzrahmen, gelagert sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe (24) im mittleren Bereich des Rührwerkzeuges (20) eine größere Wanddicke, insbesondere einen größeren Durchmesser aufweisen, als im äußeren Bereich.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe (24) hohl ausgebildet sind.