DE3503089C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur gleichmäßigen Beaufschlagung
einer planen Oberfläche eines Werkstückes, insbesondere der Stirnfläche
eines Bandbundes, mit einem Gas der im Oberbegriff des Anspruchs 1 ange
gebenen Gattung.
Eine solche Vorrichtung, wie sie für die Hochtemperaturzone eines Rostküh
lers, insbesondere für Zementklinker, eingesetzt werden soll, geht bspw.
aus der DE-OS 24 54 202 hervor und weist einen ebenen Düsenboden sowie
mehrere punktförmige Öffnungen in dem Düsenboden auf, die einzelne, dis
krete Gasstrahlen auf die plane Oberfläche des Werkstückes richten; die
Öffnungen sind entsprechend einem vorgegebenen Muster auf geraden Linien in
dem Düsenboden angeordnet, so daß jede Lochreihe eine schlitzförmige Düsen
öffnung bildet.
Weiterhin geht aus der US-PS 41 55 701 eine für Brenner benutzte Misch
einrichtung hervor, die in einem Gasstrahl einen Drall erzeugt und dadurch
die zur guten Verbrennung erforderliche Mischung von Gasströmen herbei
führt. Würde man eine solche Vorrichtung gegenüber einer Prallfläche an
ordnen, wie sie die zu behandelnde plane Oberfläche eines Werkstückes dar
stellt, so würde sich auf dieser Prallfläche eine Verteilung des Wärmeüber
gangskoeffizienten einstellen, wie sie für normale Schlitzdüsen in Fig. 3
der Zeichnungen dargestellt ist. Der einzige Unterschied besteht darin, daß
die Auftrefflinie und damit die Linien, welche die maximal der örtlichen
Wärmeübergangskoeffizienten miteinander verbinden, ebenfalls gekrümmt sind.
Weiterhin sind aus der US-PS 42 61 517 und der US-PS 38 87 135 Vorrichtun
gen bekannt, bei denen der Strahl zur Achse, um welche die Drehung er
folgt, fokussiert wird; würde man mittels einer solchen Vorrichtung die
Stirnfläche eines Bandbundes beblasen, so würde sich ein Stau im Zentrum
ergeben, so daß keine ungehinderte Überströmung der Stirnfläche des Band
bundes und damit keine gleichmäßige Beaufschlagung mit dem Gas mehr mög
lich ist.
Die besonders gleichmäßige Beaufschlagung der planen Oberfläche eines Werk
stückes mit einem Gas spielt überall da eine große Rolle, wo mittels die
ses strömenden Gases Wärme auf das Werkstück übertragen werden muß, da nur
dann ein gleichmäßiger Wärmeübergang oder gegebenenfalls auch Stoffaus
tausch zwischen Gasstrom und Wärme gewährleistet ist, ohne daß größere Un
terschiede im örtlichen Wärmeübergangskoeffizienten zu unterschiedlichen
Temperaturen bzw. unterschiedliche Aufheizung des Werkstückes führen. Dies
stellt bspw. beim Anwärmen von Metallbunden ein großes Problem dar. Unter
einem "Metallbund" versteht man zu einem Zylinder aufgewickelte Metall-
Bleche, bspw. Aluminium-Bleche.
Zur Abkürzung der Glühzeit wird nämlich angestrebt, den Wärmeübergang in
einem Kammerofen, wie er bspw. in der Aluminiumindustrie zum Glühen von
Bandbunden eingsetzt wird, so hoch wie möglich zu treiben. Führt nun das
verwendete Beblasungssystem zu großen örtlichen Unterschieden im Wärme
übergang, so können sich lokale Überhitzungen einstellen, die Verfärbungen
der Metallbänder bewirken und außerdem die angestrebten metallurgischen Ei
genschaften der Bänder beeinträchtigen können.
Die bisher üblichen Beblasungssysteme, mit denen ein höherer Wärmeübergang
angestrebt wird, weisen Loch- oder Schlitzdüsen auf, die senkrecht auf die
Oberfläche des Metallbundes auftreffende Prallstrahlen erzeugen; werden nun
lokale Überhitzungen festgestellt, so bleibt vielfach keine andere Wahl als
den Gesamt-Volumenstrom zu reduzieren und dadurch die hohen örtlichen Wär
meübergangskoeffizienten zu vermeiden.
Der Erfindung liegt deshalb die Ausgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur
gleichmäßigen Beaufschlagung der planen Oberfläche eines Werkstückes,
insbesondere der Stirnfläche eines Bandbundes, mit einem Gas der angege
benen Gattung zu schaffen, bei der die Unterschiede zwischen dem maximalen
und dem minimalen Wärmeübergangskoeffizienten, also eine eventuelle Un
gleichmäßigkeit in der Beaufschlagung mit dem Gas, wesentlich geringer als
bei den herkömmlichen Beblasungssystemen sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des
Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Zweckmäßige Ausführungsformen werden durch die Merkmale der Unteransprüche
definiert.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen insbesondere darauf, daß
selbst bei einer einfachen, noch zu erläuternden Ausführungsform einer sol
chen Vorrichtung das Verhältnis zwischen dem lokal maximalen und dem lokal
minimalen Wärmeübergangskoeffizient etwa 1,2 beträgt, also der feststell
bare Unterschied zwischen diesen beiden Extremwerten sehr gering ist. Dies
muß in Beziehung gesetzt werden zu einem Wert von 1,9 für ein Beblasungs
system, das Lochdüsen verwendet, und einem Wert von etwa 1,7 für ein Be
blasungssystem, das herkömmlich Schlitzdüsen verwendet, die gerade Prall
strahlen auf die zu beaufschlagende plane Oberfläche des Werkstückes rich
ten.
Diese extrem gleichmäßige Beaufschlagung bedeutet,
daß im Mittel ein wesentlich höherer Volumenstrom auf
das zu erwärmende Gut gerichtet werden kann als dies
bei Einhaltung der gleichen Maximalwerte für den ört
lichen Wärmeübergang mit anderen Düsensystemen möglich
wäre. Die Folgen hiervon sind eine wesentliche Reduzie
rung der Aufheiz- bzw. Abkühlzeit sowie eine Vergröße
rung des Verhältnisses der Kapazitätsströme vom dem
Wärmeaustausch dienenden Gasstrom zu erwärmender bzw.
abzukühlender Masse des Gutes. Diese Erhöhung des Ka
pazitätsstrom-Verhältnisses führt zu geringeren Tempe
raturdifferenzen im Gasstrom und mindert damit die
Gefahr von starken Temperaturdifferenzen, bspw. durch
die Bildung von Temperatursträhnen.
Dieses neue Beblasungssystem eignet sich besonders
für die Beaufschlagung der Stirnseiten von Bandbunden
mit einem Gasstrom, dessen Wärmeübergangskoeffizient
über die gesamte Stirnfläche gesehen nahezu konstant
ist. Insbesondere bei aus Metall, bspw. Aluminium be
stehenden Bandbunden erfolgt die Aufwärmung im wesent
lichen über die Stirnflächen, da die Wärmeleitung in
radialer Richtung wegen der Trennflächen zwischen den
einzelnen Windungen des Bundes nur einen Bruchteil
der Wärmeleitung in axialer Richtung ausmacht.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungs
beispielen unter Bezugnahme auf die sche
matischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine perspektivische, teilweise wegge
schnittene Ansicht einer Vorrichtung
zur gleichmäßigen Beaufschlagung der
beiden Stirnflächen eines Bandbundes
mit einem Gas,
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung der
Verteilung des örtlichen Wärmeübergangs
koeffizienten bei einem Lochdüsen ent
haltenden Beblasungssystem (α max /α min
= 1,9),
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung der
Verteilung des örtlichen Wärmeübergangs
koeffizienten für ein Schlitzdüsen ent
haltendes Beblasungssystem mit senkrecht
auftreffenden Düsenstrahlen (α max /α min
= 1,7),
Fig. 4 eine perspektivische Darstellung der
Verteilung des örtlichen Wärmeübergangs
koeffizienten für ein erfindungsgemäßes
Beblasungssystem mit geneigten Schlitz
düsen (α max /α min = 1,2),
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht des Düsen
bodens mit Schlitzdüsen unterschied
licher Neigung,
Fig. 6 eine Draufsicht auf den Düsenboden mit
verschiedenen Ausführungsformen von
Schlitzdüsen,
Fig. 7 eine perspektivische Detailansicht von
zwei verschiedenen Ausführungsformen
der Schlitzdüsen, und
Fig. 8 Detailansichten weiterer Ausführungs
formen der Schlitzdüsen.
Die aus Fig. 1 ersichtliche, allgemein durch das Bezugs
zeichen 10 angedeutete Vorrichtung zur gleichmäßigen
Beaufschlagung der beiden Stirnflächen eines Metall
bandbundes, insbesondere eines Aluminiumband-Bundes 12,
weist ein allseitiges geschlossenes Gehäuse mit einem
Boden 14, zwei hohlen, als Beblasungskammern ausgebilde
ten Seitenwänden 16, 18 und einem Deckel 20 auf, in den
ein als Antrieb des umgewälzten Gasstromes dienender
Radialventilator 22 integriert ist.
Der Bandbund 12 wird durch Stützen 24 so gehalten, daß
seine beiden Stirnflächen den Seitenwänden 16 und 18
zugewandt sind.
Die beiden weiteren, in Fig. 1 nicht dargestellten
Seitenwände können durch Türen verschlossen werden und
dienen zur Beschickung dieses "Kammerofens" 10.
In die Innenflächen der beiden Seitenwände 16 und 18
sind sternförmig angeordnete Schlitzdüsen 26 integriert,
die sich von einem gemeinsamen Mittelpunkt strahlenför
mig nach außen erstrecken. Es ist vorteilhaft, den
Bandbund 12 so anzuordnen, daß seine Achse 27 möglichst
genau durch diese Mittelpunkte 29 geht, also zur
strahlenförmigen Düsenanordnung konzentrisch ist. Die
durch die Schlitzdüsen 26 bedeckte Fläche der Seitenwän
de 16, 18 soll im folgenden als "Düsenboden" bezeichnet
werden.
Diese Schlitzdüsen 26 liegen also in einer gemeinsamen,
durch die Innenfläche der Seitenwände 16, 18 gebildeten
Ebene. Auch ihre Düsenöffnungen liegen zumindest nähe
rungsweise in einer Ebene, wobei die Richtung der aus
den Düsenöffnungen austretenden Gasströme gegen die
Ebene, in der die Düsenöffnungen liegen, geneigt ist.
Fig. 5 zeigt in perspektivischer Ansicht den durch das
Bezugszeichen 28 angedeuteten Düsenboden, aus dem die
einzelnen Schlitzdüsen 26 mit jeweils unterschiedlicher
Neigung vorstehen, wie man aus den eingezeichneten
Winkeln erkennen kann.
In der Mitte des Düsenbodens 28 befindet sich ein kreis
förmiger Bereich mit dem Durchmesser D i , der ausgespart
ist, d. h., in diesem Bereich 29 sind keine Schlitzdüsen
26 vorgesehen. Die Schlitzdüsen 26 erstrecken sich
strahlenförmig vom Rand des kreisförmigen Bereiches 25
mit dem Durchmesser D i radial nach außen, wobei sowohl
die Winkel zwischen den einzelnen Schlitzdüsen 26 als
auch die Neigung
der Schlitzdüsen in bezug auf den Düsenboden 28 unter
schiedlich sein können.
Die radial äußeren Enden der Schlitzdüsen 26 liegen auf
einem Kreis mit dem Durchmesser D a .
Fig. 6 zeigt eine Draufsicht auf unterschiedliche Aus
führungsformen der Schlitzdüsen, und zwar im Sektor I
schlitzförmige Öffnungen mit veränderlicher Breite in
radialer Richtung, im Sektor II Schlitzdüsen mit
unterschiedlicher Erstreckung in radialer Richtung, im
Sektor III Schlitzdüsen mit unterschiedlichen Winkeln
zwischen den einzelnen Strahlen und schließlich im
Sektor IV eine Ausführungsform, bei der statt der
schlitzförmigen Düsenöffnung mehrere, in radialer Rich
tung verlaufende Lochdüsenreihen verwendet werden.
Fig. 7 zeigt eine Detailansicht einer Modifikation, bei
der die Öffnungen der Schlitzdüsen "verwunden" sind,
d. h., die Neigung der Schlitzdüsen 26 ändert sich mit
dem Radius, wodurch sich eine gekrümmte Schlitzachse
ergibt.
Fig. 8 zeigt zwei Ausführungsformen, bei denen in die
schlitzförmigen Düsenöffnungen Strömungsleiteinrichtun
gen 30 integriert sind, die wiederum der Einströmrich
tung angepaßt sind. Diese Strömungsleiteinrichtungen 30
sind entweder gerade (rechte Variante) oder z. B. bei
schräger Zuströmung in deren Richtung gebogen (linke
Variante).
Bei der bspw. aus Fig. 5 ersichtlichen Ausführungsform
beträgt der Winkel zwischen den einzelnen Schlitzdüsen
26 etwa 45°.
Durch die Neigung der Schlitzdüsen 26 gegenüber dem
Düsenboden 28 sind die aus den schlitzförmigen Düsen
Öffnungen austretenden Schlitzstrahlen ebenfalls gegen
über dem Düsenboden 28 geneigt.
Der sich in Richtung des Pfeils drehende Radialventila
tor 22 erzeugt einen Luftstrom, der zunächst nach außen
strömt und dann in Richtung der Pfeile nach unten in
die hohlen Seitenwände 16, 18 umgelenkt wird. Anschlie
ßend tritt dieser Gasstrom aus den hohlen Seitenwänden
16, 18, nämlich aus den Schlitzdüsen 26, aus und be
aufschlagt die Stirnflächen des Bandbundes 12. Diese
Stirnflächen verlaufen parallel zu den Düsenböden 28,
d. h., die Schlitzdüsen 26 sind gegenüber den Stirnflä
chen des Bandbundes 12 geneigt.
Der Neigungswinkel zwischen dem Düsenboden 28 und den
Schlitzdüsen 26 wird zweckmäßigerweise so ausgewählt,
daß er dem Drehsinn des Wirbels entspricht, der sich
bei üblicher Beschickung der Kammern in den Seitenwän
den 16, 18 mittels des in die Ofendecke 20 eingebauten
Radialventilators 22 bei üblichen Kammerofenkonstruk
tionen ergibt. Durch die Abstimmung der Neigung
auf die Drehrichtung dieses Wirbels wird noch erreicht,
daß alle Schlitzdüsen 26 etwa mit der gleichen Richtung
angeströmt werden, was im Hinblick auf eine dem Quer
schnitt dieser Schlitzdüsen 26 möglichst genau entspre
chende Mengenverteilung vorteilhaft ist.
Durch die Neigung der Schlitzstrahlen gegenüber den
Stirnflächen des Bandbundes 12 in die gleiche Richtung
entsteht auf den beblasenen Stirnflächen eine Strömung,
die mit derjenigen in einem Wirbel verglichen werden
kann.
Der mit der neuen Ausgestaltung erzielte Vorteil im
Vergleich mit herkömmlichen Beblasungseinrichtungen
soll im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig.
2 bis 4 beschrieben werden.
Fig. 2 zeigt eine perspektivisch dargestellten Verteilung
der örtlichen Wärmeübergangskoeffizienten für ein aus
eines einzelnen Lochdüsen bestehendes Beblasungssystem.
Bezogen auf die Achse der Düsenstrahlen (in Fig. 2 sind
drei Düsenstrahlen angedeutet) ergibt sich für die
Wärmeübergangsverteilung eine Kurve, die im Querschnitt
einem Vulkankrater gleicht. Im Staupunkt bildet sich ein
relatives Minimum, das von einem dem Kraterrand entspre
chenden Maximalwert umgeben ist. Das Verhältnis von
maximalen zu minimalen Wärmeübergangskoeffizienten be
trägt etwa 1,9.
Fig. 3 zeigt eine entsprechende, perspektivische Dar
stellung der Verteilung des örtlichen Wärmeübergangs
koeffizienten für ein Schlitzdüsensystem, das senkrecht
auftreffende Düsenstrahlen erzeugt. Es ergibt sich ein
ähnlicher Verlauf wie bei Fig. 2. Auch hier ist die
Verteilung des Wärmeübergangskoeffizienten über der
beaufschlagten Stirnfläche eines Bandbundes noch sehr
ungleichmäßig. Das Verhältnis von maximalem zu minimalem
Wärmeübergangskoeffizienten beträgt etwa 1,7.
Fig. 4 zeigt schließlich eine perspektivische Darstel
lung der Verteilung des örtlichen Wärmeübergangskoeffi
zienten für ein Beblasungssystem mit geneigten Schlitz
düsen. Hierbei ergibt sich ein extrem gleichmäßiger
Wärmeübergangskoeffizient, d. h., das Verhältnis von
maximalem zu minimalem Wert beträgt nur noch 1,2.
Müßte bspw. eine Beblasung mit einem maximalen Wärme
übergang von 170 W/(m2K) erreicht werden, so würde der
höchstzulässige, mittlere Wärmeübergangskoeffzient für
das Lochdüsensystem 110 W/(m2K), für das Schlitz
düsensystem mit senkrecht auftreffenden Düsenstrahlen
130 W/(m2K) und für das neue Beblasungssystem mit den
geneigten Schlitzdüsen 160 W/(m2K) betragen.
Claims (9)
1. Vorrichtung zur gleichmäßigen Beaufschlagung einer planen Oberfläche
eines Werkstückes, insbesondere der Stirnfläche eines Bandbundes, mit einem
Gas
- a) mit einem ebenen Düsenboden, und
- b) mit mehreren, schlitzartigen Öffnungen in dem Düsenboden, die einzelne, diskrete Gasstrahlen auf die plane Oberfläche des Werkstückes richten,
gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
- c) die schlitzförmigen Düsenöffnungen (26) verlaufen von einem geschlos senen, zentralen Bereich (29) des ebenen Düsenbodens (28) strahlenför mig nach außen; und
- d) die Richtung der aus den schlitzförmigen Düsenöffnungen (26) austre tenden Strömung ist in bezug auf den ebenen Düsenboden (28) und die be aufschlagte plane Oberfläche des Werkstücks (12) für alle Düsenöffnun gen (26) in die gleiche Richtung geneigt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die schlitzförmigen Düsenöffnungen (26) in radialer Richtung unter
schiedliche Querschnitte haben.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Querschnitte der schlitzförmigen Düsenöffnungen (26) von dem ge
schlossenen, zentralen Bereich (29) radial nach außen linear zunehmen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
sich die Neigung der aus den schlitzartigen Düsenöffnungen (6) austre
tenden Strömung in radialer Richtung längs der Düsenöffnungen (26) än
dert.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die schlitzartigen Düsenöffnungen (26) in radialer Richtung unterschied
liche Länge haben.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Winkel zwischen den strahlenförmig angeordneten Längsachsen der Dü
senaustrittsquerschnitte ungleich sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die schlitzartigen Düsenöffnungen konstruktiv durch Lochreihen gebildet
werden.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
in den oder, in Strömungsrichtung gesehen, vor den schlitzförmigen Dü
senöffnungen (26) Strömungsleiteinrichtungen (30) angebracht sind.
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