DE3503089C2

DE3503089C2 -

Info

Publication number: DE3503089C2
Application number: DE3503089A
Authority: DE
Inventors: Carl Prof. Dr.-Ing. 5100 Aachen De Kramer
Original assignee: Carl Prof. Dr.-Ing. 5100 Aachen De Kramer
Current assignee: Otto Junker GmbH
Priority date: 1985-01-30
Filing date: 1985-01-30
Publication date: 1988-12-08
Also published as: US4736529A; DE3503089A1; EP0189855B1; JPH0218365B2; EP0189855A2; DE3684339D1; ATE73863T1; EP0189855A3; CA1240507A; JPS61201734A

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

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.