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Tunnelofen mit zwei parallelen Kanälen
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Zur Wärmebehandlung von Produkten, beispielsweise zum Brennen von
Ton oder Porzellan, sind sog. "Gegenlauföfen" bekannt. Dabei handelt es sich um
Tunnelöfen mit zwei parallelen Behandlungskanälen, durch die hindurch Transportwagen
mit darauf gestapelten Produkten in gegenläufiger Richtung geführt werden.
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Jeder der Kanäle ist in drei Zonen unterteilt, nämlich eine Aufheizzone,
in der die Produkte bis etwa auf die Behandlungstemperatur aufgeheizt werden, und
eine Brennzone, in der die Produkte auf der Behandlungstemperatur gehalten werden,
sowie eine Kühlzone, in der die Produkte wieder bis auf die Ausgangstemperatur heruntergekühlt
werden. Die beiden Brennzonen befinden sich dabei in der Ofenmitte, während als
Folge der gegenläufigen Transportrichtung der Produkte jeweils die Kühlzone des
einen Kanals benachbart zur Aufheizzone des anderen Kanals angeordnet ist.
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Ein solcher Gegenlaufofen eröffnet die Möglichkeit einer direkten
Übertragung der in der Kühlzone eines jeden Kanals abgegebenen Wärme in die benachbarte
Aufheizzone des anderen Kanals. Für diesen Zweck hat es sich als günstig erwiesen,
die beiden Kanäle durch eine Mittelwand voneinander zu trennen und in der Mittelwand
jeweils oberhalb und unterhalb der Produktstapel eine Anzahl von Durchlaßöffnungen
vorzusehen. Dadurch soll eine (nachfolgend auch als "Querkonvektion" bezeichnete)
Ringströmung zwischen den beiden Kanälen erreicht-werden, und zwar derart, daß sich
die Luft, die sich in den heißen Produktstapeln in der Kühlzone befindet, erwärmt
und nach oben steigt, dann oberhalb der Produkte quer zur Längsrichtung der Kanäle
in den anderen Kanal strömt, durch die dort befindlichen kälteren Produktstapel
abgekühlt wird, durch diese hindurch nach unten sinkt und dann unterhalb der Produkte
wieder in den ersten Kanal zurückströmt, um den Kreislauf neu zu beginnen. Neben
anderen Vorteilen läßt eine solche direkte Wärmeübertragung eine ganz erhebliche
Energieersparnis
erwarten, verglichen mit einem einfachen Tunnelofen,
der nur einen Behandlungskanal aufweist.
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Die bisherigen Erfahrungen haben jedoch gezeigt, daß die Vorteile
eines solchen Gegenlaufofens in der Praxis nicht oder jedenfalls nicht in dem zu
erwartenden Ausmaß erreicht werden. Dies läßt sich im wesentlichen auf zwei Ursachen
zurückführen. Erstens ist die Querkonvektion (sofern keine zusätzlichen Maßnahmen
getroffen werden) verhältnismäßig schwach, weil nur die beiden vertikalen Aste durch
Temperaturunterschiede angetrieben sind, während die beiden horizontalen Äste keinen
natürlichen Antrieb haben und durch Verbrauch von Auftriebskräften überwunden werden
müssen. Zweitens wird die Querkonvektion aber auch noch durch eine als "Längskonvektion"
bezeichnete Ringströmung in Längsrichtung der Kanäle beeinträchtigt. Diese Längskonvektion
verläuft zwischen der Brennzone und der Außenatmosphäre derart, daß Heißluft oberhalb
der Produktstapel von der Brennzone aus nach außen abströmt und Kaltluft unterhalb
der Produktstapel wieder zur Brennzone hin zurückströmt. Sie wird ausgelöst durch
eine vertikale Druckdifferenz in der Brennzone infolge des Auftriebs der dort erhitzten
Luft und besitzt deshalb einen stärkeren Antrieb als die Querkonvektion. Dadurch
wird die Querkonvektion mehr oder weniger unterdrückt und zumindest erheblich deformiert.
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Die Folge ist eine Verzerrung des gewollten Temperaturverlaufs längs
der Aufheizzone und der Kühlzone, die zu Aufheizschäden oder Kühlschäden der Produkte
Anlaß geben kann. Außerdem erhöht sich auch der Wärmeverbrauch durch den Verlust
von Heißluft an den Ofenenden und die Notwendigkeit, die eingeströmte Kaltluft auf
die Behandlungstemperatur zu erwärmen.
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Es hat nicht an Versuchen gefehlt, die Wirksamkeit der Querkonvektion
zu verbessern bzw. die Auswirkungen der Längskonvektion zu beseitigen. So schlägt
die DE-A 27 21 948 einen zusätzlichen motorischen Antrieb der Querkonvektion vor,
beispielsweise mittels Ventilatoren in den Durchlaßöffnungen in der Mittelwand
zwischen
den Kanälen oder mittels Düsen, die oberhalb und unterhalb der Produktstapel einen
zusätzlichen horizontalen Luftstrom in Strömungsrichtung der Querkonvektion einblasen.
Diese Maßnahmen sind jedoch energetisch sehr ungünstig. Die DE-A 30 42 708 beschreibt
eine Unterdrückung der Längskonvektion dadurch, daß Luft in einer Menge, die der
Wärmekapazität der behandelten Produkte gleich oder angepaßt ist, am Anfang einer
jeden Aufheizzone durch Ventilationsmittel abgezogen und in die Kühlzone des anderen
Kanals eingeblasen wird. Es hat sich jedoch gezeigt, daß dies die Energiebilanz
des Gegenlaufofens nicht nennenswert über diejenige eines Tunnelofens mit nur einem
Behandlungskanal hinaus verbessert. Schließlich sind aber auch Versuche der Praxis,
die Längskonvektion durch Erhöhung ihres Strömungswiderstandes (beispielsweise durch
entsprechende Anordnung und Ausbildung der Produkts-tapel auf den Transportwagen)
zu behindern, erfolglos geblieben, letztlich weil für den sicheren Transport der
Produkte durch den Ofen hindurch immer ein Mindestspalt zwischen den Produktstapeln
und den Kanalwandungen vorhanden sein muß.
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Es ist das Ziel der Erfindung, bei einem Gegenlaufofen der eingangs
genannten Art die unerwünschte Längskonvektion bei günstigen energetischen Verhältnissen
so weit zu vermindern, daß die inhärent vorhandenen Vorteile des Gegenlaufofens
möglichst weitgehend und jeweils stärker als bisher zum Tragen kommen.
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Dieses Ziel erreicht die Erfindung dadurch, daß jedem Kanal Mittel
zur Erzeugung einer Luftströmung derart zugeordnet sind, daß sie im Bereich der
einander benachbarten Kanalenden jeweils eine durch beide Kanäle verlaufende Kreislaufströmung
erzeugen, deren Strömungsrichtung abwechselnd im und gegen den Uhrzeiger verläuft,
und deren Geschwindigkeit höher ist als die Geschwindigkeit der als Folge des Temperaturgefälles
zwischen Brennzone und Außenatmosphäre auftretenden Längskonvektion, und daß die
Umschaltung der Richtung der Kreislaufströmung in so kurzen Abständen erfolgt, daß
im Bereich der Kreislaufströmung ein Wärmetransport in Längsrichtung der Kanäle
weitgehend unterbunden
Die Erfindung beruht auf folgenden Überlegungen.
Die Antriebskraft für die Längskonvektion ist nur vom Wärmeauftrieb in der Ofenmitte
und den daraus resultierenden Druckunterschieden zwischen Decke und Boden abhängig.
Die Größe dieser Antriebskraft ergibt sich aus der nutzbaren Brennkammer-Höhe und
dem Dichte-Unterschied zwischen der Luft in der Ofenmitte und der Luft an den Ofenenden.
Dieser Antriebskraft wirkt der Strömungswiderstand und der dynamische Druck entgegen,
so daß sich die folgende Gleichgewichtsbeziehung ergibt:
Hierin bedeuten: h = Ofenhöhe = = Dichte der Luft T = Widerstandsbeiwert w = Strömungsgeschwindigkeit
g = Erdbeschleunigung.
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Die eingangs erwähnten bekannten Maßnahmen, die Längskonvektion durch
Umwälzkreise quer zur Richtung der Längskonvektion zu behindern oder durch mechanische
Hindernisse abzubremsen, führen zu einer Erhöhung des Widerstandsbeiwertes, der
in die obige Gleichung nur linear eingeht. Auf diese Weise läßt sich die Längskonvektion
also nur in begrenztem Maß vermindern. Eine Verdoppelung des Widerstandsbeiwertes
führt beispielsweise nur zu einer Verminderung der Längskonvektion von etwa 23 %.
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Die Erfindung geht einen anderen Weg und erhöht die Strömungsgeschwindigkeit,
denn aus der obigen Formel ist ersichtlich, daß sowohl in den Strömungswiderstand
als auch in den dynamischen Druck die Strömungsgeschwindigkeit quadratisch eingeht,
so daß damit der Längskonvektion wesentlich wirksamer begegnet
werden
kann. Dies geschieht dabei durch einen Luftstrom, der eine deutlich höhere Strömungsgeschwindigkeit
aufweist als die Längskonvektion, und der ständig seine Richtung wechselt. Die hohe
Strömungsgeschwindigkeit sorgt dabei für die Verminderung der Längskonvektion, während
die ständige Umschaltung der Strömungsrichtung dafür sorgt, daß im Wirkungsbereich
des Luftstroms nur Luftmassen hin- und hergeschoben werden und dadurch ein Wärmetransport
unterbunden wird.
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Praktische Versuche haben gezeigt, daß bei einer Verdoppelung der
Strömungsgeschwindigkeit die Längskonvektion auf 27 %, bei einer Verdreifachung
auf 17 O/o und bei einer Vervierfachung auf 13 % absinkt. Da jede Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit
auch eine erhöhte Ventilatorleistung erfordert, ist in der Praxis eine Erhöhung
auf mehr als das Dreifache nicht sinnvoll, da sich mit einer noch stärkeren Erhöhung
kein wirtschaftlicher Zugewinn mehr ergibt. Bei einem Ausgangswert von etwa 1 kg
Luft pro kg an transportierten Produkten bedeutet dies also eine Erhöhung auf 3
kg Luft.
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Hinsichtlich des Intervall-Verhältnisses von Gleichstrombetrieb,
bei dem sich die zusätzliche Luftströmung zur Längskonvektion addiert oder Gegenstrombetrieb,
bei dem sich die zusätzliche Luftströmung von der Längskonvektion subtrahiert, wäre
an sich zu erwarten, daß eine Reversierung der Strömungsrichtung derart, daß im
zeitlichen Mittel auch noch ähnlich dem Vorschlag der DE-A 30 42 702 ein gewisser
Wärmetransport von der Kühlzone des einen Kanals in die Aufheizzone des anderen
Kanals erfolgt, die besten Ergebnisse zeitigen würde. Eine systematische Untersuchung
der verschiedenen Betriebsmöglichkeiten der Kreislaufströme (von nur Gleichstrombetrieb
über verschiedene Zwischenstufen bis nur Gegenstrombetrieb) hat jedoch völlig überraschend
gezeigt, daß sich tatsächlich die besten Ergebnisse einstellen, wenn mit 50 % Gleichstrombetrieb
und 50 °/0 Gegenstrombetrieb reversiert wird.
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Dabei sollten die Intervalle zwischen der jeweiligen Umkehr der Strömungsrichtung
kürzer als 120 sec, vorzugsweise kürzer als 30 sec sein. Dann wird ein Wärmetransport
unterbunden und das Temperaturgefälle innerhalb der Kanäle bleibt der idealen Kurve
des Temperaturgefälles angenähert. Warum dies zu den besten Ergebnissen führt, ist
z. Zt. nicht erkennbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert,
die schematisch einen Gegenlaufofen zeigt, bei dem die erfindungsgemäßen Maßnahmen
realisiert sind.
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Der dargestellte Gegenlaufofen weist zwei parallele Behandlungskanäle
1 und 2 auf, die sich jeweils in eine Aufheizzone A1 bzw. A2, eine Brennzone B1
bzw. B2 und eine Kühlzone K1 bzw. K2 unterteilen. Diese beiden Kanäle sind durch
eine gemeinsame Mittelwand 3 voneinander getrennt. Die zu behandelnden Produkte
werden auf zu Produktstapeln zusammengefaßten Einheiten auf Transportwagen im Gegenlauf
(Pfeilrichtung T1 bzw. T2) durch die beiden kanäle befördert, so daß jeweils die
Kühlzone K1 der Aufheizzone A2 benachbart liegt und umgekehrt. Der Transport der
Produktstapel erfolgt dabei zweckmäßigerweise mit taktweisem Vorschub. Die Produktstapel
auf den Transportwagen sind so beschaffen, daß sie von oben nach unten bzw. von
unten nach oben von der Luft im Ofen durchströmt werden können, wobei angemerkt
sei, daß der Ausdruck "Luft" allgemein als Bezeichnung für die Ofenatmosphäre zu
verstehen ist. Sie befinden sich auf einer besonderen, mit Öffnungen für den Luftdurchtritt
versehenen Tragplatte, die im Abstand oberhalb der eigentlichen Wagenplattform angeordnet
ist, so daß unterhalb der Produktstapel in jedem Kanal ein Freiraum gebildet wird,
in dem sich eine Strömung ausbilden kann. Ein weiterer Strömungs-Freiraum befindet
sich in jedem Kanal oberhalb der Produktstapel, da diese zwangsläufig einen Abstand
von der Kanaldecke aufweisen müssen. Die oberen und unteren Strömungs-Freiräume
beider Kanäle sind über Durchlaßöffnungen 11 in der Mittelwand 3 miteinander verbunden,
so daß die gewünschte Querkonvektion zwischen den Kanälen möglich wird.
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Wie eingangs erwähnt wurde, wird diese Querkonvektion jedoch durch
die unerwünschte aber unvermeidbare Längskonvektions-Strömung, deren Antriebskraft
ein Druckunterschied in der Ofenmitte ist, gestört bzw. verzerrt.
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Zur Unterdrückung dieser Längskonvektion sieht die Erfindung nun
vor, an den Ofenenden jeweils eine kurze Kreislaufströmung 31 zu erzeugen, die so
ausgebildet ist, daß sie durch die beiden einander benachbarten Kanalenden verläuft.
Diese Förderung erfolgt mit Hilfe von Ventilationsmitteln, die eine ausreichende
Mengenleistung aufweisen müssen, damit die Luft eine hohe Strömungsgeschwindigkeit
erhält, die wenigstens doppelt so groß wie die Strömungsgeschwindigkeit der Längskonvektion
ist.
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Dabei ist vorgesehen, daß die Kreislaufströmung in kurzen Intervallen
ihre Richtung umkehrt, so daß sie abwechselnd im Gleichstrom (Pfeil 33) mit der
Transportrichtung (T1) und im Gegenstrom (Pfeil 34) verläuft.
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Wie schon eingangs erwähnt wurde, hat es sich in der Praxis als am
wirksamsten herausgestellt, wenn die Intervalle zwischen der Richtungsumkehr gleich
lang sind und dabei eine Dauer von weniger als 30 sec aufweisen.
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Die Ventilationsmittel zur Erzeugung der Luftströmung können aus
einem Ventilator 32 bestehen, der in einer Durchlaßöffnung der Mittelwand 11 angeordnet
ist. Zur Umschaltung seiner Förderrichtung kann er mit verstellbaren Ventilatorflügeln
versehen sein. Es ist aber auch möglich, zwei in entgegengesetzte Richtungen fördernde
Ventilatoren vorzusehen, die abwechselnd betrieben werden, indem sie an- und ausgeschaltet
oder mit Absperrorganen geöffnet und geschlossen werden. Ferner ist aber auch ein
Betrieb mit nur einem Ventilator konstanter Förderrichtung möglich, wenn diesem
ein Leitungssystem mit einer Umschaltvorrichtung zugeordnet wird, welche die Ansaugseite
und Auslaßseite des Ventilators reversierend auf die beiden Kanäle 1 und 2 schaltet.
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Schließlich wäre es auch noch denkbar, in den benachbarten Enden jedes
der Kanäle einen Ventilator anzuordnen und die beiden Ventilatoren eines Kreislaufs
synchron gegensinnig anzutreiben.
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Grundsätzlich sind auch alle anderen, zur Erzeugung einer Luftbewegung
dienenden Vorrichtungen, wie Treibdüsen, Ultraschall-Flächengeneratoren etc. einsetzbar.
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Im Gegensatz zu der in der DE-A 30 42 708 beschriebenen Maßnahme
der ständigen Gegenstrom-Kreislauf-Führung einer an die Wärmekapazität der zu behandelnden
Produkte angepaßten Luftmenge (was in der Praxis etwa 1 kg Luft pro kg an transportierten
Produkten bedeutet) zum Zwecke der Wärmeübertragung von der Kühlzone des einen Kanals
in die Aufheizzone des anderen Kanals dient der reversierende Betrieb der Kreislaufströmungen
31 im wesentlicnen nur der Erzeugung eines hohen Geschwindigkeits-Niveaus, ohne
daß aber ein Wärmetransport stattfindet. Dieses hohe Geschwindigkeits-Niveau erfordert
dabei zwar eine höhere Menge an umgewälzter Luft als die Maßnahme gemäß der DE-A
30 42 708, läßt sich aber dennoch mit geringerer Ventilatorleistung erreichen, weil
die Kreislaufströmungen 31 nur kurz sind.
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Löst man die zuvor erwähnte Gleichgewichtsbeziehung nach der Strömungsgeschwindigkeit
w auf, kann man die Geschwindigkeiten für die Längskonvektions-Strömung und die
durch die Ventilatormittel erzeugte Strömung getrennt bestimmen.
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Hierzu sei folgendes Zahlenbeispiel für einen praktisch ausgeführten
Tunnelofen erwähnt: Brenntemperatur: 1000 OC Länge der Aufheizzone: 30 m Längskonvektion:
3,6 m/sec Nutzhöhe: 1,83 m
Geschwindigkeit einer durch Ventilatormittel
erzeugten Strömung mit Änderung der Richtung in Intervallen: 7,8 m/sec.
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Auf dem Geschwindigkeits-Niveau der Ventilatorströmung von 7,8 m/sec
kann der für die Längskonvektion verantwortliche Auftrieb nur noch eine Geschwindigkeitsänderung
von 0,5 m/sec herbeiführen. Im Bereich der Kreislaufströmung ergibt sich damit elne
Geschwindigkeit in der einen Richtung von 8,3 m/sec und in der anderen Richtung
von 7,3 m/sec. Damit ist die Längskonvektion auf 1/7 ihres Ausgangswertes vermindert
worden und nun in ihren Auswirkungen nicht mehr schädlich.