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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verfahren zur Temperaturregelung
in einem Heizofen.
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In
der Vergangenheit wurde bei Heizöfen,
wie Tunnelöfen,
Herdwagenöfen
und ähnlichem,
die zum Erhitzen von zu brennenden Produkten eine Vielzahl an Brenner
haben, die Temperatur in den Öfen
durch Steuerung des Ausstoßes
der Brenner geregelt. Genauer gesagt ist für jeden der Brenner eine Temperatur-Erfassungseinrichtung
an einer typischen Stelle, deren Temperatur von den Hitzeströmungen von
dem Brenner beeinflusst wird, vorgesehen, um die Temperatur in dem
Ofen zu regeln. Wenn in diesem Fall die mit der Temperatur-Erfassungsvorrichtung
erfasste Temperatur niedriger als eine eingestellte Temperatur ist,
wird der Ausstoß des
Brenners erhöht,
während,
wenn die erfasste Temperatur höher
als die eingestellte Temperatur ist, der Ausstoß des Brenners reduziert wird,
bis die erfasste Temperatur zur eingestellten Temperatur wird. Alle Brenner
werden auf diese Art und Weise geregelt und es wird davon ausgegangen,
dass die Temperatur in dem Ofen die eingestellte Temperatur erreicht.
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Bei
einer solchen Temperaturregelung eines Ofens, der mehrere Brenner
hat, wird der Ausstoß eines jeden
Brenners auf der Grundlage der Temperatur an einer einzigen typischen
Stelle geregelt, die von den Hitzeströmungen des Brenners beeinflusst
wird, und im einzelnen wirken in Tunnelöfen und ähnlichem, die eine Anzahl an
Brenner haben, die Hitzeströme
von einem Brenner auf andere Temperatur-Erfassungsvorrichtungen
zum Steuern des Ausstoßes
der anderen Brenner und beeinflussen sich gegenseitig. Deshalb ist
der Ausstoß der
jeweiligen Heizquellen ungleichmäßig und
macht es schwierig, die gleichmäßige Temperatur
in dem Ofen auf einer eingestellten Temperatur zu halten. Dementsprechend
ist es unmöglich,
die Temperatur in dem Ofen auf eine optimale Temperatur einzuregeln.
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Aus
der
DE 33 32 989 C2 ist
eine Temperaturfolgeregelung für
einen Durchlaufofen bekannt, bei dem eine Vielzahl sog. Regelzonen
gebildet wird, die zwei Brenner und einen Sensor umfassen. Die Temperaturregelung
soll dann zonenweise erfolgen. D.h., wird innerhalb einer Zone eine
Temperaturabweichung der aktuellen Temperatur von dem Sollwert festgestellt,
wird die Heizleistung der beiden Heizquellen der genannten Zone
erhöht.
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Aus
der DE-AS 23 19 748 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zur Temperaturregelung
regenerativ beheizter Schmelzöfen
bekannt, bei denen Ausgangssignale der Temperatursensoren mit Wertigkeitskoeffizienten
multipliziert werden. Auf diese Weise wird ein gemittelter Temperaturwert
errechnet, auf Basis dessen die Heizleistung der Brenner geregelt
werden soll. Diese Mittelwertbildung hat den Vorteil, dass die Ausgangssignale
einzelner Temperatursensoren nur abgeschwächt, weil gemittelt, in die
Temperaturregelung eingehen. Auf diese Weise wird erreicht, dass
stärkere
Temperaturabweichungen an bestimmten Orten des Ofens weniger stark
in die Regelung einfließen
oder defekte einzelne Temperatursensoren die Regelung des Ofens
nicht vollkommen unmöglich
machen. Die genannten Wertigkeitsfaktoren ermöglichen eine ausgeglichene
Temperaturerfassung, auch wenn die Werte einzelner Temperatursensoren
aus dem Rahmen fallen.
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Aus
der
US 4 005 981 ist
ein Heizofen bekannt, der über
eine Vielzahl von Heizquellen und Temperatursensoren verfügt. Bei
diesem Ofen wird bei Abweichung einer gemessenen Temperatur von
einer Solltemperatur die Heizleistung der Heizquellen individuell
verändert,
um die Solltemperatur zu erreichen. Die Heizleistung der Heizquellen
wird somit basierend auf der durch die Vielzahl von Temperatursensoren
erfassten Temperaturwerte geregelt. Wie die Heizleistung der einzelnen
Heizquellen erhöht
oder vermindert werden soll, ist diesem Dokument nicht zu entnehmen.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Temperaturregelungsverfahren
für einen
Heizofen zu schaffen, das in der Lage ist, die Temperatur in dem
Ofen homogen mit hoher Genauigkeit auf einer eingestellten Temperatur
zu halten.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Als
Kern der Erfindung ist anzusehen, dass für den Heizofen eine spezifische
Regelung der Heizquellen respektive Brenner gewählt wird, um die gewünschte Temperatur
im Ofen zu erzielen. Diese Regelung wird in der folgenden ausführlichen
Beschreibung Vorgabetemperaturregelung genannt. Gemäß dieser
Regelung werden Vorgabetemperaturen berechnet und anschließend beim
Betrieb des Brenners ein Vergleich dieser Vorgabetemperaturen mit
den aktuellen Temperaturen durchgeführt. Auf der Basis dieses Vergleichs
wird die Heizleistung der verschiedenen Brenner geregelt, wobei
zur Regelung der Brenner sog. Beitragsanteile verwendet werden,
die gewährleisten,
dass mit Erhöhung
der Brennerleistung auch tatsächlich
die gewünschten Temperaturen
im Ofen erreicht werden. Somit wird, falls festgestellt wird, dass
die aktuelle Temperatur nicht der vorgegebenen Temperatur entspricht,
eine entsprechende differenzierte Erhöhung der Leistung der Brenner
bewirkt, wobei nicht einfach die Heizleistung aller Brenner in gleichförmiger Art
und Weise erhöht
wird, sondern individuell entsprechend der genannten Beitragsanteile,
um exakt die erwünschte
Vorgabetemperatur zu erzielen.
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Die
Erfindung soll unter Bezugnahme auf die nachfolgende detaillierte
Beschreibung und die Ansprüche
in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen verständlicher
gemacht werden.
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1 ist
eine Schnittansicht, die ein Ausführungsbeispiel von Heizöfen zum
wirksamen Ausführen
des erfindungsgemäßen Heizofen-Temperaturregelungsverfahrens
zeigt.
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2 ist
eine Schnittansicht, die ein Beispiel an Heizöfen zeigt, das in einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
verwendet wird.
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3 ist
ein Schema einer Heizelementanordnung eines anderen Heizofens, der
in einem anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
verwendet wird.
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4 ist
eine Schnittansicht, die einen weiteren Heizofen zeigt, der in einem
weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
verwendet wird.
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5 ist
eine Schnittansicht, die einen anderen Heizofen zeigt, der in einem
anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
verwendet wird.
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Die
Bezugszeichen sind wie folgt bezeichnet:
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- 1
- Wände,
- 2-1,
2-2, 2-3, ...
- Brenner,
- 3-1,
3-2, 3-3, ...
- Thermoelement
- 4
- Rollwagen
- 5
- Regale
- 6
- Produkt
(Wabenstruktur)
- 11
- Sanddichtungen
- 12
- Säulen
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1 zeigt
einen Tunnelofen im Schnitt als ein Beispiel von Heizöfen zum
Ausführen
des erfindungsgemäßen Temperaturregelungsverfahrens.
Der Heizofen hat eine Ofenwand 1, die aus feuerfestem Material hergestellt
ist, und er weist Brenner 2-1 auf, die an obenliegenden
Abschnitten der Ofenwände 1 vorgesehen sind,
und Brenner 2-2, die an Bodenabschnitten der Wände 1 vorgesehen
sind, und Thermoelemente 3-1 und 3-2 als Temperaturerfassungseinrichtungen,
die zum Erfassen der Temperatur in der Nähe der Brenner 2-1 und 2-2 vorgesehen
sind. Darüber
hinaus sind in dem Ofen Rollwägen 4,
auf den Rollwägen
Regale 5, und auf den Regalen 5 angeordnete zu
brennende Produkte 6 untergebracht.
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In
dem erläuterten
Ausführungsbeispiel
wird die Ofentemperatur geregelt, wobei gleichzeitig von Temperaturen
Gebrauch gemacht wird, in Verbindung mit dem Paar Brenner 2-1 und 2-2 auf
der Grundlage der Erkenntnis, dass sich die Hitzeströmung des
Bodenbrenners 2-2 auf die Temperatur auswirkt, die von
dem Thermoelement 3-1 für
den in einem obenliegenden Abschnitt der Ofenseitenwand angeordneten
Brenner 2-1 gemessen wird, während sich die Hitzeströmung vom
in einem obenliegenden Abschnitt der Ofenseitenwand angeordneten
Brenner 2-1 auf die Temperatur auswirkt, die von dem Thermoelement 3-2 für den Bodenbrenner 2-2 gemessen
wird. Mit anderen Worten wird die vom Thermoelement 3-2 gemessene
Temperatur beim Regeln des Ausstoßes des Brenners 2-1 zusätzlich zur
Temperatur, die vom Thermoelement 3-1 gemessen wird, verwendet,
während
beim Regeln des Ausstoßes
des Brenners 2-2 die vom Thermoelement 3-1 gemessene
Temperatur zusätzlich
zur Temperatur, die von dem Thermoelement 3-2 gemessen
wird, verwendet wird.
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Falls
die Regelung als ein Beispiel einer praktischen Regelung mit Temperaturmittelwerten
ausgeführt wird,
wird zuerst der Mittelwert Ta = (T1 + T2)/2 errechnet, wobei T1
und T2 Temperaturen sind, die jeweils von den Thermoelementen 3-1 und 3-2 gemessen
werden. Anschließend
wird die Mittelwertstemperatur Ta mit der eingestellten Temperatur
T0 verglichen, und wenn Ta niedriger als T0 ist, das heißt (Ta < T0), wird der Ausstoß der Brenner 2-1 und 2-2 um
einen im Wesentlichen gleichen Betrag erhöht. Andererseits, wenn Ta höher als T0
ist, das heißt
(Ta > T0), wird der
Ausstoß der
Brenner 3-1 und 3-2 um den im Wesentlichen gleichen
Betrag gesenkt. Auf diese Art und Weise wird die Ofentemperatur
geregelt, um die Temperatur Ta in Übereinstimmung mit der eingestellten
Temperatur T0 zu bringen.
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Die
Vorgabenregelung (Handicap control) ist die erfindungsgemäße Temperaturregelung
und sie wird durch Annahme des tatsächlichen Betriebs eines Ofens
ausgeführt.
Der Einfluss des Bodenbrenners 2-2 auf die Temperatur,
die von dem Thermoelement 3-1 für den Brenner 2-1 gemessen
wird, wird nun als "Beitragsteil α1" bezeichnet, während der
Einfluss des Brenners 2-1 auf die Temperatur, die von dem
Thermoelement 3-2 für
den Bodenbrenner gemessen wird, als "Beitragsteil α2" bezeichnet wird. Wenn sich die Temperatur,
die vom Thermoelement 3-1 gemessen wird, nicht ändert, wenn
der Ausstoß des
Bodenbrenners geändert
wird, ist der Beitragsanteil α1
= 0. Wenn sich die Temperatur, die vom Thermoelement 3-2 gemessen
wird, nicht ändert,
wenn der Ausstoß des
Brenners 2-1 geändert
wird, ist der Beitragsanteil α2
= 0. In jenen Fällen,
die anders als die oben genannten Fälle sind, werden die jeweiligen
Beitragsanteile α1
und α2 im
voraus bestimmt.
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Wenn
der Heizofen betrieben wird, werden Vorgabetemperaturen (Handicap-Temperaturen)
TH1 und TH2 für
die Brenner 2-1, 2-2 gemäß den Gleichungen TH1 = T1
+ (T2 – T1) α1 und TH2
= T2 + (T1 – T2) α2 errechnet.
Beim Regeln des Brenners 2-1, wenn die Vorgabetemperatur
TH1 niedriger ist als die eingestellte Temperatur T0, das heißt (TH1 < T0), wird der Brenner 2-1 so
geregelt, dass sein Ausstoß erhöht wird.
Wenn TH1 > T0, wird
der Brenner 2-1 so geregelt, dass sein Ausstoß gesenkt
wird. Auf diese Art und Weise wird die Vorgabetemperatur TH1 in Übereinstimmung
mit der eingestellten Temperatur T0 gebracht. Der Ausstoß des Bodenbrenners 2-2 wird
ferner auf die gleiche Art und Weise geregelt.
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele
erläutert.
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Beispiel 1
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Wie
in 2 gezeigt, werden in einem Tunnelofen mit in einem
untenliegenden Abschnitt der Ofenseitenwand und einem obenliegenden
Abschnitt der Ofenseitenwand angeordneten Befeuerungssystem Wabenstrukturen
aus Cordierit wirksam befeuert. In dem Tunnelofen gemäß 2 sind
an den obenliegenden Abschnitten Brenner 2-1 und an den
untenliegenden Abschnitten Brenner 2-2 gegenüber dazu
vorgesehen. Es sind jeweils Thermoelemente 3-1 für die in
einem obenliegenden Abschnitt der Ofenseitenwand angeordneten Brenner 2-1 unmittelbar
unter den obenliegenden Brennern vorgesehen, und Thermoelemente 3-2 für die in
einem untenliegenden Abschnitt der Ofenseitenwand angeordneten Bodenbrenner 2-2 unmittelbar über den
Bodenbrennern vorgesehen. Darüber
hinaus wurde der Tunnelofen so konstruiert, dass er in eine Vielzahl an
Zonen aufgeteilt ist, um nicht anfällig gegen Hitzeströme von den
Brennern zu sein, die in Längsrichtung des
Ofens strömen.
Folglich wirken Hitzeströmungen
von den Bodenbrennern 2-2 im Wesentlichen auf die Thermoelemente 3-1 für die Brenner 2-1,
während
Hitzeströmungen
von den Brennern 2-1 im Wesentlichen auf Thermoelemente 3-2 für die Bodenbrenner 2-2 wirken.
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Eine
automatische Temperaturregelung der Feuerung wurde jeweils durch
eine automatische Regelung aus dem Stand der Technik durchgeführt, einer
Ventilöffnungsbegrenzungs-Regelung
der Gasregulierung, einer Mittelwertsregelung und einer Vorgabenregelung
(Handicap control). Die Temperaturen wurden zu bestimmten Augenblicken
von Thermoelementen gemessen, und Defekte und anderes, was nach
dem Befeuern in der Wabenstruktur auftrat, wurde beurteilt. Beim
Regeln mit der automatischen Regelung aus dem Stand der Technik
wurde der Ausstoß der
Brenner automatisch geregelt, um die gemessenen Temperaturen den
eingestellten Temperaturen anzugleichen, unter Bezugnahme auf die
Temperaturen, die von den Thermoelementen 3-1 zum Steuern
des Brenners 2-1 und den Temperaturen, die von den Thermoelementen 3-2 zum
Steuern des Brenners 2-2 ausgelesen wurden. Beim Regeln
mit der Ventilöffnungsbegrenzungs-Regelung
der Gasregulierung wurde der Gasfluss bei einer Obergrenze von 80%
und einer Untergrenze von 30% der Ventilöffnung erzwungen gestoppt.
Darüber
hinaus wurden die Brenner beim Steuern mit der Mittelwertsregelung
und der Vorgabenregelung wie in den vorstehend beschriebenen Beispielen
reguliert. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
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Beispiel 2
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Wabenstrukturen
aus Cordierit wurden auf die gleiche Art und Weise wie im Beispiel
1 in einem Tunnelofen mit in einem obenliegenden und einem untenliegenden
Abschnitt der Ofenseitenwand angeordneten Befeuerungssystem, wie
es gemäß 3 konstruiert
ist, befeuert, und Messungen wurden auf dieselbe Art und Weise wie
im Beispiel 1 durchgeführt.
In dem Tunnelofen der Konstruktion gemäß 3 war ein
Brenner 2-1 an dem obenliegenden Abschnitt der Ofenseitenwand
des Ofens und ein Brenner 2-2 an dem untenliegenden Abschnitt
der Ofenseitenwand gegenüber
dazu vorgesehen. Ein (nicht gezeigtes) Thermoelement für den Brenner 2-1 war
unmittelbar unterhalb des Brenners und ein (nicht gezeigtes) Thermoelement
für den
in der Ofenseitenwand angeordneten Bodenbrenner 2-2 war
unmittelbar oberhalb des Bodenbrenners 2-2 jeweils vorgesehen,
um ein erste Paar Brenner mit Thermoelementen zu bilden. Auf einer
Seitenwand des Ofens sind ein zweites Paar an Bodenbrennern 2-2 angrenzend
an ein erstes Paar der von diesen beeinflussten Brenner 2-1 angeordnet,
und an der anderen Seitenwand des Ofens sind ein zweites Paar an
von diesen beeinflussten Brennern 2-1 angrenzend an ein
erstes Paar Bodenbrenner 2-2 angeordnet. Auf diese Art
und Weise sind Brennerpaare abwechselnd in dem Ofen gemäß 3 angeordnet.
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Der
Tunnelofen wurde nicht in Zonen aufgeteilt, so dass dieser Ofen
anfällig
auf Hitzeströmungen
von den Brennern war, die in Längsrichtung
des Ofens strömen.
Folglich beeinflussten Hitzeströmungen
von den Bodenbrennern 2-2 im Wesentlichen das Thermoelement
für den
Brenner 2-1 gegenüber
dazu und das Thermoelement für
den angrenzenden stromabwärtigen
Bodenbrenner 2-2, die von den durchgezogenen Linien in 3 umgeben
sind, und die, Hitzeströmungen
von den von diesen beeinflussten Brennern 2-1 wirken im
Wesentlichen auf die Thermoelemente für die in Bodenabschnitten der
Ofenseitenwand angeordneten Bodenbrenner gegenüber dazu und auf die Thermoelemente
für die
angrenzenden stromabwärtigen
Brenner 2-1,
die von den gestrichelten Linien in 3 umgeben
sind. In der Mittelwertsregelung und der Vorgabenregelung wurde
die Temperaturregelung dementsprechend unter Berücksichtigung der Temperaturen
der zwei relevanten Brenner und zusätzlich der Temperatur des von
diesen beeinflussten Brenners durchgeführt. Die Ergebnisse sind in
Tabelle 2 gezeigt.
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Beispiel 3
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Die
aus Cordierit hergestellten Wabenstrukturen wurden auf die gleiche
Art und Weise wie in Beispiel 1 in einem Rollwagenofen, wie es in 4 gezeigt
ist, befeuert und Messungen wurden in der gleichen Art und Weise
wie im Beispiel 1 durchgeführt.
In dem Rollwagenofen der Konstruktion gemäß
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4 sind
ein in einem obenliegenden Abschnitt der Ofenseitenwand angeordneter
Brenner 2-1, ein in einem untenliegenden Abschnitt der
Ofenseitenwand angeordneter Brenner 2-2 und ein in einem
mittleren Abschnitt der Ofenseitenwand angeordneter Brenner 2-3,
sowie Thermoelemente 3-1, 3-2, 3-3 vorgesehen, die
gegenüber
zum Brenner 2-1, Brenner 2-3 und Bodenbrenner 2-2 zur
Messung der jeweiligen Temperaturen dieser Brenner angeordnet sind.
Deshalb beeinflussen die Hitzeströmungen von jedem der Brenner 2-1, 2-2 und 2-3 deren
gegenüberliegendes
Thermoelement und die zwei übriggebliebenen
Thermoelemente. In der Mittelwertsregelung und der Vorgabenregelung
wurde die Temperaturregelung dementsprechend unter Berücksichtigung
der Temperaturen, die von allen Brennern 2-1, 2-2, 2-3 stammen,
durchgeführt.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt.
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Beispiel 4
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Die
aus Cordierit hergestellten Wabenstrukturen wurden auf die gleiche
Art und Weise wie in Beispiel 1 in einem Tunnelofen, der mit einem
unteren und oberen Befeuerungssystem, wie es in 5 gezeigt
ist, konstruiert ist, befeuert und Messungen wurden in der gleichen
Art und Weise wie im Beispiel 1 durchgeführt. Der Tunnelofen der Konstruktion
gemäß 5 unterscheidet
sich von dem aus Beispiel 1, das in 2 gezeigt
ist, durch das Merkmal, dass ein Thermoelement 3-1 für einen
Brenner 2-1 vorgesehen und gegenüber davon angeordnet ist, und
ein Thermoelement 3-2 für
einen Brenner 2-2 vorgesehen und gegenüber davon angeordnet ist. Der
in 5 gezeigte Tunnelofen hat einen oberen Abschnitt,
in dem Wabenkörper
wirksam gebrannt werden, und einen Boden-Rollwagenabschnitt, der den oberen Abschnitt
trägt und
durch Sanddichtungen abgedichtet ist. Die inneren Drücke sowohl
des oberen als auch des Bodenabschnitts werden jeweils durch nicht gezeigte
unabhängige
Ventilatoren reguliert. Die Radteile der Rollwagenabschnitte sind
aus Metall gebildet, so dass der Innendruck des Bodenabschnitts
auf einen höheren
Pegel eingestellt ist als der des oberen Abschnitts, um die Radteile
an der Oxidation aufgrund der Heizatmosphäre mit einer höheren Temperatur
im oberen Abschnitt zu hindern. Durch die Einstellung auf diese
Art und Weise wird Kühlluft
von dem Bodenabschnitt in den obenliegenden Abschnitt eingeführt. Es
wurden Ausführungsbeispiele
des Beispiels 4 unter der Annahme der Bedingungen von Problemfällen ausgeführt. Die
Temperaturregelung wurde unter der Bedingung ausgeführt, dass
Kühlluft
aufgrund eines unvollständigen
Eingriffs zwischen den Rollwagen 4 und einer Unvollständigkeit
der Sanddichtungen 11 nach oben geblasen wurde (vgl. Ausführungsbeispiele
31 bis 41 nach Tabelle 4) und weiterhin unter der Bedingung, dass
Tragsäulen 12 der
Regale 5 auf einem Rollwagen 4 dem Bodenbrenner 2-2 gegenüberliegen
(vgl. Ausführungsbeispiele
35 bis 38 nach Tabelle 4).
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Aus
den Ergebnissen der Beispiele 1 bis 4 wurde herausgefunden, dass
die Temperaturen in einem Ofen durch die Mittelwertsregelung und
die erfindungsgemäße Vorgabenregelung
bei dem Temperaturregelungsverfahren gleichmäßiger auf einer eingestellten
Temperatur gehalten werden können
im Vergleich zu der Regelung von Hand und der Gasregelung durch
die Ventilöffnungsbegrenzungsregelung
aus dem Stand der Technik.
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Wie
aus der vorstehend genannten Erläuterung
hervorgeht, wird die Steuerung der Betriebsbedingungen der Brenner
erfindungsgemäß nicht
nur unter Berücksichtigung
der Temperatur in der Nähe
des beeinflussten Brenners, sondern auch der Temperaturen der anderen
Brenner in der Nähe
des beeinflussten Brenners, deren Heizströmungen sich auf die Temperatur
in der Nähe
des beeinflussten Brenners auswirken, ausgeführt. Deshalb kann das erfindungsgemäße Regelungsverfahren
in einem Ofen unter Berücksichtigung
der tatsächlichen
Temperaturverteilung in dem Ofen so gesteuert werden, dass die Temperatur
in dem Heizofen gleichmäßig bei
einer eingestellten Temperatur gehalten werden kann.
