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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Ofen, sein Betriebsverfahren
und seine Steuerung.
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Insbesondere
bezieht sich die Erfindung auf einen Ofen, auf ein Betriebsverfahren
eines Ofens und auf ein Verfahren zur Steuerung eines Ofens, um Nichteisenmetalle,
wie beispielsweise Kupfer, Blei und Aluminium, ohne Einschränkung zurückzugewinnen.
Die Erfindung ist speziell für
die Rückgewinnung von
Aluminium gut geeignet.
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Hintergrund
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Öfen zur
Rückgewinnung
von Metallen, wie Aluminium, sind gut bekannt. Zunehmend besteht eine
Nachfrage nach solchen Öfen,
da die Gesetzgebung dazu tendiert, Rückgewinnung und Recycling von
Materialien, insbesondere Abfallmetallen, zu fördern. Es sind bei der Rückgewinnung
von Abfallmetallen auch eher Vorteile für die Umwelt zu verzeichnen,
als einfach Roherz abzubauen und zu schmelzen. Aluminium eignet
sich besonders gut zum Mischen von rückgewonnenem(Abfall-)Aluminium
mit neuem Aluminiummaterial.
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Zu
Zwecken der vorliegenden Spezifikation und dem Verständnis der
Erfindung werden der Ofen, seine Betriebsverfahren und Steuerung
mit Bezug auf Rückgewinnung
von Aluminium beschrieben. Es wird aber allgemein vorausgesetzt,
dass eine Änderung
bezüglich
Materialien, Betriebsbedingungen und Parametern vorgenommen werden
kann, um den Ofen zu modifizieren, damit Rückgewinnung anderer Nichteisenmetalle
ermöglicht
wird.
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Öfen zur
Rückgewinnung
von Abfallaluminium besitzen ein Heizsystem, welches das Aluminium schmilzt.
Ein Flussmittel wird in den Ofen eingeführt, um bei der Aluminiumrückgewinnung
zu helfen. Das Flussmittel besteht generell aus NaCl und KCl, doch können andere
Chemikalien, wie beispielweise Kryolith, dem Flussmittel hinzugefügt werden.
Das Flussmittel oder Rohsulfat hilft beim Prozess und ist ein gut bekanntes
Fachgebiet. Bei hohen Temperaturen, typischerweise von 200°C-1000°C, schwimmt
das geschmolzene Flussmittel auf dem geschmolzenen Aluminium, da
es eine geringere Dichte aufweist. Gießen des rückgewonnenen flüssigen Aluminiums ist
dann durch Kippen oder Neigen des Ofens in einer solchen Weise möglich, dass
das Flussmittel im Ofen verbleibt.
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Stand der Technik
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Bestehende
Metallrückgewinnungsöfen haben
einen generell zylindrischen Körper,
der drehgelenkig an einem Gestell angeordnet ist, sodass er sich
aus einer ersten, vorbestimmten, im wesentlichen horizontalen Heizphasenposition
(während
das Aluminium schmilzt) in eine zweite, geneigte Gießposition
bewegen kann, in welcher Position sich geschmolzenes Aluminium gießen lässt. Einige
bestehende Ofen haben Körper,
die ein offenes Ende aufweisen, das sich nach innen gerichtet verjüngt. Abfallaluminium
wird in den Ofen geladen und geschmolzenes Aluminium wird am offenen
Ende aus dem Ofen gegossen.
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Ein
Beispiel eines Ofens zur Metallrückgewinnung
mit einem nach innen gerichtet verjüngten offenen Ende ist in der
europäischen
Patentanmeldung
EP-A3-1243663 (Linde
AG) beschrieben. Es wird ein Prozess zum Schmelzen von verunreinigtem Aluminiumschrott
beschrieben. Der Prozess umfasst: Messen des Sauerstoffgehalts des
beim Schmelzen des Schrotts produzierten Abgases; und Verwenden des
Werts als einen Kontrollparameter während der Pyrolyse der Verunreinigungen
und/oder während des
Schmelzens des Aluminiums.
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Andere
Ofentypen waren mit einer oder mehreren Ofentüren ausgestattet. Die Ofentür(en) war(en)
am offenen Ende (Gießende)
des Ofens vorgesehen. Manchmal stützten Ofentüren ein Ofenheizgerät. Die Tür(en) war/waren
mittels Scharnier an einem stationären Punkt, separat vom zylindrischen
Körper
des Ofens, montiert. Deshalb war es nur möglich, die Ofentüren zu schließen, wenn
sich der zylindrische Körper
des Ofens in einer vorbestimmten Position befand.
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Eine
Anforderung war, dass der Ofen in der Lage war, eine vorbestimmte
Position anzunehmen, um geschmolzenes Metall zurückhalten zu können. Die
Tatsache, dass bestehende Öfen
diese Position annehmen mussten, bedeutete, dass der Ofen nur in einem
Winkel betrieben werden konnte. Dies wurde in gewissem Umfang durch
Verwendung eines nach innen gerichtet verjüngten offenen Endes gelindert, das
ein Reservoir innerhalb des Ofens definierte, in das geschmolzenes
Aluminium floss. Wenn es erwünscht
war, das geschmolzene Aluminium auszugießen, zum Beispiel in eine Gieß- bzw.
Laufrinne (feuerfestes Aufnahmegefäß), floss das Flussmittel manchmal
mit dem geschmolzenen Material aus, weil es schwierig war, das Flussmittel
vom geschmolzenen Aluminium zu trennen. Ein Grund hierfür war, dass
bestehende Öfen
auf einen derartigen Winkel gekippt werden mussten, um das Ausgießen von
geschmolzenem Aluminium zu bewirken oder zu erlauben. Die Folge
war, dass eine Mischung von Flussmittel und geschmolzenem Aluminium
manchmal gegossen wurde und häufig
war ein Schrapper nötig, um
die beiden Materialien zu trennen. Außerdem reduzierte das verjüngte Ende
in gewissem Umfang die Größe des offenen
Endes des Ofenkörpers,
wodurch die Größe von Gegenständen begrenzt
wurde, die in den Ofen platziert werden konnten.
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Bei
geschlossener Tür
war es nicht möglich, den
Schmelzprozess zu beobachten. Unbeabsichtigtes Öffnen der Tür führte zu einer exothermen Reaktion,
was zur Folge hatte, dass das Aluminium nach Reaktion mit Sauerstoffüberschuss
abgebrannt wurde.
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Das
US-Patent
US-B-6 213
763 (LaVelle) beschreibt einen Drehtrommelofen, der eine
Trommel und einen Rahmen umfasst. Der Rahmen und die Trommel sind
für Drehbewegung
um eine horizontale Drehachse abgestützt.
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Die
US-Patentanmeldung US-A-2002/074700 (Mansell) offenbart ein Verfahren für das Recycling
von Altmetall durch Schmelzen, um es vom Schrott zu entfernen. Das
Verfahren umfasst einen Ofen, der in verschiedene Positionen geschwenkt
und gedreht wird.
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Die
Erfindung stellt einen Ofen bereit, der die oben genannten, mit
bestehenden Öfen
verbundenen Probleme überwindet.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist, einen Ofen bereitzustellen, der
einen größeren Wiedergewinnungsgrad
für Abfallmetall
als bisher erreichbar aufweist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Ofen vorgesehen, der aus Folgendem besteht: einem
im wesentlichen zylindrischen Ofenkörper mit einem geschlossenen
Ende und einem offenen Ende, einem Rahmen, der drehgelenkig an einem
Bodenteil angeordnet ist, wobei der besagte Rahmen den Ofenkörper zur
Rotation in unterschiedlichen Winkeln in einer nach hinten geneigten
Position (α)
vom offenen Ende und in einem nach vom geneigten Winkel (β) zum offenen
Ende trägt,
einem Brenner zur Erhitzung des Ofens und mindestens einer Scharniertür, die zum
Schließen
des offenen Endes des Ofens vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet,
dass die Wände
des Ofeninneren im Wesentlichen parallel und zylindrisch sind, wobei
die Tür
oder jede Tür
am Rahmen angelenkt und in der Lage ist, sich in Übereinstimmung
mit dem Heben und Senken des Ofens vor- und zurückzuneigen.
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Infolge
des im wesentlichen konstanten Durchmessers der Innenwände des
Ofenzylinders ist es nicht länger
notwendig, den Ofen in einem derartig übertriebenen Winkel zu neigen,
um geschmolzenes Metall zu gießen.
Außerdem
lässt sich,
sobald gegossen, ein viel höherer
Prozentsatz geschmolzenen Metalls erhalten, weil es nicht länger einen
Einschluss von Rückstand
im Ofen infolge einer Lippe oder eines Halses gibt.
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Idealerweise
wird die Tür
an den Rahmen angelenkt, der den Ofen trägt und der in der Lage ist, sich
in Übereinstimmung
mit dem Neigen (Heben und Senken) des Ofens zu verlagern. Ein diesbezüglicher Vorteil
ist, dass die Türen
stets in nächster
Nähe der Öffnung des
Ofens gehalten werden. Dieses wirkt sich in zweifacher Weise vorteilhaft
aus: Erstens besteht ein geringeres Risiko, dass Sauerstoff in den Ofen
eintritt (was die Atmosphäre
kontaminieren könnte)
und zweitens werden Wärmeverluste
reduziert, weil der Ofen während
seines Betriebs in einem geschlossenen Zustand gehalten wird. Somit
wird Effizienz erhöht,
da weniger Energie zum Schmelzen des Aluminiums erforderlich ist.
Daher ist es offenkundig, dass die Verwendung der Erfindung einen kostengünstigen
(und rentableren) Aluminiumrückgewinnungsprozess
bereitstellt.
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Vorzugsweise
hat die Tür
oder jede Tür
eine oder mehrere Inspektionsluken zum Beobachten des Schmelzprozesses
und/oder durch die geschmolzenes Material gegossen werden kann.
Weil der Bereich der Inspektionsluke oder jeder der Inspektionsluken
kleiner als die Tür
selbst ist, entweicht weniger Energie bei der Inspektion der Innenseite
des Ofens.
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Vorteilhaft
hat die Tür
oder jede Tür
zwei Hälften,
die jeweils an einer von beiden Seiten des Rahmens angelenkt sind.
In einer beispielhaften Ausführungsform
fungieren die Scharniere als integrale Luft- und Brennstoff-Förderleitungen,
was ermöglicht,
die Ofentüren
zu schließen
und dass das Erhitzen in einer kontrollierten Atmosphäre stattfinden
kann.
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Vorzugsweise
ist das Heizgerät
ein Gasbrenner und ist, wie hiernach beschrieben, an der Tür montiert.
In einer speziell bevorzugten Ausführungsform wird die Verbrennungsluft
durch das Ofentürscharnier
zum Brenner geleitet. Das Luft- und Brenngas-Fördersystem (Luft- und Gasstrang)
ist am Ofen befestigt und ist außerdem in der Lage sich mit
dem Ofen zu neigen und zu bewegen. Dies wird mittels Winkel- und/oder
Dreh-Fluidanschlüssen
erzielt, die gasdichte Drehdurchführungen verwenden.
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Ein
Ofen könnte
umfassen: Einen im wesentlichen zylindrischen Ofenkörper mit
einem geschlossenen Ende und einem offenen Ende generell konstanten
Durchmessers; einen Rahmen, der drehgelenkig an einem Bodenteil
angeordnet ist, wobei der besagte Rahmen den Ofenkörper zur
Rotation in unterschiedlichen Winkeln in einer nach hinten geneigten
Position vom offenen Ende weg und in einer nach vorn geneigten Position
in Richtung des offenen Endes trägt,
wo sich eine Tür,
die sich durch Schwenken auf einem Scharnier öffnet und schließt und ein
Brenner zum Erhitzen befinden, wodurch Luft und/oder Gas mittels
eines Verteilerrohrs zugeführt
werden, das von den Scharnieren getragen wird oder durch diese hindurchgeht.
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Dies
wird mittels Winkel- und/oder Dreh-Fluidanschlüssen erzielt, die gasdichte
Drehdurchführungen
verwenden. Infolgedessen ist das Luft- und Brenngas-Fördersystem
(Luft- und Gasstrang) in der Lage sich mit dem Ofen zu neigen und
zu bewegen.
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Der
Brenner ist idealerweise in einer Tür in einem Winkel und so angebracht,
dass ein daraus stammender Gasstrahl nicht an das zu bearbeitende Ladematerial
anprallt. Ein Vorteil davon ist, dass Hitze nie direkt auf das Ladematerial
aufgebracht wird. Daher besteht im Gegensatz zu bestehenden Öfen ein
geringeres Risiko, das geschmolzene Metall, das rückgewonnen
werden soll, zu oxidieren. Die logische Folge davon ist, dass der
Ertrag weiter verbessert wird.
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Vorteilhafterweise
ist der Brenner ein Brenner des Hochgeschwindigkeitstyps, aber Brenner
anderer Typen könnten
ebenso zum Einsatz kommen. Typischerweise wird die Wärmeleistung
des Brenners durch die Größe und den
Durchsatz des Ofens bestimmt, beträgt aber üblicherweise nicht weniger als
1200 kW.
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Der
Winkel des in der Tür
oder in den Türen montierten
Brenners ist derart, dass er optimale Wärmeübertragung in das Feuerfestmaterial
und in das zu verarbeitende Material sicherstellt und idealerweise
den Strahl in Richtung der Endwand des Innenraums des Ofenkörpers zielen
lässt.
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Vorzugsweise
besitzt der Ofen eine Auslassöffnung.
Ein Luftstrahl oder Luftvorhang ist über der Auslassöffnung vorgesehen,
um den Druck im Ofen zu kontrollieren. Der Luftstrahl oder Luftvorhang
ermöglicht
Druckausgleich der Innenatmosphäre
des Ofens in Bezug auf die äußere Atmosphäre bzw.
Umgebungsatmosphäre.
Dieses Merkmal verbessert weiter Energieeffizienz und Wiedergewinnung,
da der Luftvorhang den Ofen effektiv versiegelt, dadurch wird Sauerstoff
in der Innenatmosphäre
und somit Oxidation reduziert. Überdies
geht, weil ein Siegeleffekt besteht, weniger Energie vom Ofen verloren,
beispielsweise infolge von Konvektionsverlusten verloren. Somit
hilft der Luftvorhang an der Ofentürauslassöffnung, den Ofendruck und die
Ofenzustände
zu kontrollieren. Der Luftvorhang wird vorzugsweise entsprechend
der Größe und Anwendung
des Ofens dimensioniert und angeordnet.
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Ein
Steuersystem künstlicher
Intelligenz, wie beispielsweise ein Fuzzy-Logik-Steuersystem mit neuronalem Netz steuert
wichtige Prozessvariablen und Untervariablen, die nachstehend beschrieben sind.
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Vorteilhafterweise
ist/sind ein oder mehrere Sensor/Sensoren bereitgestellt, um die
Temperatur der feuerfesten Auskleidung und des geschmolzenen Materials
zu messen.
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Temperatursensoren
in den Ofentüren
sind auf feuerfeste Auskleidungen und/oder auf zu bearbeitendes
Material gerichtet. Kenntnis der Außenhauttemperatur des Ofens
und der Verteilung von Hitze über
die äußere Oberfläche des
Ofens ermöglicht größere Kontrolle
des Heizbetriebszustands.
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Eine
Mehrheit von Sensoren, die in einer bekannten Beziehung zueinander
angeordnet sind, ermöglichen
Mittelwerterfassung der Ofentemperatur sowie Bereitstellen wichtiger
Information hinsichtlich vorübergehender
Spitzen in der Ofentemperatur.
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Zweckmäßigerweise
trägt ein
Umfangsring (Rundring) ein Zahnrad, das mit einem Antriebssystem
verbunden ist. Das Antriebssystem könnte einen Antriebsmotor umfassen
oder wird durch eine Kette angetrieben und ist daran angepasst,
in Zähne
eines Kettenrads oder Zahnradzähne
einzugreifen, die um eine äußere Oberfläche des
Ofens angeordnet sind. Wo ein Kettenantrieb zum Einsatz kommt, beträgt die Anzahl
der Kettenradzähne
am Umfangsring, um den Ofenumfang, die halbe Anzahl der Kettenteilung. Dies
reduziert Schleppmoment und Kettenabnutzung und reduziert daher
den Energiebedarf des Antriebsmotors. Außerdem verlängert es die Lebensdauer der
Kette und des Kettenrads.
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Idealerweise
werden Packungskeile verwendet, um eine Feinpassung zwischen einem
Umfangsring (auf dem der Ofen rotiert) und der Außenfläche des
Ofens sicherzustellen. Diese Keile sind idealerweise mit einem Gewindeteil
verbunden, welches, wenn festgezogen, den Keil veranlasst den Ring
festzuklemmen und einen festen Halt konzentrisch mit auf der Oberfläche montierten
Laschen und dem Ring sicherzustellen. Dies ist wegen differenzieller thermischer
Dehnung erforderlich, die auftritt, wenn der Ofen seinen Betriebszustand
durchläuft.
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Idealerweise
kann der Antriebsmotor den Ofen mit einer variablen Drehzahl rotieren.
Die Rotation des Ofens dient dazu, das zu bearbeitende Material
zu schütteln
und über
die feuerfeste Auskleidung Wärme
in das Material zu übertragen.
Idealerweise wird Rühren
durch Rotation und Gegenrotation des Ofens (dies geschieht durch
schnelle Betätigung eines
Wechselstrommotors (WS)) bei vorbestimmten und selektierten Betriebswinkeln
und -geschwindigkeiten erzielt.
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Der
Elektromotor ist, wie oben erwähnt,
auf zwei Arten mit dem Ofen verbunden: entweder mittels einer festen
Kopplung wie einem Rädergetriebe, Zahnstangengetriebe
oder idealerweise mit einem Kettenantrieb. Die Kombination von Elektromotor, Motorsteuerung
und Kopplungsmechanismus wird hiernach als ein Ofenrotationssystem
beschrieben. Das Ofenrotationssystem wird für Bremszwecke vorteilhaft durch
Einsatz eines dynamischen Bremssystems gesteuert. Ein Wechselrichter
wird zum Steuern des Motors für
Bremszwecke verwendet und Gleichstrom (GS) wird steuerbar als Teils
eines dynamischen Bremssystems eingespeist.
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Das
dynamische Bremssystem schließt
folgende Schritte ein: Einspeisen von Gleichstrom (GS), unter Kontrolle
einer Feedback-Schleife, beruhend auf einem Signal, das von einem
oder mehreren Sensor(en) stammt, die Lastkenndaten des Ofens messen.
Derartige Ofen-Lastkenndaten umfassen: erforderliches Drehmoment
und Laufruhe. Um den Ofen schnell zu verlangsamen, ermittelt ein Kontroller
einen GS-Wert, der auf der Konfiguration der Wechselrichter, Parameter
beruht und gibt ein Feedback-Signal aus, das zum Steuern des Pegels und
der Rate der GS-Einspeisung zur Verlangsamung des Motors und/oder
dem Halten des Motors in einer speziellen Orientierung verwendet
wird. Der Ofen und sein Inhalt werden dadurch in einer vorbestimmten
Position gehalten. Da das geschmolzene Metall dichter als das Flussmittel
ist, sinkt das Metall in einen niedrigeren Bereich des Ofens ab,
von wo es leicht gegossen oder gegenläufig rotiert werden kann, um
optimales Vermischen des Abfallmaterials und des Flussmittels (Schütteln) zu
erzielen.
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Weil
die Wände
des Ofeninnenraums parallel und zylindrisch sind, wobei eine Ofentür das offene
Ende des Ofens abdeckt, wird das Gießen der Schmelze bei einem
kleineren Neigungswinkel (Kippwinkel) erzielt. Wenn dies erwünscht ist,
wird der Ofen vorzugsweise geneigt, indem zwei hydraulische Plungerkolben
oder Hebeböcke
ausgefahren werden.
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Ein
Verfahren zum Betrieb eines Ofens kann die folgenden Schritte umfassen:
Beladen des Ofens mit einer Mischung aus Flussmittel und einem zu schmelzenden
Material, aus dem Metall rückgewonnen
werden soll; Erhitzen der Mischung, bis das Metall schmilzt; Schütteln (Bewegen)
der Mischung, um Agglomeration des geschmolzenen Metalls zu fördern; und
Neigen eines Endes des Ofens, um das geschmolzene Metall auszugießen.
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Das
Verfahren zum Betrieb des Ofens lässt sich wiederholen, indem
das angehobene Ende nach rückwärts geneigt
wird, um neues zu schmelzendes Material einzuführen, aus dem Metall rückgewonnen werden
soll, Schütteln
(Bewegen) der Mischung um Agglomeration zu fördern und Anheben eines Endes des
Ofens, um rückgewonnenes
Metall auszugießen.
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Vorzugsweise
beträgt
der Neigungswinkel weniger als 20°,
noch besser beträgt
der Neigungswinkel weniger als 15°,
am besten beträgt
der Neigungswinkel weniger als 10°.
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Ein
Verfahren zum Steuern eines Ofens kann die folgenden Schritte umfassen:
steuerbares Erhitzen eines Ofens durch Steuern mindestens der folgenden
Bedingungen: der Temperatur; der Masse der Ladung; der Viskosität der Ladung;
der Zeit zum Erreichen der Viskosität; des Luftsauerstoffgehalts des
Ofens; der Rate des Energieeinsatzes und der kumulativ eingesetzten
Energie.
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Die
Ofentür
oder -türen
ist/sind mit Inspektionstüren
bzw. -luken versehen, die sich während
des Prozesses öffnen
lassen, um den Zustand des zu bearbeiten den Materials bei minimaler
Energiefreigabe zu prüfen.
Die Überwachung
der oben erwähnten
Variablen wird aber ideal mittels einer Mehrheit von Sensoren und
einem Datenfernerfassungssystem wie beispielsweise einem überwachenden
Kontroll- und Datenerfassungssystem (SCADA-System) erzielt. Idealerweise
ist das SCADA-System in die Ofensteuerausrüstung eingebaut und sammelt
und analysiert alle Ofendaten und Steuerungseingaben und -ausgaben.
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Der
Einsatz von SCADA-Systemen ermöglicht
die Online-Diagnose des Prozesses und (Support) die Unterstützung per
Fernzugriff. Dieser Aspekt der Erfindung verbessert die Online-Überwachung
und die elektronische Archivierung. Ein fest zugeordnetes Feldkommunikations-Datenbusverdrahtungssystem
zum Beispiel Profi-Bus (Warenzeichen) wird idealerweise der Vorzug
vor mehradrigen Kabelnetzen gegeben. Lokale und ferne Steuerkästen empfangen
und codieren Signale für
Prozesssensoren, die ideal positioniert sind, um Prozessvariablen,
die in das Ofen-Prozesssteuersystem eingebaut sind, zum Beispiel
und ohne Beschränkung,
Ofenhauttemperaturen, Temperaturen der feuersfesten Auskleidung,
Brenngas und Luftströme
und -drücke zu
messen.
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Vorzugsweise
wird der Winkel des Rahmens mittels hydraulischem(r) Plungerkolben
verändert, wodurch
der Körper
zwecks Rotation bei verschiedenen Winkeln in einer nach hinten geneigten
Position vom offenen Ende weg und in einer nach vom geneigten Position
in Richtung des offenen Endes gestützt wird. Die hydraulischen
Plungerkolben sind idealerweise aus hitzebeständigem Wasser-Glykol.
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Vorzugsweise
ist der Rahmen drehgelenkig am Bodenteil angeordnet, sodass die
Drehachse mit einer Gießlippe
am offenen Ende des Ofenkörpers fluchtet.
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Vorzugsweise
ist der Ofen daran angepasst, Abfallaluminium rückzugewinnen.
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Alles
Obengenannte trägt
zu höheren
Metallrückgewinnungserträgen, geringerem
Energieverbrauch, geringerem Flussmittelgebrauch und schnelleren
Zykluszeiten bei.
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Das
Verbrennungssystem des Ofens lässt sich
mit mehreren Brennstoffen, nämlich,
Erdgas, Propan, schwerem Heizöl,
leichtem Heizöl,
Brennstoff-Sauerstoff usw. betreiben.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung wird nun mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben.
Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Ofens (mit
abgenommener Tür),
die einen Ofenkörper,
einen Tragrahmen und ein Antriebssystem zeigt;
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2 eine
Seitenansicht des in der 1 gezeigten Ofens, mit dem Ofen
in einem nach hinten geneigten Winkel (α);
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3 eine
Seitenansicht des in der 1 gezeigten Ofens, mit dem Ofen
in einer zum Kippen oder Gießen
angehobenen Position, in einem nach vorn geneigten Winkel (β);
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4 eine
teilweise Schnittansicht entlang der Linie X-X der 5,
die einen Abschnitt eines von 18 typischen Packungskeilen zeigt,
die in Kontakt gegen einen „Reifen" aus Stahl getrieben
sind, der den Ofen umgibt;
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5 eine
Ansicht entlang des Pfeils Y der 4, die eine
Draufsicht eines der Packungskeile zeigt, die in Kontakt gegen den „Reifen" aus Stahl getrieben
sind, der den Ofen umgibt;
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6A eine
Frontansicht der Tür
des Ofens;
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6B und 6C Seitenansichten
des Ofens;
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6D eine
grafische obige Draufsicht der Türen
des Ofens (in sowohl geöffneten
als auch geschlossenen Positionen), um rotierende Luft- und Gaseinlassverteiler
zu veranschaulichen;
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7a eine
Systemstruktur, die "Fuzzy"-Logik-Folgerungsablaufprozesse
für einige
Beispiele und (ohne Beschränkung)
wichtige Entscheidungsschritte in einem System künstlicher Intelligenz veranschaulicht;
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7b ein
Diagramm, das Zugehörigkeitsfunktionen,
beispielsweise, einiger Variablen und (ohne Beschränkung) einiger
wichtiger Entscheidungsschritte in einem System künstlicher
Intelligenz veranschaulicht; und
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7c ein
Ablaufdiagramm, das Feedback-Steuerung vom System künstlicher
Intelligenz zu Gas- und Luftversorgungen zum Ofen veranschaulicht
und zeigt, wie die Ofentemperatur erhöht/gesenkt wird.
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Mit
Bezug auf die Figuren im Allgemeinen und die 1 bis 3 insbesondere
ist ein Ofen 10 gezeigt. Der Ofen 10 hat einen
generell zylindrischen Ofenkörper 12 von
generell konstantem Außendurchmesser
und Innendurchmesser, infolge paralleler Seitenwände. Der Ofenkörper 12 hat
ein geschlossenes Ende 13 und ein offenes Ende 14.
Der Körper 12 könnte aus
Stahl gebildet und intern mit feuerfesten Auskleidungen oder Ziegel
ausgekleidet sein, wie es auf dem Fachgebiet gut bekannt ist. Beispiele
feuerfester Auskleidungen oder Ziegeln sind STEIN 60 P (Warenzeichen)
und NETTLE DX (Warenzeichen).
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Der
Rahmen 15 ist bereitgestellt, um den Ofenkörper 12,
wie durch die Pfeile A gezeigt, für Rotation im Uhrzeigersinn
und Gegenuhrzeigersinn zu tragen. Zum Rotieren des Körpers 12 könnte der Rahmen 15 Stützräder, auf
denen der Körper 12 ruht und
einen Motor 20 umfassen, der ein Zahnrad 22 am
Körper 12 antreibt.
Das Drehmoment wird vom Motor 20 mittels einer Kette 24 auf
das Zahnrad übertragen.
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Der
Rahmen 15 ist drehgelenkig an einem Bodenteil in Form von
Füßen 16A und 16B angeordnet,
die am Boden befestigt sind und eine Drehachse „Z-Z" bereit stellen. Der Rahmenwinkel lässt sich
relativ zu den Füßen 16a, 16b so
verändern,
dass der Rahmen 15 den Körper 12 zur Rotation
bei verschiedenen Winkeln (α)
von der Horizontalen in einer nach hinten geneigten Position vom
offenen Ende (Ofenöffnung)
weg und (β)
in einer nach vorn geneigten Position in Richtung des offenen Endes,
tragen kann. Der Neigungswinkel des Rahmens wird mittels hydraulischer
Plungerkolben 16c, 16d verändert. Die hydraulischen Plungerkolben 16c und 16d sind
idealerweise aus hitzebeständigem
Wasser-Glykol.
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Der
Ofenkörper 12 hat
eine Gießlippe 17 am untersten
Punkt des offenen Endes 14 und die Drehachse „Z-Z" fluchtet mit einer
Gießlippe 17 am
offenen Ende 14 des Ofenkörpers 12.
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Wie
in den 6a, 6b und 6c gezeigt,
weist der Rahmen 15 an einem Ende eine Türstützstruktur 15a auf,
an der eine Tür 18 scharnierartig
befestigt ist, um das offene Ende 14 abzudichten. Die Tür 18 hat
zwei Türen 19a und 19b,
die scharnierartig an entgegengesetzten Seiten der Türstützstruktur 15A befestigt
sind. Die Türen
können
vom offenen Ende 14 weg schwenken, damit der Ofen beladen
oder geschmolzenes Metall ausgegossen werden kann oder die Türen können in
Richtung des offenen Endes 14 schwenken, um dieses abzudichten. In
der Praxis ist ein Spalt zwischen den Türen und dem offenen Ende 14 vorhanden,
wenn die Türen das
offene Ende 14 abdichten.
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Ein
Brenner 30 ist an der Tür 19b bereitgestellt.
Dem Brenner 30 kann Brennstoff (wie Erdgas) und Luft durch
eine Zufuhrleitung oder ein Rohr 31 zugeführt werden,
wobei das Gas über
eine Gasdrehdurchführung 32 und
Luft durch eine Luftdrehdurchführung 33 zugeführt wird.
Die Zufuhrleitung 31, die Gasdrehdurchführung 32 und die Luftdrehdurchführung 33 werden
zusammen als das Brennstoff-Fördersystem 35 bezeichnet.
Die Reichweite der Verbrennungsgase vom Brenner 30 kann
4 m oder sogar 6 m in längeren Öfen betragen.
Weil das Gas-Fördersystem
effektiv in der Lage ist, sich in zwei orthogonalen Ebenen, mittels
der Drehdurchführungen 32 und 33,
zu bewegen, ist es möglich,
die (oder jede) Ofentür
in eine offene Position zu schwenken, sowie den Ofen auf hydraulischen
Plungerkolben 16c und 16d kippen, während der
(die) Brenner 30 in Betrieb ist (sind).
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Die
Türen 19a und 19b haben
jeweils eine Inspektionsluke 34a und 34b, zum
Beobachten des Schmelzprozesses und/oder durch die sich geschmolzenes
Material gießen
lässt.
Dies ist, wie oben erklärt,
ein Vorteil gegenüber
bisher bekannten Öfen.
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Temperatursensoren
(nicht gezeigt) sind bereitgestellt, um die Temperatur einer feuerfesten
Auskleidung und geschmolzenen Materials zu messen. Die Sensoren
sind an der Außenseite
des Ofenkörpers 12 montiert.
Eine Öffnung
wird ideal in einer Tür vorgesehen,
um einem Sensor zu ermöglichen,
das Innere des Ofens 10 zu „beobachten". Ein Luftstromkühlmantel
(nicht gezeigt) wird optional bereitgestellt, um Temperatursensoren
zu gestatten bei niedrigen Umgebungstemperaturen zu arbeiten, um
deren Beschädigung
zu verhindern. Der Luftstromkühlmantel fungiert
außerdem
als eine Spülung,
um die Sensoren und andere Instrumentierung frei von Staub und Rauch
und das Schauglas sauber zu halten.
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Die
Luftvorhänge 45a und 45b sind
für jede Tür 19a und 19b bereitgestellt.
Die Luftvorhänge 45a und 45b ermöglichen
eine Feinabstimmung des Innenatmosphärendrucks. Das Druckdifferenzial
zwischen der Innenatmosphäre
des Ofens und des Umgebungsdrucks lässt sich daher durch Abstimmen des
Luftvorhangs bzw. der Luftvorhänge über der Auslassöffnung 80 genau
steuern.
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Der
Ofen 10 hat in der Tür
(oder in den Türen)
eine Auslassöffnung 80 und
eine Luftdüse 50 ist zur
Steuerung des Ofendrucks vorgesehen. Der ideale Prozentsatz von
Sauerstoff in der Ofenatmosphäre 10 beträgt 0% und
dieser wird als eine der Variablen durch Verminderung des Verhältnisses
der Luftmassenstromrate zu Brennstoff gesteuert. Durch Hatten des
Sauerstoffprozentsatzes auf diesem oder um diesen Level, wenn das
Aluminium plastisch wird, reduziert sich das Oxidationsrisiko mit
dem Ergebnis, dass der Ertrag verbessert wird.
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Der
Ofen 10 ist der Rückgewinnung
von Abfallaluminium ideal angepasst und wird daher in Gebrauch NaCl
und KCl und in einigen Fällen
mit kleinen Mengen anderer Chemikalien wie Kryolith beladen, um
den Aluminium-Rückgewinnungsprozess
zu unterstützen.
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In
Gebrauch wird der Körper 12 des
Ofens 10 vom offenen Ende weg nach hinten geneigt, sodass
das geschlossene Ende niedriger als das offene Ende ist. Diese Position
des Ofens wird als rückwärts geneigt
oder nach hinten gekippt bezeichnet. Die Türen 19a und 19b können vom
offenen Ende 14 wegschwenken, um das Beladen des Ofenkörpers 12 zu gestatten.
Das weit geöffnete
Ende erleichtert diesen Vorgang. Die Türen 19a und 19b könne dann
in Richtung des offenen Endes 14 schwenken, um es abzudichten.
Der Brenner 30 wird dann betätigt, um das Metall im beladenen
Körper 12 zu
schmelzen.
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Weil
der Körper 12 rückwärts geneigt
ist, kann das geschmolzene Metall nicht aus dem offenen Ende auslaufen.
Der Ofen vermeidet daher die Notwendigkeit ein kleines konisches
Ende, wie bei bisher bekannten Öfen,
zu haben, was das Beladen und die Fähigkeit große Gegenstände zu laden erleichtert und
es wird dadurch leichteres und vollständigeres Ausgießen des
geschmolzenen Metalls ermöglicht,
was von größter Wichtigkeit
ist. Weil die Türen 19a und 19b an
den Rahmen 15 angelenkt sind, lassen sich die Türen, ungeachtet
des Neigungswinkels (α oder β) des Ofenkörpers, schließen. Die
Türen 19a und 19b können später vom
offenen Ende 14 wegschwenken, um das Ausgießen des
geschmolzenen Metalls zu ermöglichen.
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Beim
Recycling von Metall, wie beispielsweise Aluminium, gibt es eine
Reihe verschiedener Variablen. Diese umfassen: Flussmittelarten
und deren Prozentsatz, angewandte Wärme (sowohl Dauer als auch
Temperatur), Schmelzverluste, Ladeverfahren, Arten und Gewicht des
Verarbeitungsmaterials, Zustand von verbrauchtem Flussmittel und
Restoxiden, Drehzahl und -richtung des Ofenkörpers und Neigungswinkel. Andere
Variablen, die beim Betrieb und der Steuerung des Ofens verwendet
werden könnten,
umfassen: Die Massenströmung
von Druckluft, Umgebungslufttemperatur, Wärmewert des zugeführten Brennstoffs
und Rate der Brennstoffförderung.
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Die
oben erwähnten
und möglicherweise
andere Variablen werden, beispielsweise bei Rückgewinnung anderer Metalle,
idealerweise durch ein Ofenmanagementsystem gesteuert, das einen
Prozessor (wie beispielsweise einen Mikropro zessor in einem PC)
enthält,
der ebenso Teil des Ofens der vorliegenden Erfindung bilden könnte.
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Die
Stoßbelastung
des Antriebsmotors 20 lässt
sich mittels Strom-Feedback-Information
vom Kontroller (nicht gezeigt) des Antriebsmotors 20 überwachen.
Naturgemäß tendiert
das Strom-Feedback des Antriebsmotors 20 dazu, Stromspitzen
aufzuweisen, wenn der Ofen 10 mit massiven Blöcken, Abfall
und Metallschrottstücken
rotiert. Sobald das Material schmilzt und das geschmolzene Material
agglomeriert, wird die Rotationskennlinie des Ofens 10 viel
glatter und Übergangsbelastungen
des Motors 20 werden reduziert und verschwinden schließlich im eingeschwungenen
Zustand. Daten bezüglich
dieser Information lassen sich mit anderen Variablen verwenden,
um zu ermitteln, wann es optimal ist, das Aluminium auszugießen.
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Bisher
wurden Einstellungen der Betriebsvariablen von erfahrenen Ofenmannschaften
während des
ganzen Prozesszyklus ermittelt, wobei jede einzelne Bedienungsperson
ihre eigene bevorzugte Variableneinstellung oder einen Bereich von
Einstellungen hatte. Es hat daher einen Konsistenzverlust bei Variableneinstellungen
während
des Prozesszyklus, mit entsprechender Schwankung in Bezug auf Raten der
Metallrückgewinnung
gegeben.
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Steuerung
und Überwachung
der Variablen tragen direkt zur Erzielung höchstmöglicher Rückgewinnungsraten bei. Wie
bei vielen technischen Systemen ist es nicht immer möglich, während des
Rückgewinnungsvorgangs,
alle Variablen im gleichen Augenblick zu optimieren. Beispielsweise
bewirkt zu viel Wärmeeingabe,
wenn sich das Aluminium im plastischen oder geschmolzenen Zustand
befindet, dass das Aluminium dazu tendiert, aufgrund seiner Affinität zu Sauerstoff,
zu oxidieren. Dies reduziert den Rückgewinnungsertrag außerordentlich.
Idealerweise wird in gewissen Stufen des Prozesszyklus die Sauerstoffmenge
im Brenner 30 reduziert, um eine Rückgewinnung zu maximieren.
Aber dies geschieht häufig
auf Kosten von Brennstoffkosten. Daher müssen die Variablen sorgfältig und
ständig
während
des Prozesses und über
den ganzen Prozessablauf überwacht
werden.
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Erfahrene
Bediener erzielen unterschiedliche Rückgewinnungsraten. Durch Überwachen
von Variablen und mittels eines Systems künstlicher Intelligenz mit optimierten
Bereichen von Variablen entfernt der Aspekt der Erfindung, der sicherstellt,
dass die Einstellungen der Variablen jederzeit optimiert sind, Unvereinbarkeiten
vom Betrieb und verbessert Erträge.
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Das
Folgende listet einige der Prozessvariablen auf, die beim Recycling
von Aluminium überwacht
werden:
- 1. Die Art des verwendeten Flussmittels
und der Prozentsatz der Flussmittelmischung in Bezug auf Natriumchlorid
(NaCl) und Kaliumchlorid (KCl). Der Prozentsatz von Flussmittel,
der pro Art des verarbeiteten Produkts verwendet wird, beispielsweise
können
zerdrückte
Getränkebehälter mehr Flussmittel
als, sagen wir, ein großer
massiver Motorblock erfordern. Verarbeitungsschaum erfordert generell
mehr Flussmittel als, sagen wir, allgemeiner Aluminiumschrott.
- 2. Die Temperatur des Flussmittels muss, ebenso wie der Augenblick,
an dem frisches Flussmittel und in welchem Prozentsatz zugeführt wird,
während
des Prozesses gesteuert werden. Die Ermittlung, wann das Flussmittel
verbraucht ist, ist idealerweise ebenfalls vorzunehmen.
- 3. Die zum Verarbeiten verschiedener Produktarten erforderliche
Wärme ist
eine wichtige Variable. Temperaturerfordernisse für verschiedene
Produktarten könnten,
beispielsweise, auf Verweistabellen gespeichert und zur Berechnung
der Zeitdauer benutzt werden, die zum Erhitzen verschiedener Produktarten
erforderlich ist.
- 4. Abgastemperaturen für
verschiedene Legierungen werden überwacht,
um eine Anzeige des Umfangs eines Prozesses bereitzustellen.
- 5. Schmelzverluste, (die Aluminiummenge, die während des
Prozesses verloren geht) liefern eine Anzeige des Rückgewinnungsertrags
eines Prozesses. Die Vorkenntnis verschiedener Schmelzverluste pro
zu verarbeitender Legierungsart kann dazu benutzt werden, die Rückgewinnungseffizienz
zu verbessern.
- 6. Der Effekt von Temperatur auf verschiedene Legierungen; der
Effekt von Zeit und Temperatur, der für verschiedene Legierungen
nötig ist.
- 7. Das Verfahren zum Laden von Verarbeitungsmaterial unterscheidet
sich gemäß der Natur
des Ladens dichter und leichter Produkte und der Effekte derselben.
Prozentsatzgewichte des geladenen Produkts für beste Ergebnisse der Rückgewinnung.
- 8. Zustand von gebrauchtem Flussmittel und Restoxiden sowie
der im gebrauchten Flussmittel enthaltenen Aluminiummenge. Der Zustand
des gebrauchten Flussmittels, der Restoxide und der darin enthaltenen
Aluminiummenge ist eine Prozessvariable, die außerdem von anderen Prozessvariablen
beeinflusst wird. Feedback von Zustandsüberwachung und Information
in das Steuersystem ist daher vorteilhaft.
- 9. Die Drehgeschwindigkeit und der Neigungswinkel des Ofens.
Die Drehgeschwindigkeit des Ofens passt sich verschiedenen Produkten
an. Rotationsrichtung des Ofens, (Uhrzeigersinn oder Gegenuhrzeigersinn),
während
des Prozesses. Schüttwinkel
während
des Ofenzyklus ist typisch zwischen 0° und 20°.
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Mit
Bezug auf die 7a, b und c, sind mindestens
einige der oben erwähnten
Variablen, zusammen mit anderen, die unten aufgeführt sind,
als wichtig für
die Rückgewinnungsrate
und den Aluminiumertrag identifiziert. Die Variablen (in keiner
speziellen Reihenfolge der Wichtigkeit) sind: Temperatur der feuerfesten
Auskleidung, Zykluszeit, Rückgewinnungsrate,
Metalltemperatur, Flussmittel, zugeführte Wärme, Drehzahl, Materialart
und Legierung, Ladeverfahren und Neigungswinkel des Ofens. Jede
der oben erwähnen
Hauptvariablen weist verwandte Variablen auf. Beispielsweise hängt die
Hauptvariable feuerfeste Auskleidung von den folgenden Untervariablen
ab: Temperatur der feuerfesten Auskleidung, Gesamtwärmezufuhr
und Zeitspanne der Wärmezufuhr.
Die Ofenhauttem peratur hängt
von der Temperatur der feuerfesten Auskleidung, der Beziehung der Temperatur
der feuerfesten Auskleidung zur Ofenhauttemperatur über einen
Zeitraum, der Veränderung
in der Temperatur der feuerfesten Auskleidung beim Beladen mit Metall
und der Temperatur der feuerfesten Auskleidung beim Schmelzen von
Flussmittel ab.
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Im
Wesentlichen kann es zehn oder mehr Hauptvariablen und mehrere Untervariablen
geben, von denen die Hauptvariablen abhängig sind, die dazu beitragen
die höchstmöglichen
Rückgewinnungsraten
zu erzielen. Es gibt viele verschiedene Legierungsarten, die sich
verarbeiten lassen, wobei alle individuelle Parameter zum Optimieren
der Rückgewinnungsraten
erfordern. Es ist nicht möglich,
jede Variable jederzeit während
des Prozesses zu optimieren. Wenn sich das Aluminium in der plastischen oder
geschmolzenen Stufe befindet, wird beispielsweise zu viel Wärmezufuhr
bewirken, dass das Aluminium aufgrund seiner Affinität zu Sauerstoff
abbrennt und daher die Rückgewinnungen
stark reduziert. Dies hat einen Effekt auf die Prozesszykluszeit. Die
Sauerstoffmenge im Brenner muss in bestimmten Stufen des Prozesszyklus
reduziert werden, um die Rückgewinnung
zu maximieren, doch geschieht dies auf Kosten von Brennstoff und
Zykluszeit.
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Daher
müssen
die Variablen, wenn möglich, während des
Prozesses und über
den ganzen Prozessablauf optimiert werden. Bisher wurden Einstellungen
der Betriebsvariablen von erfahrenen Ofenmannschaften während des
ganzen Prozesszyklus ermittelt, wobei jede einzelne Bedienungsperson
ihre eigene Bevorzugung für
jede Variableneinstellung hatte. Daher trat ein Verlust an Konsistenz
in den Einstellungen der Variablen während des Prozesszyklus auf.
Folglich variieren die Metallrückgewinnungsraten.
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Der
Steuerungsaspekt der Erfindung identifiziert die Untervariablen
innerhalb der Hauptvariablen und sagt (beispielsweise mittels Algorithmen
oder Verweistabellen) die Auswirkung der Hauptvariablen und der
Untervariablen auf den Gesamtprozess voraus. Oder aber, oder zusätzlich zu
einem Mikroprozessor, wird Idealerweise künstliche Intelligenz (beispielsweise
in Form eines neuronalen Netzwerks oder Fuzzy-Logikregeln) benutzt,
um den Betrieb des Ofens zu überwachen
und zu steuern.
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Ein
Beispiel einer gesteuerten Variablen wird jetzt nur zur Veranschaulichung
mit spezieller Bezugnahme auf die 7b und 7c beschrieben.
Die spezielle Variable ist die Ofenhauttemperatur. Die Sensoren 100, 102 und 104 messen
die Temperatur in drei unabhängigen
Positionen auf der Oberfläche des
Ofenkörpers 12.
Die Information bezüglich
der Temperaturen an diesen Positionen wird an ein SCADA-Gerät 119,
entweder direkt oder mittels eines störunempfindlichen Busses, übertragen.
Daten, die sich auf diese Variablen und andere Variablen beziehen,
werden an den Mikroprozessor 120 übertragen. Der Mikroprozessor 120 ruft
die Information, unter Kontrolle geeigneter Software, von einer
Verweistabelle 140 oder aus einem Speicher 130 von
Zugehörigkeitsfunktionsdaten
ab. Zugehörigkeitsfunktionsdaten
werden aus Kenntnis der Kennlinien eines Systems abgeleitet oder
könnten
von Interpolation, beispielsweise von grafischer Information, der
in der 7b gezeigten Art, erhalten werden.
Dies könnte digital
ausgeführt
werden. Unter Einsatz von Fuzzy-Logiknetzwerken, des in der 7a gezeigten Typs,
berechnet der Mikroprozessor 120 in diesem speziellen Beispiel
jede Variation oder den Feinabgleich von Luftstrom- und/oder Brenngasströmung, der
erforderlich sein kann, um die Innentemperatur des Ofens 10 zu ändern.
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Vom
Mikroprozessor 120 generierte Steuersignale werden über jeweilige
Steuerleitungen L1 und L2 an die Luftpumpe 150 und die
Gaszufuhr 160 übertragen.
Somit kann in diesem speziellen Beispiel die Kenntnis der Ofenhauttemperaturen
T1, T2 und T3 im Zusammenhang mit dem Steuersystem 200 dazu
verwendet werden, die Innentemperatur des Ofens (und daher die Temperatur
der Inhalte des Ofens) durch Einführen von mehr Energie über den Brenner 30 zu
erhöhen.
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Die 7b zeigt
eine grafische Darstellung einer Systemstruktur, die Fuzzy-Logik-Inferenzfluss von
Eingabevariablen zu Ausgabevariablen identifiziert. Der Prozess
in den Eingabeschnittstellen setzt analoge Eingabesignale in „Fuzzy"-Werte um. Die „Fuzzy"-Inferenz findet in sogenannten Regelblöcken statt,
die linguistische Steuerregeln enthalten. Diese können eines
speziellen Markensystems gemäß variieren.
Die Ausgabe von diesen Regelblöcken
ist als linguistische Variablen bekannt.
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In
der Ausgabestufe werden die "Fuzzy"-Variablen in analoge
Variablen umgesetzt, die als Zielvariablen verwendet werden können, auf
die ein Steuersystem konfiguriert wird, um ein spezielles Stück Hardware,
wie eine Pumpe 150, einen Motor 20 oder ein Ventil 165 an
einer Gaszufuhrleitung 166 anzutreiben.
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Die
Tabelle 1 zeigt, im Zusammenhang mit den 7a und 7b,
wie das "Fuzzy"-System einschließlich Eingabeschnittstellen,
Regelblöcken und
Ausgabeschnittstellen abgeleitet ist. Die Verbindungslinien in der 7a symbolisieren
grafisch den Datenfluss. Die Definitionspunkte auf dem Diagramm (7b)
sind in Bezug auf spezielle Begriffe in der Tabelle gezeigt.
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Die 7c zeigt
wie der Ofen, beispielhaft mit nur einer Variablen-Brennersteuerung – unter Verwendung
von Information und Steuersignalen, die vom „Fuzzy"-Logikprozess abgeleitet sind, gesteuert wird.
Es wird erkennbar sein, dass viele Variablen und Untervariablen
vom System 200 gleichzeitig gesteuert werden und, dass
die Steuerung der Temperatur nur beispielhaft beschrieben ist.
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Die
Erfindung könnte
eine Form annehmen, die sich von der oben beschriebenen speziellen
Form unterscheidet. Zum Beispiel werden Modifikationen Fachmännern offenkundig
sein, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.