EP0189855A2 - Vorrichtung zur gleichmässigen Beaufschlagung einer planen Fläche mit einem Gas - Google Patents

Vorrichtung zur gleichmässigen Beaufschlagung einer planen Fläche mit einem Gas Download PDF

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EP0189855A2
EP0189855A2 EP86100915A EP86100915A EP0189855A2 EP 0189855 A2 EP0189855 A2 EP 0189855A2 EP 86100915 A EP86100915 A EP 86100915A EP 86100915 A EP86100915 A EP 86100915A EP 0189855 A2 EP0189855 A2 EP 0189855A2
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heat transfer
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    • C21—METALLURGY OF IRON
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    • F27D13/00—Apparatus for preheating charges; Arrangements for preheating charges

Definitions

  • the invention relates to a device for uniformly applying a gas to a flat surface.
  • the aim is to drive the heat transfer in a chamber furnace, as is used, for example, in the aluminum industry for annealing strip coils, as high as possible. If the blowing system used leads to large local differences in the heat transfer, local overheating can occur, which can cause discoloration of the metal strips and can also impair the desired metallurgical properties of the strips.
  • the invention is therefore based on the object of providing a device for uniformly charging a flat surface with a gas of the type specified, in which the disadvantages mentioned above no longer occur.
  • the advantages achieved with the invention are based, in particular, on the fact that in a simple embodiment which is yet to be explained, the ratio between the locally maximum and locally minimum heat transfer coefficient is approximately 1.2, that is to say the discernible difference between the two extreme values is very small.
  • This has to be related to a value of 1.9 for a blower system that uses hole nozzles and a value of about 1.7 for a blower system that uses conventional slot nozzles that just impinge on the one to be impinged Straighten the surface.
  • This new blowing system is particularly suitable for the application of a gas flow to the ends of strip coils, the heat transfer coefficient of which is almost constant over the entire end face.
  • the heating takes place essentially via the end faces, since the heat conduction in the radial direction only makes up a fraction of the heat conduction in the axial direction because of the separating surfaces between the individual turns of the collar.
  • Fig. 1 indicated generally by the reference numeral 10 for the uniform charging of the two end faces of a metal strip coil, in particular an aluminum strip-collar 12, has an all-sided closed casing having a bottom 14, hollow two initiallyfere- as Beblasungshuntn t s side walls 16, 18 and a cover 20, in which a radial fan 22 serving as a drive for the circulated gas flow is integrated.
  • the band 12 is supported by supports 24 so that its two end faces face the side walls 16 and 18.
  • the two further side walls can be closed by doors and serve to load this "chamber furnace" 10.
  • slot-shaped nozzles 26 are integrated, which extend radially outwards from a common center. It is advantageous to arrange the band collar 12 in such a way that its axis 27 passes through these center points 29 as precisely as possible, that is to say it is concentric with the radial nozzle arrangement.
  • the area of the side walls 16, 18 covered by the slot nozzles 26 will be referred to below as the “nozzle bottom”.
  • slot nozzles 26 thus lie in a common plane formed by the inner surface of the side walls 16, 18. Their nozzle openings also lie at least approximately in one plane, the direction of the gas streams emerging from the nozzle openings being inclined towards the plane in which the nozzle openings lie.
  • FIG. 5 shows a perspective view of the nozzle base indicated by reference numeral 28, from which the individual slot nozzles 26 each project with different inclinations, as can be seen from the angles shown.
  • the nozzle base 28 In the middle of the nozzle base 28 there is a circular area with the diameter D i which is left blank, ie no slot nozzles 26 are provided in this area 29.
  • the slot nozzles 26 extend radially outward from the edge of the circular region 25 with the diameter D. Both the angles between the individual slot nozzles 26 and the inclination the slot nozzles can be different with respect to the nozzle bottom 28.
  • the radially outer ends of the slot nozzles 26 lie on a circle with the diameter D.
  • the angle between the individual slot nozzles 26 is approximately 45 °.
  • the slot nozzles 26 Due to the inclination of the slot nozzles 26 with respect to the nozzle bottom 28, they are made of the slot-shaped nozzles openings emerging slot slits also inclined relative to the nozzle bottom 28.
  • the radial fan 22 rotating in the direction of the arrow generates an air flow which initially flows outward and is then deflected downward into the hollow side walls 16, 18 in the direction of the arrows. This gas flow then emerges from the hollow side walls 16, 18, namely from the slot nozzles 26, and acts on the end faces of the band collar 12. These end surfaces run parallel to the nozzle bottoms 28, ie the slot nozzles 26 are inclined relative to the end faces of the band collar 12 .
  • the angle of inclination between the nozzle base 28 and the slot nozzles 26 is expediently selected so that it corresponds to the direction of rotation of the vortex which results from the usual loading of the chambers in the side walls 16, 18 by means of the radial fan 22 built into the furnace ceiling 20 in the case of conventional chamber furnace designs.
  • By coordinating the inclination to the direction of rotation of this vortex it is achieved that all slot nozzles 26 are flowed in approximately in the same direction, which is advantageous with regard to a quantity distribution that corresponds as closely as possible to the cross section of these slot nozzles 26.

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Abstract

Eine Vorrichtung zur gleichmäßigen Beaufschlagung einer planen Fläche mit einem Gas weist mehrere, schlitzförmige Öffnungen auf, die zumindest näherungsweise in einer Ebene liegen; die Längsachsen der ?usenöffnungen sind strahlenförmig angeordnet, während die Richtung der aus den schlitzförmigen Öffnungen austretenden Strömung gegen die Ebene, in der die Öffnungen liegen, geneigt ist. Dadurch läßt sich eine extrem gleichmäßige Beaufschlagung erzielen, so daß die Differenz zwischen dem maximalen und dem minimalen Wert des Wärmeübergangs-koeffizienten nur noch gering ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur gleichmäßigen Beaufschlagung einer planen Fläche mit einem Gas.
  • Die besonders gleichmäßige Beaufschlagung einer Fläche mit einem Gas spielt überall da eine große Rolle, wo mittels dieses strömenden Gases Wärme auf ein Gut übertragen werden muß, da nur dann ein gleichmäßiger Wärmeübergang oder gegebenenfalls auch Stoffaustausch zwischen Gasstrom und Fläche gewährleistet ist, ohne daß größere Unterschiede im örtlichen Wärmeübergangskoeffizienten zu unterschiedlichen Temperaturen bzw. unterschiedlicher Aufheizung des Gutes führen. Dies stellt bspw. beim Anwärmen von Metallbunden ein großes Problem dar. Darunter 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 benutzt wird, so hoch wie möglich zu treiben. Führt nun das verwendete Beblasungssystem zu großen örtlichen Unterschieden im Wärmeübergang, so können sich lokale Uberhitzungen einstellen, die Verfärbungen der Metallbänder bewirken und außerdem die angestrebten metallurgischen Eigenschaften der Bänder beeinträchtigen können.
  • Die bisher üblichen Beblasungssysteme, mit denen ein hoher Wärmeübergang angestrebt wird, weisen Loch- oder Schlitzdüsen auf, die senkrecht auf die Stirnfläche 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 Wärmeübergangskoeffizienten zu vermeiden.
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur gleichmäßigen Beaufschlagung einer planen Fläche mit einem Gas der angegebenen Gattung zu schaffen, bei der die oben erwähnten Nachteile nicht mehr auftreten.
  • Insbesondere soll eine Vorrichtung vorgeschlagen werden, bei der die Unterschiede zwischen dem maximalen und dem minimalen Wärmeübergangskoeffizienten, also eine eventuelle Ungleichmäßigkeit 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 sind in den Unteransprüchen zusammengestellt.
  • Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen insbesondere darauf, daß bei einer einfachen, noch zu erläuternden Ausführungsform das Verhältnis zwischen lokal maximalem und lokal minimalem Wärmeübergangskoeffizient etwa 1,2 beträgt, also der feststellbare Unterschied zwischen den beiden Extremwerten sehr gering ist. Dies muß in Beziehung gesetzt werden zu einem Wert von 1,9 für ein Beblasungssystem, das Lochdüsen verwendet, und einem Wert von etwa 1,7 für ein Beblasungssystem, das herkömmliche Schlitzdüsen verwendet, die gerade Prallstrahlen auf die zu beaufschlagende Fläche richten.
  • 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 örtlichen Wärmeübergang mit anderen Düsensystemen möglich wäre. Die Folgen hiervon sind eine wesentliche Reduzierung der Aufheiz- bzw. Abkühlzeit sowie eine Vergrößerung des Verhältnisses der Kapazitätsströme vom dem Wirmeaustausch dienenden Gasstrom zu erwärmender bzw. abzukühlender Masse des Gutes. Diese Erhöhung des Kapazitätsstroms-Verhältnisses führt zu geringeren Temperaturdifferenzen 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 bestehenden Bandbunden erfolgt die Aufwärmung im wesentlichen 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 Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
    • Fig. 1 eine perspektivische, teilweise weggeschnittene 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 enthaltenden Beblasungssystem (αmax /αmin = 1,9),
    • Fig. 3 eine perspektivische Darstellung der Verteilung des örtlichen Wärmeübergangs- koeffizienten für ein Schlitzdüsen enthaltendes Beblasungssystem mit senkrecht auftreffenden Düsenstrahlen (αmax /αmin ± 1,7),
    • Fig. 4 eine perspektivische Darstellung der Verteilung des örtlichen Wärmeübergangs- koeffizienten für ein erfindungsgemäßes Beblasungssystem mit geneigten Schlitzdüsen (αmax /αmin = 1, 2),
    • Fig. 5 eine perspektivische Ansicht des Düsenbodens mit Schlitzdüsen unterschiedlicher 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 Ausführungsformen der Schlitzdüsen.
  • Die aus Fig. 1 ersichtliche, allgemein durch das Bezugszeichen 10 angedeutete Vorrichtung zur gleichmäßigen Beaufschlagung der beiden Stirnflächen eines Metallbandbundes, 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 gehal el 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 strahlenförmig 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 Seitenwände 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 näherungsweise 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 kreisförmiger Bereich mit dem Durchmesser Di, 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. radial nach außen, wobei sowohl die Winkel zwischen den einzelnen Schlitzdüsen 26 als auch die Neigung der Schlitzdüsen in Bezug auf den Düsenboden 28 unterschiedlich 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 Ausführungsformen der Schlitzdüsen, und zwar im Sektor 1 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 Richtung 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 Strömungsleiteinrichtungen 30 integriert sind, die wiederum der Einströmrichtung 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 gegenüber dem Düsenboden 28 geneigt.
  • Der sich in Richtung des Pfeils drehende Radialventilator 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. Anschließend tritt dieser'Gasstrom aus den hohlen Seitenwänden 16, 18, nämlich aus den Schlitzdüsen 26, aus und beaufschlagt die Stirnflächen des Bandbundes 12. Diese Stirnflächen verlaufen parallel zu den Düsenböden 28, d.h., die Schlitzdüsen 26 sind gegenüber den Stirnflächen 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 Seitenwänden 16, 18 mittels des in die Ofendecke 20 eingebauten Radialventilators 22 bei üblichen Kammerofenkonstruktionen 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 Querschnitt dieser Schlitzdüsen 26 möglichst genau entsprechende 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 Figuren 2 bis 4 beschrieben werden.
    • Fig. 2 zeigt eine perspektivisch dargestellte 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 Minimun, das von einem dem Kraterrand entsprechenden Maximalwert umgeben ist. Das Verhältnis von maximalen zu minimalen Wärmeübergangskoeffizienten beträgt etwa 1,9.
    • Fig. 3 zeigt eine entsprechende, perspektivische Darstellung 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 Darstellung der Verteilung des örtlichen Wärmeübergangskoeffizienten für ein Beblasungssystem mit geneigten Schlitzdüsen. 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 Wärmeübergang von 170W/(m2 K) erreicht werden, so würde der höchstzulässige, mittlere Wärmeübergangskoeffizient für das Lochdüsensystem 110W/(m2 K), für das Schlitzdüsensystem mit senkrecht auftreffenden Düsenstrahlen 130W/(m2 K) und für das neue Beblasungssystem mit den geneigten Schlitzdüsen 160W/(m2 K) betragen.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur gleichmäßigen Beaufschlagung einer planen Fläche mit einem Gas
a) mit mehreren, schlitzartigen Öffnungen, die einzelne, diskrete Gasstrahlen auf die Fläche richten, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
b) die Längsachsen der schlitzartigen Düsenöffnungen sind strahlenförmig angeordnet; und
c) die Richtung der aus den schlitzartigen Düsenöffnungen aust ret end en Strömung ist in Bezug auf den ebenen Düsenboden (28), in dem die schlitzartigen Düsenöffnungen liegen, geneigt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung der austretenden Strahlen für alle Düsenöffnungen in die gleiche Richtung weist.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die schlitzartigen Düsenöffnungen in radialer Richtung unterschiedliche Querschnitte haben.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitte der schlitzartigen Düsenöffnungen von einem Zentrum hin radial nach außen linear zunehmen.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Neigung der aus den schlitzartigen Düsenöffnungen austretenden Strömung in radialer Richtung längs der Düsenöffnungen ändert.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die schlitzartigen Düsenöffnungen in radialer Richtung unterschiedliche Länge haben.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkel zwischen den strahlenförmig angeordneten Längsachsen der Düsenaustrittsquerschnitte ungleich sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die schlitzartigen Düsenöffnungen konstruktiv durch Lochreihen gebildet werden.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in den oder in Strömungsrichtung gesehen vor den schlitzartigen Düsenöffnungen Strömungsleiteinrichtungen (30) angebracht sind.
EP86100915A 1985-01-30 1986-01-23 Vorrichtung zur gleichmässigen Beaufschlagung einer planen Fläche mit einem Gas Expired - Lifetime EP0189855B1 (de)

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