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Wärmeaustauscher zur Wärmebehandlung von platten-bzw. bandförmigen Materialien mittels Strahlung, insbesondere zur Flächenerwärmung und-abkühlung von Glas
Die Erfindung bezieht sich auf Wärmeaustauscher zur Warmebehandlung von platten-bzw. bardför- migen Materialien, insbesondere zur Flächenerwärmung und-abkühlung von Glas, die Wände aus feu- erfestem Material aufweisen, das eine Emission bzw. Absorption von wenigstens 50% besitzt. Von diesen sich entlang paralleler Achsen erstreckenden Wänden stehen benachbarte in einem Winkel zueinander, so dass ihre wärmetauschenden Flächen eine Anzahl benachbarter Hohlräume mit spitzen Scheitelwinkeln an den Berührungslinien der Wände bilden. In Nahe der Wände ist eine Wärmequelle oder-senke ange- ordnet.
Solche Wärmeaustauscher bieten gegenüber andern mit in isolierenden Ziegeln verlegten Heiz- elementen und der hiedurch bedingten, örtlich veränderlichen Temperatur den Vorteil eines gleichmässi- geren und daher leichter zu kontrollierenden Strahlungsfeldes sowie einer wesentlich kleineren thermi- schen Trägheit. Überdies lässt sich das Strahlungsfeld mit auf niedrigerer Temperatur gehaltenen Heiz- elementen erzeugen, so dass mit einer günstigen spektralen Verteilung der Strahlungsenergie gearbeitet werden kann.
Wann ein Band, eine Platte oder ein andersartig geformtes Material unter Kontrolle gekühlt werden soll, ist es von besonderer Bedeutung, dass ein Warmeabsorber so gleichmässig und einwandfrei wie mög- lich arbeitet, da sonst die Abkühlung nicht einwandfrei kontrolliert bzw. mit maximaler Wirksamkeit ausgenutzt werden kann.
Da das Emissionsvermögen eines gegenüber seiner Umgebung ärmeren Körpers dem Absorptionsver- mögen desselben gegenüber seiner Umgebung kälteren Körpers entspricht, bezieht sich der in der vorliegenden Beschreibung verwendete Ausdruck"Emissionsvermögen"sowohl auf das Emissions-, als auch auf das Absorptionsvermögen.
Der Oberflächenbeschaffenheit der Wände wurde bisher keine Aufmerksamkeit geschenkt. Die wärmetauschenden Flächen waren rauh und uneben, wie es bei den üblichen feuerfesten Ofenmaterialien der Fall ist.
Um eine gleichmässige Wirkung von Wärmeaustauschern der beschriebenen Art zu gewährleisten, muss aber das Strahlungsfeld weitgehend homogenisiert und mussen überdies nach Möglichkeit die Eigenschaiten eines schwarzen Körpersrealisiert sein. Dieses Ziel lässt sich erreichen, wenn erfindungsgemäss die Wärmetauscherflächen der Wande glatt sind und zufolge der Wahl der spitzen Winkel die totale Absorption oder Emission der Hohlräume durch innere Reflexion im wesentlichen auf den Wert 1 gebracht ist.
Erst die glatte Oberflächenbeschaffenheit der wärmetauschenden Flächen ermöglicht es, ein wenigstens annähernd zutreffendes Bild des räumlichen Winkels zu gewinnen, den das von jedem Hohlraum ausgehende Strahlenbündel erfüllt und dafür zu sorgen, dass die Bereiche des Werkstückes, auf welche die Strahlung benachbarter Hohlräume auftrifft, sich teilweise überdecken. Das Material, aus dem die Wände bestehen, welche die Hohlräume abgrenzen, muss ein Emissionsvermögen von mehr als 50% besitzen, da andernfalls bei mehrfacher Reflexion eine Annäherung an die Charakteristika des schwarzen Körpers nicht erreichbar ist. Diese Bedingung ist bei reiner Kieselerde und bei aus 50% Kieselerde und 50% Ton bestehenden Gemischen erfüllt.
Als besonders wirksame Strahler haben sich jedoch Mischungen mit grösserem Kieselerdegehalt, insbesondere mit 60stro Kieselerde und 400 Ton erwiesen.
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Die Erfindung ist im folgenden an Hand beispielsweiser Ausführungsformen und von Diagrammen näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. In dieser zeigt :
Fig. l ein schematisches Strahlendiagramm zur Veranschaulichung der geometrischen Verhältnisse in einem winkligen Hohlraum, Fig. 2 ein Diagramm, das die Änderung der Emission eines Hohlraumes in Abhängigkeit von dem Emissionsvermögen des zur Herstellung der feuerfesten Anlage verwendeten Materials veranschaulicht, wenn die Strahlungsenergie ohne Reflexion, mit ein-, zwei-, drei-und viermaliger Reflexion abgegeben wird, bevor sie das zu behandelnde Objekt erreicht.
Dieses Diagramm gilt auch für die Absorption von Strahlungsenergie, die von dem Objekt ausgeht, und in den Hohlraum eintritt, Fig. 3 in einem Diagramm, wie sich die Emission oder Absorption eines winkeligen Hohlraumes mit dem Verhältnis der Hohlraumtiefe zur Breite seiner Öffnung ändert, Fig. 4 eine Ausführungsform eines als Wärmeelement in einem Ofen eingesetzten Wärmeaustauschers, Fig. 5 eine abgeänderte Ausführungsform, Fig. 6 eine Ansicht des in Fig. 5 gezeigten Anlageteiles und die Zusammenfassung solcher Wärmeelemente in Gruppen, Fig. 7 eine schematische Darstellung eines sogenannten horizontalen Ofens mit erfindungsgemässen Wärmeelementen, wobei die Gruppen der Warmeelemente im Abstand voneinander in einer horizontalen Ebene angeordnet sind, Fig.
8 eine schematische Darstellung eines sogenannten vertikalen Ofens, in dem Glasplatten zur Wärmebehandlung in vertikaler Ebene mit Zangen gehalten werden, wobei die erfindungsgemässen Strahlungserwärmer an einander ge- genüberliegenden Wändendes Heizofens angeordnet sind, Fig. 9 eine schematische Darstellung einer Ziehvorrichtung für Glasscheiben, bei der Strahlungs-Wärmeaustauscher oder Energieabsorber angeordnet sind, die annähernd die Eigenschaften eines schwarzen Körpers haben und Fig. 10 eine Ansicht der StrahlungsWärmeaustauscher oder Energieabsorber, die in der in Fig. 9 dargestellten Anlage eingebaut sind.
Die in den ersten dreiFiguren wiedergegebenenDiagramme zeigen die Merkmale, die dafür bestimmt sind, wie weit ein Hohlraum, der einen Teil eines erfindungsgemässen Wärmeaustauschers bildet, einem idealen schwarzen Strahler nahekommt.
In Fig. l stellt die Strecke ROP jenen Abschnitt der Oberfläche eines Gegenstandes, z. B. einer Glasplatte, dar, die mittels eines erfindungsgemässen Wärmeaustauschers erwärmt-oder gekühlt werden soll, der die Eigenschaften eines schwarzen Körpers aufweist. Von diesem Wärmeaustauscher ist ein der Plattenoberfläche ROP gegenüberliegender Hohlraum dargestellt, der gegen die Platte zu offen und von zwei ebenen Wänden begrenzt ist, die mit der Normalenrichtung der Platte je einen Winkel x einschliessen. Die halbe Breite der Öffnung des Hohlraumes ist mit w, seine Tiefe mit L bezeichnet. Die Plattenoberfläche steht im Abstand d von der Öffnung.
Wenn die Emission bzw. Absorption der von dem Hohlraum ausgehenden bzw. von der Plattenfläche ROP emittierten und von ihm aufgenommenen Strahlung ein unverändertes Maximum sein soll, das gegenüber Veränderungen im Hohlraum-Material verhältnismässig unempfindlich ist, dann muss der durch die mit glatten Oberflächen versehenen Wände gebildete Winkelraum eine Emission haben, die der eines schwarzen Körpers entspricht oder dieser wenigstens annähernd gleichkommt. Da die meisten Stoffe ein Emissionsvermögen besitzen, das unter 1 liegt, ist es erforderlich, durch die Formgebung des Hohlraumes dafür zu sorgen, dass die reflektierte Strahlung dazu ausgenutzt wird, die unmittelbar abgegebene Strah- lung zu verstärken.
Im vorliegenden Fall besteht die von dem Punkt A des Hohlraumes gegen den Punkt P in der Objektebene gerichtete Strahlung aus von Punkt A unmittelbar abgegebenen Strahlen, von Punkt B ausgestrahlten, bei A reflektierten und von Punkt C ausgestrahlten und bei B und A nach P reflektierten Strahlen usw. Falls das Emissionsvermögen des für die Wände des Hohlraumes verwendeten Materials wenigstens 500/0 beträgt, nähert sich die Summe der emittierten und reflektierten Energieanteile asymptotisch dem Wert 1.
Fig. 2, welche die Emission eines Hohlraumes mit der Emission des zu seiner Herstellung verwendeten Materials vergleicht, zeigt, wie sich die Emission eines Körpers dem Wert 1 nähert, wenn die multiple Reflexion ausgenützt wird.
In dem Diagramm ist als Abszisse das Emissionsvermögen des Materials als Ordinate die Emission des Hohlraumes aufgetragen. Die Kurven C,C..C beziehen sich auf die Fälle, in denen keine Reflexion, zwei, drei und vier Reflexionen ausgenützt ist bzw. sind. Bei einer ebenen Wand gleicht die Emission dem Emissionsvermögen des gewählten Materials (Kurve Co). Es ist ersichtlich, dass sich die Emission des Hohlraumes sehr schnell dem Werte 1 nähert, selbst bei Materialien mit verhältnismässig niedrigem Emissionsvermögen, wenn die Anzahl der Reflexionen im Inneren vermehrt wird, bevor die Strahlungsenergie aus dem Hohlraum austritt.
Wenn eine 98%-ige Wirksamkeit erwünscht ist, muss, wie sich aus Fig. 2 ergibt, z. B. ein Material
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mit einem Emissionsvermögen von 50% verwendet und ein winkliger Hohlraum hergestellt werden, in des- sen Inneren wenigstens vier Reflexionen stattfinden. Bei einem Material mit einem Emissionsvermögen von 70% ist nur zweimalige Reflexion notwendig.
Fig. 3 erläutert, wie die Emission eines Hohlraumes mit zunehmendem Verhältnis seiner Tiefe zur Breite seiner Öffnung ansteigt.
Dieses Verhältnis V ist als Abszisse, die Emission des Hohlraumes als Ordinate aufgetragen. Die Kur- ven D-D. beziehen sich auf Materialien mit denEmissionsvermögen Eo =0, 60, 0, 70, 0, 80 (geschmol- zener Quarz) und 0, 85. Die Ausbildung des Hohlraumes entspricht Fig. l. Es sind die folgenden Beziehun- gen vorausgesetzt.
Strecke ROP = 2, 4w, d=30, 5 cm.
Die Kurven sind auch für einen Abstand zwischen Hohlraum und Ziel gültig, der grösser als 30, 5 cm ist. Die Strecke ROP wurde grösser als die Grundlinie 2w des Hohlraumes gewählt, so dass sich die Hohl- raumstrahlungsfelder gleichmässig überlappen, wenn die Hohlräume nebeneinander angeordnet sind. Die
Fig. 3 zeigt, dass die Eigenschaften eines Hohlraumes sich umsomehr denjenigen eines schwarzen Kör- pers annähern, je kleiner der Scheitelwinkel 2x des Hohlraumes ist.
Aus Fig. l erhellt, dass bei der von dem Punkt A ausgehenden Strahlung eine grosse Anzahl von Re- flexionskomponenten zusammenwirken, die den am Punkt P des Objektes auftreffenden Strahl verstärken.
Der dargestellte Strahl AP ist ein Randstrahl einer in einem räumlichen Winkel verlaufenden, im wesent- lichen der Strahlung eines idealen schwarzen Körpers entsprechenden Strahlung, die von dem Hohlraum ausgeht.
Da die gleichen Bedingungen auch bezüglich Strahlen herrschen, die von A ausgehen und auf einen zwischen den Endpunkten R, P des Abschnittes ROP gelegenen Punkt auftreffen, ist der Hohlraum in bezug auf die Objektebene ein schwarzer Strahler. Falls es erwünscht ist, den Wärmeaustauscher für Kühlzwecke zu verwenden, wird die von dem Flächenabschnitt ROP abgegebene Strahlung von dem Hohlraum absor- biert, wobei dieser sich wie ein absorbierender schwarzer Körper verhält.
Bei der Bestimmung des Scheitelwinkels des Hohlraumes bei einem gegebenen Abstand von einem
Objekt ist es zuerst notwendig, die Anzahl der reflektierten Komponenten zu bestimmen, die erforderlich sind, um die Emission des Hohlraumes so zu steigern, dass sie sich dem Wert 1 nähert. Dies hängt von dem Emissionsvermögen des verwendeten Materials ab. Falls beispielsweise der Hohlraum aus einem feu- erfesten Material mit einem Emissionsvermögen von 0, 80 hergestellt wurde, und einen solchen Winkel hat, dass wenigstens zwei reflektierte Komponenten zusammenfallen, dann ist nach Fig. 2 die Emission wenigstens gleich 0, 992.
Wenn die gewünschte Anzahl der zusammenwirkenden, reflektierten Komponenten bekannt ist, kann der Winkel des Hohlraumes bestimmt werden, der erforderlich ist, um diese Anzahl von Reflexionen zu er- möglichen. Hiezu sind die einfachen geometrischen Beziehungen zu verwenden, die zwischen dem Schei- telwinkel x des Hohlraumes, den Winkeln, a, b, c, welche die an den Punkten A, B, C der Hohlraumwan- dung reflektierten Strahlen mit dieser einschliessen und den Abmessungen L. w, d und h bestehen und aus
Fig. l unmittelbar abzulesen sind.
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+ hEin erfindungsgemässes Wärmeaustauschelement besteht aus feuerfesten Hohlelementen, die allge- mein mit 10 bezeichnet sind, wobei das Material ein Emissionsvermögen von wenigstens 50% hat. Ein solches Element kann durch"Gleitgiessen"eines Kieselerde-Ton-Materials hergestellt werden, um sicherzustellen, dass seine Oberflächen glatt sind.
Ein typisches Verfahren zum Gleitgiessen von hohlen, feuerbeständigen Gebilden aus etwa 0, 4 cm dicken Wänden mit z. B. einer Länge von 30 cm, einer Breite von 15 cm und einer Höhe von 8 cm mit Einschnitten, die 4, 5 cm breit und 4, 5 cm tief sind, besteht darin, dass man 80 kg geschmolzene Kieselerde inForm von Körnern, welche durch ein Sieb mit 700 Maschen/cm2 durchfallen, mit 54, 5 kg nor- malem Ton mischt, das Gemisch einer Lösung zusetzt, die 3000 cm3 Nap 407 in 24, 5 kg destilliertes
Wasser enthält und auf diese Weise eine Gussmasse bildet. Die Masse wird in eine Form aus gebranntem
Gips gegossen, deren innere Wände die Form haben, welche die Aussenwände des feuerfesten Gebildes annehmen sollen.
Die Schlämmung erstarrt an den Wänden der Gipsform, wobei die Erstarrung mit einer
Geschwindigkeit von etwa 0,4 cm pro 10 min fortschreitet. Nach 10 min wird die überschüssige Gussmasse entfernt und das erstarrte Gussstück etwa 10 min an der Luft getrocknet. Die Form wurde dann abgenommen und das Gussstück wurde bei etwa 11800 C 72 Stunden lang gebrannt.
Die Brenntemperatur darf nicht zu hoch sein, da sich die geschmolzene Kieselerde in eine voluminösere Form umwandelt, wenn sie auf wesentlich höhere Temperaturen erhitzt wird. Die geschmolzene Kieselerde muss ferner eine kleine Teilchengrösse haben, damit eine glatte Oberfläche entsteht.
Jedes der feuerfesten Bauelemente 10, ist als Hohlelement ausgebildet und weist eine Hinterwand 20, zwei je an deren Kanten angesetzte Seitenwände 18 bzw. 22 und eine Vorderwand auf. Die Vorderwand besteht aus einer Anzahl ebener Wände 12 mit Oberflächen 14, 26, von denen wenigstens die ersterwähnten, 14, glatt sind und Hohlräume 16 mit V-förmigem Querschnitt begrenzen. Die Innenfläche der Vorderwand, der Seitenwände 18,22 und der Hinterwand umschliesst den Hohlraum oder die Kammer 24 des Hohlelementes. Die Seitenwände 18 und 22 sind in Nahe der Verschneidungskanten mit der Hinterwand mit je einer gegen den Hohlraum vorspringenden Einbuchtung versehen, die eine Rinne 28 bildet.
Soferne erfindungsgemässe Wärmeaustauscher aus mehreren solchen Hohlelementen bestehen, liegen diese mit sich abstützenden Seitenflächen in einer Schar nebeneinander und gegebenenfalls zwei oder eine Anzahl von Scharen übereinander. Um für ein fluchtendes Aneinanderschliessen der Hohlräume der einzelnen eine senkrechte Reihe bildenden Bauelemente zu sorgen, sind Halterungen 30 mit einer Rückwand 32 und zwei Zungen 34 vorgesehen, welche in die beiderseits in den Seitenwänden 18, 22 liegenden Rinnen 28 eingreifen. Die Rückwand 32 ist am Ofengestell befestigt.
Fig. 5 und 6 zeigt eine andere Konstruktion, die ebenfalls die Ausrichtung von in einer Reihe übereinander angeordneter Hohlelemente 10 gewährleistet.
In diesem Falle sind die Rückwand 20 und die anschliessenden Teile der Seitenwände mit den Rinnen etwas verkürzt, um einen Raum zur Aufnahme von flachen Leisten 38 zu schaffen, die von einer Platte 40 abstehen, welch'e an dem Ofengestell befestigt ist. Diese Leisten sind verhältnismässig schmal, reichen nur bis über die Rinnen 28 und sind in dem vom Rinnenquerschnitt überdeckten Bereich mit je einem Loch versehen. Durch die Löcher sind Stäbe 36 gefädelt, die innerhalb der Rinnen verlaufen und sowohl für die Ausrichtung der jeweils eine Reihe bildenden Bauelemente 10 sorgen als auch deren Zusammenhalt mit dem Ofengestell sichern.
Wenn die Hohlräume 16 als Hohlraumstrahler wirken sollen, ist es erforderlich, mit jedem feuer- festen Bauelement 10 eine Wärmequelle zu verbinden. Diese Wärmequelle kann z. B. aus heissen Brenngasen bestehen, welche durch die Kammern 24 der feuerfesten Bauelemente 10 strömen. Da die Wande 12 der feuerfesten Bauelemente 10 dünn, vorzugsweise etwa 3, 2-6, 4mm stark sind, weisen solche Wärmeaustauscher nur eine sehr kleine thermische Trägheit auf und geben demzufolge trotz der verhältnismässig kleinen spezifischen Wärme der heissen Gase, die durch die Kammern 24 geführt werden, praktisch sofort eine Strahlung mit einem dem stationären Betrieb entsprechenden Spektrum ab.
Als Wärmequelle können aber auch elektrische Heizwiderstände 42 verwendet werden, die in jedem winkligen Hohlraum 16 angeordnet sind und in deren Längsrichtung verlaufen. Solche Widerstände sollen jedoch so tief wie möglich innerhalb des Hohlraumes liegen und höchstens etwa 100 der Querschnittsfläche der Hohlraumöffnung ausfüllen. Wenn diese Vorsichtsmassnahmen nicht getroffen werden, bewirkt der elektrische Heizwiderstand, dass der Hohlraum die Merkmale des schwarzen Körpers verliert.
Fig. 7 zeigt die Anwendung feuerfester Bauelemente 10 in einem horizontalen tunnelartigen Ofen oder Kühlofen 44, mit einer Decke 46, einem Boden 48 und Wänden 50. Transportwalzen 52 sind drehbar an den Wänden 50 befestigt und mittels üblicher Motor- und Antriebsvorrichtungen, wie z. B. Ket-
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ten und Zahnrädern (nicht gezeigt) antreibbar. Das zu kühlende Material, z. B. Glasscheiben auf Glas- auflagevorrichtungen, wird mittels der Walzen durch den Ofentunnel bewegt.
Eine Gruppe feuerfester Bauelemente 10 befindet sich an der Decke 46, eine andere Gruppe am Bo- den 48 des Ofens 44. Wärmeempfindliche Kontrolleinheiten 54 sind an den Wänden 50 angeordnet und auf Bereiche der ausstrahlenden Oberflächen der feuerfesten Bauelemente 10 gerichtet, um die Wärme- abgabe der elektrischen Heizwiderstände 42, die im Scheitel eines jeden Hohlraumes 16 angeordnet sind, zu überwachen und zu steuern.
Die elektrischen Heizwiderstände sind mit Verbindungsleitungen 56 zu geeigneten Widerstandsstrom- kreisen zusammengeschlossen, von denen jeder mit einer unterschiedlichen Spannungsquelle (nicht ge- zeigt) über einen Steuerstromkreis verbunden ist, der auf die Angaben der Kontrolleinheiten 54 anspricht.
Entlang des Daches und des Bodens sind so viele Steuerstromkreise vorgesehen wie zur Steuerung des War- mestrahlungsfeldes, das sich längs und quer über die Bewegungsbahn des Glases durch den Ofen erstreckt, erforderlich sind.
Oberhalb der unteren Gruppe von Heizelementen ist ein Maschennetz 58 angeordnet, um beim Zer- brechen einer Glastafel herabfallende Glasstücke aufzufangen und ein Auffallen auf die Heizwiderstände zu verhindern.
Ein vertikaler Ofen 60, in dem die feuerfesten Bauelemente 10 von dessen senkrechten Wanden 62 getragen werden, ist in Fig. 8 veranschaulicht. Bei diesem Ofen sind Glasscheiben G von Zangen 64 an
Zangenhaltern 66 gehalten, welche mittels antreibbarer Transportrollen 68 durch den Ofenraum bewegt werden. Als Wärmequellen dienen heisse Gase, welche die Kammern 24 der Bauelemente des Warmeaus- tauschers durchströmen.
Sowohl bei Horizontal- als auch bei Vertikalöfen sind beide Arten der Erwärmung anwendbar, u. zw. für sich allein oder gegebenenfalls auch in Kombination.
Die in den Fig. 7 und 8 gezeigte Vorrichtung ist zwar insbesondere für die Erwärmung von Glasschei- ben geeignet, wie es beispielsweise zum Anlassen, Tempern oder Überziehen erforderlich ist, jedoch können die feuerfesten Bauelemente 10 auch für Öfen zum Biegen von Glasscheiben verwendet werden.
Wenn Glasscheiben paarweise zur Vorbereitung für ihre Schichtung bei der Herstellung von geschichteten
Schutzscheiben aus Sicherheitsglas gebogen werden, dann wird nur die obere Fläche einer Anzahl von aus- gerichteten Windschutzscheiben der Strahlungserwärmung ausgesetzt. Metallstücke werden unter bestimmten Teilen der Gruppe angebracht, um Wärme aus jenen Teilen abzuziehen, die verhältnismässig flach bleiben sollen. Daher sind die Erwärmer nur oberhalb der Bewegungsbahn der Glasscheiben vorgesehen.
Die erfindungsgemässen feuerfesten Bauelemente 10 können also entweder nur auf einer Seite der Bewegungsbahn der Glasscheibe oder auf beiden Seiten angeordnet sein.
Der folgende Versuch wurde unternommen, um die Vorteile der vorliegenden Erfindung bei der gleichmässigen Erwärmung einer Glasscheibe aufzuzeigen. Ein 61 cm langer, 46 cm hoher und 41 cm breiter Ofen wurde zuerst mit festen, feuerfesten Wänden versehen, von denen einander gegenüberliegen- de, in Längsrichtung verlaufende, rechteckige, 3,8 cm tiefe und 3,8 cm breite Kanäle aufwiesen, welche in einem Abstand von 3,8 cm lagen. Heizspiralen mit einem Durchmesser von 1,25 cm wurden in den Kanälen angeordnet und erstreckten sich über deren Lange. Nach 3 Stunden kontinuierlichen Erwärmens lag die Temperatur der ausstrahlenden Oberfläche der festen Wände zwischen 6490G bei den Heiz- spulen und 5990 zwischen den Spulen.
Eine Glasscheibe von Raumtemperatur mit einer Stärke von 6, 4 mm und einem Format von 25 x 31 cm wurde senkrecht in der Mitte des Ofens aufgehängt. Die Einführung des Glases kühlte den Ofen ab%. Es wurde so viel Strom zugeführt, dass die Temperatur der Heizspulen wieder auf 6490 C stieg. Nach 45 min, während der sich die Heizofentemperatur ausglich, erreichte die Oberflächentemperatur der Glasscheibe einen zwischen 5930 C und 6070 C liegenden Temperaturwert.
Der gleiche Versuch wurde durchgeführt, nachdem die festen, feuerfesten Wände entfernt worden waren und durch Gussstücke aus einer Kieselerde-Ton-Zusammensetzung mit glatten Wänden ersetzt wor- den war, die winklige Hohlräume mit einer Breite von 4, 4 cm und einer Tiefe von 4, 4 cm bildeten und entlang den Ofenwänden nebeneinander an Stelle der festen feuerfesten Wände angeordnet waren. Die Heizspiralen mit einem Durchmesser von 1, 25 cm wurden innerhalb der Hohlräume angeordnet und auf 6490 C erhitzt. Die Oberflächentemperatur der Hohlräume lag zwischen 6460 C an ihrem Scheitelpunkt und 6410 C an der grössten Öffnung nach nur einstündiger Erhitzung.
Eine Glasscheibe, die hinsichtlich Länge, Breite, Stärke und chemischer Zusammensetzung mit der zuerst verwendeten Scheibe so weit wie möglich übereinstimmte, wurde in der Mitte des mit den erfindungsgemässen Wärmeaustauschelementen versehenen Ofens aufgehängt. Die Glasscheibe erreichte eine
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Oberflächentemperatur zwischen 641 und 6430 C. Dieser Temperaturbereich wurde, ausgehend von Raum- temperatur (etwa 240 C) in etwa 15 min erreicht. Die Energiezufuhr war für beide Ofenkonstruktionen dieselbe.
Aus diesen Versuchsergebnissen geht hervor, dass die Einstellzeit des leeren Ofens, d. h. die zum
Aufheizen des Ofens mittels Heizspiralen von 6490 C auf seinen Gleichgewichtszustand erforderliche Zeit, von 3 Stunden auf eine und die bis zum Erreichen des Gleichgewichtszustandes der Glasscheibe benötigte
Zeit von 45 auf 15 min vermindert wurde.
Ferner wurden die Temperaturunterschiede der Heizquelle von 500 C auf 80 C herabgesetzt. Die
Temperatur auf der Glasoberfläche stieg gleichzeitig von einem Bereich von 420 C bis 560 C auf einen
Bereich von 60 C bis 80 C unterhalb der Spiralentemperatur.
Wie bereits erwähnt, kann die Erfindung auch bei der Konstruktion von Strahlungswärmeabsorbern angewendet werden. Ein typisches Beispiel für eine solche Anwendung ergibt sich bei der Produktion von
Scheiben- oder Fensterglas.
Bei der Herstellung von gezogenen Glasscheiben wird das Glas im allgemeinen nach aufwärts in Form eines kontinuierlichen Bandes von der Oberfläche eines Bades aus geschmolzenem Glas gezogen. Auf sei- ner Bahn nach oben passiert das Glas verschiedene Kühlvorrichtungen. Die bisher verwendeten Kühlvor- richtungen sind meistens aus feuerfestem Material, wie z. B. Metall, hergestellt, und enthalten eine Viel- zahl von miteinander in Verbindung stehenden rechteckigen oder quadratischen Kanälen zum Durchleiten eines Kühlmittels, wie z. B. Wasser. Sie bilden dem Glas gegenüber eine kontinuierliche ebene Oberfläche. Die hohe Temperatur, der diese üblichen Kühlvorrichtungen ausgesetzt sind, verursacht eine ungleichmässige Oxydation ihrer Oberflächen, wodurch ihre Wärmeabsorptionsfähigkeit herabgesetzt wird.
Die Oxydbildung auf den Kühlvorrichtungen, nachdem diese während einer Zeit im Einsatz waren, stellt ein besonders ernsthaftes Problem dar. Diese Kühlvorrichtungen strahlen ferner die Wärme auf das viskose Glas zurück, wodurch ihre Wirksamkeit als Kühler weiter vermindert wird.
Das Zusammentreffen dieser beiden Effekte ist eine Quelle von Schwierigkeiten, die der Einhaltung von gleichmässigen Stärken der Scheiben entgegenstehen und zu einer wesentlichen Verminderung der Ziehgeschwindigkeit nötigen, die sich in einer geringeren Produktion ausdrückt.
Verschiedene Versuche wurden unternommen, um die Ziehgeschwindigkeit durch Vergrösserung der Ausmasse der Kühlvorrichtung zu erhöhen. Es ist jedoch einleuchtend, dass das Problem der Oxydation und Rückstrahlung der Wärme auf das Glas weiterhin besteht, das sich im übrigen durch die Anordnung von Matten aus wärmebeständigem Material, wie z. B. Asbest entlang der Kühleroberfläche nicht lösen lässt. In diesem Falle ist eine ständige Beobachtung der Glasscheibe und der Lageveränderung der verschiedenen Matten erforderlich, wodurch sich ausserdem Ablagerungen von der Kühlvorrichtung ablösen, in das Bad fallen und dieses verunreinigen können. Auch die Kühlvorrichtung selbst kann beschädigt werden.
All diese Schwierigkeiten lassen sich durch die Anwendung erfindungsgemäss ausgeschalteter Wärmeaustauscher beheben, bei denen eine vergleichmässigte Absorption gewährleistet und infolgedessen eine unveränderliche Ziehgeschwindigkeit ermöglicht ist, die zu einem Band von gleichbleibender Dicke führt.
Die Einrichtung solcher Wärmeaustauscher zum Kühlen anstatt zum Aufheizen erfordert lediglich das Ersetzen von Heizelementen durch Kühlelemente, also die Anordnung eines Kühlrohres an Stelle einer Heizspirale oder das Hindurchleiten eines Kühlmediums an Stelle eines erhitzten Gases.
Fig. 9 zeigt einen solchen kühlenden Wärmeaustauscher in einem Ziehofen 104 für Tafelglas, in dem ein Glasband 100 aus einem Bad 102 aus geschmolzenem Glas gezogen wird, in dem eine unter dem Band verlaufende Ziehstange 106 angeordnet ist. Das an seiner Austrittsstelle aus dem Glasbad viskose Glasband bildet mit der Badoberfläcne einen Meniskus 107 und wird durch eine Ziehkammer 108 mittels der Ziehwalzen 110 einer üblichen, allgemein mit 112 angedeuteten Ziehvorrichtung abgezogen. Die Ziehkammer wird durch das Bad 102, die üblichen L-Blocks 114, die mit Ventilator arbeitenden Wasserkühler 116, die Stirnwände 118 und die Auffangpfannen 120 begrenzt. Die Kühler 116 sind jeweils zwischen einem L-Block 114 und dem Rahmen der Ziehvorrichtung 112 angeordnet und erstrecken sich im wesentlichen bis zu den Stirnwänden 118 des Ofens.
Die Grundfläche der Ziehvorrichtung 112 wird im wesentlichen durch die meistens U-förmigen Auffangpfannen 120 geschlossen, die ebenfalls als Kühlvorrichtungen ausgebildet und so angeordnet sind, dass sie gebrochenes Glas, das in die Maschine fallen könnte, auffangen und damit das Eindringen von Bruchstücken in das Bad 102 verhindern. Diese AuffÅangpfannen 120 erstrecken sich im wesentlichen gleichfalls bis zu den Stirnwänden 118 der Ziehkammer 108 und sind so konstruiert, dass Kühlflüssigkeit, wie z. B. Wasser, durchfliessen kann. Ein Teil einer jeden Auffangpfanne 120 ist im wesentlichen parallel zu und im Abstand von der Scheibe 100 angeordnet.
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Die erfindungsgemäss konstruierten Wärmeabsorber 122 (s. auch Fig. 10) sind dazu bestimmt, eine maximale Strahlungsenergiemenge von jeder Flächeneinheit des Bandes 100 zu absorbieren. Sie sind in einem gewissen Abstand über der Badoberfläche 102 zu beiden Bandseiten angeordnet und erstrecken sich im wesentlichen über die gesamte Bandbreite.
Jeder Wärmeabsorber 122 besteht aus nebeneinanderliegenden miteinander verbundenen Hohlele- menten 124, wobei die glatte Oberflächen aufweisenden Wände 126,128, der Oberfläche des Glasbandes
100 zugekehrt sind. Die Wände 126, 128 eines jeden Elementes erstrecken sich in schräg zueinander an- geordneten Ebenen und stossen in spitzen Winkeln aneinander (bei 130). Nebeneinanderliegende Wände 126,
128 benachbarter Elemente 124 bilden Hohlräume 132, die nebeneinander verlaufen, wobei jeder Hohl- raum einen spitzen Scheitelwinkel 134 aufweist. Der Querschnitt der Elemente 124 kann von der gezeig- ten Form abweichen, wenn nur die Hohlräume 132 die beschriebene Form haben.
Die Elemente 124 sind an ihren Enden mittels Verteiler 136 miteinander verbunden und von einer
Kühlflüssigkeit, wie z. B. Wasser, durchflossen, die über Rohre 138 zu-bzw. abgeleitet wird.
An dem unteren hohlen Element 124 und in Reihe mit demselben, befindet sich ein Fussstück 140, das aus mehreren nebeneinanderliegenden, hohlen, rechteckigen Elementen 142 zusammengesetzt ist.
Dieses Fussstück ist auf der dem aufsteigenden Glasband und einem Teil des Bades 102 zugewandten Sei- te mit einer ebenen Oberfläche versehen, wodurch das Bad in der Nähe der Basis des Bandes konditioniert wird. Die Breite des Fussstückes 140 ist grösser als die Tiefe der Elemente 124.
Um die Wirkung der erfindungsgemässen Strahlungswärmeabsorber mit den bisher für das Ziehen von
Glasscheiben konstruierten Kühlvorrichtungen zu vergleichen, wurden die folgenden Versuche vorgenom- men.
Eine Ziehvorrichtung produzierte ein Glasband von der doppelten üblichen Glasstärke (3, 2 mm No- minalstärke) bei einer gegebenen Ziehgeschwindigkeit unter Verwendung von üblichen, ebenen Kühlvorrichtungen, die in einer bestimmten Höhe in einem Ofen der in Fig. 9 gezeigten Konstruktion angeordnet waren. Vergrössert man die Höhe der üblichen, ebenen Kühlvorrichtungen um etwa 30% bei sonst gleichen Bedingungen, dann erhöht sich die Ziehgeschwindigkeit der Vorrichtung für die gleiche Glasstärke um etwa 16%.
Die Verwendung von erfindungsgemässen Wärmeabsorbern mit etwa der gleichen Höhe wie die zuerst angeführten, üblichen, ebenen Kühlvorrichtungen ohne Fussstücke 140 führte bei sonst gleichen Bedingungen zu einem 17%-igen Ansteigen der Geschwindigkeit der Ziehvorrichtung für ein Band mit gleichen Abmessungen. Die Verwendung von Wärmeabsorbern mit den Fussstücken 140, deren horizontale Abmessung 1, 25-mal so gross war, wie die Breite eines Bauelementes 124, erlaubte bei sonst gleichen Bedingungen eine 6%-igue Erhöhung der Ziehgeschwindigkeit. Dies bedeutet eine Vergrösserung der Ziehgeschwindigkeit um 24% gegenüber den bei üblichen ebenflächigen Kühlvorrichtungen bei sonst gleichen Bedingungen anwendbaren Geschwindigkeiten.
Abdeckungen sind im allgemeinen nur über den Verteilern 136 und den an diese angrenzenden Teilen der Anlage angebracht, um Veränderungen in der Scheibenstärke auf weniger als-0, 08 mm herab- zudrücken. Während eines beachtlichen Zeitraumes war eine Bewegung der Abdeckung quer zudem Wärmeabsorber zur Regulierung der Banddicke nicht erforderlich.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Wärmeaustauscher bei der Wärmebehandlung von platten-bzw. bandförmigen Materialien mittels Strahlung, insbesondere bei der Flächenerwärmung und-abkühlung von Glas, mit Wänden, die aus feuerfestem Material mit einer Emission bzw. Absorption von wenigstens 50% bestehen und sich entlang paralleler Achsen erstrecken, wobei benachbarte Wände zueinander winklig stehen, so dass ihre wärmeaustauschenden Flächen eine Anzahl benachbarter Hohlräume mit spitzen Scheitelwinkeln an den Berührungslinien der Wände bilden, und in Nähe dieser Wände eine Wärmequelle oder-senke angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherflächen dieser Wände (12)
glatt sind und zufolge der Wahl der spitzen Winkel die totale Absorption oder Emission der Hohlräume durch innere Reflexion im wesentlichen auf den Wert 1 gebracht ist.