DE3031087C2 - Verfahren zur Einstellung der Temperatur eines Industrieofens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung der Temperatur eines Industrieofens, bei dem mehrere, verschiedenen Zonen zugeordnete Heizleitergruppen getrennt gesteuert werden.

Bei Industrieöfen und industriellen Erwärmungsanlagen, die auf höherem Temperaturniveau arbeiten, überwiegt in der Regel der Wärmeübergang durch Strahlung, wenn nicht besondere Vorkehrungen zur Erhöhung der Gasgeschwindigkeit in einem solchen Ofen getroffen werden. Bei einem solchen, im wesentlichen durch Strahlung erfolgenden Wärmeübergang stellt die Temperatur des Strahlers den wesentlichen Parameter dar, weil nach dem Stephan-Boltzmann'schen Strahlungsgesetz die Gesamtstrahlung eines (schwarzen) Körpers proportional zur vierten Potenz der thermodynamischen Temperatur ist.

Bringt man regelmäßig geformte, zu erwärmende Güter in einen Industrieofen, bei dem der Wärmeübergang im wesentlichen auf der Strahlungswärme beruht, und liegen die Innenflächen des Ofens und die Oberfläche der zu erwärmenden Güter in der gleichen Größenordnung, so ergeben sich Wirmeübergangs-Verhältnisse, die im folgenden am Beispiel eines Erwärmungsofens für Glasscheiben erläutert werden sollen.

Um Glasscheiben vorzuspannen, müssen sie auf ca. 700⁰C erwärmt werden. Zu diesem Zweck werden sie hängend oder liegend in einem relativ schmalen bzw. flachen Ofen angebracht und dort durch Strahlung erwärmt. Dabei ist wesentlich, daß die Erwärmung über die gesamte Fläche der Glasscheibe sehr gleichmäßig erfolgt, da sonst Verwerfungen an der Glasscheibe auftreten können. Selbst geringe Verwerfungen einer Glasscheibe werden jedoch sofort wahrgenommen und beeinträchtigen ihr Aussehen.

Um eine Glasscheibe sehr gleichmäßig über ihre gesamte Fläche erwärmen zu können, rüstet man solche Erwärmungsöfen mit mehreren, unabhängig regelbaren Heizzonen aus, die jeweils durch Heizleitergruppen gebildet werden; dadurch wird es möglich, die unterschiedliche Abkühlung der einzelnen Heizzonen beim Einfahren der kalten Glasscheibe zumindest teilweise

ίο durch entsprechende Regelung der verschiedenen Zonentemperaturen auffangen zu können.

Eine solche unterschiedliche Kühlung der verschiedenen Teile der Glasscheibe tritt insbesondere in ihren. Randgebieten auf, weil den Heizzonen, die den Randbereichen der Glasscheibe gegenüberliegen und dadurch nicht über ihre gesamte Fläche durch die Glasscheibe beaufschlagt werden, weniger Energie entzogen wird als den anderen Zonen, die durch die Glasscheibe vollständig bedeckt werden.

Der zeitliche Verlauf einer solchen herkömmlichen Regelung ist in den Fi g. la und Ib dargestellt, wobei in F i g. la die Temperatur und in F i g. Ib die Heizleistung über der Zeit aufgetragen sind.

Vor dem Einfahren der Glasscheibe befindet sich der gesamte Innenraum des Ofens auf einer Temperatur 7Ό, die in F i g. la angedeutet ist. Zu dem bei (4) angedeuteten Zeitpunki beginnt das Einfahren der Glasscheibe, bei dem die verschiedenen Zonen des Ofens unterschiedlich abgekühlt werden, wie durch den Kurvenverlauf für die kälteste Zone (1) und zwei weniger stark abgekühlte Zonen (2) und (3) angedeutet ist.

Bei einer normalen Regelung erreichen die weniger stark abgekühlten Zonen (2) und (3) ihren von der Regelung vorgegebenen Soll-Wert früher als die anderen Zonen, so daß es zwangsläufig zumindest zeitweise zu einer Temperaturdifferenz zwischen den einzelnen Heizzonen kommt, die wiederum mit den oben erwähnten Verwerfungen der Glasscheibe verbunden ist. Das Wirken einer herkömmlichen Regelung auf die einzelnen Zonen führt nach dem Einfahren der Glasscheibe beim Zeitpunkt (4) in F i g. 1 b anfänglich zu einer Zuführung von 100% der Heizleistung, in der Regel der gleichen Heizleistung, zu den einzelnen Heizzonen. Durch die unterschiedliche Belastung beginnen die Regler der einzelnen Zonen die Heizleistung zu unterschiedlichen Zeiten abzuregelm Es wird versucht, diesen Nachteil wenigstens näherungsweise dadurch zu beheben, daß die Randzonen der Glasscheibe auch bei Vollastanforderung der Regler mit geringerer Heizleistung beaufschlagt werden als die stark belasteten Mittelzonen.

Eine solche Maßnahme kann jedoch nur als Behelf angesehen werden, da in der Praxis die geometrischen Maße der zu erwärmenden Glasscheiben und damit auch die unterschiedliche Beaufschlagung der verschiedenen Heizzonen stark variieren. Außerdem ist im allgemeinen auch die Leistungsabgabe der verschiedenen Zonen bei unterschiedlicher Belastung nicht proportional zum Gleichlauf der Temperatur der verschiedenen Heizzonen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Einstellung der Temperatur eines Industrieofens der angegebenen Gattung zu schaffen, bei dem sich eine genau definierte, örtliche und zeitliche Wärmeübertragung auf das im Ofen befindliche Gut ergibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Ist-Wert der Temperatur-Regelung die Temperatur der Heizleiter verwendet wird, und daß beim Auf-

treten von lokalen Temperaturänderungen die Temperatur aller Heizleitergruppen und damit aller Zonen gleichmäßig geändert wird, indem die Temperatur der momentan kältesten Zone als Soll-Wert verwendet wird, bis diese Temperatur einen übergeordneten, vorgegebenen Soll-Wert erreicht hat

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen insbesondere darauf, daß durch die gleichmäßige, also »synchron« durchgeführte Änderung der Temperatur aller Heizleitergruppen auch alle Zonen immer zur gleichen Zeit gleiche Temperatur haben, so daß sich das zu erwärmende Gut, beispielsweise eine Glasscheibe, entsprechend den Strahiungsgesetzen auch so gleichmäßig erwärmt, wie es in Abhängigkeit von der Geometrie des Gutes möglich ist Dadurch werden Verwerfungen des Gutes sicher vermieden.

Dabei wird zur Regelung der Temperatur der einzelnen Zonen die Temperatur der momentan kältesten Zone als Soll-Wert verwendet bis diese Temperatur einen übergeordneten, vorgegebenen Soll-Wert erreicht hat Zu diesem Zweck sucht beispielsweise ein Prozeßrechner, dem die Temperaturwerte aller Zonen zugeführt werden, die augenblicklich kälteste Zone aus. Auf diese Zone wirkt dann eine herkömmliche Regelung und bringt sie auf den gewünschten Soll-Wert oder auf die gewünschte Soll-Wertfunktion. Für alle anderen Zonen gilt jedoch die momentane Temperatur der kältesten Zone als Soli-Wert bei der Temperaturregelung. Die Geschwindigkeit der Temperaturänderung dieser anderen Zonen wird also von der sich am langsamsten ändernden Temperatur der kältesten Zone bestimmt, d. h., der zeitabhängige Temperaturverlauf aller anderen Zonen entspricht genau dem der langsamsten, nämlich der kältesten Zone. Im übertragenen Sinne »fahren« also die anderen Zonen in einem »Geleitzug mit der kältesten Zone«, so daß diese Regelung auch als »Geleitzugregelung« bezeichnet wird.

Als Ist-Wert für die Temperaturregelung der verschiedenen Zonen wird die Temperatur der Heizleiter verwendet, die entweder durch eine Temperaturmessung, beispielsweise mittels eines Thermoelementes, oder aber auf elektrischem Wege ermittelt wird, da über den temperaturabhängigen, spezifischen Widerstand jedes Heizleiters ein genau definierter Zusammenhang zwischen dem jeweils vorliegenden Widerstandswert und der Temperatur besteht.

Durch Regelung des Widerstandes läßt sich also die Temperatur des Heizleiters und damit schließlich die abgegebene Strahlungswärme einstellen.

In der Praxis wird dies dadurch realisiert, daß die am Heizleiter anliegende elektrische Spannung und der durch den Heizleiter fließende elektrische Strom erfaßt und hieraus sein Widerstand und damit schließlich seine Temperatur ermittelt werden.

Im Vergleich mit den bisher in Industrieöfen üblichen Temperaturmeßgeräten, insbesondere Thermoelementen, ergibt sich eine praktisch trägheitslose Erfassung der Temperatur und damit auch trägheitslose Regelung, da die Masse der Heizleiter im Vergleich mit den übrigen Massen des Ofens sehr gering ist. Außerdem können nun die Heizleiter auch mit höherer Leistung aufgeheizt werden, weil durch die ständige Temperaturkontrolle etwaige Überhitzungen der Heizleiter rechtzeitig erkannt und durch entsprechende Regelungsmaßnahmen vermieden werden können. Das war bisher nicht möglich, weil die normalen Thermoelemente zu träge arbeiten und deshalb bei schnellen Temperaturänderungen keinen ausreichenden Schutz für die Heizleiter gewährleisten. Bisher konnten also die Heizleiter nur mit solchen Leistungen beaufschlagt werden, die der Heizleiter auch im Dauerbetrieb schadlos in Wärme umsetzt. Diese direkte schnelle Temperaturmessung und daraus folgend schnelle Temperaturregelung eines Heizleiters ermöglicht eine wesentliche Verkürzung der Aufheizzeit eines Industrieofens, so daß dieser Industrieofen schon kurz nach dem Einschalten in Betrieb genommen werden kann.

ίο Und schließlich läßt sich auch der Temperaturverlauf verschiedener Zonen zueinander gezielt einstellen, da sowohl die Temperaturmessung als auch die Temperaturregelung der verschiedenen Zonen vollkommen unabhängig voneinander erfolgt während bei der bekannten Temperaturmessung über Thermoelemente im Ofenraum immer eine wechselseitige Kopplung zwischden verschiedenen Zonen und damit eine entsprechende Beeinflussung gegeben war.
Zweckmäßigenveise werden für die Temperaturmessung Heizleiter mit ausgeprägter Abhängigkeit zwischen Temperatur und elektrischem Widerstand verwendet, damit auch bei relativ geringen Temperaturänderungen ein ausreichendes elektrisches Signal zur Verfügung steht. Gute Ergebnisse konnten mit Molybdändisiiizid-Heizelementen erreicht werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Fig. 2a und 2b näher erläutert, die für eine »Geleitzugregelung« den Verlauf von Temperatur und Heizleistung nach dem Einfahren eines Gutes, beispielsweise einer Glasscheibe, in den Ofen zeigen.

Auch hierbei wird zum Zeitpunkt (4) das Gut in den Ofen eingeführt, der sich auf der Temperatur T₀ befindet. Dadurch kommt es an sich zu einer unterschiedlichen Abkühlung in den verschiedenen Zonen des Ofens, die jedoch dadurch aufgefangen wird, daß die momentane Temperatur der kältesten Zone (1) als Sollwert für die Temperaturregelung der anderen, wärmeren Zonen (2) und (3) verwendet und die Temperatur aller Heizleitergruppen und damit aller Zonen gleichmäßig geändert wird.

Die rasche Erfassung der in den verschiedenen Zonen vorhandenen Temperaturen und damit die entsprechend rasche Temperaturregelung erfolgt durch Messung von Spannung und Stromstärke der einzelnen Heizleiter praktisch verzögerungsfrei, so daß etwaige Temperaturdifferenzen und Temperaturänderungen sofort in entsprechende Werte für die Speisung der verschiedenen Heizleiter umgewandelt werden können.

Wie man aus Fi g. 2a erkennt, haben, beginnend von Zeitpunkt (4), die verschiedenen, dargestellten Zonen (1), (2) und (3) das gleiche Temperaturprofil, d. h., die Temperatur der verschiedenen Zonen sinkt, beginnend vom Zeitpunkt (4) kontinuierlich ab, durchläuft ein Minimum und erreicht dann langsam wieder den übergeordneten, vorgegebenen Sollwert, ohne daß es zu Temperaturdifferenzen zwischen den einzelnen Zonen kommt.

F i g. 2b zeigt den Verlauf der den verschiedenen Zonen zugeführten Heizleistung. Vom Zeitpunkt (4) ab, empfängt die Zone (1), die am stärksten abgekühlt worden 1st und deshalb die geringste Temperatur hat, die größte Heizleistung, während den anderen, weniger stark abgekühlten Zonen (2) und (3) entsprechend geringere Heizleistungen zugeführt werden. Dabei dient die momentane Temperatur der Zone (1) als Sollwert für die Temperaturregelung der Zonen (2) und (3), was sich auch in dem Verlauf der Heizleistung für die drei Zonen

bemerkbar macht. Wenn der übergeordnete, vorgegebene Sollwert für die kälteste Zone und damit schließlich auch für die anderen Zonen erreicht ist, geht die Heizleistung in den stabilen Gleichgewichtszustand über, wie in F i g. 2b zu erkennen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Einstellung der Temperatur eines Industrieofens, bei dem mehrere, verschiedenen Zonen zugeordnete Heizleitergruppen getrennt gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß als Ist-Wert der Temperatur-Regelung die Temperatur der Heizleiter verwendet wird, und daß beim Auftreten von lokalen Temperaturänderungen die Temperatur aller Heizleitergruppen und damit aller Zonen gleichmäßig geändert wird, indem die Temperatur der momentan kältesten Zone als Soll-Wert verwendet wird, bis diese Temperatur einen übergeordneten, vorgegebenen Soll-Wert erreicht hat

2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die als Soll-Wert dienende Temperatur der kältesten Zone durch eine an sich bekannte Temperatur-Regelung auf den vorgegebenen, übergeordneten Soll-Wert gebracht wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Heizleiter aus der am Heizleiter anliegenden, elektrischen Spannung und dem durch den Heizleiter fließenden, elektrischen Strom bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Heizleiter mit ausgeprägter Abhängigkeit zwischen ihrer Temperatur und ihrem elektrischen Widerstand verwendet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß Molybdändisilizid-Heizleiter verwendet werden.