DE3123130A1

DE3123130A1 - Mehrschichtige waermeisoliervorrichtung

Info

Publication number: DE3123130A1
Application number: DE19813123130
Authority: DE
Inventors: Anthony E. Sedalia Col. Cimochowski; Brad A. 80123 Littleton Col. Heffelmire
Original assignee: Johns Manville Corp; Johns Manville
Current assignee: Johns Manville Corp; Johns Manville
Priority date: 1980-06-30
Filing date: 1981-06-11
Publication date: 1982-04-29
Also published as: CA1165629A; FR2493469A1; US4339902A; GB2079422B; JPS5743117A; FR2493469B1; GB2079422A; JPS6256405B2

Description

Mehrschichtige Wärmeisoliervorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmeisoliervorrichtung gem. dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf sogenannte modulare, nämlich bausteinartige Wärmeisoliervorrichtungen, welche aus faserigen Isoliermaterialien gebildet sind.

Bausteinartige Wärmeisoliervorrichtungen haben in den vergangenen Jahren eine zunehmende Verbreitung gefunden. Diese Wärmeisoliervorrich*· tungen sind wärmeisolierende Blöcke, welche mit einer Einrichtung versehen sind, um die Blöcke an die Wände von Öfen u. dgl. Hochtemperaturvorrichtungen zu befestigen. Die Module oder Blöcke besitztfen üblicherweise Flächen von etwa 930 cm² (1 ft²) und haben eine Isoliermaterialtiefe von 10 bis 30 cm (4 bis 12 inch). Ein hierfür typischer Modul oder Block ist in der US-PS 4 001 996 beschrieben. (Blöcke dieser Art sind im Handel unter dem Warenzeichen ¹¹Z-BLOK" verfügbar.)

Alle diese verschiedenen bekannten modulartigen Vorrichtungen bestehen aus einzelnen Schichten von Isolierfasern, wobei die Faser-

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tiefe durch Falzen der Pasern (US-PS 4 001 996) oder durch Verwendung geradliniger Fasern vorbestimmter Längen (US-PS .3 832 815) erzielt wird. Eine Veränderung der Tiefe der einzelnen Faserschicht , reicht für viele unterschiedliche Isolieranforderungen aus, so daß der gewünschte Temperaturabfall von der heißen Fläche der Matte zur kalten Fläche erzielt wird. Da jedoch lediglich eine einzelne Faserschicht vorhanden ist, muß der Block vollständig aus Fasern hergestellt sein, die der hohen Temperatur auf der heißen Seite standhalten können. Bei niedrigeren Temperaturen," wo relativ ' " billige Fasermaterialien eine ausreichende Isolierung bewirken, stellt dies kein besonders ernstes Problem dar. Wo jedoch die Temperatur auf der heißen Seite oberhalb ungefähr 650 C (1200⁰F) liegt und insbesondere oberhalb ungefähr 980⁰C (1800⁰F) liegt, werden die Grenzen eines Aufbaus mit einer einzelnen Schicht wesentlich augenscheinlicher. Fasermaterialien, die diesen hohen Temperaturen an der heißen Fläche widerstehen sollen, müssen aus sehr reinen Rohmaterialien und bei Einhaltung ziemlich aufwendiger Produktionsbedingungen herge-

stellt werden. Infolgedessen sind deren Kosten außerordentlich hoch. Da normalerweise ein wesentlicher Temperaturabfall über die Tiefe eines Isolierfaserblocks (dessen Temperaturabfall mit zunehmender Blocktiefe größer ist) vorliegt, erfordert die kalte Seite des Blocks normalerweise keine derart hohen Temperaturbeständigkeiten der Faser. Wenn allerdings der Block aus lediglich einer einzelnen Faserschicht hergestellt ist, muß die temperaturbeständige teure Faser für den gesamten Block verwendet werden. Dies bedeutet in Bezug auf die Fasern an der Rückseite des Blocks einen erheblichen Kostenbedarf, da dort die temperaturbeständigen Eigenschaften nicht in dem Maße erforderlich sind.

Zur Überwindung dieses Problems sind Versuche angestellt worden, um gegen hohe Temperaturen beständige Faserschichten an der heißen Fläche der Blöcke mittels verschiedener komplexer mechanischer Mittel zu befestigen (US-Patentschriften 4 055 926, 4 086 737, 4 103 469 und 4 123 886 sowie US-PS 4 001 996).

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Es besteht demnach ein Bedürfnis nach einer modulartigen oder blockartigen Wärmeisoliervorrichtung, welche die Verwendung von gegen hohen Temperaturen widerstandsfähigen Fasern an der heißen Fläche und die Verwendung einer Faser mit einem geringeren Temperaturwiderstand an der kalten Seite ermöglicht, wobei die Befestigung der Faserschichten gegeneinander in einfacher Weise ermöglicht sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst, wobei zweckmäßige Ausgestaltungen in den Unteransprüchen angegeben sind.

Die Erfindung betrifft im einzelnen eine Wärmeisoliervorrichtung, welche an die Wand eines Ofens od. dgl. festgelegt wird und deren kalte Fläche an die Wand angrenzt, wohingegen die heiße Fläche bei Betrieb des Ofens der höchsten Betriebstemperatur ausgesetzt ist.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung weist die zweite Isolierschicht selbst eine Anzahl von Isoliermatten mit Falzen auf, welche in der selben Weise in Eingriff stehen, wie es für die Falze der ersten und zweiten Isolier-

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matte in der unter Punkt d) beschriebenen Weise der Fall ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung steht eine .Anzahl von Falzen der zweiten Isolierschicht mit Falzen in der ersten Isolierschicht in der unter Punkt d) beschriebenen Weise in Eingriff.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer

erfindungsgemäßen Isoliervorrichtung

in fertigem Zustand für die Installation

sowie

Fig. 2 eine Stirnansicht mit lediglich dem schlangenförmigen Aufbau der Matten.

Fig. 1 zeigt einen einzelnen Block oder Modul 2 in der Form, in welcher er normalerweise versandt und für die Installation verwendet wird. Wie aus den Figuren hervorgeht, ist der Block 2 aus zwei faserigen Isoliermatten (blanket) 4 und 6 aufgebaut. Der Einfachheit halber werden diese beiden Matten Xm Nachfolgenden mit

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"heiße Schicht" 4 und "kalte Schicht" 6 bezeichnet. An die Außenfläche der der kalten Seite zugewandten Schicht bzw. Lage -6 ist eine Befestigungseinrichtung 8 befestigt. Für die Erläuterung der Erfindung¹ genügt die Angabe, daß. die Befestigungseinrichtung 8 an der kalten Schicht 6 mittels einer Leiste 10 befestigt ist, welche in einem inneren Falz 12 der Matte der kalten Schicht eingebettet und an die Befestigungseinrichtung 8 mittels eines Verbindungsglieds 14 befestigt ist, welches zu Nasen 16 umgefalzt ist, die durch Schlitze 18 mit der Befestigungseinrichtung 8 zusammenwirken. Normalerweise sind bei den bausteinartigen Blöcken 2 dieser Art wenigstens zwei derartiger Mittel für die Befestigung der kalten Schicht 6 an der Befestigungseinrichtung 8 vorgesehenj wobei in Fig. 1 ein zweites Befestigungsmittel durch die Bezugszeichen 16' und 18' bezeichnet ist. Dabei können auch zusätzliche Schlitze 18'· in der Befestigungseinrichtung 8 für die Verwendung von mehreren Befestigungsmitteln vorgesehen sein, falls hierfür ein Bedarf besteht. Die Befestigungseinrichtung weist die Form einer C-förmigen Profilleiste auf und wird dadurch an einer Ofenwand befestigt, indem zuerst eine mit Flanschen versehene, nicht dargestellte Be-

festigungsschelle gegen die Ofenwand gelegt ■ und dann die C-förmige Befestigungseinrichtung 8 über die Schelle geschoben wird, so daß die Plansche 20 der Befestigungseinrichtung 8 mit den Flanschen der Befestigungsschelle zusammenwirken. Der Aufbau der Wärmeisolierschicht setzt sich aus einer Reihe von serpentinartigen Falzen bzw. Faltungen in beiden Schichten 4 und 6 zusammen. Derartige serpentinartig gefalzten Matten werden mechanisch aus einem kontinuierlichen streifen einer Fasermatte der gewünschten Breite gebildet. Eine zur Herstellung derartiger Falze geeignete Maschine ist bekannt (US-Anmeldung Ser. No. 921 682). Eine einzelne Einheit oder Block 2 kann so viele Falze in jeder Schicht enthalten, wie es erwünscht ist, aber üblicherweise werden etwa sieben oder acht Falze zur Herstellung der gefalzten Schichten vorgesehen, wenn eine Matte mit einer Nominaldicke von 2,5 cm verwendet wird. Dabei wechseln die Richtungen der Falze in jeder der Schichten 4 und 6. Lediglich der Einfachheit halber werden diejenigen Falze, welche am nächsten an der kalten Seite 22 des Blocks 2 enden (d.h. der Blockoberfläche, welche nach der Isolierung an der ofenwand angrenzt

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und somit cen niedrigsten Temperaturen ausgesetzt ist), mit "Innenfalze" bezeichnet und diejenigen Falze, welche in Richtung gegen die heiße Seite 24 des Blocks 2 enden (d.h. an der Blockoberfläche, welche unmittelbar der Ofenhitze im Ofenbetrieb ausgesetzt ist) als "Außenfalze" bezeichnet. Die Leiste 10 zur Befestigung der kalten Schicht 6 an die Befestigungseinrichtung 8 ist stets in einem Innenfalz 12 anstelle eines Außenfalzes 26 der kalten Schicht 6 befestigt.

Eines der wesentlichsten Merkmale der Erfindung liegt in der gegenseitigen Einwirkung bestimmter verlängerter Innenfalze 28 der Schicht 4 innerhalb bestimmter Innenfalze 12· der kalten Schicht 6. Die Schicht 4 ist schlangenlinienförmig in Art einer Serpentine aufgebaut, wobei viele der Innenfalze, die mit dem Bezugszeichen 28' bezeichnet sind, und sämtliche der Außenfalze 30 eine gleichmäßige Tiefe aufweisen. In Intervallen entlang der schlangenlinienförmigen heißen Schicht 4 sind jedoch verlängerte Innenfalze 28 vorgesehen, die von der heißen Schicht 4 nach innen vorstehen (d.h. gegen die kalte Fläche 22). Jeder dieser verlängerten Innenfalze 28 ist in einen aufgeweiteten Innenfalz 12' der

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kalten Schicht 6 eingesetzt, wie aus den Figuren hervorgeht. Normalwerweise erstreckt sich jeder verlängerte Falz 28 über die volle Tiefe des aufgeweiteten Innenfalzes 12', um das gegenseitige Zusammenwirken zwischen den beiden Falzen zu maximieren und auf diese Weise die Kompressions- und Reibkräfte zu maximieren, welche die heiße Schicht 4 an die kalte Schicht 6 befestigen. In den Figuren sind zwei verlängerte Innenlagen 28 für einen einzelnen Modul oder Block 2 dargestellt. Vorzugsweise werden zwei Falze verwendet, da es sich herausgestellt hat, daß diese Anzahl zusammenwirkender Falze außerordentlich geeignet ist, eine sichere Verbindung zwischen den Schichten 4 und 6 herzustellen. Allerdings kann bei Bedarf auch, eine andere Zahl an zusammenwirkenden Falzen 28 und 12' für jeden Modul oder Block 2 verwendet werden, wobei sich dieser Bereich von einem einzelnen zusammenwirkenden Paar von Falzen 28 und 12· bis zu einem Block erstreckt, bei dem jeder einzelne Innenfalz der Schicht 4 verlängert ist. Keiner dieser Extremfälle ist bevorzugt, da ein einzelnes zusammenwirkendes Paar von Falzen 28 und 12· nicht eine genügend sichere Verbindung zwischen den Schichten 4 und 6 bewirkt und die

Verwendung einer großen Anzahl von zusammenwirkenden Paaren von Falzen 28 und 12' einen übermäßigen Anteil der Fasermatte in der Tiefe erfordert, welche die heiße Schicht 4 aufweist.

Die verlängerten Falze 28 können in unterschiedlicher Weise hergestellt werden. Beispielsweise kann man in einfacher Weise zur Bildung eines langgestreckten Falzes 28 einen der Außenfalze von Hand umytiwenden, welcher dieselbe Lange wie die serpentinartigen Falze der heißen Schicht 4 aufweist. Wahlweise kann eine Maschine derart programmiert sein, daß ein derartiger gewendeter Falz in vorbestimmten Intervallen während der Bildung des Rests der normalen Falze in der heißen Schicht 4 gebildet wird. Bei einer weiteren Ausführungsform kann eine Maschine verwendet werden, die normale Falze herstellt, jedoch in regelmäßigen Intervallen Falze mit einer größeren Länge bildet, welche dann als die langgestreckten Falze 28 dienen. Bei der letzten Ausführungsform können die längeren Falze irgendeine gewünschte Länge aufweisen und sind nicht darauf begrenzt, daß ein verlängerter Abschnitt dieselbe Länge wie die regelmäßigen Falze aufweist, was dann der Fall ist, wenn die regel-

mäßigen Falze einfach gewendet werden»

Obgleich die Schichten 4 und 6 an der Grenzfläche 32 aneinander anstoßen, besteht die einzige Verbindung zwischen den Schichten 4 und 6 im Zusammenwirken zwischen den Flächen der Falze 28 und 12'. Da die beiden Schichten aus faserigen Materialien hergestellt sind, ruft dieses flächige Zusammenwirken eins beträchtliche mechanische Blockierung der Oberflächenfasern hervor und hindern starke'Reibungskräfte den FaIs 28 an einem Austreten aus dem Falz 12, so daß gesonderte oder äußere mechanische Verbindungseinrichtungen, wie etwa Klemmen oder Schrauben, nicht erforderlich sind. Wenn schließlich die Blöcke an der Ofenwand im üblichen Parkettmuster (US-PS 3 819 468) angeordnet werden, üben die benachbarten Blocks 2 aufeinander Druckkräfte aus, wodurch die Falze 12' zusammengedrückt werden und auf diese Weise die verlängerten Falze 28 noch fester greifen. Diese Druckkräfte benachbarter Blöcke werden durch die Herstellung der Blöcke erzielt, wobei - die Falze der Schichten 4 und 6 vor Installation des Blocks in einem Ofen oder einem ähnlichen Aufbau etwas zusammengedrückt sind. Um diesen Druckzustand (Kompression) aufrecht su erhalten

werden üblicherweise drei Seiten des Blocks 2 in einen Karton oder einem ähnlichen starken Bogenmaterial 34 eingeschlagen· und wird das Material 34 mit Bändern 36 in dieser Lage gehalten. Nachdem die einzelnen Module oder Blökke an der Ofenwand befestigt und die Parkettstruktur errichtet ist, wird ein jedes Band 36 von einem Arbeiter durchgeschnitten, so daß das Material 34 und die Bänder 36 abgenommen werden können. Die Druckkräfte, denen die Schichten 4 und 6 zuvor ausgesetzt waren, sind somit aufgehoben, so daß die Schichten nach außen expandieren können. Wegen der parkettartigen Anordnung benachbarter Blöcke können sich die Schichten jedoch nicht um einen wesentlichen Betrag bewegen, sondern übertragen die Druckkräfte auf den benachbarten Block. Dies hat nicht nur den Vorteil einer zusätzlichen Festlegung der langgestreckten Falze 28, sondern wirkt auch dahin, Räume zwischen benachbarten Blöcken zu schließen, welche ansonsten als Wärmebrücken dienen würden und den Wirkungsgrad der isolierenden Auskleidung des Ofens oder eines ähnlichen Aufbaus reduzieren würden.

In den Figuren ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel umfassend zwei Schichten 4 und 6 dargestellt. Allerdings ist das Konzept zusammenwirkender Falze, wie es für zwei Schichten gezeigt ist, gleichermaßen auf zusätzliche Schichten einer Wärmeisoliermatte anwendbar, so daß ein Aufbau mit drei, vier oder mehreren Schichten möglich ist. Die zweischichtige Ausführungsform ist jedoch deswegen besonders bevorzugt, weil der Grad der Befestigung entscheidend geringer für Schichten wird, welche sich weiter aus der kalten Fläche herauserstrecken. Zusätzlich ist der Temperaturabfall über einen Isolierblock einer üblichen Tiefe von 10 bis 30 cm (4 bis 12 inch) normalerweise nicht groß genug, um die Verwendung von mehr als zwei verschiedenen Arten von Fasermatten zu rechtfertigen, wie weiter unten noch beschrieben wird.

Jede der Schichten 4 und 6 (und bei Bedarf zusätzlicher Schichten) ist normalerweise aus Isolierfasern zusammengesetzt. Normalerweise unterscheiden sich die Fasern in der heißen Schicht 4 von den Fasern in der kalten Schicht 6, in dem sie wesentlich temperaturbeständiger sind. Unter den verschiedenen Faserkombinationen, wel-

ehe verwendet werden können sind zu nennen: eine heiße Schicht 4 zusammengesetzt aus Aluminiumoxidfasern (1670° C/3000° F Betriebstemperatur) und eine kalte Schicht 6 zusammengesetzt aus Siliciumdioxid/Aluminiumoxid/ Chromoxidfasern (1430° C/2600° F Betriebstemperatur); eine heiße Schicht 4 zusammengesetzt aus den zuvor erwähnten Siliciumdioxid/ Aluminiumoxid/Chromoxidfasern und eine kalte Schicht 6 zusammengesetzt aus konventionellen Aluminiumsilicatfasern (1260° C/2300° F Betriebstemperatur); eine heiße Schicht 4 zusammengesetzt aus den erwähnten Alumosilicatfasern und einer kalten Schicht 6 zusammengesetzt aus irgendwelchen Fasern gem. der US-PS 4 055 (760° C - 1090° C/1400° F - 2000° F⁴ Betriebstemperatur) oder eine heiße Schicht 4 zusammengesetzt aus den erwähnten Fasern gem. US-PS 4 055 434 und eine kalte Schicht 6 zusammengesetzt aus irgendwelchen konventionellen Glasfasern, Mineralwollfasern oder Steinwollefasern. Andere Kombinationen, wie etwa Siliciumdioxid/ Aluminiumoxid/Chromoxidfasern in der heißen Schicht 4 hinterfüllt durch die Fasern nach der US-PS 4 055 434 in der kalten Schicht 6

können auch verwendet werden, falls die heiße Schicht 4 ausreichend dick ist, um die Temperatur an der Zwischenfläche 32 auf eine Temperatur innerhalb des Betriebsbereichs der Fasern zu reduzieren, aus denen die kalte Schicht 6 aufgebaut ist. Die Bestimmung der für die Verwendung in der heißen Schicht 4 geeigneten Faser hängt von der Temperatur an der heißen Fläche 24 ab, während die Bestimmung der für die Verwendung in einer kalten Schicht 6 geeigneten Faser von der Temperatur an der Grenzfläche 32 abhängig ist. Letztere Temperatur hängt sowohl von der Temperatur an der heißen Fläche 24 und der Dicke der heissen Schicht 4 ab sowie vom Grad der Wärmeübertragung durch die heiße Schicht 4.

Während normalerweise die Fasern in den beiden Schichten von unterschiedlicher Zusammensetzung sind, ist es möglich, Fasern der selben Zusammensetzung in jeder Schicht zu verwenden. Obgleich dies selbstverständlich keinen zusätzlichen wärmemäßigen oder kostenmäßigen Vorteil gibt, kann dies zur Vereinfachung der Reparatur von Wärmeblöcken verwendet werden, wo die Oberflächenschädigung eines Blocks ein häufiges

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Problem ist. Falls derartige Blöcke eine Oberflächenbeschädigung an ihrer heißen Fläche aufweisen, braucht man lediglich die äußere oder heiße Schicht 4 entfernen und ersetzt diese mit einer neuen heißen Schicht 4 durch Einkeilen der Falze 28 der heißen Ersatzschicht 4 in die Falze 12· der vorhandenen kalten Schicht 6. Ein derartiges System ist auch dort vorteilhaft, wo eine Instandsetzung eines beschädigten Blocks nicht sofort vorgenommen werden kann, da-sogar dann, falls die heiße Schicht 4 während des Ofenbetriebs weggerissen worden ist, die verbleibende kalte Schicht 6 eine gewisse Wärmeisolierung gewährleistet, wotfdurch ein totaler Wärmeverlust durch den beschädigten Abschnitt vermieden ist. Die bausteinartigen Blöcke nach Maßgabe der Erfindung können vielfältig für Wärmeisolierzwekke angewendet werden. Beispielsweise könen sie zur Ausfütterung der Innenräume industrieller Öfen und ähnlicher Hochtemperaturvorrichtungen verwendet werden. In derartigen Vorrichtungen können sie zur Ausfütterung von Wänden, Decken, Türen und irgendwelcher anderer Flächen eingesetzt werden, durch welche ein Wärmeverlust verhindert werden soll. Spezielle Anwendungsfälle derartiger Öfen finden sich in der Keramik-

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Industrie, der Stahlindustrie und der Glasindustrie. Derartige Hochtemperatur-Vorrichtungen werden auch bei der Behandlung von Glasartikeln, wie etwa Flaschen und Fenstergläser beim Brennen von Farben und Beschichtungen sowie beim Vergüten von Metallgegenständen verwendet.

Starnberg, den 4. Juni 1981/1056

Claims

Patentansprüche

1. Wärmeisoliervorrichtung, welche an die Fläche eines Ofens od. dgl. befestigbar ist und eine heiße sowie eine kalte Fläche aufweist, wobei die kalte Fläche an die Ofenfläche angrenzt und die heiße Fläche der höchsten Betriebstemperatur im Ofen ausgesetzt ist, gekennzeichnet durch

a) eine erste Isolierschicht (6) mit einer ersten schlangenartig gefalzten faserigen Isoliermatte,

b) eine an der ersten Isolierschicht vorgesehene Befestigungseinrichtung (8) für die Befestigung der Vorrichtung an die Ofe"nflache, wobei die erste Isolierschicht die kalte Fläche der Vorrichtung bildet,

c) eine zweite Isolierschicht (4), welche eine zweite schlangenförmig gefalzte faserige Isoliermatte aufweist und an der ersten Isolierschicht (6) auf der der Befestigungseinrichtung (8) gegenüberliegenden Seite der ersten Isolierschicht anliegt, wobei die zweite Isolierschicht die heiße Fläche (24) der Vorrichtung bildet und wobei

d) wenigstens einer der Falze (28) der zweiten Isoliermatte sich von der zweiten Isolierschicht (4) in die erste Isolierschicht (6) erstreckt und innerhalb eines der Falze (12·) der ersten Isoliermatte ausreichend tief angeordnet ist, so daß die erste Isolierschicht (6) und die zweite Isolierschicht (4) ohne das Erfordernis zusätzlicher mechanischer Verbindungen aneinander anliegen.

?. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Isolierfasern der ersten Isolierschicht eine unterschiedliche Zusammensetzung und einen höheren Wärmedurchlaßwiderstand als die Fasern der zweiten IsiLierschicht (4) aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß eine Anzahl der Falze der zweiten Isaliermatte in einer gleichen Anzahl der Falze der ersten Isoliermatte angeordnet sind..

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4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß jeder Block zwei Paare miteinander zusammenwirkender Falze beinhaltet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die zweite Isolierschicht (4) eine Anzahl von schlangenartig gefalzten faserigen Is&iermatten aufweist, wobei jede Matte Falze (28) besitzt, welche mit Falzen (12·) der benachbarten Matte in der Weise wie unter d) von Anspruch 1 zusammenwirken.