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Prof. DrO=IngO Günther Woelk
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Franzstraße 109 5100 Aachen und Prof.Dr.-Ing. Carl Kræmer Am Chorusberg
8 5100 Aachen Tunnelofen Beschreibung Die Erfindung betrifft einen Tunnelofen der
im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.
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Zur Wärmebehandlung industrieller Güter, insbesondere von Keramik-Teilen,
werden oft Tunnelöfen eingesetzt. Dabei handelt es sich im allgemeinen um einen
aus Schirm-, Isolier- oder Ziegelsteinen gemauerten, außen oft mit einem Blechmantel
umgebenen Tunnel mit einer Länge bis zu 130 m, auf dessen Sohle ein Gleis verlegt
wird. Das zu erwärmende bzw. zu kühlende Gut wird außerhalb des Tunnels auf Brennwagen
mit einer Plattform aus Schamotte oder Schmelz zement gesetzt und durch den Ofen
gefahren; der ganze Ofen ist mit Wagen besetzt, so daß jeder neu eingefahrene Wagen
einen anderen Wagen hinausschiebt.
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In der Mitte des Tunnelofens befinden sich Gasbrenner, die das erforderliche,
heiße Konvektionsgas erzeugen. Während des
Wagenvorschubs strömt
das Konvektionsgas durch den Tunnel den Wagen entgegen, wärmt das Gut vor und wird
dann durch Abzugskanäle abgezogen. In der Kühlzone wird die gespeicherte Wärme des
Gutes an eingezogene Luft abgegeben, also das Gut gekühlt.
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Bei der Erwärmung und Kühlung des Gutes muß in den meisten Fällen,
besonders bei keramischen Gütern, aus verfahrens-und materialtechnischen Gründen
eine vorgegebene zeitliche Aufheiz- und Abkühlkurve eingehalten werden, die sogenannte
Brennkurve.
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Arbeitet der Tunnelofen mit einem bestimmten Massendurchsatz des Gutes,
so sind für eine genaue definierte Brennkurve, also für die gewünschte zeitliche
Temperatursteigerung oder den gewünschten zeitlichen Temperaturabfall, bestimmte
Gasmassenströme und Wärmeübergangsbedingungen erforderlich.
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Die Bereitstellung der notwendigen Gasmassenströme bietet in aller
Regel keine Probleme. Die beim Transport des Gases im Gegenstrom durch den Tunnel
erzielten Gasgeschwindigkeiten reichen jedoch nicht aus, um an allen Stellen des
zu behandelnden Gutes den erforderlichen hohen Wärmeübergang zu erzeugen.
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Deshalb wird seit langem versucht, den Wärmeübergang durch strömungstechnische
Maßnahmen zu verbessern. Bei den heute üblichen Tunnelöfen ist der Anteil der Gasströmung
durch die Spalten zwischen dem Gutbesatz und den Tunnelofenwänden im Vergleich mit
der Gasströmung durch den Gutbesatz unerwünscht hoch. Denn diese Randströmung trägt
nur unwesentlich zur Wärmeübertragung auf das Gut bei.
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Insbesondere zwischen dem Gutbesatz und der Decke des Tunnels bildet
sich eine starke Konvektionsgas-Strömung aus, die nur eine vernachlässigbare Wirkung
auf das Gut hat. Deshalb ist durch verschiedene Maßnahmen versucht worden, die Wärme
nach unten zu drücken11. Mit dieser technisch unklaren Formulierung ist gemeint,
daß die Konvektionsgasströmung von der Tunneldecke nach unten in den Gutbesatz hineingeleitet
werden soll. Dies erfolgt entweder mit Ventilatoren oder mit Injektoren. Diese Verfahren
haben jedoch nur zu unbefriedigenden Resultaten geführt, so daß sie praktisch nie
realisiert worden sind.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Tunnelofen
der angegebenen Gattung zu schaffen bei dem die oben erwähnten Nachteile nicht auftreten.
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Insbesondere soll ein Tunnelofen vorgeschlagen werden, bei dem der
erforderliche hohe Wärmeübergang zwischen Konvektionsgas und Gut durch eine gleichmäßige
Durchströmung des Gutes mit der erforderlichen hohen Gasgeschwindigkeit gewährleistet
ist.
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Dies wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs
1 angegebenen Merkmale erreicht.
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Zweckmäßige Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen zusammengestellt.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen darauf, daß das Konvektionsgas
quer zur Tunnellängsrichtung, also quer zur Transportrichtung des Gutes, von einer
Tunnelwand zur anderen strömt, wodurch sich eine gleichmäßige Durchströmung des
Gutbesatzes ergibt. Dadurch lassen sich hohe Konvektionsgas-Geschwindigkeiten erreichen,
wie sie für den angestrebten, hohen, konvektiven Wärmeübkrgangskoeffizienten
von
beispielsweise 20 bis 30 W/(m x ° K) erforderlich sind.
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Bei Tunnelöfen mit den heute üblichen Längen von mehr als 100 m und
der Anwesenheit von Rand-, Decken- und Bodenspalten zwischen Besatz und Tunnelofenwand
läßt sich diese gleichmäßige Durchströmung mit der herkömmlichen Längsströmung nicht
erzielen, so daß sich eine wesentliche Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen
dem Konvektionsgas und dem Gut ergibt.
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Zweckmäßigerweise tritt der Konvektionsgas-Strom gleichverteilt aus
einer Tunnelofenwand aus und wird ebenfalls gleichverteilt in die gegenüberliegende
Ofenwand gesaugt, wodurch eine sehr gleichmäßige Konvektionsgasströmung durch den
Gutbesatz hindurch gewährleistet ist. Selbstverständlich muß der Gutbesatz hierfür
ausreichend freien Strömungsraum bieten, wie es jedoch in der Praxis in aller Regel
der Fall ist, da die zu behandelnden Güter, beispielsweise Keramikteile, so auf
den Wagen gestapelt werden, daß sich freie Durchströmöffnungen ergeben.
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Die einzige Änderung im Vergleich mit der herkömmlichen Längsströmung
liegt nur darin, daß die freien Durchströmöffnungen nun nicht mehr in Längsrichtung
des Tunnels, sondern in Querrichtung angeordnet werden müssen. Diese Änderung der
Stapelung stellt jedoch in der Praxis kein Problem dar.
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Der erfindungsgemäße Tunnelofen geht also von der üblichen Längsströmung
des Konvektionsgases durch den Tunnel ab und ersetzt sie durch eine Querstörmung.
Da es nicht möglich und auch nicht sinnvoll ist, über die gesamte Länge der Vorwärm-
oder Kühlzone des Tunnelofens eine einheitliche Quert strömung zu erzeugen, wird
der Tunnelofen in Längssektionen unterteilt. Jede Längssektion bildet dabei eine
Querströ-
mungseinheit.
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Damit der Gutbesatz quer zur Transportrichtung nicht einseitig durch
das Konvektionsgas beaufschlagt und damit ge gebenenfalls auf einer Seite stärker
aufgewärmt bzw. abgekühlt wird als auf der anderen Seite, kann die Strömungsrichtung
des Konvektionsgases von Längs sektion zu Längssektion umgekehrt werden. Dadurch
bietet sich außerdem der Vorteil, daß der Längstransport des Konvektionsgases auf
einfache Weise außerhalb des Tunnels oder in separaten Kanälen innerhalb des Tunnels
durchgeführt werden kann.
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Zweckmäßigerweise befindet sich in einer Tunnelwand eine Zuströmkammer
und in der gegenüberliegenden Wand eine Abströirkammer, die über Lochwände mit dem
eigentlichen Behandlungstunnel verbunden sind.
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Für die Zuführung des Konvektionsgases zu den Zuströmkammern der einzelnen
Längs sektionen stehen zwei Varianten zur Verfugung. Bei der ersten Variante ist
die Druckseite des Querströmkreislaufes einer Längs sektion über einzelne Längskanäle
mit der Saugseite des Querströmkreislaufes der benachbarten oder einer anderen Längssektion
verbunden. Die erforderliche Druckdifferenz wird dabei durch Umwälzventilatoren
in jeder Längssektion erzeugt.
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Bei der zweiten Variante sind unter der Abström- bzw. Zuströmkammer
der einzelnen Längssektionen Längskanäle vorgesehen, durch die das heiße Konvektionsgas
entgegen der Transportrichtung des Gutes durch einen Abgasventilator, der sich beim
Einfahrtor des Tunnels befindet, vom Beginn der Brennzone angesaugt wird.
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Zwischen den Zuström- oder Abström]cammern und diesen Längskanälen
sind Uberströmöffnungen angeordnet, deren Durch-
strömquerschnitt
mittels eines Drosselorgans variiert werden kann.
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Neben dem Abgasventilator sind in den einzelnen Längssektionen noch
Umwälzventilatoren vorgesehen, die die erforderliche Quer strömung erzeugen.
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Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß die Durchströmung der einzelnen
Längssektionen mit heißem Konvektionsgas in weiten Grenzen gesteuert werden kann,
ohne daß die Nachbarsektionen mit der gleichen Gasströmung beaufschlagt werden müssen.
Auf diese Weise lassen sich die Temperaturen der einzelnen Längs sektionen steuern
und damit die gewünschte Brennkurve sehr exakt einhalten.
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Soll der Energietransport zu den Längssektionen in der Vorwärmzone
nicht von der Brennzone aus erfolgen, so kann jede Längs sektion mit einem eigenen
Brennersvstem ausgerüstet werden. Hierfür bieten sich Rekuperator-Brenner an, bei
denen die Abgase durch den Brenner abgesaugt werden und zur Vorwärmung der Verbrennungsluft
dienen.
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Bei dieser Technik bildet jede Längssektion eine abgeschlossene Einheit
mit entsprechender Temperatursteuerung. Der Gaslängsaustausch von einer Längs sektion
zur benachbarten würde entfallen.
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Und schließlich bietet der hier vorgeschlagene Tunnelofen noch den
Vorteil, daß er in Modul-Bauweise aufgelegt werden kann.
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Denn jede Längssektion hat im Prinzip den gleichen Aufbau, so daß
die einzelnen Längssektionen zu einem beliebig langen Tunnel zusammengebaut werden,
indem die Längssektionen jeweils abwechselnd um 1800 in der horizontalen Ebene gedreht
werden.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsm beispielen
unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Längssektiosl gemäß einer ersten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Tunnelofens, Fig. 2 eine schematische Ansicht von drei benachbarten
Längssektionen der Ausführungsform nach Fig. 1, und Fg, 3 einen Querschnitt durch
eine zweite Ausführungsform einer Längssektion eines Tunnelofens.
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Wie man in den Figuren 1 und 3 erkennen kann, ist auf einem Tunnelofenwagen
1, dessen Räder über nicht dargestellte Gleise rollen, ein Gutbesatz 2 so aufgestapelt,
daß der Gutbesatz in Querrichtung, also in der Bildebene, von dem Konvektionsgas,
entweder einem Heizgas oder einem Kühlgas, durchströmt werden kann; außerdem erfolgt
die Stapelung des Gutbesatzes in der üblichen Weise so, daß der verfügbare freie
Ofenquerschnitt möglichst exakt ausgefüllt wird.
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Die Seitenwände des Tunnels 3 werden durch Lochwände 6 bzw.
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7 mit Löchern 11 bzw. 12, die strömungsgünstig, nämlich düdüsenförmig
ausgebildet sind, gebildet.
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Hinter der Lochwand 6 befindet sich auf der gemäß der Darstellung
in den Figuren 1 oder 3 linken Seite des Tunnels eine Abströmkammer 4, während hinter
der Lochwand 7 auf der rechten Seite des Tunnels eine Zuströmkammer 5 vorgesehen
ist.
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Aus der Abströmkammer 4 saugt ein Ventilator 9 das Konvek-
tionsgas
ab, erhöht den Druck des Konvektionsgases und transportiert das Konvektionsgas über
eine Rohrleitung 10 (siehe Fig. 1) bzw. einen gemauerten Querkanal 16 (siehe Fig.3)
in die Zuströmkammer 5. Der dadurch entstehende Konvektionsgasstrom wird durch die
düsenförmig ausgebildeten Löcher 11 der Lochwand 7 in den eigentlichen Ofenraum,
also den Tunnel, gefördert, wo er den durchlässigen Gutbesatz 2 durchströmt.
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Da der Gutbesatz 2 im Vergleich mit den übrigen, zur Verfügung stehenden
Strömungswegen den höchsten Strömungswiderstand aufweist, wird in Verbindung mit
der gleichmäßigen Zufuhr des Konvektionsgases durch die Lochwand 7 eine weitgehende
Gleichverteilung des Gasstromes im Gut erreicht.
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Durch den Unterdruck in der Abströmkammer 4 wird das Heizgas nach
Verlassen des Gutbesatzes 2 durch die strömungstechnisch günstig ausgebildeten Löcher
12 in der Lochwand 6 abgesaugt und strömt wiederum zu dem Ventilator 9, wodurch
ein Umwälzkreislauf des Konvektionsgases geschlossen ist.
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Damit der Gutbesatz 2 quer zur TransXportrichtung nicht einseitig
aufgewärmt wird, wird die Strömungsrichtung des Konvektionsgases von Längssektion
zu Längssektion umgekehrt.
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Dies bietet außerdem den Vorteil, daß- der Längstransport des Konvektionsgases
außerhalb des Tunnels oder in separaten Kanälen innerhalb des Tunnels durchgeführt
werden kann.
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Fig. 2 zeigt drei benachbarte Längssektionen 13 des Tunnels.
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Entsprechend Fig. 1 erzeugen die Ventilatoren 9 der einzelnen Längssektionen
13 jeweils eine Gasumwälzung durch die Rohrleitung 10, die Zuströmkammer 5, den
Ofenraum 8 mit dem Gutbesatz 2 und die Abströmkammer 4. Dabei steht die Rohrleitung
10 gegenüber der Umgebung unter Überdruck, während die Rohrleitung, die auf der
Saugseite in den Ventilator 9 mün-
det, gegenüber der Umgebung
unter Unterdruck steht. Aufgrund der hierdurch auftretenden Druckdifferenz in der
Rohrleitung 14 läßt sich mittels eines Drosselorgans 15 eine Gasströmung von Längssektion
13 zu Längssektion 13 einstellen, wie sie für den Energietransport in Längsrichtung
des Tunnels 3 erforderlich ist.
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Fig. 3 zeigt eine weitere Variante des Längstransportes des Konvektionsgases
und damit der Energie durch den Tunnel; dabei werden zwei Längskanäle 17 verwendet,
die unter der Zuströmkammer 5 bzw. der Abströmkammer 4 angeordnet sind.
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In der Brennzone eines Tunnelofens entstehen durch die Verbrennung
des Brennstoffes, beispielsweise eines Gases, mit Luft Heizgase, die den Gutbesatz
2 in der Brennzone des Tunnelofens auf die }:rennte'peratur aufheizen. Diese Heizgase
werden entgegen der Transportrichtung des Gutbesatzes 2 durch den Tunnel 3 am Beginn
der Brennzone durch die beiden Längskanäle 17 von einem Abgasventilator abgesaugt,
der sich in der Nähe des Einfahrtors des Tunnelofens bef indet.
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Über jedem der beiden Längskanäle 17 sind abwechselnd in Längsrichtung
Abströmkammern 4 bzw. Zuströmkammern 5 angeordnet, da, wie erwähnt, die Querstromrichtung
von Längssektion 13 zu Längssektion 13 umgekehrt wird.
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Zwischen den Zuström- bzw. den Abströmkammern 5 bzw. 4 einerseits
und den Längskanälen 17 andererseits sind Überstromöffnungen 18 ausgebildet, deren
Durchströmquerschnitt mittels eines Drosselorgans 19 verändert werden kann.
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Der nicht dargestellte Abgasventilator erzeugt in den Längskanälen
17 einen Unterdruck und damit eine kontinuierliche
Konvektionsgas-Strömung.
Die Umwälzventilatoren 9 erzeugen in ihren zugehörigen Abströmkanälen 4 einen zusätzlichen
Unterdruck und in ihren zugehörigen Zuströmkanälen 5 einen Überdruck, der sich dem
Unterdruck im zugehörigen Längskanal 17, gemäß der Darstellung in Fig. 3 beispielsweise
dem rechten Längskanal 17, überlagert.
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Neben der Umwälzströmung quer zur Transportrichtung des Gutbesatzes
in einer Längssektion 13 erfolgt also ein Konvektionsgas-Transport aus einem Längskanal
17 in die zugehörige Abströmkammer 4 und aus der Zuströmkammer 5 in den zugehörigen
Längskanal 17. Dabei kann durch entsprechende Verstellung der Drosselorgane 19 das
Verhältnis von Umwälzmassenstrom zu Heizgasmassenstrom in jeder Längssektion 13
eingestellt werden.