DE9319113U1 - Vorrichtung zum Konditionieren und Homogenisieren eines Glasstromes - Google Patents

Description

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"Vorrichtung zum Konditionieren und Homogenisieren eines Glasstromes"

Die Neuerung betrifft eine Vorrichtung zum Konditionieren und Homogenisieren eines kontinuierlich fließenden Glasstromes mit einer Behandlungsstrecke zum Führen eines Glasstromes, die sich von einer Eintrittsseite bis zu mindestens einer Entnahmestelle erstreckt und in der sich am Anfang eine Kühlzone befindet, an die sich eine Homogenisierungszone für die Glastemperatur anschließt.

Während die Prozeßtemperaturen beim Erschmelzen von Glas von dessen Zusammensetzung, vom Produktionsverfahren und von anderen Faktoren abhängen, liegen die zur Verarbeitung des Glases erforderlichen Temperaturen in der Regel niedriger als die

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Schmelztemperaturen bei der Herstellung des Glases. Demzufolge muß das Glas zwischen seiner Herstellung und Verarbeitung abgekühlt werden. Die Abkühlung des Glases ist ein Teil der sogenannten "Konditionierung", bei der das Glas für die Verarbeitung aufbereitet wird. Ebenfalls zur Konditionierung des Glases gehört das Erreichen eines für den in Frage kommenden Verarbeitungsprozeß erforderlichen Grades an thermischer Homogenität.

Die Konditionierung des Glases kann erst dann vorgenommen werden, wenn das Glas das eigentliche Schmelzaggregat bereits verlassen hat. Früher wurde die Konditionierung zumindest überwiegend in den sogenannten Vorherden oder Speisern durchgeführt. Seit einiger Zeit wird auch die sogenannte Arbeitswanne oder der Verteilerkanal für die Konditionierung herangezogen. Einige Entwicklungen der allerletzten Zeit haben die Situation in bezug auf das Abkühlen des Glases entscheidend verändert.

Im Bereich der Schmelzwannen wurde durch verschiedene Maßnahmen die spezifische Schmelzleistung, d.h. die auf die Fläche des Schmelzbereichs bezogene Leistung, wesentlich erhöht. Entsprechend gestiegen ist damit auch die Temperatur des aus der Schmelzwanne abgezogenen Glases. Auch andere Hilfsmittel, durch die die Glastemperatur am Boden der Schmelzwanne erhöht wird, wie z. B. Bubbier oder Bodenheizungen führen meist zu einer Steigerung der Austrittstemperatur des Glases aus der Schmelzwanne.

Auch die Glas-Verarbeitungsmaschinen wurden ständig weiterentwickelt, um u. a. den Durchsatz zu steigern. Während noch in den Sechziger und Siebziger Jahren Maschinen zur Massenherstellung von Hohlgläsern mit 6, 8 oder 10 Stationen für jeweils zwei Tropfen versehen waren, haben größere Maschinen

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heutzutage 12 bis 16 Stationen für jeweils zwei Tropfen oder zehn Stationen für jeweils drei oder vier Tropfen. Dadurch hat sich die Durchsatzleistung einer einzelnen Maschine ganz erheblich erhöht. Die vorstehend beschriebenen Einflüsse haben dazu geführt, daß die gesamte Wärmemenge, die dem Glas nach dem Verlassen der Schmelzwanne und vor der Verarbeitung entnommen werden muß, erheblich gestiegen ist. Die Steigerung des Durchsatzes der einzelnen Maschinen hat die Verweilzeit des Glases in den der Schmelzwanne nachgeschalteten Teilen der Anlage verringert. Dies führt zu dem konträren Sachverhalt, daß eine größere Wärmemenge innerhalb einer geringeren Zeit abgeführt werden muß. Daraus ergibt sich, daß die Produktivität der gesamten Linie ganz erheblich von der Kühlleistung innerhalb der Behandlungsstrecke abhängt. Hierbei müssen allerdings erneut zahlreiche technische Probleme beachtet werden.

Das Fließen des Glases in Arbeitswannen und Vorherden, die im allgemeinen die Grundform eines Kanals aufweisen, erfolgt aufgrund der relativ hohen Viskosität des Glases in Form einer laminaren Strömung. Typischerweise bildet sich dabei im Glasbad ein Geschwindigkeitsprofil aus, bei dem das Maximum etwa in der Mitte des Strömungskanals bzw. an der Glasoberfläche liegt. Aufgrund der Abhängigkeit der Viskosität von der Temperatur der Glasschmelze existiert eine Wechselwirkung zwischen der Glastemperatur, den Wärmeveriusten und der Fließgeschwindigkeit des Glases. Bei örtlich herabgesetzter Geschwindigkeit werden die Wärmeverluste durch Erhöhung der Verweilzeit vergrößert. Dadurch sinkt die Temperatur weiter ab, und durch die dadurch bedingte Erhöhung der Viskosität verringert sich die örtliche Fließgeschwindigkeit noch weiter.

Die Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit in einem Bereich führt bei gleichbleibender Durchsatzmenge zwangsläufig zur

Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeiten in anderen Bereichen mit höheren Glastemperaturen. Damit wiederum wird die Verweilzeit in den Bereichen mit höherer Temperatur und dadurch die effektive Kühlleistung reduziert. Aus diesem Grunde muß die Wirkung eines Kühlsystems möglichst genau definierbar sein, und innerhalb der Kühlzone sollen möglichst Bereiche vermieden werden, in denen geringe Strömungsgeschwindigkeiten auftreten. Durch Bereiche mit niedrigen Temperaturen und höheren Viskositäten tritt wirkungsmäßig eine Verengung des Strömungsquerschnitts ein, was wiederum zu einem erhöhten Gefälle des Glasstandes zwischen der Schmelzwanne und der Entnahmestelle führt. Dies kann wiederum Produktionsstörungen zur Folge haben.

Außerdem muß hierbei berücksichtigt werden, daß die Abkühlung von Gläsern bestimmter Zusammensetzung unterhalb bestimmter Grenztemperaturen, die von der Glaszusammensetzung abhängig sind, zur Bildung von Kristallen führen kann, ein Vorgang, der als "Entglasung" bezeichnet wird. Auch dieser Vorgang kann die Produktion empfindlich stören. Infolgedessen ist beim Einsatz einer Kühlstrecke die Abkühlung des Glasbades auf Temperaturen unterhalb der Entglasungstemperatur möglichst zu vermeiden. Da wiederum die Kristallbildung sowohl von der Temperatur als auch von der Zeit abhängig ist, spielt die Verweilzeit des Glases in dem kritischen Temperaturbereich zusätzlich eine wesentliche Rolle.

Der Wärmetransport im Glasbad selbst findet fast ausschließlich durch Strahlung statt, wobei die Transportgeschwindigkeit von der Zusammensetzung des Glases abhängig ist. Beispielsweise bewirkt die Anwesenheit von zweiwertigem Eisen oder Chrom, die zur Färbung von grünem Glas eingesetzt werden, eine Herabsetzung des Wärmetransports im Glasbad im Vergleich beispielsweise zu einem Kalk-Natron-Weißglas. Dies hat zur Folge, daß der Wärmetransport

aus den unteren Bereichen des Glasbades verzögert wird. Eine Kühlung der unteren Bereiche des Glasbades ist aber unerläßlich. Erfolgt die Kühlung zu einem zu späten Zeitpunkt, so wird kein effektiver Kühleffekt mehr in den unteren Bereichen des Glasbades beobachtet.

Es sind zahlreiche Kühlsysteme bekannt geworden, bei denen der Wärmetransport durch Strahlung überwiegt. Diese Art des Wärmeentzugs ist deswegen vorteilhaft, weil dadurch die Wärme nicht unmittelbar von der Glasoberfläche entnommen wird, sondern von einer Schicht, deren Stärke von der Strahlungsdurchlässigkeit des Glases abhängt. Das Stefan-Boltzmann-Gesetz bietet eine Berechnungsgrundlage für die durch Strahlung transportierten Wärmemengen. Ein wesentlicher Faktor ist dabei der Temperaturunterschied zwischen Strahler und Empfänger. In der für die Glasindustrie typischen Anwendung ist die Temperatur des Glases als Strahler vorgegeben. Aus diesem Grunde ist die Temperatur des Empfängers für die abgezogene Wärmemenge ausschlaggebend.

Durch die DE-PS 24 10 763 ist es bekannt, die Decke eines Speiserkanals so zu profilieren, daß in der Mitte ein nach unten offener Kanal gebildet wird, in dem ein Kühlluftstrom in Längsrichtung des Speiserkanals zwischen der Speiserdecke und dem Glasstrom geführt wird. Dadurch entsteht eine Temperaturdifferenz zwischen dem im Kanal befindlichen Glas und der Unterseite der Decke, so daß das Glas Wärme zum gekühlten Teil der Decke abstrahlt. Einerseits ist es hierbei vorteilhaft, daß die Decke als Strahlungsempfänger unmittelbar durch die Kühlluft gekühlt wird. Andererseits wird die abgestrahlte Energiemenge durch die erreichbare Temperatur der Decke bestimmt, so daß die Energiemenge pro Zeiteinheit begrenzt ist. In der Praxis können an der Unterseite der Decke nur Temperaturen von mehreren 100 ⁰C erreicht werden. Durch die

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Änderung der Luftmenge pro Zeiteinheit wird die effektive Temperatur des Empfängers und damit die entnehmbare Wärmemenge variiert. Die zugeführte Kühlluft ist beim Eintritt wesentlich kalter als das innere des Strömungskanals, so daß eine schnelle Aufheizung der Luft erfolgt. Bei starker Luftzufuhr können jedoch Dichteunterschiede zwischen der kälteren Luft und der Umgebung auftreten, so daß konvektive Luftbewegungen stattfinden. Dadurch ist die Gefahr der direkten Abkühlung der Glasoberfläche durch Kühlluft gegeben. Dies führt wiederum zu einer Beschleunigung des darunterliegenden heißeren Glasstroms und dadurch zu einer Verringerung der effektiven Kühlleistung des Systems.

In der US-PS 35 82 310 wurde auch bereits der Weg beschritten, den Kühlluftkanal gegenüber der Glasschmelze durch eine Zwischendecke zu schließen, so daß eine direkte Abkühlung der Glasoberfläche verhindert wird. Durch diese Zwischendecke wird allerdings die Leistungsfähigkeit der Kühlung verringert, da sich in der Zwischendecke ein Temperaturgradient einstellt, durch den die Unterseite der Zwischendecke eine höhere Temperatur annimmt. Dies wiederum beeinflußt den Wärmeentzug aus der Glasströmung negativ.

Ein wesentlich effektiveres Kühlsystem ist in der EP-PS 0 212 539 beschrieben. Hierbei sind in der Decke einer Behandlungsstrecke Öffnungen vorgesehen, deren wirksamer Querschnitt durch verschiebbare Platten veränderbar ist. Dadurch wird die Umgebung nach Maßgabe des Öffnungsquerschnitts als Strahlungsempfänger benutzt. Da die Temperatur der Umgebung auch im ungünstigsten Fall unter 100 ⁰C liegt und damit wesentlich niedriger liegt als die erreichbaren Empfängertemperaturen bei anderen Systemen, ist die Leistungsfähigkeit pro Flächeneinheit wesentlich höher. Andererseits erzeugen aber die Abstrahlungsöffnungen eine Kaminwirkung und

verursachen damit wiederum konvektive Luftbewegungen. Solche Bewegungen sind schwer kontrollierbar und können zu regelungstechnischen Problemen führen.

Auch wenn die vorhandene Kühlkapazität ausreichend ist, kann es immer noch zu Problemen bei der Kühlung der unteren Schichten der Glasströmung kommen, die vor allem bei Farbgläsern eine zu hohe Temperatur behalten.

Durch die EP-OS 2 195 598 ist es bekannt, die Glasoberfläche in einem Speiser durch Lochplatten gezielt mit Kühlluft anzublasen. Hierdurch kann bei starker Kühlung, die bei erhöhtem Durchsatz erforderlich ist, auf der Glasoberfläche eine Art "Lederhaut" entstehen, unterhalb welcher das Glas mit hoher Temperatur und niedriger Viskosität mit erhöhter Geschwindigkeit weiterströmt.

Durch die US-PS 3 645 712 ist es weiterhin bekannt, auf der gesamten Länge eines Speisers oder Vorherdes eine Reihenanordnung von plattenförmigen Wärmetauschern vorzusehen, die von einem Kühlmedium durchströmt werden, aber nicht in die Glasschmelze eintauchen. Diese Kühlung kann durch ein entsprechendes Kühlmedium sehr effektiv gestaltet werden, jedoch findet die Temperaturabsenkung nur allmählich über die gesamte Länge des Vorherdes statt, so daß der restliche Strömungsweg nicht mehr ausreicht, um eine außerdem notwendige Homogenisierung der Temperatur über die gesamte Tiefe der Glasschmelze herbeizuführen. Obwohl kurz hinter dem Eintritt der Glasschmelze in den Vorherd eine Bodenerhöhung vorgesehen ist, empfiehlt diese Druckschrift immer noch die Einhaltung einer erheblichen Tiefe des Glasstroms.

Durch die US-PS 4 029 488 ist es weiterhin bekannt, am Eintrittsende der Glasschmelze in einen Vorherd in dessen Boden Kühlkörper

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vorzusehen, die vom Glas überströmt werden und dadurch eine intensive Kühlung bewirken sollen. Am Anfang des Vorherdes sind in dessen Bodenmitte in Reihe zwei Kühlkörper angeordnet, und erst danach folgen zwei weitere Kühlkörper, die nebeneinander angeordnet sind. Dadurch findet der stärkere Kühleffekt erst mit einiger Entfernung vom Einlauf in den Vorherd statt. Durch derartige Kühlkörper wird Wärme nur aus der unmittelbar angrenzenden Schicht entzogen, die sich gezwungenermaßen am Boden des Kanals befindet. In der Praxis ist eine Bewegung dieser Schicht schwierig durchzuführen, und zwar auch dann, wenn Rührwerke verwendet werden. Außerdem hat der Füllstand eine beträchtliche Höhe, so daß es schwierig ist, eine auch nur einigermaßen gleichmäßige Temperaturverteilung zu erreichen. Die Rührer können nämlich wegen des dann auftretenden Verschleißes nicht so tief angeordnet werden, daß die kalte Bodenschicht aufgenommen werden könnte.

Durch die US-PS 2 394 893 ist es bekannt, den recht tiefen Inhalt einer Arbeitswanne mittels eines rechenähnlichen, gekühlten Rührers regelrecht abzurastern und dadurch den Inhalt der Arbeitswanne systematisch umzurühren. Diese Maßnahme ist jedoch konstruktiv sehr aufwendig und führt dennoch nicht zu einer Homogenisierung der Temperaturverteilung, da an den verschiedenen Ausgängen der Arbeitswanne kein hinreichender Strömungsweg für einen Temperaturausgleich mehr vorhanden ist.

Durch die DE-PS 25 07 015 ist es weiterhin bekannt, in der Schmeizwanne selbst, zwischen einem Schmelzabschnitt und einem Läuterungsabschnitt hoher Temperatur einerseits und einer Läuterungszone niedrigerer Temperatur andererseits wassergekühlte Rührvorrichtungen vorzusehen, um die Homogenisierung zu steigern und die Qualität des Glases zu verbessern. Dadurch wird aber eine größere Länge der Schmelzwanne erforderlich, und die Probleme

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hinsichtlich einer weiteren Kühlung und Homogenisierung der Temperatur in den sich an die Schmeizwanne anschließenden Aggregaten zur Weiterverarbeitung des Glases werden nicht gelöst.

Schließlich ist es durch die DE-OS 31 19 816 bekannt, einen Speiser in fünf Zonen zu unterteilen, von denen die beiden ersten eine Schnellkühlzone und eine Feinkühlzone sind. Die dritte Zone ist eine Rührzone, in der die Glasschmelze mechanisch umgerührt wird, und die vierte Zone ist eine Ausgleichszone zur Homogenisierung der Temperatur vor dem Eintritt des Glases in die fünfte Zone, in der der übliche Tropfen gebildet wird. Sowohl in der Schnellkühlzone als auch in der Feinkühlzone sind geschlossene Deckenkanäle und Bodenkanäle für die wahlweise oder gleichzeitige Führung eines Kühlmedium vorgesehen. Der Wärmeentzug pro Längeneinheit der beiden Kühlzonen ist jedoch nach wie vor begrenzt, so daß der Glasstrom in einem mäanderförmigen Kanal geführt wird, in dem sich zusätzliche Elektroden zur Aufheizung des Glases in den sogenannten "tote Ecken" befinden. Kühlung und zusätzliche Beheizung der Glasschmelze müssen also gleichzeitig durchgeführt werden, so daß erhebliche Wärmemengen unmittelbar von den zusätzlichen Heizzonen zu den Kühlzonen abgeführt werden.

Der Neuerung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Gattung anzugeben, durch die bei hohem Durchsatz der Behandlungsstrecke sowohl ein starker Kühleffekt als auch ein guter Homogenisierungseffekt erzeugt werden. Wie eingangs aufgezeigt wurde, stehen sich diese Forderungen gewissermaßen diametral entgegen.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei der eingangs angegebenen Vorrichtung neuerungsgemäß dadurch, daß in der Kühlzone für den Glasstrom ein Strömungsquerschnitt mit einem

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Tiefen/Breitenverhältnis T/B von maximal 0,6 eingestellt wird, wobei die maximale Tiefe T_max

a) bei Anordnung der Kühlzone in einer Arbeitswanne oder in einem Verteilerkanal 300 mm,

b) bei Anordnung der Kühlzone in einem Speiser und/oder in einem Vorherd 150 mm

beträgt.

Vereinfacht ausgedrückt besteht die Neuerung darin, zumindest am Anfang der Behandlungsstrecke einen möglichst niedrigen Füllstand der Glasschmelze zu erzeugen, in diesem Bereich des niedrigen Füllstandes möglichst viel Wärme zu entziehen, so daß bei gegebener Länge der Behandlungsstrecke eine möglichst lange Homogenisierungszone zur Verfügung steht, in der ein Ausgleich der restlichen Temperaturdifferenzen herbeigeführt werden kann.

Daraus ergibt sich, daß die Verhältnisse um so besser werden, je stärker das Tiefen-/Breitenverhältnis T/B verringert wird, beispielsweise auf 0,5; 0,4; 0,3; 0,2 und darunter. Es versteht sich, daß selbstverständlich sämtliche Zwischenwerte gleichermaßen zu Vorteilen führen.

Auch hierbei wachsen die Vorteile zunächst mit abnehmender Tiefe, dann z. B., wenn die maximale Tiefe T_max bei Anordnung der Kühlzone in einer Arbeitswanne oder in einem Verteilerkanai auch kleiner als 300 mm gewählt werden kann, beispielsweise zu 250 mm, 200 mm oder darunter.

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Die üblichen Füllstände in Speisern oder Vorherden sind naturgemäß geringer, so daß es auch in diesem Falle anzustreben ist, die maximale Tiefe von 150 mm beispielhaft auf 120 mm, 100 mm oder darunter zu verringern. Auch in diesem Fall sind Zwischenwerte ohne weiteres möglich.

Die angegebenen geringen Badtiefen sind bei den heute geforderten hohen Durchsätzen keineswegs selbstverständlich. Ihnen steht nämlich der Effekt entgegen, daß sich über die Länge der Kühlzone und des übrigen Strömungsweges ein von der Strömungsgeschwindigkeit abhängiges Gefälle einstellt, und die Strömungsgeschwindigkeit und damit das Gefalle nehmen mit geringerer Badtiefe stark zu.

Es versteht sich, daß in allen Fällen Mindesttiefen nicht unterschritten werden können. Diese lassen sich jedoch experimentell bestimmen.

Der neuerungsgemäße Gedanke zielt mithin in Richtung einer "Dünnschichtkühlung", so daß es möglich ist, mit den an sich bekannten Kühlsystemen auf' relativ kurzem Wege außerordentlich große Wärmemengen abzuziehen, die in Relation zu der Temperaturdifferenz zwischen T-j und T2 zu setzen sind.

Die Temperatur T-i ist diejenige am Ausgang der Schmeizwanne bzw. am Eintritt in die Behandiungsstrecke und die Temperatur T2 ist diejenige Temperatur an der ersten oder einzigen Entnahmestelle. Die Temperatur T^ ist eine Folge der notwendigen Betriebsbedingungen in der Schmeizwanne und liegt üblicherweise, aber beispielhaft, zwischen 1350 und 1400 ⁰C. Die Temperatur T-j liegt in der Regel um so höher, je höher der Durchsatz bzw. die Leistung der Schmelzwanne ist. Die Temperatur T2 wird sowohl durch die Glasart als auch durch die Verarbeitungsbedingungen der

üblicherweise erzeugten Glastropfen vorgegeben und liegt in der Regel beispielhaft zwischen 1120 und 1180 ⁰C. Die neuerungsgemäße Ausbreitung des Kanalquerschnitts über eine große Breite bei geringer Tiefe (bei gegebenen Durchsatz bzw. bei gegebener Strömungsgeschwindigkeit) ermöglicht eine

außerordentlich starke Kühlung auf kürzestem Wege bei gleichzeitiger Verringerung von Unterschieden in der Strömungsgeschwindigkeit und in der Temperatur und damit in der Viskosität. Es treten bereits dann erhebliche Vorteile ein, wenn dem Glasstrom am Anfang der Kühlzone je Meter Strömungsweg mindestens 30 % derjenigen Energiemenge entzogen werden, die der Temperaturdifferenz zwischen T-) und T2 entspricht. Es ist jedoch besonders vorteilhaft, wenn durch die Intensivierung der Kühlwirkung dem Glasstrom in der Kühlzone je Meter Strömungsweg mindestens 40 oder nach Möglichkeit mindestens 50 % derjenigen Energiemenge entzogen werden, die der besagten Temperaturdifferenz entsprechen.

Wie bereits gesagt, können für den Wärmeentzug an sich bekannte Mittel verwendet werden, wie beispielsweise eine Bodenkühlung durch in den Boden der Behandlungsstrecke eingebaute Kühlkanäle und/oder durch eine bewußt im Bodenbereich verminderte Isolierung. Weiterhin kann alternativ oder zusätzlich eine Oberflächenkühlung vorgesehen werden, wie durch regelbare Deckenöffnungen, und/oder durch Anblasen mit Gasen, beispielsweise mit Luft und/oder durch Kühlkörper, die ohne Berührung mit dem Glasstrom oberhalb des Glasspiegels angeordnet sind. Schließlich ist es möglich, eine Kühlung in der Masse selbst durchzuführen, beispielsweise durch Kühlkörper, die in das Glas eingetaucht sind und die zusätzlich noch die Wirkung von Rührelementen haben können.

Auch für die nachfolgende Homogenisierung der Temperatur in der Glasschmelze können an sich bekannte Mittel vorgesehen werden,

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wie eine entsprechend lange Homogenisierungszone mit der Voraussetzung einer möglichst vollkommenen Wärmeisolierung gegenüber der Umgebung, durch ungekühlte Rührelemente oder Leitflächen, desgleichen auch durch eine leichte Beheizung der Schmelze von oben durch Strahlung oder innerhalb des Glases durch den elektrischen Glaswiderstand und entsprechende Heizelektroden.

Durch die neuerungsgemäße Dünnschichtkühlung wird erreicht, daß praktisch die gesamte Glasmenge vorübergehend im Einflußbereich des Kühlsystems liegt, so daß z. B. auch der Bodenbereich der Glasströmung einer Kühlung z. B. durch merkliche Abstrahlung nach oben hin ausgesetzt wird. Die ansonsten zu beobachtende, sich negativ auswirkende wechselseitige Verstärkung von Temperatur-, Viskositäts-, Verweilzeit- und Strömungsdifferenzen wird damit außerordentlich wirksam unterdrückt.

Von besonderer Bedeutung ist dabei die Anordnung der Kühlzelle ganz am Anfang der Behandlungsstrecke, da dort die Temperatur zunächst noch sehr hoch und die Viskosität des Glases sehr niedrig ist.

Durch die neuerungsgemäßen Konstruktionsvorschriften zur Dünnschichtkühlung läßt sich erreichen, daß der Strömungsweg der Glasmasse in der Kühlzone im wesentlichen geradlinig verläuft, so daß sogenannte "tote Ecken" und eine Zusatzbeheizung des Glases in diesen toten Ecken vermieden werden können. Außerdem wird dadurch der Aufbau der Kühlzone ganz wesentlich vereinfacht und die Temperaturverteilung bereits in der Kühlzone zu einem großen Teil homogenisiert.

Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Neuerung werden nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 12 näher erläutert.

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Es zeigen:

Figur 1 eine Draufsicht auf eine schematisch dargestellte

Anordnung von Schmelzwanne, Verteilerkanal und drei Vorherden mit je einer Entnahmestelle,

Figur 2 einen vertikalen Längsschnitt durch eine Kühlzone mit

einer Abstrahlungsöffnung in der Decke,

Figur 3 in der linken Hälfte eine Draufsicht von oben auf den

Gegenstand nach Figur 2, und der rechten Hälfte einen Schnitt entlang der Linie Ill-Ill in Figur 2.

Figur 4 einen vertikalen Querschnitt durch den Gegenstand

von Figur 3 entlang der Linie IV-IV,

Figur 5 einen vertikalen Längsschnitt durch eine Kühlzone

analog Figur 2, jedoch mit einem geschlossenen Kühlkanal in der Decke,

Figur 6 in der linken Hälfte eine Draufsicht auf den Gegenstand

nach Figur 5, und in der rechten Hälfte einen Schnitt entlang der Linie Vl-Vl in Figur 5,

Figur 7 einen vertikalen Querschnitt durch den Gegenstand

nach Figur 6 entlang der Linie VII-VII,

Figur 8 einen vertikalen Längsschnitt durch eine Kühlzone, in

deren Verlängerung sich ein eingetauchter Kühlkörper in Form einer Barriere befindet,

Figur 9 in der linken Hälfte eine Draufsicht auf den Gegenstand

nach Figur 8, und in der rechten Hälfte einen Schnitt entlang der Linie IX-IX durch den Gegenstand von Figur 8,

Figur 10 einen vertikalen Querschnitt entlang der Linie X-X

durch den Gegenstand von Figur 9,

Figur 11 ein Diagramm von Temperaturverläufen an mehreren

Meßstellen über die gesamte Länge der Behandlungsstrecke und

Figur 12 ein Diagramm mit den Viskositätsverläufen an

mehreren Meßstellen über die gesamte Länge der Behandlungsstrecke.

Die im Schnitt dargestellten Teile bestehen, soweit nichts anderes angegeben ist, aus den üblichen keramischen bzw. mineralischen Ofenbau- und Isolierstoffen.

In Figur 1 ist eine Schmelzwanne 1 dargestellt, zu der eine Einlegeöffnung 2 gehört, die in herkömmlicher Weise als "Dog-House" ausgebildet ist, sowie ein Durchlaß 3, durch den die Glasschmelze aus der Schmelzwanne abgezogen wird. Die Glasbildner, die aus dem üblichen Gemenge und aus Scherben bestehen können, sowie das daraus gebildete Glas durchwandern die Schmelzwanne in Richtung des Pfeils 4. Es ist natürlich auch möglich, mehrere Einlegeöffnungen an den beiden Langseiten der Schmelzwanne anzuordnen, wodurch sich ein anderes Strömungsmuster ergibt. Zum Durchlaß 3 kann auch ein sogenannter "Riser" gehören. Derartige Einzelheiten sind Stand der Technik, so daß hierauf nicht näher eingegangen wird.

An den Durchlaß 3 schließt sich ein Verteilerkanal 5 an, der auch als Arbeitswanne ausgebildet sein kann. Bei einem ersten Ausführungsbeispiel befinden sich im Verteilerkanal beiderseits einer Mittenebene M-M zwei Kühlzonen 6 und 7, die einfach schraffiert und durch gestrichelte Linien umrandet sind. Es ist jedoch möglich, diese beiden Kühlzonen zu einer einzigen Kühlzone zu vereinigen, wodurch zusätzlich der kreuzschraffierte Bereich 8 hinzugewonnen wird.

Beiderseits der Mittellinie M-M werden zwei Behandlungsstrecken 9 und 10 gebildet, zu denen die beiden Kühlzonen 6 und 7 und ggf. auch der Bereich 8 gehören. Der restliche Strömungsweg der Glasschmelze bildet alsdann jeweils eine Homogenisierungszone 11 und 12. In den Homogenisierungszonen wird soweit wie irgend möglich eine Homogenisierung der Temperaturverteilung herbeigeführt.

Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel sind an den Verteilerkanal 5 drei Vorherde bzw. Speiser 13, 14 und 15 angeschlossen, die jeweils in einer Entnahmestelle E enden. Die Gesamtlänge der Vorherde 13, 14 und 15 bildet bei diesem Ausführungsbeispiei jeweils eine Behandlungsstrecke 16. In jeder dieser Behandlungsstrecken 16 liegt jeweils eine Kühlzone 17, 18 und 19, die schraffiert dargestellt und von gestrichelten Linien umgeben ist. Es wird betont, daß die Darstellung außerordentlich schematisch gehalten ist, um das Verständnis zu erleichtern. Auch im Bereich der Behandlungsstrecken 16 schließt sich an die jeweilige Kühlzone eine Homogenisierungszone 20, 21 und 22 an. Bei der dargestellten Ausführungsform der Vorherde kann auf die Kühlzonen 6, 7 und 8 im Verteilerkanal 5 verzichtet werden, so daß die Glasschmelze mit einer sehr hohen Temperatur in die Vorherde eintritt.

Die Figuren 2, 3 und 4 zeigen in verschiedenen Ansichten und Schnitten eine Kühlzone K, die an die Stelle der Kühlzonen 6 und 7 im Verteilerkanal 5 oder an die Stelle der Kühlzonen 17, 18 und 19 in den Vorherden 13, 14 und 15 gesetzt werden kann. Die betreffenden Kühlzonen stellen gewissermaßen einen Abschnitt eines Kanals mit einem Boden 23, Seitenwänden 24 und einer Decke 25 dar. Die Glasschmelze tritt auf der Eintrittsseite 26 ein und aus der Austrittsseite 27 wieder aus. Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 2 und 3 befindet sich in der Decke 25 eine schachtförmige Öffnung 28 mit rechteckigem Querschnitt, die eine Abstrahlung der im Glas gespeicherten Energie zuläßt. Um den Energiestrom an die Umgebung zu regeln, sind über der Öffnung Verschlußelemente 29 angeordnet, durch die der freie Querschnitt der Öffnung 28 bestimmbar ist. Die Öffnungs- und Schließbewegung ist durch Pfeile angedeutet. In den beiden Seitenwänden 24 befinden sich zwei Reihen von Brennern 30 (Figur 4), deren Mündungen in sogenannten Düsensteinen 31 untergebracht sind. Für den Austritt der Brenngase besitzen die Düsensteine Öffnungen 31a, die in Figur 2 als Halbkreise erkennbar sind, weil in etwa die obere Hälfte durch Rippen verdeckt ist, die sich von der Decke 25 abwärts erstrecken, wie dies etwa in Figur 4 dargestellt ist.

Die Figuren 2 und 3 zeigen, daß der Boden 23 auf einer Länge, die in etwa der Länge der Öffnung 28 entspricht, mit einer Erhebung 23a versehen ist, die sich über die gesamte Breite B des Kanalquerschnitts erstreckt. Die Erhebung 23a bildet gewissermaßen eine Schwelle, die an beiden Enden (in Strömungsrichtung gesehen) über Schrägflächen 23b in das untere Bodenniveau 23c übergeht. Es ist deutlich zu erkennen, daß der Glasstrom 32 im Bereich der Erhebung 23a auf den sehr flachen Strömungsquerschnitt reduziert wird, der die hohe Abkühlgeschwindigkeit ermöglicht. An die

Austrittsseite 27 schließt sich alsdann die jeweilige Homogenisierungszone an.

Die Figuren 5, 6 und 7 zeigen eine Variante der Kühlzone K, bei der eine Ausnehmung 33 in der Decke 25 durch eine Platte 34 verschlossen ist, die in diesem Falle den Strahlungsempfänger für die Wärmestrahlung des Glasstromes 32 darstellt. Oberhalb der Platte 34 befindet sich ein Aufbau 35 mit einem U-förmigen Strömungskanal 36 für die Durchleitung von Kühlluft. Eintrittsende 36a und Austrittsende 36b des Strömungskanals 36 sind nach oben gerichtet; die Strömungsrichtung ist durch Pfeile angedeutet. Durch eine entsprechende Menge an Kühlluft wird die Temperatur der Platte 34 beeinflußt und damit der auf den Glasstrom 32 einwirkende Kühleffekt. Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 5, 6 und 7 ist der Boden 23 eben ausgebildet. Dabei hat die ebene Innenfläche 23d eine entsprechende Höhenlage, so daß der Strömungsquerschnitt entsprechend breit und dabei dennoch flach ist.

Das Ausführungsbeispiel nach den Figuren 8, 9 und 10 unterscheidet sich dadurch von den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen, daß sich an die Erhebung 23a des Bodens 23 bei ansonsten gleichen geometrischen Verhältnissen wie in den Figuren 2, 3 und 4 ein weiterer Bereich anschließt, in dem sich oberhalb des unteren Bodenniveaus 23c ein Tauchkühler 37 befindet, der über zwei senkrechte Strömungskanäle 38 mit einem Kühlmedium beaufschlagbar ist. Die Strömungskanäle 38 können auch als konzentrische Rohrleitungen ausgeführt sein, was jedoch nicht näher dargestellt ist. Durch Anheben oder Absenken des Tauchkühlers 37 in Richtung des Doppelpfeils 39 läßt sich die Kühlwirkung im oberen und/oder unteren Bereich des Glasstromes 32 variieren. Durch eine periodische Querbewegung (quer zur Glasströmung) läßt sich die Intensität der Kühlung gleichfalls erhöhen. Auch kombinierte

Bewegungen des Tauchkühlers sind möglich. Es ist ohne weiteres auch möglich, den Tauchkühler 37 als ausgesprochenes Rührelement auszubilden, um dadurch eine zusätzliche Homogenisierung der Temperatur im Glasstrom herbeizuführen. Die Strömungskanäle 38 sind durch eine Öffnung 40 in der Decke 25 nach außen geführt.

Figur 11 zeigt anhand der Kurve 41 den Temperaturverlauf über die Länge "I" einer Behandlungsstrecke nach dem Stande der Technik. In diesem Fall findet eine Kühlung nach oben hin auf der gesamten Länge der Behandlungsstrecke statt. Dadurch wird dem Glasstrom in ™ ^ der gesamten Behandlungsstrecke Wärmeenergie entzogen, so daß

sich an der Entnahmestelle E keine ausreichende Homogenisierung der Temperaturverteilung erreichen läßt. Jede der in Figur 11 dargestellten Kurven sowie die Werte T^ und T2 stehen für eine mittlere Glastemperatur.

Die Kurve 42 zeigt die Verhältnisse bei einer Vorrichtung nach der DE-OS 31 19 816. Der Kurvenabschnitt 42a zeigt eine verhältnismäßig rasche Abkühlung in der sogenannten Schnellkühlzone, der Kurvenabschnitt 42b die deutlich langsamere Abkühlung in der sogenannten Feinkühlzone und der Kurvenabschnitt 42c die Verhältnisse in der Ausgleichs- oder Homogenisierungszone. ■& Die Länge des Strömungsweges innerhalb der Schnellkühlzone und

der Feinkühlzone wird durch den Punkt P zwischen den Kurvenabschnitten 42b und 42c angedeutet. Wegen der relativ großen Tiefe des Glasbades war nicht nur ein verhältnismäßig langer Weg des Glasstromes erforderlich, sondern auch die an sich wünschenswerte tiefere mittlere Temperatur ließ sich auf dem zur Verfügung stehenden Weg nicht erreichen. Dadurch war bei gegebener Gesamtlänge der Behandlungsstrecke der restliche Weg für den Temperaturausgleich bzw. die Homogenisierung zu kurz, und

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es mußte außerdem auch in diesem Bereich noch weitere Energie abgeführt werden.

Die Wirkung der neuerungsgemäßen Vorrichtung läßt sich durch die ausgezogene Kurve 43 charakterisieren. Durch die entsprechend geringe Tiefe des Glasstromes bei großer Breite erfolgt innerhalb einer relativ kurzen Kühlzone K ein intensiver Abbau der mittleren Temperatur, was sich durch den steilen Temperaturverlauf äußert. Dadurch steht bei gegebener Gesamtlänge der Behandlungsstrecke eine relativ große Länge für die Homogenisierungszone H zur Verfügung, in der die mittlere Temperatur weitgehend unverändert bleibt. Sowohl der steile Temperaturabfall in der Kühlzone K als auch die gleichförmige mittlere Temperatur in der Homogenisierungszone H schließen nicht aus, daß die beiderseitigen Randzonen des breiten Glasstromes zusätzlich beheizt werden, wie dies für die Kühlzone anhand der Figuren 2 bis 10 (Brenneranordnung) dargestellt ist. Es ist lediglich dafür zu sorgen, daß durch den kombinierten Effekt von Dünnschichtkühlung, Rand- und ggf. auch Oberflächenbeheizung in Richtung auf eine möglichst homogene Temperaturverteilung eingewirkt wird. Hierfür steht aber ein verhältnismäßig sehr langer Strömungsweg in der Homogenisierungszone zur Verfügung, während in der Kühlzone die Voraussetzungen dafür geschaffen werden, daß der Glasstrom auch bereits mit nicht allzu großen Temperaturdifferenzen an den einzelnen Stellen des Strömungsquerschnitts in die Homogenisierungszone eintritt. Durch den niedrigen Füllstand bei größerer Breite B des Strömungsquerschnitts wird zusätzlich erreicht, daß die Wärmeverluste über die Seitenwände 24 verringert werden. Auch hierdurch wird die Homogenisierung verbessert und außerdem eine Energieersparnis erzielt.

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In Figur 12 sind durch die Kurven 44 und 45 die Verläufe der mittleren Viskosität beim Stande der Technik (Kurve 44) und beim Gegenstand der Neuerung (Kurve 45) dargestellt. Es zeigt sich, daß durch die Wirkung der Dünnschichtkühlung die mittlere Viskosität sehr viel früher angehoben wird, wodurch in Verbindung mit einer besseren Temperatur-Homogenität auch eine gleichförmigere

Fließgeschwindigkeit über den gesamten Strömungsquerschnitt erreicht wird. Mit anderen Worten: Hohen Strömungsgeschwindigkeiten an Stellen hoher Temperaturen und niedrigen Viskositäten wird durch die intensive Dünnschichtkühlung systematisch entgegengewirkt, da diese sehr weitgehend sämtliche Bereiche des Strömungsquerschnitts erreicht.

Aus dem Gesamtzusammenhang ergibt sich darüber hinaus, daß es außerordentlich wichtig ist, den intensivsten Teil der Kühlzone möglichst an den Anfang der Behandlungsstrecke zu legen, bei Verteilerkanälen oder Arbeitswannen aiso möglichst dicht hinter dem Durchlaß der Schmelzwanne, und bei Vorherden oder Speisern möglichst dicht hinter dem Eintritt der Glasschmelze in diese Aggregate.

Bei der Würdigung der Neuerung sind die möglichen hohen Durchsätze bzw. mittleren Strömungsgeschwindigkeiten und

Temperaturdifferenzen besonders zu beachten. Zu hohen Belastungen führen bereits die in heutigen Arbeitswannen angewandten mittleren Sirömungs-geschwindigkeiten von 4,5 bis 5,5 m/h. Bei einer erfindungsgemäß dimensionierten und betriebenen Arbeitswanne mit einer Breite von 1500 mm und einer Badtiefe von 150 mm, also einem Verhältnis T/B=0,1 wurden mit sehr gutem Erfolg bei Durchsätzen von 100 und 150 Tonnen/Tag mittlere Strömungsgeschwindigkeiten von etwa 7 bzw. 11 m/h erreicht, ohne

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daß dadurch die Homogenität der Glasschmelze an der Entnahmestelle in Frage gestellt worden wäre.

Bei Vorherden mit den üblicherweise kleineren Strömungsquerschnitten treten höhere Strömungsgeschwindigkeiten auf. Aber auch hier sind die erfindungsgemäß erreichbaren mittleren Strömungsgeschwindigkeiten von mindestens 8 m/h beachtliche Werte, wenn gleichzeitig die geforderte Homogenität erreicht wird. Neuerungsgemäß lassen sich die mittleren Strömungsgeschwindigkeiten in Vorherden sogar bis auf 17 m/h und darüber steigern, ohne daß die geforderte mittlere Temperatur T2 und /oder die Homogenität der Glasschmelze in Frage gestellt worden wäre.

Claims (15)

Schutzansprüche:

1. Vorrichtung zum Konditionieren und Homogenisieren eines kontinuierlich fließenden Glasstromes mit einer Behandlungsstrecke (9, 10, 16) zum Führen eines Glasstromes (32), die sich von einer Eintrittsseite (26) bis zu mindestens einer Entnahmestelle (E) erstreckt und in der sich am Anfang eine Kühlzone (K; 6, 7, 8; 17, 18, 19) befindet, an die sich eine Homogenisierungszone (11, 12; 20, 21, 22) für die Glastemperatur anschließt, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kühlzone (K; 6, 7, 8; 17, 18, 19) für den Glasstrom (32) ein Strömungsquerschnitt mit einem Tiefen-/Breitenverhältnis T/B von maximal 0,6 vorhanden ist, wobei die maximale Tiefe T_max

a) bei Anordnung der Kühlzone (K; 6, 7, 8) in einer Arbeitswanne oder in einem Verteilerkanal (5) 300 mm,

b) bei Anordnung der Kühlzone (K; 17, 18, 19) in einem
Speiser oder in einem Vorherd (13, 14, 15) 150 mm beträgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kühlzone ein Strömungsquerschnitt der Glasmasse mit einem Tiefen-/Breitenverhältnis T/B von maximal 0,5 vorhanden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kühlzone ein Strömungsquerschnitt der Glasmasse mit einem Tiefen-/Breitenverhältnis T/B von maximal 0,4 vorhanden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kühlzone ein Strömungsquerschnitt der Glasmasse mit einem Tiefen-/Breitenverhältnis T/B von maximal 0,3 vorhanden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kühlzone ein Strömungsquerschnitt der Glasmasse mit einem Tiefen-/Breitenverhältnis T/B von maximal 0,2 vorhanden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Tiefe T_max bei Anordnung der Kühlzone (K; 6, 7, 8) in einer Arbeitswanne oder in einem Verteilerkanal (5) 250 mm beträgt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Tiefe T_max bei Anordnung der Kühlzone (K; 6, 7, 8) in einer Arbeitswanne oder in einem Verteilerkanal (5) 200 mm beträgt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Tiefe T_max bei Anordnung der Kühlzone (K; 17, 18, 19) in einem Speiser oder in einem Vorherd (13, 14, 15) 120 mm beträgt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Tiefe T_max bei Anordnung der Kühlzone (K; 17, 18, 19) in einem Speiser oder in einem Vorherd (13, 14, 15) 100 mm beträgt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsweg der Glasmasse (32) in der Kühlzone im wesentlichen geradlinig verläuft.

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11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (23) des Strömungskanals im Bereich der Kühlzone (K; 6, 7, 8; 17, 18, 19) gegenüber den Nachbarbereichen zur Verringerung des Strömungsquerschnitts mit einer schweilenförmigen Erhebung (23a) versehen ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung hinter der Erhebung (23a) ein Tauchkühler (37) angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Tauchkühler (37) heb- und senkbar angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Tauchkühler (37) waagrecht quer zur Strömungsrichtung periodisch verschiebbar angeordnet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Tauchkühler (37) als Rührwerk ausgebildet ist.