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DE3138232A1 - Tunnelofen - Google Patents

Tunnelofen

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Publication number
DE3138232A1
DE3138232A1 DE19813138232 DE3138232A DE3138232A1 DE 3138232 A1 DE3138232 A1 DE 3138232A1 DE 19813138232 DE19813138232 DE 19813138232 DE 3138232 A DE3138232 A DE 3138232A DE 3138232 A1 DE3138232 A1 DE 3138232A1
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DE
Germany
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tunnel
furnace according
tunnel furnace
longitudinal
flow
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DE19813138232
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DE3138232C2 (de
Inventor
Carl Prof. Dr.-Ing. Kramer
Günther Prof. Dr.-Ing. 5100 Aachen Woelk
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Individual
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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27BFURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B9/00Furnaces through which the charge is moved mechanically, e.g. of tunnel type; Similar furnaces in which the charge moves by gravity
    • F27B9/30Details, accessories, or equipment peculiar to furnaces of these types
    • F27B9/3005Details, accessories, or equipment peculiar to furnaces of these types arrangements for circulating gases
    • F27B9/3011Details, accessories, or equipment peculiar to furnaces of these types arrangements for circulating gases arrangements for circulating gases transversally

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Tunnel Furnaces (AREA)

Description

  • Prof. DrO=IngO Günther Woelk
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Tunnelofen der angegebenen Gattung zu schaffen bei dem die oben erwähnten Nachteile nicht auftreten.
  • 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.
  • Dies wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale erreicht.
  • Zweckmäßige Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen zusammengestellt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Zweckmäßigerweise befindet sich in einer Tunnelwand eine Zuströmkammer und in der gegenüberliegenden Wand eine Abströirkammer, die über Lochwände mit dem eigentlichen Behandlungstunnel verbunden sind.
  • 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.
  • 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.
  • Zwischen den Zuström- oder Abström]cammern und diesen Längskanälen sind Uberströmöffnungen angeordnet, deren Durch- strömquerschnitt mittels eines Drosselorgans variiert werden kann.
  • Neben dem Abgasventilator sind in den einzelnen Längssektionen noch Umwälzventilatoren vorgesehen, die die erforderliche Quer strömung erzeugen.
  • 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.
  • 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.
  • Bei dieser Technik bildet jede Längssektion eine abgeschlossene Einheit mit entsprechender Temperatursteuerung. Der Gaslängsaustausch von einer Längs sektion zur benachbarten würde entfallen.
  • Und schließlich bietet der hier vorgeschlagene Tunnelofen noch den Vorteil, daß er in Modul-Bauweise aufgelegt werden kann.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Seitenwände des Tunnels 3 werden durch Lochwände 6 bzw.
  • 7 mit Löchern 11 bzw. 12, die strömungsgünstig, nämlich düdüsenförmig ausgebildet sind, gebildet.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Damit der Gutbesatz 2 quer zur TransXportrichtung nicht einseitig aufgewärmt wird, wird die Strömungsrichtung des Konvektionsgases von Längssektion zu Längssektion umgekehrt.
  • Dies bietet außerdem den Vorteil, daß- der Längstransport des Konvektionsgases außerhalb des Tunnels oder in separaten Kanälen innerhalb des Tunnels durchgeführt werden kann.
  • Fig. 2 zeigt drei benachbarte Längssektionen 13 des Tunnels.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (17)

  1. Prof. Dr.-Ing. Günther Woelk Franzstraße 109 5100 Aachen und Prof. Dr.-Ing. Carl Kræmer Am Chorusberg 8 5100 Aachen Tunnelofen Patentansprüche Tunnelofen mit einem Tunnel, mit einer Einrichtung für den Transport des zu behandelnden Gutes durch den Tunnel und mit einer Einrichtung zur Erzeugung einer Konvektionsgas-Strömung in dem Tunnel, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Konvektionsgas-Strömung zumindest teilweise quer zur Transportrichtung des Gutes (2) verläuft.
  2. 2. Tunnelofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tunnel in Längssektionen (13) unterteilt ist, und daß die Konvektionsgas-Strömung zumindest in einer Längssektion (13) quer zur Transportrichtung des Gutes (2) verläuft.
  3. 3. Tunnelofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung der Querströmung von Längssektion (13) zu Längssektion (13) wechselt.
  4. 4. Tunnelofen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß getrennt von dem eigentlichen Tunnel auf einer Seite jeder Längssektion (13) eine Zuströmkammer (5) und auf der anderen Seite jeder Längssektion (13) eine Abströmkammer (4) vorgesehen sind.
  5. 5. Tunnelofen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gutsseitigen Austritts- oder Eintrittsflächen der Zuström- bzw. Abströmkammer (4, 5) als Lochwände (6, 7) ausgebildet sind.
  6. 6. Tunnelofen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (11, 12) der Lochwände (6, 7) jeweils in Strömungsrichtung strömungsgünstig, insbesondere düsenförmig, ausgebildet sind.
  7. 7. Tunnelofen nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckseite des Querströmkreislaufes einer Längssektion (13) mit der Saugseite des Querströmkreislaufes der benachbarten Längs sektion (13) durch Längskanäle (14) verbunden ist.
  8. 8. Tunnelofen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Längskanäle (14) auch nicht benachbarte Längssektionen (13) miteinander verbinden.
  9. 9. Tunnelofen nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß in den Längskanälen (14) Drosselorgane (15) angeordnet sind.
  10. 10. Tunnelofen nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einzelne Längssektionen (13) mit eigenen Heiz- oder Kühleinrichtungen versehen sind.
  11. 11. Tunnelofen nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Heizeinrichtungen Rekuperator-Brenner verwendet werden.
  12. 12. Tunnelofen nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet1 daß jede Längssektion (13) einen eigenen Ventilator (9) für den Transport der Konvektio2tsgas-Strömung aufweist.
  13. 13. Tunnelofen nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß auf den beiden Sei ten des Tunnels parallel zu den Zuström- bzw. Abströmkammern (4, 5) in der Tunneiwand Längskanäle (17) für die Zuführung des heißen Konvektionsgases aus der Brennzone vorgesehen sind, und daß die Längskanäle (17) mit den Zuström- bzw. Abströmkammern (4, 5) der gleichen Tunneiwand über Öffnungen (18) verbunden sind.
  14. 14. Tunnelofen nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß in den Öffnungen (18) verstellbaren Drosselorgane (19) angeordnet sind.
  15. 15. Tunnelofen nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das heiße Konvektionsgas von ei nem Abgasventilator, der sich in der Nähe des Einlasses des Tunnelofens befindet, aus der Brennzone durch die beiden Längskanäle (17) gesaugt wird.
  16. 16. Tunnelofen nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Längskanäle (17) unter der Zuström- bzw. Abströmkammer (4 5) angeordnet sind.
  17. 17. Tunnelofen nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzelchnet, daß in jeder Längssektion (13) ein Uberströmkanal (16) mt einem Umwälzventilator (9) zwischen der Zuströmkammer (4) und der Abströmkammer (5) vorgesehen ist.
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