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Heißgas-Konvektionsheizofen mit dynamischer Strömung Die Erfindung
betrifft eine Heizeinrichtung in Form eines Ofens mit Brenner-Heizeinheiten und
insbesondere einen Konvektionsheizofen mit dynamischer Strömung.
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öfen der erwähnten Art mit einer Ummantelung und einer Wärmezuführung-seinrichtung
werden gegenwärtig für eine Vielfalt von industriellen und kommerziellen Verfahren
sowie Herstellungstechniken verwendet. Zu den hunderten von verschiedenen Verwendungsmöglichkeiten
gehören das Vorwärinen, Trocknen, Brennen, Anlassen, Aushärten und dgl.. Es ist
dabei fast unveränderlich wünschenswert, die Verweilheit des Gutes im Ofen auf-einem
Mindestmaß zu halten, um einen maximalen Produktionsausstoß bei geringstmöglichen
Kosten je Einheit zu erzielen. Die Verweilzeit, die für einen besonderen
Gegenstand in einem besonderen Ofen erforderlich
ist unterliegt
natürlich beträchtlichen Schwankungen je nach der Eigenschaft des Gegenstandes,
der Art des durchgeführten Heizvorgangs, der Grösse des Ofens usw.. Ein Hauptfaktor,
der jedoch bei allen solchen Heizvorgängen eine Rolle spielt und die Verweilzeit
stark beeinflußt, ist die Wärmeübergangsgeschwindigkeit zwischen der Ofenatmosphäre
und dem zu beheizenden Gegenstand. Diese hängt ihrerseits von der Ofentemperatur,
der Wirksamkeit des Heizgaskontakts und des Austauschs mit den Oberflächen des Gegenstandes,
der Intensität der Strahlungswärme und beim Trocknen von der Geschwindigkeit der
Dampfwegführung von den Oberflächen des Gegenstandes ab. Von diesen Faktoren ist
die Strahlungswärme häufig unerwünscht wegen der potentiellen Schädigung der Gegenstände,
z.B. Verblassen der Farbe, Verbrennung des Gegenstandes, Dampfexplosion usw.. Ferner
sind die Temperaturen häufig beschränkt infolge des begrenzten Potential der bekannten
Wärmeqwllen und wegen der potentiellen Wärmeschädigung der Gegenstände. Es ist daher
oft sehr wichtig und gewöhnlich wünschenswert, die Kontaktgeschwindigkeit der heissen
Gase im Ofen mit den Oberflächen des Gegenstandes so hoch als möglich zu machen
und eine maximale Dampfwegführung bei Trocknungsvorgängen sicherzustellen, für einen
maximalen Wärmeübergang zu sorgen und die Verweilzeit im Ofen auf ein
Mindestmaß
herabzusetzen.
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Beim Beheizen von Gegenständen.mit sich stark verändernden -Obezftäthengestaltungen"
wie Taschen mit geschlossenen Enden, wird die gleichmässige Beheizung ein Problem.
Wenn solche Oberflächen getrocknet werden, ist das Problem sogar noch grösser, da
die Dämpfe des Lösungsmittels oder die verdampfte Feuchtigkeit in den stagnierenden
Taschen gesättigt werden und eine weitere wirksame Verdampfung von der Oberfläche
ver.-hindern. Die dynamische Austauschgeschwindigkeit der heissen Gase an den Oberflächen
der Gegenstände ist daher wichtig, um-einen optimalen Wärmeübergang und optimale
Trocknungsbedingungen zuerzielen. Die herkömmlichen Ofenanlagen haben jedoch nur
ein geringes Konvektionswärmeübergangspotential bei geringer genau gerichteter dynamischer
Strömung. Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Ofens mit einer .Verbrennungswärmezufuhreinrichtung,
mit dem die Verweilzeit von Gegenstilnden im Ofen auf einen kleinen Bruchteil derjenigen
verringert werden kann, die für den gleichen Vorgang bei den gegenwärtigen Anlagen
erforderlich ist, was durch eine Anordnung erreicht wird, bei welcher beisse Gase
in neuartiger Weise für einen optimalen Wärmeübergamg geleitet werden. In der Tat
konnte bei allen der vielen Teste, die mit der erfindungsgemässen Anlage während
eines Zeitraums von mehreren Monaten
durchgeführt wurden, die notwendige
Verweilzeit in jedem Falle gegenüber herkömmlichen Anlagen um mindestens 9o %und
gewöhnlich um mehr herabgesetzt werden.
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Ein weiteres Ziel der.Erfindung ist die Schaffung eines Ofens mit
dynamischer Heißgasströmung unter Anwendung eines Venturi-Effekts zur drastischen
Verringerung der Verweilzeit, die zum Beheizen, Brennen oder Aushärten von Gegenständen
notwendig ist, durch eine starke Vergrösserung des wirksamen Heißgaskontakts, der
Strömung und des Austausches über alle Oberflächen der Gegenstände. Ein weiteres
Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Ofens zur drastischen Herabsetzung der
Vervälzeit, die für Trocknungsvorgänge notwendig ist, durch eine starke Erhöhung
der Geschwindigkeit der Dampfwegführung um die Oberflächen der Gegenstände herum,
selbst in Taschen mit geschlossenen Enden, um eine stagnierende Dampfsättigung zu
verhindern, welche das Trocknen unmöglich macht.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Konvektionsheizofens
von hohem Wirkungsgrad, mit dem eine stark erhöhte Wärmeübergangsges',chwindigkeit
für Gegenstände ohne Verwendung von Strahlungswärme erzielt wird, so daß sogar brennbare
oder gefärbte Materialien sicher und rasch
ohne Beschädigung des
Gegenstandes beheizt werden können. Die vorstehenden und weitere Ziele der Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden näheren Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden
Zeichnungen und zwar zeigen: Fig. 1 eine Seitenansicht im Aufriß des erfindungsgemässen
Ofens; Fig. 2 eine Ansicht im Schnitt nach der Ebene II-II in Fig.
1; -Fig. 3 eine Ansicht im Schnitt nach der Ebene III-III in Fig.
2; Fig. 4 eine Draufsicht eines der Brenneraggregate nach der Ebene IVTIV in Fig.
2; Fig. 5 eine Ansicht nach den Schnittl inien V-V in Fig. 6;
Fig.
6 in vergrössertem Maßstab eine Endansicht im Schnitt eines der in Fig. 2
dargestellten Brenneraggregate und Fig., 7 in vergrössertem Maßstab eine
Schnittansicht eines
der in Fig. 2 gezeigten Leitflächenelemente.
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Der in den Zeichnungen gezeigte Ofen lo besitzt ein Ofenummantelungsgehäuse
12, das auf einem Rahmen 14 gelagert ist und mit einem dynamischen Gebläse
16 sowie mit einem Filteraggregat 18 zusammenwirkt, welche beide ebenfalls
auf dem Rahmen 14 oberhalb des Mantelgehäuses 12 angeordnet sind. Im einzelnen besitzt
das Gehäuse eine undurchlässige obere Plptte 2o, Seitenplatten 22 und 22" und eine
mittige Bodenplatte 26. n dem Zwischenraum zwischen den langgestrecktenSeitenkanten
der Bodenplatte 26 und der Seitenplatten 22 und 2211 sind zwei Brenneraggregate
3o und 3o' aufgehängt, die nachfolgend näher beschrieben werden. Das Gehäuse und
der in ihm enthaltene Mechanismus sind durch den Rahmen gelagert, der eine Anzahl
hochliegender, in der Querichtung verlaufender, waagrechter paralleler und in Abstand
voneinander befindlicher Träger 34 aufweist, die an ihren entgegengesetzten Enden
durch vertikale, voneinander in Abstand befindliche Stützen 36 und
361 beidseitig des Ofens getragen werden. Die unteren Enden der Stützen
36 und 361 sind durch eine Anzahl untere Träger 39 miteinander
verbunden. Auf dem Boden 26 des Ofens kann ein Förderer 8o angeordnet werden,
wenn dies für die besondere Art von durchzuführenden Heizvorgängen
empfehlenswert
ist. Dieser Förderer sowie die Bodenplatte 26 werden durch in Querrichtung
verlaufende Bodenträger 3S getragen, die auf Bodenstützen 37 aufgelagert
sind, welche sich ihrerseits auf Rahmenträgern 39 abstützen.
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Innerhalb der Gehäuseunmantelung 12 befindet sih eine keramische
Auskleidung" die aus feuerfesten Ziegeln bestehen kann und Seitenwände 42 und 421
sowie eine obere Abdeckwand 4o bildet, Wenn gewünscht» können die Enden der eingeschlossenen
Kammer ebenfalls durch geeignete Platten abgeschlossen und mit einem keramischen
Material verkleidet werden. Gegebenenfalls können die Enden offen gelassen werden,
um einen kontinuierlichen Behandlungsofen zu erhalten. Das Gehäuse 12 bildet eine
langgestreckte Ummantelung, welche in eine innere Ofenkammer So und in eine äussere
Plenumkammer 52 unterteilt ist.'Die Plenumkammer erstreckt sich an den Seiten der
Ofenkammer und an deren Oberseite über die Länge des Ofens. Die Mittel, welche die
Plenumkammer von der inneren Ofenkammer trennen, werden durch eine Anzahl von in
der Längsrichtung voneinander inAbstand befindlichen, parallelen, im wesentlichen
U-förmige vertikale und Umfangsträgerbänder -
54, eine Anzahl von besondereng
langgestreckten, horizontalen,
.voneinander in Abstand befindlichen
und zusammenwirkenden Leitflächenelementen 56 und durch eine Anzahl von langgestreckten,
horizontalen, voneinander in Abstand befindlichen, parallelen und mit öffnungen
versehenen Leitungen 58 zwischen benachbarten Leitflächenelementen gebildet.
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Bei der dargestellten Ofenbauform erstrecken sich diese Elemente
an beiden Seiten un4 an der Oberseite der Ofenkammer zur dynamischen Konvektionsbeheizung
von drei Richtungen, wie nachfolgend beschrieben wird. Im besonderen erstrecken
sich die Trägerbänder 54 an den Seiten der Ofenkammer und an der Oberseite derselben
in Abständen über die Länge des Ofens zur Befestigung der hohlen Blech-Leitflächenelemente
561, welche langgestreckte Düsen bilden. Die unteren Enden der Trägerbänder 54 sind
am Ofenboden durch Winkeleisenverstrebungen 55 befestigt, die sich Ober die
Länge des Ofens erstrecken, während die oberen Ecken der Bänder dadurch verstärkt
sind, daß zwei voneinander in Abstand befindliche Winkeleisenverstrebungen
57 an ihnen befestigt sind, die sich über die Länge des Ofens erstrecken.
Diese Leitflächenelediente werden an denBändern (Fig. 7) durch Paare von
sich entgegengesetzt erstreckenden Halterungen 6o an jedem Band für jedes Element
getragen, welche gleitenden Eingriff mit zwei gegenüberliegenden Flanschen bzw.
Stegen 56a und 56b haben, die mit den übrigen Teilen der Leitflächenelemente
aus
einem Stück bestehen. Diese Anordnung kann wesentliche Abänderungen erfahren.
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Die langgestreckten gegenüberliegenden Wände 56c und 56d
dieser
Leitflächenelemente konvergieren zueinander in der Richtung zur Ofenkammer. Normalerweise
sind diese Wände von gleicher Breite, jedoch können sie auch von verschiedener Breite
sein, um eine gewählte Düsengestaltung zwischen benachbarten Leitflächenelementen
zu erzielen, wie durch die Leitflächenelemente 5611 in-den Eckenteilen der Ofenkammer
gezeigt. Die nach innen konvergierende Anordnung der beiden langgestreckten Wände
der Leitflächenelemente 56 haben zur Folge, daß sich langgestreckte Räume
zwischen benachbarten Leitflächenelementen ergeben, weiche in die Ofenkammer von
einem verengten Hals 5o' divergieren, um eine langgestreckte Düse für die nachstehend
beschriebenen Zwecke zu bilden.
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Längs jedem der langgestreckten Düsenräume zwischen je zwei benachbarten
Leitflächenelementen erstreckt sich eine .mit Öffnungen versehene Leitung
58. Die Öffnungen 59 in den Leitungen haben gewählte Abstände von
mehreren Zoll über die Länge der Leitungen. Der Durchmesser der Öffnungen kann normalerweise
zwischen etwa 1,6 mm (etwa 1/16 11) und etwa
4"8
mm (etwa 3/16 11) je nach dem Druck des in Kombination hiermit verwendeten
Gebläses, der Grösse des Ofens, der gewünschten Geschwindigkeit und des gewünschten
Volumens des Stroms und anderen Faktoren schwanken.
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Das eine Ende der Leitungen befindet sich in Strömungsverbindung durch
Bunde 58a mit einer gemeinsamen Sammelleitung 7o,an dem einen Ende der Anordnung.
Das entgegengesetzte Ende der Leitungen ist mit einem Stopfen oder einer Kappe versehen.
Vorzugsweise können die Leitungen 58 um ihre Achsen in den Bunden Sga gedreht
werden, um die Auslaßöffnungen in einer besonderen Richtung zu richten, damit der
besonderen Art und Grösse der beheizten Gegenstände Rechnung ge-ragen werden kann,
wie nachfolgend näher beschrieben wird. Die Sammelleitung 7o wird mit Druckluft
durch das Gebläse 16
beliefert, welches durch einen Elektromotor
17 angetrieben wird und Luft durch ein Filteraggregat 18 saugt, das
vorzugsweise zwei parallele Filterströmungsleitungen 181 und 1811 aufweist,
von denen aus die Luft in eine Leitung 71 eintritt, welche zur Sammelleitung
7o führt. Die-Düsenluftströme" welche aus den Öffnungen 59 durch die langgestreckten
düsenartigen Kanäle zwischen den Leitflächenelementen gerichtet werden, saugen heisse
Gase aus der Plenumkammer
durch eine Venturiwirkung an. Heisse
Gase werden der äusseren Plenumkammer von Brennergruppen lo4 und lo4' in Aggregaten
3o und 3o* zugeführt.
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Jede Brennergruppe umfaßt eine langgestreckte Sammelleitung 9o, welche
mit einem unter Druck stehenden brennbaren Gasgemisch, z.B. Erdgas und Luft, über
einen geeigneten Einlaß 92 beliefert wird, der mit einer nicht gezeigten
herkömmlichen Mischeinrichtung in Verbindung steht. bie Sammelleitung ist durch
zwei L-förmige Hafterungen 94 und 96 aufgehängt. Eine Abdeckplatte 90 ist
mit der Sammelleitung go durch geeignete Schrauben 91 unter Verwendung einer
Dichtung 93, um das Herauslecken von Gasen aus der Sammelleitung zu verhindern,
verbunden. Diese abnehmbare Platte ermöglicht das Ausbauen einer ganzen Brennergruppe
zur Instandsetzung und/oder zum Auswechseln jeder Brennereinheit. An der Unterseite
der Elemente 94 und 96 ist durch Schrauben eine Brennergruppe lo4 befestigt.
Jede Gruppe, z.B. die Gruppe lo4, umfaßt eine Anzahl benachbarter, zusammenwirkender
gesonderter Brennereinheiten lo6, die sich in einer Reihe im wesentlichen über die
Länge des Ofens erstrecken. Alle diese Brennereinheiten sind auf einer gemeinsamen
langgestreckten Trägerplatte loß angeordnet,. welche durch Schrauben llo an den
Elementen 94 und 96 befestigt sind. Jede Bmnnereinheit besitzt ein hohles
metallishes Trägergehäuse 112 mit einer Einlaßöffnung 114 (Fig. 4)9
die
sich durch einen Vorsprung 1121 an der Rückseite erstreckt, und mit einer offenen
Vorderseite, welche durch eine dünne poröse Schicht 116 aus keramischem Filz
bedeckt ist, die über der offenen Gehäusevorderseite durch ein Sieb 118 abgeschlossen
und gehalter4 wird. Das brennbare Gasgemisch wird so gefördert, daß es im wesentlichen
gleichmässig durch die poröse keramische Filzschicht hindurchtritt und an deren
Aussenfläche brennt. Gegebenenfalls können im Gehäuse ferner Verteilungsflächen
(nicht gezeigt) vorgesehen werden, um die Verteilung der Gase aus der Öffnung 114
über die ganze Fläche des Verbrennungsbeniches zu ergänzen.
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Die Halterungen 94 und 96 tragen sich in der Umfangsrichtung
erstreckende, stehende keramische Kanalwände 98, 981$ loo und lool (Fig.
2, 4 und 6), welche zwischen sich einen langgestreckten Heißgas-Leit- und
Auslaßkanal lo2 (Fig. 2) bilden, der nach oben in die entgegengesetzten Seiten der
Plenumkammer 52 münden. Im unteren Ende dieses Kanals lo2 befindet sich die Brennergruppe
lo4.
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Vorzugsweise werdeadie Brennergruppen nur längs der unteren Enden
der langgestreckten Seitenwandteile der Plenumkammer verwendet. Im Gebrauch hat
es sich erwiesen, daß es ziemlich wichtig ist, zusätzliche Heißluftantriebs- und
Leitelemente zu verwenden, um Heißluft zum oberen Teil der Plenumkammer be-6
nachbart
der oberen oder Deckenwand des Ofens zu verteilen. Dies geschieht mit zwei zusätzlichen
langgestreckten Leitungen 69 und 691, die sich über die Länge der
Plenumkammer oberhalb der Auslaßkanäle lo2 aus den Brennergruppen erstrecken und
mit einer Anzahl Öffnungen versehen sind" die diagonal nach oben und innen gerichtet
sind, um den heissen Gasen einen Antrieb nach, oben mitzuteilen, wie durch die Pfeile
in Fig. 2 dargestellt. Das eine Ende dieser Leitungen ist mit einem Stopfen versehen,
während die anderen Enden in Verbindung mit der Sammelleitung 7o ebenso wie die
Leitungen 58 drehbar gelagert sind. Arbeitsweise.
Während'des Betriebs
des Ofens treibt der Motor17 das Gebläse 16 ständig an, um Luft durch das
Filteraggregat 18
zur Leitung 71 und zur Sammelleitung 7o zu fördern.
Dies hat zur Folge, daß Druckluft durch-die langgestreckten Leitungen
58 über die Länge des Ofens strömt und durch die voneinander in Abstand befindlichen
Öffnungen 59 mit Strömen von hoher Geschwindigkeit austritt. Die Ströme sind
durch die verengten Halsbereiche So' der langgestreckten Düsen zwischen den Leitflächenelementen
56 gerichtet. Die Leitungen 58 werden anfänglich in gewählte Stellungen
gedreht, so daß die Strahlen
von hoher Geschwindigkeit in Anpassung
an den Oberflächenbereich bzw. an die Oberflächengesultung der in der Ofenkammer
So zu beheizenden Gegenstände gerichtet werden können. Gleichzeitig werden die Brennergruppen
lo4 kontinuierlich in der Weise betrieben, daß ein brennbares Gasgemisch durch den
Einlaß 92 in die Sammelleitungen eingeleitet wird, von deneü aus es durch
die verschiedenen Öffnungen 114 zu den einzelnen benachbarten zusammenwirkenden
Brennereinheiten lo6 gelangt, wobei die Verbrennung an der Aussenfläche der mit
-lem Sieb kombinierten Schicht aus keramischem Filz erfolgt. Der auf die Brennergruppen
ausgeübte Druck kann bei der beschriebenen Brennerbauform stark verändert werden,
um eine Austrittstemperatur zu erhalten, die sich beispielsweise von wenigen loo
0 bis zu etwa 15oo 0 C (etwa 27oo 0 F) verändern kann. Die
gewählte Temperatur hängt von der Art der zu beheizenden Gegenstände, der Grösse
des Ofens, der besonderen Art des durchzuführenden Beheizungs- oder Trocknungsvorgängs
usw. ab. Die heissen Verbrennungsgase aus diesen Brennern treten nach oben in die
Plenumkammer 52 aus. Ein Teil der Gase erhält einen Antrieb nach oben durch.die
Druckluftstrahlen aus den Leitungen 69 und 691, um eine verhältnismässig
gleichmässige Verteilung zu erzielen. Die die Plenumkammer füllenden heissen Gase
werden durch die Venturiwirkung kontinuierlich mit einer beträchtlichen Geschwindigkeit
In die Ofenkammer gezogen,
welche Venturiwirkung durch die Hochdruck-Luftstrahlen
#us, den Leitungen 58 erhalten wird, die drch die verengten Halsbereiche So' in
den Düsen austreten. Die heissen Gase und die verhältnismässig kühle Antriebsluft
vermischen sich, wenn sie in die Ofenkammer strömen, wodurch eine Konvektionsheizwirkung
mit einer dynamischen Strömung von hoher Geschwindigkeit und verhältnismässig hoher
Temperatur auf die Oberflächen der Gegenstände.in der Ofenkammer So erhalten wird.
Bei ausgedehnten Versuchsarbeiten mit der erfindungsgemässen Bauform wurde ermittelt,
daß die Wärmeübertragungseigenschaften viele Male höher als diejenigen sind, welche
mit den herkömmlichen Ofenbauformen mit verhältnismässig stagnierender Luft erzielt
werden. In der Tat ist bei dem erfindungsgemässen Ofen der Wärmeübergang-so stark
erhöht. daß bei sorgfältig durchgeführten Versuchen um 9o % und mehr verkürzte
Verweilzeiten gegenüber den herkömmlich erforderlichen erzielt wurden.-Ausserdem
findet ein ausgezeichneter Wärmeaustausch über unebene Flächen von Gegenständen
sogar in Taschen mit einem geschlossenen Ende statt, daß die dynamischen heissen
Gase in solche Bereiche gerichtet werden und ständig strömen, um einen guten Gaskontakt
und- einen ständigen Gasaustausch zu erzielen. Bei den Trocknungsvorgängen wird
ebenfalls eine starke Verbesserung rascher und gründli.cher
erreicht,
da durch den erwähnten ausgezeichneten Kontakt und den ständigen Gasaustausch eine
Dampfsättigung und -Stagnation verhindert wird.
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Hierbei ist zu erwähne4, daß die besondere Ausrichtung der Brennergruppen
in Anpassung an die Art und Gestaltung der Plenumkammer verändert werden kann. Ferner
können die besonderen Einzelheiten der Unterteilungsorgane, welche durch die Leitflächenelemente
und die zusammenwirkenden Luftstrahlvorrichtungen gebildet werden, innerhalb weiter
Grenzen in Anpassung an die jeweilige Ofenbauform und die jeweiligen Gegenstände
usw, verändert werden. Beispielsweise können die Leitflächenelemente und die Leitungen
vertikal statt horizontal gerichtet werden, wie gezeigt. Die düsenartigen Einlässe
zur Ofenkammer aus der Plenumkammer können durch kurze Längen in Abständen voneinander
statt durch einen langgestreckten Einlaß gebildet werden. Versuche haben gezeigt,
daß, selbst wenn die kühle Luft strahlförmig in den Ofen zur Vermischung mit den
heissen Verbrennungsgasen eingeleitet wird, Temperaturen im Bereich von etwa
650 - 65o0C (15o0 - 12ooo F) innerhalb der Ofenkammer So leicht aufrechterhalten
werden können. Ausserdem kann mit den erzielten dynamischen Konvektionsströmungswirkungen
der Ofen fast augenblicklich aufgeheizt und fast
augenblicklich
abgekühlt werden.