DE20320416U1

DE20320416U1 - Vorrichtung zum Behandeln einer hochviskosen Flüssigkeit

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Publication number: DE20320416U1
Application number: DE20320416U
Authority: DE
Original assignee: Schott Glaswerke AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2003-02-06
Filing date: 2003-02-06
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2013-02-07

Abstract

Vorrichtung zum Behandeln einer hochviskosen Flüssigkeit mit einem Gefäß (1), in dem die Flüssigkeit entlang
einer Haupt-Strömungsrichtung (A) strömen kann, wobei sich der Spiegel der Flüssigkeit in einer Füllstandshöhe (H) über der Bodenfläche (1.6) des Gefäßes (1) befindet, und
einer Einrichtung zum Einleiten eines Fluids in die strömende Flüssigkeit,
welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die Einrichtung zum Einleiten des Fluids in die strömende Flüssigkeit durch das Einleiten des Fluids eine Strömung entlang spiralförmiger Bahnen unterstützt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Behandeln einer hochviskosen Flüssigkeit, insbesondere einer Glasschmelze gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Grundzüge des Glasherstellungsprozesses sind aus einer Vielzahl von Druckschriften bekannt. Zunächst wird in einer Wanne oder einem Tiegel aus einem Gemenge oder aus Glasscherben eine Glasschmelze hergestellt. Die Glasschmelze wird sodann geläutert. Der Schritt des Läuterns findet häufig zu einem wesentlichen Teil bereits in der Schmelzwanne selbst statt. Im allgemeinen ist aber noch ein Läutergefäß der Schmelzwanne nachgeschaltet. Nur beispielsweise wird verwiesen auf DE 199 39 785 A .
Das Einschmelzen von Glasgemenge lässt sich in zwei Hauptphasen unterteilen. In der sogenannten Silikatbildungsphase reagieren bestimmte Komponenten des Glasgemenges ab einer bestimmten Temperatur, wobei leicht flüssige Primärschmelzen entstehen. Schwerer schmelzende Bestandteile wie Sand bilden mit diesen Primärschmelzen Silikate. In einer zweiten Phase findet die sogenannte Rauhschmelze statt. Dabei dienen die Silikate als Aufschlussmittel der übrigen Bestandteile. Die Zeitdauer dieser chemischen Reaktionen ist vor allem durch die Kinetik des Wärmetransports bestimmt.
Dieser Einschmelzprozess ist für eine fehlerfreie energieoptimierte Darstellung von Gläsern und für die Glasqualität von großer Bedeutung. Mit einer ungünstigen Einstellung von Prozessparametern (Temperatur, Durchsatz, Durchmischung der Rauhschmelze, Verweilzeit der Schmelze im Schmelzaggregat, Glasbadtiefe etc.) lässt sich nur eine unbefriedigende Glasqualität erreichen: das geschmolzene Glas hat eine Vielzahl von Fehlern, wie Blasen, Knoten, Kristalle und Steinchen, die von einem unzureichenden Einschmelzprozess herrühren. Dies gilt um so mehr für die Darstellung hochschmelzender Spezialgläser, wie Borosilikatgläser (Duran), alkalifreier Gläser oder Glaskeramiken (Ceran, Robax) sowie für schwer einzuschmelzende Gläser, wie bestimmte optische Glassysteme.
Eine weitere Einschränkung des Einschmelzverhaltens ist durch die ungünstige Überlagerung der Verfahrensschritte beim Glasschmelzen gegeben. Durch die wechselseitige Beeinflussung der Verfahrensschritte (Aufschmelzen des aufgegebenen Gemenges, Homogenisieren der Rauhschmelze und Bilden der Feinschmelze, Läutern, Abstehen) ist die Einstellung definierter und reproduzierbarer Zustände nur schwer oder sogar überhaupt nicht möglich. Auch dies hat negative Auswirkungen auf die Glasqualität und die Wirtschaftlichkeit der Schmelzaggregate.
Beim Aufschmelzen wird in das Gemenge und in die Schmelze Wärme eingebracht, beispielsweise durch Beheizung aus dem Oberofenraum. In einer Ebene senkrecht zur Längsachse des Schmelzaggregats gesehen, bildet sich in der entstehenden Schmelze eine umlaufende Strömung aus, und zwar nach Art einer Walze mit horizontaler Achse. Diese Walze hat an sich eine günstige Wirkung: sie fördert bereits stark erhitzte Volumenelemente der Glasschmelze von oben unter das Gemenge zurück und erleichtert damit dessen kontinuierliches Abschmelzen von unten her. Die ungelösten Bestandteile werden in der Rauhschmelze gelöst. Erst nach dem vollständigen Abschluss dieser Phase kann das Läutern erfolgreich beendet werden. Wichtig dabei ist, dass alle Blasen aus der Schmelze entfernt werden. Vor allem bei Spezialgläsern ist der Gehalt an Blasen äußerst unerwünscht. Je rascher die Rauhschmelze abläuft, desto höher ist die Qualität und desto größer ist die Ausbeute pro Schmelzaggregat. Trotzdem darf der Energieeintrag beim Einschmelzen von Gemenge oder von Glasscherben ein bestimmtes Maß nicht überschreiten. Andernfalls würde es zu einem vorzeitigen Aktivieren von Läutermitteln kommen, so dass diese während der eigentlichen Läuterphase nicht mehr zur Verfügung stehen.
Die genannten Strömungswalzen werden primär durch thermische Differenzen ausgelöst. Die Intensität dieser Walzen kann durch Einblasen von Gas beeinflusst werden. Dies ist ein Weg zur Verbesserung und Beschleunigung des Einschmelzverhaltens durch Erzeugen einer möglichst intensiven Durchmischung der aufschmelzenden Glasbestandteile bzw. der Rauhschmelze im Einschmelzbecken. Eine intensive Durchmischung und damit auch eine Verbesserung der Temperaturhomogenität der Glasschmelze kann beispielsweise durch das Einblasen von Gasen in die Glasschmelze (Bubbling) zur Erzeugung starker Zwangskonvektionsströmungen geschehen.
In US 2,909,005 wird die Verwendung von Boden-Blasdüsen im Bereich der Schmelzwanne zum Erzeugen von Konvektionsströmungen beschrieben. Es werden unterschiedliche Anordnungen der Blasdüsen über den Boden der Schmelzwanne vorgestellt. Allerdings wird nicht beschrieben, welche Anordnungen zu besonders vorteilhaften Ergebnissen führen. Die in den Abbildungen beschriebenen Anordnungen führen zu extrem turbulenten Strömungen, bei denen sich Strömungen aus den einzelnen Blasdüsen aufgrund der geringen Abstände zueinander beeinflussen. Ausführungen zur Geometrie der Schmelzanlagen und der davon abhängigen Einbauweise der Blasdüsen sowie ein minimal notwendiger Abstand zu den Wänden der Glasschmelzwanne werden nicht erwähnt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass durch die stark turbulente Strömung die Schmelzwanne an ihrer Innenseite, insbesondere die feuerfeste Auskleidung der Schmelzwanne, einer deutlich erhöhten Korrosion ausgesetzt ist. Dadurch wird außerdem die Qualität des Glases negativ beeinflusst.
Auch in US 3,268,320 werden Möglichkeiten zum Erzeugen von Strömungen in Glasschmelzwannen beschrieben. Unter anderem wird die Verwendung von Blasdüsen, die entlang der Mittelachse der Wanne in Längsrichtung angeordnet sind, zum Erzeugen einer schraubenförmigen Strömung beschrieben. Allerdings fehlt auch hier die zielgerichtete Ausführung im Hinblick auf die Geometrie der Schmelzanlage und die Einbauweise der Blasdüsen. Ein minimal notwendiger Abstand zu den Wänden der Glasschmelzwanne wird ebenfalls nicht erwähnt. Ein Erkennen des Problems der Korrosion bzw. das Vermindern eines Angriffs auf die feuerfeste Auskleidung der Glasschmelzwanne fehlt ebenfalls.
In FR 2 787 784 werden ebenfalls Verfahren zum Erzeugen schraubenförmiger Strömungen in Glasschmelzwannen beschrieben. Unter anderem wird hierbei die Verwendung von Blasdüsen in der Mitte der Wannenbreite zum Ausbilden von schraubenförmigen Strömungen beschrieben. Das Problem eines korrosiven Angriffs auf die Glasschmelzwanne an ihrer Innenseite wird jedoch auch in diesem Dokument nicht behandelt. Ebenso fehlen Angaben zur Anordnung der Blasdüsen und zu den Abständen der Blasdüsen voneinander bzw. von den Wänden der Glasschmelzwanne.
Die Ausführungsformen der genannten Dokumente zum Erzeugen von Zwangskonvektionsströmungen in der Glasschmelze haben damit zum einen eine deutlich erhöhte Korrosion des feuerfesten Wand- und Bodenmaterials der Glasschmelzwanne durch die gesteigerten Strömungsgeschwindigkeiten und Temperaturen der Glasschmelze zur Folge. Die Auflösung der Innenauskleidungen der Glasschmelzwanne kann ihrerseits des weiteren zu Glasfehlern wie Schlieren, Knoten, Steinchen oder sogar Blasen führen. Außerdem ist durch die Korrosion die Standzeit des Schmelzaggregates stark limitiert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, das Einschmelzverhalten hochviskoser Flüssigkeiten, wie zum Beispiel Glasschmelzen, durch das Einblasen von Gasen in die Schmelze deutlich zu verbessern. Dadurch soll die Glasqualität in Bezug auf einschmelztypische Fehler erhöht und gleichzeitig der Angriff der Schmelze auf das Auskleidungsmaterial des Schmelzaggregates minimiert bzw. vollständig unterbunden werden. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist somit die Verbesserung der Prozesseffizienz und der Prozessführung.
Gelöst werden diese Aufgaben auf überraschende Weise bereits durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den jeweils zugeordneten Unteransprüchen.
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein völlig neuer Weg beschritten. Die zur Verbesserung des Durchmischungsverhaltens notwendige Konvektion wird weitgehend dadurch erzeugt, dass ein Fluid in eine strömende hochviskose Flüssigkeit, insbesondere in eine Glasschmelze, derart eingeleitet wird, dass sich in der Glasschmelze eine spiralförmige Strömung ausbildet. Diese spiralförmige Strömung wird primär durch den mechanischen Impuls des eingeleiteten Fluids erzeugt.
Gemäß der Erfindung ist damit eine Entkopplung zwischen dem an sich notwendigen Energieeintrag in Form von Wärme einerseits und dem Erzeugen von Geschwindigkeitsgradienten zum Ausbilden einer Konvektionsströmung andererseits vorgenommen .
Bei dem genannten Verfahren sieht die Erfindung vorteilhafterweise vor, dass die Längsachsen der spiralförmigen Bahnen zumindest annähernd parallel zur Haupt-Strömungsrichtung der hochviskosen Flüssigkeit verlaufen. Die Transportrichtung der spiralförmigen Strömung entspricht damit der Strömungsrichtung. Dadurch kann eine enge Verweilzeitverteilung erreicht werden, die eine definierte Behandlung der hochviskosen Flüssigkeit mit dem genannten Verfahren ermöglicht. Gleichzeitig wird ein Überlagern von Strömungen unterschiedlicher Richtungen nahezu ausgeschlossen, so dass keine Turbulenz und keine lokalen Tot-Räume erzielt werden.
Die strömende Flüssigkeit und/oder das eingeleitete Fluid werden beheizt. Damit wird die Anwendung für verschiedenartige hochviskose Flüssigkeiten, insbesondere für Schmelzen von Kunststoffen aber auch von Glas, ermöglicht. Aufgrund der zum Auslauf der Schmelzwanne fortschreitenden spiralförmigen Strömung gelangen einzelne Schmelzpartikel häufig an die wärmebeaufschlagte Oberfläche. Dabei besteht eine hohe statistische Wahrscheinlichkeit dafür, dass alle Schmelzpartikel annähernd gleich behandelt werden. Bei der gegebenen engen Verweilzeitverteilung ist daher vorteilhafterweise nicht nur das mechanische Durchmischen, sondern auch das thermische Durchmischen der strömenden Flüssigkeit optimiert.
Weil die Temperatur in jeder Schnittebene quer zur Haupt-Strömungsrichtung gesehen relativ homogen ist, kann die Temperatur lokal definiert beeinflusst werden.
Insgesamt gesehen bietet die erfindungsgemäße Lösung die Möglichkeit, entweder den Durchsatz zu steigern und dabei die gleiche Qualität bei denselben Abmessungen des Gefäßes zu erzielen. Außerdem kann die Qualität bei konstantem Durchsatz und gleichen Abmessungen gesteigert; oder die Abmessungen verkleinert und dabei der gleichen Durchsatz bei konstanter Qualität erzielt werden. Aufgrund der günstigen Energiebilanz ist das Verfahren zudem äußerst wirtschaftlich.
Da die thermische und mechanische Durchmischung entkoppelt wurden, bietet die Erfindung den Vorteil, zum Beheizen verschiedenste Methoden anwenden zu können: das Beheizen kann durch Gasbefeuerung, insbesondere regenerativ und/oder rekuperativ und/oder unter Einsatz eines air-fuels und/oder unter Einsatz eines oxy-fuels erfolgen. Des weiteren kann das Beheizen elektrisch, insbesondere über eine direkte Widerstandsbeheizung durchgeführt werden. Eine weitere Möglichkeit bietet das induktive Beheizen oder das Beheizen mit Hilfe von Hochfrequenz, insbesondere über eine direkte Hochfrequenz-Beheizung. Zudem kann das Beheizen durch eine Kombination zumindest zweier der genannten Verfahren erfolgen.
Das Verfahren kann also auf einfache Weise auf die hohen Anforderungen beim Behandeln einer Glasschmelze abgestimmt und daher vorteilhafterweise zum Behandeln einer strömenden Glasschmelze eingesetzt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht zum einen vor, als Fluid ein Gas zu verwenden. Dieses ist aus der Gruppe ausgewählt, die Luft, Sauerstoff, Stickstoff und/oder Helium und/oder Neon und/oder Argon umfasst. Durch die Wahl des Gases kann auf erstaunlich einfache Weise die Blasigkeit der Schmelze beeinflusst werden. Des weiteren bestehen erhebliche Unterschiede in der Wirkungsweise der eingebrachten Gase in die Glasschmelze sowie des Verhaltens der Gase im weiteren Verlauf des Schmelz- und Läuterungsprozesses. So ist beispielsweise für oxydierende Schmelzen der Einsatz von Sauerstoff und für reduzierende Schmelzen der Einsatz von Helium besonders empfehlenswert.
Es kann jedoch als Fluid auch eine Flüssigkeit verwendet werden. Dadurch bietet sich der Vorteil, die Aufstiegsgeschwindigkeit des Fluids in der strömenden Flüssigkeit im Vergleich zu einem Gas als Fluid variieren zu können. Damit kann der Impuls des Fluids und somit die Geschwindigkeit der Zwangskonvektionsströmung eingestellt werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass als Fluid ein Teil der strömenden Flüssigkeit verwendet wird. Damit wird der Einsatz eines zur strömenden Flüssigkeit zusätzlichen Mediums überflüssig, und es kann auf die Entfernung eines solchen zusätzlichen Mediums verzichtet werden.
Insbesondere kann es sich bei dem Fluid um eine weitere Glasschmelze handeln. Damit wird in vorteilhafter Weise die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Behandeln von Glasschmelzen noch weiter vereinfacht und optimiert.
Das Einleiten des Fluids erfolgt erfindungsgemäß in einer vorbestimmten Richtung, insbesondere parallel oder orthogonal zur Haupt-Strömungsrichtung der strömenden Flüssigkeit. Damit wird das exakte Einstellen der Strömungsrichtung der spiralförmigen Strömung ermöglicht.
Eine weitere Ausbildungsform des Verfahrens sieht vor, dass das Fluid gepulst eingeleitet wird. Durch das gepulste Einleiten kann die Verweilzeitverteilung gesteuert werden. Gleichzeitig bietet sich die Möglichkeit, Fluid einzusparen, wobei der hohe Impuls des gepulst eingeleiteten Fluids aufgrund der Schleppwirkung gegenüber der benachbarten strömenden Flüssigkeit für eine andauernde Zwangskonvektionsströmung sorgt.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die strömende Flüssigkeit und/oder das Fluid gekühlt werden. Auf diese Weise können gezielt Temperaturgradienten eingestellt werden, so dass sich der große Vorteil bietet, die Zwangskonvektion unabhängig vom Einleiten des Fluids unterstützen zu können.
Das Verfahren kann kontinuierlich oder diskontinuierlich und/oder in Kreisfahrweise und/oder in Pendelfahrweise durchgeführt werden. Je nach zu verarbeitenden Mengen, Verweilzeitverteilung, Abmessungen der Aggregate und möglichen Volumenströmen bietet das erfindungsgemäße Verfahren damit alle Freiheiten zur optimalen Gestaltung im Hinblick auf die Qualität des Produktes und die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens.
Des weiteren sieht die Erfindung vor, durch die Einstellung des Gasvolumenstromes und/oder der Gasart und/oder der Temperatur und/oder des externen Partialdrucks und/oder der Verweilzeit des Gases in der Schmelze, die Farbe und/oder den Redoxzustand des Glases, insbesondere das Fe²⁺:Fe³⁺-Verhältnis und/oder die Trocknung des Glases, insbesondere den Gehalt an OH-Gruppen einzustellen.
Neben dem oben erläuterten Verfahren betrifft die Erfindung außerdem eine Vorrichtung zum Behandeln einer hochviskosen Flüssigkeit, insbesondere nach dem genannten Verfahren.
Die Vorrichtung umfasst ein Gefäß, in dem eine Flüssigkeit entlang einer Haupt-Strömungsrichtung strömen kann, und eine Einrichtung zum Einleiten eines Fluids in die strömende Flüssigkeit.
Die Einrichtung zum Einleiten des Fluids in die strömende Flüssigkeit unterstützt dabei durch das Einleiten des Fluids eine Strömung entlang spiralförmiger Bahnen. Zudem ist vorgesehen, dass die Einrichtung zum Einleiten des Fluids in die strömende Flüssigkeit derart gestaltet und angeordnet sein kann, dass der Strömung der Flüssigkeit durch das Einleiten des Fluids eine Strömung entlang spiralförmiger Bahnen aufgeprägt wird. Die Vorrichtung besteht damit aus wenigen einfachen Bauteilen.
Die Erfindung sieht vor, dass das Gefäß eine Schmelzwanne, insbesondere zum Schmelzen von Glas ist. Außerdem kann das Gefäß eine Rinne sein, die zumindest teilweise offen und/oder geschlossen ist. In dieser Hinsicht bietet die Vorrichtung erfindungsgemäß den großen Vorteil, je nach vorhandener Anlage, das Auftrennen der Verfahrensschritte des Schmelzens und des Läuterns durch den Umbau von zum Beispiel einer Transporteinrichtung zu ermöglichen und damit das verbesserte Verfahren einsetzen zu können.
Um zudem die Anlage vorteilhafterweise noch flexibler einsetzbar zu gestalten, ist das Gefäß modular aufgebaut. Die modulare Bauweise des Schmelzaggregates ermöglicht eine exakte Trennung der beim Glasschmelzen ablaufenden Verfahrensschritte. Die modulare Bauweise trägt ebenfalls zu einer Verbesserung der Glasqualität und einer besseren technologischen Beherrschbarkeit der Anlage bei. Außerdem wird das Schmelzaggregat mobil und der Inhalt ist einfach zu wechseln.
Das Gefäß besteht aus einem äußeren Boden und einem äußeren Mantel. Durch die Trennung der Bauteile wird das Fertigen des Bodens und des Mantels als einzelne Komponenten erleichtert.
Der äußere Boden und der äußere Mantel sind in Segmente, insbesondere in Stirn- und Rückseite sowie Seitenwände unterteilbar. Die Fertigung und der Transport der Teile wird dadurch weiter erleichtert. Des weiteren wird eine Montage erst vor Ort des Einsatzes möglich und einzelne Teile können separat demontiert werden, so dass ein schnelles Auswechseln insbesondere von Verschleißmaterial ermöglicht wird.
Erfindungsgemäß ist das Gefäß mit einem feuerfesten Material ausgekleidet. Auf diese Weise wird die Anwendbarkeit in Hochtemperaturprozessen ermöglicht. Dafür werden vorteilhafterweise Materialien mit hoher Einsatztemperatur; insbesondere oberhalb der Schmelztemperatur des Glases, eingesetzt. Beispiel sind Materialien mit hohem SiO₂- oder Al₂O₃-Gehalt und/oder schmelzgegossenen Aluminiumoxyd-Zirconoxyd-Steinen und/oder schmelzgegossene Materialien mit hohem Zirconoxyd-Gehalt. Die Auskleidung weist eine Dicke von maximal 200 mm auf. Aufgrund des optimierten Verfahrens bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil, nur derart geringe Materialstärken vorsehen zu müssen.
Die Vorrichtung umfasst des weiteren eine Einrichtung zum Beheizen. Diese weist insbesondere zumindest einen Gasbrenner und/oder zumindest eine elektrisch heizbare Einrichtung und/oder zumindest eine induktiv beheizbare Einrichtung und/oder eine Einrichtung zum Beheizen mittels Hochfrequenz auf. Für die Anwendung des Verfahrens im Bereich von Schmelzen, insbesondere von Glasschmelzen, wird durch diese Ausführungsform der Vorrichtung zum einen sichergestellt, dass eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur der strömenden Flüssigkeit eingestellt werden kann. Zum anderen kann ein Temperaturgradient erzeugt werden, so dass die Konvektionsströmung thermisch unterstützt werden kann.
Um auf einfache Weise die Temperaturgradienten entlang des Gefäßes steuern und damit die Konvektion gezielt einstellen zu können, sieht die Erfindung vor, dass die Vorrichtung eine Einrichtung zum Kühlen umfasst. Diese ist derart ausgestaltet, dass das Gefäß durch den äußeren Boden und/oder den äußeren Mantel gekühlt wird. Durch die Kühlsegmente, die eine Kühlung des im Schmelzkontakt stehenden feuerfesten Materials bewirken, wird der korrosive Angriff der Schmelze auf das feuerfeste Material deutlich verringert bzw. ganz vermieden.
Die Temperaturen auf der im Schmelzkontakt stehenden Seite des feuerfesten Materials können durch die Kühlung um 200 bis 400 K abgesenkt werden. Diese Temperaturabsenkung ist ausreichend, um die Korrosion deutlich zu vermindern. Stärkere Absenkungen sind zwar durch entsprechende Dimensionierung der Kühlung möglich, aber energetisch nicht sinnvoll, da dann nicht nur das feuerfeste Material, sondern auch die Schmelze stark abgekühlt wird und so das Aufschmelzen wieder erschwert werden kann.
Durch das gekühlte feuerfeste Material ist die Verunreinigung der Schmelze mit Auflösungsprodukten aus dem feuerfesten Material trotz der intensiven Strömung sehr gering bzw. nicht vorhanden. Deshalb sind deutlich kleinere Volumina als bei konventionellen Schmelzaggregaten möglich, und dadurch kann feuerfestes Material eingespart werden.
Durch die Kühlung lassen sich besonders bei aggressiven Gläsern, also starker Korrosion des feuerfesten Materials im Vergleich zu herkömmlichen Vorrichtungen zum Einschmelzen von Glas, deutlich längere Standzeiten erzielen.
Durch die Kühlung sind Glastemperaturen im Inneren des Schmelzaggregates von bis zu 2000 °C möglich, da die Temperatur direkt an der Innenseite des Glaskontaktmaterials nur etwa 1600 °C bis 1700 °C beträgt. Dadurch sind beispielsweise auch hoch-SiO₂-haltige Gläser problemlos auf schmelzbar.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform der Vorrichtung bietet den großen Vorteil, gänzlich auf die feuerfeste Auskleidung der Schmelzwanne verzichten zu können: die Auskleidung des Gefäßes mit einem feuerfesten Material wird dabei durch eine an der äußeren Kühlung erstarrten Schicht der zu behandelnden hochviskosen Flüssigkeit, insbesondere der Glasschmelze, ersetzt.
Die zumindest eine Einrichtung zum Einleiten des Fluids in die strömende Flüssigkeit leitet erfindungsgemäß das Fluid so ein, dass die Achsen der spiralförmigen Bahnen zumindest annähernd parallel zur Hauptströmungsrichtung der strömenden Flüssigkeit verlaufen. Es ist vorgesehen, zumindest zwei Reihen von Einrichtungen zum Einleiten des Fluids im Gefäß anzubringen. Einander benachbarte Einrichtungen zum Einleiten des Fluids haben in Hauptströmungsrichtung einen gegenseitigen Abstand a von mindestens dem 0,5fachen oder mindestens dem 0,8fachen und maximal dem 1,5fachen der Füllstandshöhe der strömenden Flüssigkeit im Gefäß. Der Abstand zwischen einer Seitenwand und einer Einrichtung zum Einleiten des Fluids der benachbarten Reihe liegt mindestens in der Größenordnung des 0,5fachen der Füllstandshöhe und maximal bei dem 1,3fachen der Füllstandshöhe.
Entgegen der Berechnungen mittels mathematischer Simulationen, wonach besonders enge Abstände der Blasdüsen zu vorteilhaften Ergebnissen führen sollen, zeigt sich in realen Versuchen die Notwendigkeit eines definierten Abstandes zwischen den einzelnen Blasdüsen. Bei zu engen Abständen der Blasdüsen voneinander kommt es zu einer starken Beeinflussung der Strömungen durch das über die Blasdüsen eingebrachte Fluid. Dadurch entstehen undefinierte Strömungen, die letztlich zu Kurzschluflströmungen und somit zu einem negativen Effekt, insbesondere zu einer deutlich ungleichmäßigen Verweilzeitverteilung führen.
Wichtig für eine gute und homogene Glasqualität sind jedoch gewisse Mindestverweilzeiten, um sicherzustellen, dass auch das Glas, das durch die schnellste Strömung ausgetragen wird und die kürzestes Verweilzeit im Schmelzaggregat besitzt, über eine gute Qualität verfügt. Bei zu weiten Abständen der Blasdüsen voneinander reichen die lokal durch die Blasdüsen erzeugten Strömungen nicht aus, um eine schraubenförmige Gesamtströmung entlang der Wannenlängsachse zu erzeugen. Es kommt zur Ausbildung voneinander isolierter Blasdüsenwalzen, die auf die Gesamtströmung keinen oder wenig Einfluss mehr nehmen können. Die Mindestverweilzeit verringert sich wieder und die Fehler beim Aufschmelzen nehmen zu.
Je nach Geometrie der Schmelzwanne sind unterschiedliche Anzahlen von Blasdüsen bzw. Blasdüsenreihen von besonderem Vorteil. Unter Beachtung der genannten Bedingungen hinsichtlich Abstand der Blasdüsen untereinander sowie zu den Außenwänden ergibt sich je nach Füllstandshöhe und Breite der Schmelzwanne eine optimale Anzahl von Blasdüsenreihen parallel zur Wannenlängsachse. So ist beispielsweise bei einer Wannenbreite von 8 m und einer Füllstandshöhe von 1,4 m die Anordnung von fünf bis sieben Blasdüsenreihen zum Erzielen des erfindungsgemäßen Effektes optimal.
Die im Bereich der Blasdüsen erzeugte Aufwärtsströmung wird im Bereich der Wand mit nahezu gleicher Stärke als Abwärtsströmung aufgeprägt. Durch die von den Blasdüsen erzeugten Strömungswalzen kommt es deswegen zu einer verstärkten Korrosion der Wand, wenn der Abstand zwischen Blasdüsen und Wand zu gering gewählt wird. Beim erfindungsgemäßen genügend großen Abstand zwischen den Blasdüsen und den Wänden wird dieser Effekt vorteilhafterweise vermieden, da der Radius der ausgebildeten Strömungswalzen dann kleiner ist als der Abstand zwischen Blasdüsen und Wand. Die durch die Blasdüsen aufgeprägten Abwärtsströmungen erfolgen dann erfindungsgemäß in einem ausreichend großen Abstand zur Wand. Der maximale Abstand der Blasdüsen von der Wand sollte jedoch nicht über dem 1,3fachen der Füllstandshöhe liegen, da sonst die positive Wirkung des Einleitens des Fluids durch die Blasdüsen auf die Strömungswalzen aufgrund von am Rand durchschießenden Strömungen beeinträchtigt wird. Die definierte spiralförmige Bewegung der Flüssigkeitsströmung wird durch zu weite Wandabstände ebenfalls geschwächt.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die zumindest eine Einrichtung zum Einleiten des Fluids lösbar befestigt. Dies bietet den Vorteil eines einfachen Auswechselns der Einrichtung.
Die zumindest eine Einrichtung zum Einleiten des Fluids weist zumindest eine Düse auf. Damit ermöglicht es die Erfindung vorteilhafterweise, über den definierten Querschnitt der zumindest einen Düse den Volumenstrom des eingeleiteten Fluids auch dann variabel steuern zu können, wenn der Vordruck des Fluids konstant ist. Durch den Austausch von Düsen oder durch Variation des Düsenquerschnittes, der insbesondere kreisförmig, rechteckig, dreieckförmig oder polygonal sein kann, wird damit eine variable Fahrweise ermöglicht, die auf das jeweilige Ziel der Größe und/oder Frequenz der Fluidelemente, im Fall eines gasförmigen Fluids der Gasblasen, abgestimmt werden kann.
Die Temperatur im Innern des Gefäßes beträgt bis zu 2000 °C. Damit können durch die erfindungsgemäße Vorrichtung Stoffe, insbesondere Gläser, mit extrem hohen Schmelzpunkten zuverlässig behandelt werden.
Zur Regelung und/oder Steuerung der Temperatur sind auswechselbare Thermoelemente angeordnet. Diese Ausführungsform bietet außerdem den Vorteil, dass die Temperatur lokal geregelt werden kann, indem über die einzelnen Thermoelemente Einrichtungen zum Beheizen angesteuert werden.
Die Vorrichtung weist des weiteren eine Einrichtung zur Führung der Thermoelemente auf. Die Einrichtung zur Führung der Thermoelemente weist eine Hülse aus Platin auf, die durch das feuerfeste Material und/oder die Kühlung geführt wird. Dadurch können die Thermoelemente vorteilhafterweise auch während des Betriebes einfach ausgewechselt werden.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform sieht vor, dass die Einrichtung zur Führung der Thermoelemente eine innere Hülse zur Führung des Thermoelementes und eine von der inneren radial beabstandete äußere Hülse umfasst. Dabei kann das Fluid durch den Zwischenraum zwischen der inneren und der äußeren Hülse in die strömende Flüssigkeit eingeleitet werden. Die Erfindung sieht damit eine besonders einfache Möglichkeit vor, die Einrichtung zum Einleiten des Fluids in die strömende Flüssigkeit und die Thermoelemente zu kombinieren und damit vorteilhafterweise Bauteile einzusparen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Dieselben Bauteile werden auf allen Zeichnungen mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
Es zeigen:
1 eine Schmelzwanne mit Düsen in schematisierter Darstellung im Querschnitt,
2 den Gegenstand von 1 in Aufsicht,
3 eine Schmelzwanne im Längsschnitt mit schematischer Darstellung der Strömung in Aufsicht,
4 den Gegenstand von 3 im Querschnitt,
5 eine perspektivische Darstellung der Strömungsform in einer Schmelzwanne, hervorgegangen aus einer mathematischen Simulation.
Der in den 1 und 2 dargestellten Schmelzwanne 1 werden Gemenge oder Scherben im Bereich des Einlasses 1.1 zugeführt. Die Schmelze wird durch einen Auslass 1.2 zu den nachfolgenden Prozessschritten weitergeleitet.
Im Boden 1.6 der Schmelzwanne 1 sind hier nicht dargestellte erfindungsgemäße Düsen 1.7 angeordnet, die in Bezug auf den Hauptschmelzraum 1.5ausgerichtet sind. Durch die Düsen wird ein Fluid in die Schmelze eingebracht. Die Düsen sind in zwei Reihen angeordnet. Jede Reihe verläuft in Prozessrichtung, das heißt in einer Richtung, in der sich die Schmelze in Gestalt einer spiralförmigen Strömung bewegt und zwar von Einlass 1.1 zum Auslass 1.2 hin.
Die spiralförmige Strömung ist aus den 3 und 4 erkennbar. In diesen Figuren sind wieder die Düsen 1.7 im Boden 1.6 der Einschmelzwanne 1 dargestellt.
In 3 ist die Haupt-Strömungsrichtung durch den Pfeil A veranschaulicht. Man erkennt hieraus die Füllstandshöhe H. Die Füllstandshöhe ist das Maß zwischen dem Boden 1.6 der Schmelzwanne (Schmelze-berührte Bodenfläche) bis zum Spiegel 1.8 der Schmelze. Der Abstand a kennzeichnet die Entfernung zweier einander benachbarter Blasdüsen in Haupt-Strömungsrichtung.
4 lässt die Verhältnisse im Querschnitt erkennen: Der Abstand b ist die gegenseitige Entfernung zwischen den beiden Reihen von Düsen 1.7. Der Abstand c kennzeichnet die Entfernung zwischen einer Düse 1.7 der einen Reihe und der nächstgelegenen Längsseitenwand 1.9.
Die in 5 dargestellt Schmelzwanne 1 weist wiederum einen Einlass 1.1 sowie einen Auslass 1.2 auf. Die Wanne 1 weist einen zusätzlichen Brückenwall 1.3 mit zwei Durchlässen am Boden auf, der die sogenannte Rauhschmelze vom Hauptschmelzraum 1.5 abtrennt. Dem Hauptschmelzraum 1.5 sind wieder zwei Reihen von Düsen zugeordnet, die hier nicht dargestellt sind. Jede Düsenreihe umfasst beispielsweise sechs Düsen, die entsprechend dargestellte Spiralwirbel erzeugen.

Claims

Vorrichtung zum Behandeln einer hochviskosen Flüssigkeit mit einem Gefäß (1), in dem die Flüssigkeit entlang einer Haupt-Strömungsrichtung (A) strömen kann, wobei sich der Spiegel der Flüssigkeit in einer Füllstandshöhe (H) über der Bodenfläche (1.6) des Gefäßes (1) befindet, und einer Einrichtung zum Einleiten eines Fluids in die strömende Flüssigkeit, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die Einrichtung zum Einleiten des Fluids in die strömende Flüssigkeit durch das Einleiten des Fluids eine Strömung entlang spiralförmiger Bahnen unterstützt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Einleiten des Fluids in die strömende Flüssigkeit derart gestaltet und angeordnet ist, dass der Strömung der Flüssigkeit durch das Einleiten des Fluids eine Strömung entlang spiralförmiger Bahnen aufgeprägt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäß (1) eine Schmelzwanne, insbesondere zum Schmelzen von Glas, und/oder eine Läuterwanne ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäß (1) eine Rinne ist, die zumindest teilweise offen und/oder geschlossen sein kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäß (1) modular aufgebaut ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet; dass das Gefäß (1) aus einem äußeren Boden und einem äußeren Mantel besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Boden und der äußere Mantel in Segmente, insbesondere in Stirn- und Rückseite sowie Seitenwände, unterteilbar sind.
Vorrichtung nach einem. der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäß (1) mit einem feuerfesten Material ausgekleidet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskleidung eine Dicke von maximal 200 mm hat und aus Materialien mit hohem SiO₂- oder Al₂O₃-Gehalt und/oder schmelzgegossenen Aluminiumoxid-Zirkonoxid-Steinen und/oder schmelzgegossenen Materialien mit hohem Zirkonoxid-Gehalt besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Einrichtung zum Beheizen umfaßt, die insbesondere zumindest einen Gasbrenner und/oder zumindest eine elektrisch beheizbare Einrichtung und/oder zumindest eine induktiv beheizbare Einrichtung und/oder eine Einrichtung zum Beheizen mittels Hochfrequenz aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Einrichtung zum Kühlen umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäß (1) durch den äußeren Boden und/oder den äußeren Mantel gekühlt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskleidung des Gefäßes (1) mit feuerfestem Material durch eine an der äußeren Kühlung erstarrten Schicht der zu behandelnden hochviskosen Flüssigkeit, insbesondere einer Glasschmelze, ersetzt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Einrichtung zum Einleiten des Fluids in die strömende Flüssigkeit das Fluid so einleitet, dass die Achsen der spiralförmigen Bahnen zumindest annähernd parallel zur Haupt-Strömungsrichtung (A) verlaufen.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Reihen von Einrichtungen zum Einleiten des Fluids im Gefäß (1) angebracht sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass einander benachbarte Einrichtungen zum Einleiten des Fluids in Haupt-Strömungsrichtung (A) einen gegenseitigen Abstand a von mindestens dem 0,5fachen oder mindestens dem 0,8fachen und maximal dem 1,5fachen der Füllstandshöhe (H) haben.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand c zwischen einer Seitenwand (1.9) und einer Einrichtung zum Einleiten des Fluids der benachbarten Reihe mindestens in der Größenordnung des 0,5fachen der Füllstandshöhe und maximal bei dem 1,3fachen der Füllstandshöhe liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Einrichtung zum Einleiten des Fluids lösbar befestigt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Einrichtung zum Einleiten des Fluids zumindest eine Düse (1.7) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur im Inneren des Gefäßes (1) bis zu 2000 °C beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung und/oder Steuerung der Temperatur auswechselbare Thermoelemente angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Einrichtung zur Führung von Thermoelementen aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Führung von Thermoelementen eine Hülse aus Pt aufweist, die durch das feuerfeste Material und/oder die Kühlung geführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Führung von Thermoelementen eine innere Hülse zur Führung des Thermoelementes und eine von der inneren radial beabstandete äußere Hülse umfaßt, wobei das Fluid durch den Zwischenraum zwischen der inneren und der äußeren Hülse in die strömende Flüssigkeit eingeleitet werden kann.