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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung der Temperatur
eines Industrieofens, bei dem mehrere, verschiedenn Zonen zugeordnete Heizleitergruppen
getrennt gesteuert werden.
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Bei Industrieöfen und industriellen Erwärmungsanlagen, die auf höherem
Temperaturniveau arbeiten, überwiegt in der Regel der Wärmeübergang durch Strahlung,
wenn nicht besondere Vorkehrungen zur Erhöhung der Gasgeschwindigkeit in einem solchen
Ofen getroffen werden. Bei einem solchen, im wesentlichen durch Strahlung erfolgenden
Wärmeübergang stellt die Temperatur des Strahlers den wesentlichen Parameter dar,
weil nach dem Stephan-Boltzmann'schen Strahlungsgesetz die Gesamtstrahlung eines
(schwarzen) Körpers proportional zur vierten Potenz der thumcdynamischen Temperatur
ist.
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Bringt man regelmäßig geformte, zu erwärmende Güter in einen Industrieofen,
bei dem der Wärmeübergang im wesentlichen auf der Strahlungswärme beruht, und liegen
die Innenflächen des Ofens und die Oberfläche der zu erwärmenden Güter in der gleichen
Größenordnung, so ergeben sich Wärmeübergangs-Verhältnisse, die im folgenden am
Beispiel eines Erwärmungsofens für Glasscheiben erläutert werden sollen.
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Um Glasscheiben vorzuspannen, müssen sie auf ca. 7000 C erwärmt werden.
Zu diesem Zweck werden sie hängend oder liegend in einem relativ schmalen bzw. flachen
Ofen angebracht und dort durch Strahlung erwärmt. Dabei ist wesentlich, daß die
Erwärmung über die gesamte Flache der Glasscheibe sehr gleichmäßig erfolgt, da sonst
Verwerfungen an der Glasscheibe auftreten können. Selbst geringe Verwerfungen einer
Glasscheibe werden jedoch sofort wahrgenommen und beeinträchtigen ihr Aussehen.
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Um eine Glasscheibe sehr gleichmäßig übc . e gesamte Fläche erwärmen
zu können, rüstet man solche Erwärmungsöfen mit mehreren, unabhängig regelbaren
Heizzonen aus, die jeweils durch Heizleitergruppen gebildet werden; dadurch wird
es möglich, die rschiedliche Abkühlung der einzelnen Heizzonen beim Einfahren der
kalten Glasscheibe zumindest teilweise durch entsprechende Regelung der verschiedenen
Zonentemperaturen auffangen zu können.
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Eine solche unterschiedliche Kühlung der verschiedenen ,eile der Glasscheibe
tritt insbesondere in ihren Randgebieten auf, weil den Heizzonen, cie den Randbereichen
der Glass .eibe gegenüberliegen und dadurch nicht über ihre gesamte Fläche durch
die Glasscheibe beaufschlagt werden, weniger Energie ntzogen wird als den anderen
Zonen, die durch die Glasscheibe vollständig bedeckt werden.
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Der zeitliche Verlauf einer solchen herkömmlichen Regelung ist in
den Figuren la und ib dargestellt, wobei in Fig. la die Temperatur und in Fig. ib
die Heizleistung über der Zeit aufgetragen sind.
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Vor dem Einfahren der Glasscheibe befindet sich der ges am te Innenraum
des Ofens auf einer Temperatur Tot die in Fig. la angedeutet ist. Zu dem bei (4)
angedeuteten Zeitpunkt beginnt das Einfahren der Glasscheibe, bei dem die verschiedenen
Zonen des Ofens unterschiedlich abgekühlt werden, wie durch den Kurvenverlauf für
die kälteste Zone (1) und zwei weniger stark abgekühlte Zonen (2) und (3) angedeutet
ist.
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Bei einer normalen Regelung erreichen die weniger stark abgekühlten
Zonen (2) und (3) ihren von der Regelung vorgegebenen Sollwert früher als die anderen
Zonen, so daß es zwangsläufig zumindest zeitweise zu einer Temperaturdifferenz
zwischen
den einzelnen Heizzonen kommt, die wiederum mit den oben erwähnten Verwerfungen
der Glasscheibe verbunden ist. Das Wirken einer herkömmlichen Regelung auf die einzelnen
Zonen führt nach dem Einfahren der Glasscheibe beim Zeitpunkt (4) in Fig. ib anfänglich
zu einer Zuführung von 100 % der Heizleistung, in der Regel der gleichen Heizleistung
zu den einzelnen Heizzonen. Durch die unterschiedliche Belastung beginnen die Regler
der einzelnen Zonen die Heizleistung zu unterschiedlichen Zeiten abzuregeln. Es
wird versucht, diesen Nachteil wenigstens näherungsweise dadurch zu beheben, daß
die Randzonen der Glasscheibe auch bei Vollastanforderung der Regler mit geringerer
Heizleistung beaufschlagt werden als die stark belasteten Mittelzonen.
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Eine solche Maßnahme kann jedoch nur als Behelf angesehen werden,
da in der Praxis die geometrischen Maße der zu erwärmenden Glasscheiben und damit
auch die unterschiedliche Beaufschlagung der verschiedenen Heizzonen stark variieren.
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Außerdem ist im allgemeinen auch die Leistungsabgabe der verschiedenen
Zonen bei unterschiedlicher Belastung nicht proportional zum Gleichlauf der Temperatur
der verschiedenen Heizzonen.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur
Einstellung der Temperatur eines Industrieofens der angegebenen Gattunc zu schaffen,
bei dem die oben erwähnten Nachteile nicht auftreten.
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Insbesondere soll ein Verfahren vorgeschlagen werden, bei dem sich
eine genau definierte örtliche und zeitliche Wärmeübertragung auf das im Ofen befindliche
Gut ergibt.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß beim Auftreten von
lokalen Temperaturänderungen die Temperatur aller Heizleitergruppen und damit aller
Zonen gleichmäßig geändert wird.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen insbesondere darauf,
daß durch die gleichmäßig, also "synchron" durchgeführte änderung der Temperatur
aller Heizleitergruppen auch alle Zonen immer zur gleichen Zeit gleiche Temperatur
haben, so daß sich das zu erwärmende Gut, beispielsweise eine Glasscheibe, entsprechend
den Strahlungsgesetzen auch so gleichmäßig erwärmt, wie es in Abhängigkeit von der
Geometrie des Gutes möglich ist. Dadurch werden Verwerfungen des Gutes sicher vermieden.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird bei der Regelung der Temperatur
der einzelnen Zonen die Temperatur der momentan kältesten Zone als Sollwert verwendet,
bis diese Temperatur einen übergeordneten, vorgegebenen Sollwert erreicht hat. Zu
diesem Zweck sucht beispielsweise ein Prozeßrechner, dem die Temperaturwerte aller
Zonen zugeführt werden, die augenblicklich kälteste Zone aus. Auf diese Zone wirkt
dann eine herkömmliche Regelung und bringt sie auf den gewünschten Sollwert oder
auf die gewünschte Sollwertfunktion.
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Für alle anderen Zonen gilt jedoch die momentane Temperatur der kältesten
Zone als Sollwert bei der Temperaturregelung.
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Die Geschwindigkeit der Temperaturänderung dieser anderen Zonen wird
also von der sich am langsamsten ändernden Temperatur der kältesten Zone bestimmt,
d.h., der zeitabhängige Temperaturverlauf aller anderen Zonen entspricht genau dem
der langsamsten, nämlich der kältesten Zone. Im übertragenen Sinne "fahren" also
die anderen Zonen in einem "Geleitzug mit der kältesten Zone", so daß diese Regelung
auch als Geleitzugregelung" bezeichnet wird.
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Als Ist-Wert für die Temperaturregelung der verschiedenen Zonen wird
nach einer bevorzugten Ausführungsform die Temperatur der Heizleiter verwendet.
Denn über den temperaturabhängigen, spezifischen Widerstandes jedes Heizleiters
besteht ein genau definierter Zusammenhang zwischen dem jeweils vorliegenden Widerstandswert
und der Temperatur.
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Durch Regelung des Widerstandes läßt sich also die Temperatur des
Heizleiters und damit schließlich die abgegebene Strahlungswärme einstellen.
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In der Praxis wird dies dadurch realisiert, daß die am Heizleiter
anliegende elektrische Spannung und der durch den Heizleiter fließende elektrische
Strom erfaßt und hieraus sein Widerstand und damit schließlich seine Temperatur
ermittelt werden.
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Im Vergleich mit den bisher in Industrieöfen üblichen Temperaturmeßgeräten,
insbesondere Thermoelementen, ergibt sich eine praktisch trägheitslose Erfassung
der Temperatur und damit auch trägheitslose Regelung, da die Masse der Heizleiter
im Vergleich mit den übrigen Massen des Ofens sehr gering ist. Außerdem können nun
die Heizleiter auch mit höherer Leistung aufgeheizt werden, weil durch die ständige
Temperaturkontrolle etwaige Uberhitzungen der Heizleiter rechtzeitig erkannt und
durch entsprechende Regelungsmaßnahmen vermieden werden können. Das war bisher nicht
möglich, weil die normalen Thermoelemente zu träge arbeiten und deshalb bei schnellen
Temperaturänderungen keinen ausreichenden Schutz für die Heizleiter gewährleisten.
Bisher konnten also die Heizleiter nur mit solchen Leistungen beaufschlagt werden,
die der Heizleiter auch im Dauerbetrieb schadlos in Wärme umsetzt.
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Diese direkte schnelle Temperaturmessung und daraus folgend schnelle
Temperaturregelung eines Heizleiters ermöglicht eine wesentliche Verkürzung der
Aufheizzeit eines Industrieofens, so daß dieser Industrieofen schon kurz nach dem
Einschalten in Betrieb genommen werden kann.
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Und schließlich läßt sich auch der Temperaturverlauf verschiedener
Zonen zueinander gezielt einstellen, da sowohl die Temperaturmessung als auch die
Temperaturregelung der verschiedenen Zonen vollkommen unabhängig voneinander erfolgt,
während
bei der bekannten Temperaturmessung ueber Thermoelemente im Ofenraum immer eine
wechselseitige Kopplung zwischen den verschiedenen Zónen und damit eine entsprechende
Beeinflussung gegeben war Zweckmäßigerweise werden für die Temperaturmessung Heizleiter
mit ausgeprägter Abhängigkeit zwischen Temperatur und elektrischem Widerstand verwendet,
damit auch bei relativ geringen Temperaturänderungen ein ausreichendep elektrisches
Signal zur Werfúgung steht. Gute ErgebnisSe konnten mt Nolybdändisilizld-tl-eizelementen
erreicht werden.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die Figuren 2a und 2b näher erläutert, die fur eine "Geleitzugregelung't
den Verlauf von Temperatur und Heizleistung nach dem Einfahren eines Gutes,beispielsweise
einer Glasscheibe, in den Ofen zeigen.
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Auch hierbei wird zum Zeitpunkt (4) das Gut in den Ofen eingeführt,
der sich auf der Temperatur T0 befindet. Dadurch kommt es ans ich zu einer unterschiedlichen
Abkühlung in den verschiedenen Zonen des Ofens, die jedoch dadurch aufgefangen wird,
daß die momentane Temperatur der kältesten Zone (1) als Sollwert für die Temperaturregelung
der anderen, wärmeren Zonen (2) und (3) verwendet und die Temperatur aller Heizleitergruppen
und damit aller Zonen gleichmäßig geändert wird.
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Die rasche Erfassung der in den verschiedenen Zonen vorhandenen Temperaturen
und damit die entsprechend rasche Temperaturegelung erfolgt durch Messung von Spannung
und Stromstärke der einzelnen Heizleiter praktisch verzögerungsfrei, so daß etwaige
Temperaturdifferenzen und Temperaturänderungen sofort in entsprechende Werte für
die Speisung der verschiedenen Heizleiter umgewandelt werden können.
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Wie man aus Fig. 2a erkennt, haben, beginnend von Zeitpunkt (4), die
verschiedenen, dargestellten Zonen (1), (2) und (3) das gleiche Temperaturprofil,
d.h., die Temperatur der verschiedenen Zonen sinkt, beginnend vom Zeitpunkt (4)
kontinuierlich ab, durchläuft ein Minimum und erreicht dann langsam wieder den übergeordneten,
vort gebenen Sollwert, ohne daß es zu Temperaturdifferenzen zwischen den einzelnen
Zonen kommt.
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Fig. 2b zeigt den Verlauf der den verschiedenen Zonen zugeführten
Heizleistung. Vom Zeitpunkt (4) ab empfängt die Zone (1), die am stärksten abgekühlt
worden ist und deshalb die geringste Temperatur hat, die größte Heizleistung, während
den anderen, weniger stark abgekühlten Zonen (2) und (3) entsprechend geringere
Heizleistungen zugeführt werden. Dabei dient die momentane Temperatur der Zone (1)
als Sollwert für die Temperaturregelung der Zonen (2) und (3), was sich auch in
dem Verlauf der Heizleistung für die drei Zonen bemerkbar macht. Wenn der übergeordnete,
vorgegebene Sollwert fur die kälteste Zone und damit schließlich auch für die anderen
Zonen erreicht ist, geht die Heizleistung in den stabilen Gleichgewichtszustand
über, wie in Fig 2b zu erkennen ist.
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