热风炉模块和热风炉.pdf

本发明涉及一种热风炉模块(12)，它具有一至少局部由壁界定出的炉室(20)，配设有用来产生气流的送风装置(14)以及用来加热气流的传热装置(42)。按照本发明，设置一进气通道(22)，它形成在送风装置(14)和炉室(20)之间用来引导由送风装置(14)输送的气流并配备第一和第二节流结构(30、32)，所述第一和第二节流结构设置成沿流动方向相互离开一定距离并用来使气流在流过炉室(20)之前均匀化。此外按照本发明提出，由热风炉模块(12)构成一热风炉(10)，所述热风炉模块相对旋转180°布置并相互连通。

1.  一种热风炉模块(12)，具有至少局部由壁(16、18)界定出的炉室(20)，配设有用于产生气流的送风装置(14)以及用于加热气流的传热装置(42)，其特征为：设置有进气通道(22)，该进气通道形成在送风装置(14)和炉室(20)之间用来引导由送风装置(14)沿流动方向(24)输送的气流，该进气通道配备有第一和第二节流结构(30、32)，所述第一和第二节流结构布置成在流动方向(24)上相互隔开一定距离并用于使气流在流过炉室(20)之前均匀化。

2.  按权利要求1的热风炉模块，其特征为：配设于进气通道(22)的第二节流结构(32)设计成炉室(20)的壁。

3.  按权利要求1或2的热风模块，其特征为：至少一个节流结构(30、32、34、36)设计成被孔口(28)贯穿的壁，特别是孔板。

4.  按上述权利要求之任一项的热风炉模块，其特征为：在各布置成相互隔开一定距离的节流结构(30、32、34、36)中的孔口(28)设计成，使所述各节流结构(30、32、34、36)对气流的流动阻力至少局部不同。

5.  按权利要求4的热风炉模块，其特征为：第一节流结构具有比在流动方向上连接在下游的第二节流结构小的流动阻力。

6.  按权利要求4或5的热风炉模块，其特征为：第一节流结构(30)形成有面积的20％到面积的30％的流通横截面。

7.  按权利要求4、5或6的热风炉模块，其特征为：第二节流结构(32)形成有面积的5％到面积的10％的流通横截面。

8.  按权利要求3至7之任一项的热风炉模块，其特征为：节流结构(30、32、34、36)中的至少一个配备导气结构(60)，所述导气结构设计成垂直于节流结构(30、32、34、36)的可被流通的表面取向的壁。

9.  按权利要求8的热风炉模块，其特征为：多个特别是配备导气结构(60)的节流结构(30、32、34、36)在流动方向上一个接一个地紧邻布置并形成节流单元(62)。

10.  按权利要求2至9之任一项的热风炉模块，其特征为：设置有在流动方向(24)上连接在炉室(20)下游的排气通道(26)，所述排气通道用于将穿过炉室(20)的气流至少部分回输给送风装置(14)。

11.  按权利要求10的热风炉模块，其特征为：在排气通道(26)内设置至少一个用于气流的节流结构(34、36)。

12.  按权利要求11的热风炉模块，其特征为：配设于排气通道(26)的第一节流结构(34)设计成炉室(20)的壁。

13.  按权利要求12的热风炉模块，其特征为：设计成炉室(20)的壁的节流结构(32、34)以相互面对的方式布置。

14.  按权利要求13的热风炉模块，其特征为：在设计成节流结构(32、34)的壁之间设置至少一个用于使炉室(20)内的气流分离的隔离装置(38)，所述隔离装置具有特别是供导丝杆穿过的窄缝。

15.  按权利要求1至14之任一项的热风炉模块，其特征为：在进气通道(22)和/或在排气通道(26)内的节流结构(30、32、34、36)布置成相互成一角度，特别是90°角。

16.  按权利要求1至14之任一项的热风炉模块，其特征为：送风装置(14)、进气通道(22)和设计成节流结构(32、34)的壁布置成，使得由送风装置(14)排出的气流能够在平行的方向上与炉室(20)内的气流反向地流动。

17.  按上述权利要求之任一项的热风炉模块，其特征为：送风装置(14)和节流结构(30、32、34、36)设计成，使得在炉室(20)内能形成速度分布基本一致的层流空气流动，特别是在1.5m/s的速度下在炉室横截面上的最大速度偏差最大为+/-10％。

18.  按上述权利要求之任一项的热风炉模块，其特征为：在炉室(20)的至少一个壁区上设置闸门机构(56)，所述闸门机构设计成用于连续地输入和/或输出在炉室(20)中进行热处理的连续材料(54)。

19.  一种具有按上述权利要求之任一项的热风炉模块(12)的热风炉(10)，其特征为：各相邻布置的热风炉模块(12)以相对旋转180°的方式取向并相互连通。

20.  按权利要求19的热风炉，其特征为：热风炉模块(12)界定出公共的、贯通的炉室(20)。

21.  按权利要求19或20的热风炉，其特征为：排气通道(26)形成在流动方向(24)上布置在炉室(20)下游的分配室(40)，该分配室用于将来自炉室(20)的气流优选是相等地分配到至少两个相邻布置的热风炉模块(12)的送风装置(14)。

热风炉模块和热风炉
技术领域
本发明涉及一种热风炉模块/热空气烘箱模块，具有至少局部由壁界定出的炉室，该热风炉模块配设有用于产生气流的送风装置以及用于加热气流的传热装置，本发明还涉及一种由热风炉模块组成的热风炉。
背景技术
在市场上已知的用于工业领域的，例如用于热氧化塑料纤维的热风炉具有一设计成鼓风机的送风装置，该送风装置用来产生气流。气流流经一传热装置(例如电气操控的加热棒或用热油间接加热的热交换器)并被加热。接着将被加热的气流引入由壁界定出的炉室，在该炉室内放置有待热处理的材料。炉室的壁对被加热的气流能流过的横截面进行限制，从而确保对待热处理的材料提供集中的热量输入。已知的热风炉可以通过模块化的构造方法由多个热风炉模块组成，所述热风炉模块可预制成组件并在热风炉的使用现场相互连接。在某些情况下，特别是在通过对塑料纤维进行氧化来制造碳纤维时，对待处理材料的均匀作用具有决定性的意义，而所述均匀作用又以精确限定的气流为先决条件。原则上是气流分配越好，效果越好。
发明内容
本发明的目的是，提供一种热风炉模块以及一种热风炉，所述热风炉实现了在炉室内对材料的更有效和更精确的热处理。
这个目的通过具有权利要求1的特征的热风炉模块以及具有权利要求19的特征的热风炉实现。
按照本发明第一方面，设置一进气通道，该进气通道形成在送风装置和炉室之间用来引导由送风装置沿流动方向输送的气流，该进气通道还设置有第一和第二节流结构，所述第一和第二节流结构布置成在流动方向上相互隔开一定距离并用于使气流在流过炉室之前均匀化。通过在送风装置和炉室之间的进气通道能够实现使气流稳定。在送风装置区域内存在的、气流的湍流流动在进气通道的构型合适的情况下随着与送风装置的距离增加而湍流减弱。为了实现额外的使气流稳定，设置至少两个节流结构，所述节流结构相互离开一定距离地、一个接一个地放置在进气通道的可被流通的横截面内，因此在构型合适的情况下能使在流动方向上位于相应节流结构下游的湍流流动明显弱于在相应节流结构上游的湍流流动。
通过按照本发明串接两个节流结构可以实现使空气流动显著稳定。由于空气流动的湍流度低，可以实现在炉室内对待热处理的材料进行特别均匀的传热。避免了可能导致不希望的在炉室内对材料的热处理不均匀的较大温度梯度。
由于炉室内空气流动的湍流度低，还避免了对位于炉室内的材料的振动激励，使得即使对敏感的、特别是易碎的、材料横截面小的材料也能够在无断裂危险的情况下进行热处理。
在本发明的构型中，配设于进气通道的第二节流结构设计成炉室的壁。因此第二节流结构除了稳定气流的功能外还有界定功能。优选节流结构横跨炉室的整个横截面，从而完全替代炉室的通常设计成平面的壁。此外，通过使节流结构的构型面积相当于炉室横截面，可以实现气流在炉室内特别均匀的分布。这对所追求的在炉室内湍流度低或无湍流的气流做出了显著贡献。
在一种优选实施形式中，至少一个节流结构设计成被孔口贯穿的壁，特别是孔板。优选设置孔和/或切口作为孔口。孔口以相同或不同的间距布置在面上，并具有一致或变化的几何结构。这种节流结构特别是可以设计成由大量网格形布置的丝制成的筛孔丝网/金属网(Maschendrahtgewebe)或带有大量孔的孔板。
合适的是，在布置成相互离开一定距离的节流结构中的孔口设计成，使节流结构对气流的流动阻力至少局部不同。由此可以使空气流动在第一节流结构处首先仅部分被稳定，而不会由此建立对输入炉室内的总的空气体积流量产生不利影响的过高流动阻力。在串接在下游的第二节流结构内额外地使已经通过第一节流结构和进气通道在很大程度上稳定的气流进一步稳定，然后作为湍流度低或无湍流或层流的空气流动进入炉室。
优选地，第一节流结构的流动阻力比在流动方向上连接在下游的第二节流结构的流动阻力小。可能湍流度很高的空气体积流首先通过流动阻力较小的第一节流结构被显著地稳定。在空气体积流进入炉室之前通过第二节流结构进行进一步稳定。这里对于湍流度低或无湍流的空气体积流必须经受的是，第二节流结构的流动阻力较高，以达到空气体积流尽可能完全的稳定。
在一种优选实施形式中，第一节流结构形成有面积的20％到面积的30％的流通横截面/开放横截面(freie Querschnitt)。这里流通横截面表示节流结构上可以使气流流过的孔口的面积与节流结构的构成气流障碍的封闭面积之间的关系。流通横截面至少为20％，也就是说对于例如可以设计成矩形板材的节流结构的总面积，面积的20％被孔口贯穿。其中孔口可以分布均匀地以固定的间距和固定的几何结构形成。但是在节流结构边缘区域内的孔口也可以具有不同于在节流结构面积中部的孔口的几何结构和/或间距。
在一种优选实施形式中，第二节流结构形成有面积的5％到面积的10％的流通横截面。从而可以实现紧接在气流进入炉室之前强烈地使湍流稳定，由此可以在炉室内形成湍流度低的，优选无湍流的层流流动。
在本发明的另一种构型中，节流结构中至少一个配备导气结构，所述导气结构设计成垂直于节流结构的可被流通的表面取向的壁。从而在流动方向上在设置于节流结构中的孔口的下游，至少在某一流程中保持将气流分配成(分离的)单股流动。由于节流结构的壁，所述单股流动不会在节流结构下游立即混合。相反，单股气流保持相互分离，由此可以有利地实现空气流动的稳定。导气结构的壁的高度可以比节流结构的厚度大多倍。所述壁优选布置成，使得从节流结构孔口中流出的各空气流动与相邻孔口的空气流动分开。所述壁特别是可以由薄壁板制成，并可以焊接到节流结构上。
在本发明一种优选实施形式中，多个特别是配备导气结构的节流结构在流动方向上一个接一个地紧邻布置并形成一节流单元。通过一个接一个地紧邻布置多个节流结构能提供一种紧凑的节流单元，该节流单元能够有利地使气体流动稳定。其中优选规定，一个接一个地紧邻布置的节流结构中至少一个配备有导气结构。
在本发明另一种构型中，可以设置一在流动方向上连接在炉室下游的排气通道，该排气通道用来将穿过炉室的气流至少部分回输给送风装置。由此可以实现对由送风装置和传热装置输入气流的动能和内能的有效利用。这里已被加热的、处于运动中的气流流过炉室，并且在循环运动中再次被输送给送风装置。因此，为了使炉室内的温度保持不变必须补充由炉室和进、排气通道的壁辐射的热量。此外，必须加热通过闸门输入的新鲜空气，并且必须加热待氧化的塑料纤维，其中在氧化过程开始时必须使包含在塑料纤维内的水分蒸发。
合适的是，在排气通道内设置至少一个用于气流的节流结构。由此确保对穿流过炉室后的气流具有限定的流动阻力。这防止了，气流在炉室内便分成两股或更多股流动，所述两股或更多股流动分别沿阻力最小的方向流出，这会引起不希望的气流不稳定性。
在一种优选的实施形式中，配设于排气通道的第一节流结构设计成炉室的壁。由此确保在炉室的整个横截面上具有恒定的流动阻力，使得可以至少基本上避免输入炉室内的气流局部流出。
合适的是，设计成炉室的壁的节流结构相互面对地布置。这有利于在炉室内湍流度低的或层流的流动，因为直到进入炉室的气流从炉室中流出为止都不必使所述气流转向。也就是说，流入炉室的空气粒子的运动向量基本上平行于从炉室中流出的空气粒子的运动向量。
在本发明另一种构型中，在设计成节流结构的壁之间设置至少一个用于使炉室内的气流分离的隔离装置。隔离装置沿相互面对布置的节流结构表面的法线方向延伸，并仅被供导丝杆穿过的窄缝贯穿，因此可以将炉室在很大程度上分隔成两个在流体学方面基本上独立的平行区域。这在待热处理的材料例如为(实现)连续的处理过程而在炉室内运动的情况下特别有利。通过隔离装置例如可以沿不同的方向输送材料穿过炉室，而不引起空气流动的相互影响。
在一种优选实施形式中，在进气通道和/或排气通道内的节流结构布置成相互成一角度，特别是90°角。通过这样使气流转向可以实现热风炉模块的紧凑结构，而不必承受气流的明显不稳定性。这也适用于送风装置、进气通道和设计成节流结构的壁的布置结构，所述各布置结构以有利的方式这样取向，使得由送风装置排出的气流能够在平行的方向上与炉室内的气流反向地流动。
在一种优选实施形式中规定，送风装置和节流结构设计成，使得在炉室内能形成速度分布基本一致的层流空气流动，特别是在1.5m/s的速度下在炉室横截面上的最大速度偏差最大为+/-10％。从而可以在炉室内进行例如氧化过程，在该氧化过程中通过热氧化将细塑料纤维氧化成碳纤维，这时塑料纤维出现严重的脆化。如果存在湍流，则通常以恒定的速度被输送穿过炉室的塑料纤维可能受激产生振动并断裂。在炉室内的气流层流流动时，塑料纤维断裂的危险显著降低。为了确保对材料特别均匀的热处理，在炉室所有区域内都将气流的速度偏差限制到+/-10％。这样确保流经材料的气流不会如气流中速度大小不同的情况那样对材料施加分布不均匀的能量输入。
在本发明的另一种构型中，在炉室的至少一个壁区上设置闸门机构，所述闸门机构设计成用于连续地输入和/或输出在炉室中进行热处理的连续材料。闸门机构设计成，使得可以将条状或长丝状材料输入炉室或从炉室输出。其中规定，可以通过闸门机构向炉室再流入新鲜空气。为此目的在炉室内存在的空气量的一部分被排气设备从炉室中排出并被再流入的新鲜空气代替。因此炉室以比热风炉周围环境低的压力运行，由此可以避免空气从热风炉中不受控制地流出。这是特别有意义的，因为排气由于在炉室内进行的氧化过程而可能带有有害物质。因此排气设备设计成带一个或几个净化级，特别是带有热排气后处理设备，以便从排气中去除有害物质。
在一种优选实施形式中规定，流入的新鲜空气在闸门区域内，特别是在热交换过程中，被抽出的排气预热。这使热风炉模块可以特别是有效地运行。
按照本发明另一方面，提出一种具有按权利要求1至18之任一项的热风炉模块的热风炉，其中相邻设置的各热风炉模块分别以相对旋转180°的方式取向并相互连通。通过热风炉的模块化组成方式可以实现经济地成批制造组成各个热风炉模块的单个零件。通过热风炉模块的这种布置结构可以形成有利的气流，因为相互面对设置的送风装置避免了在一侧从炉室中抽出气流。
在按本发明的热风炉的一种实施形式中规定，热风炉由六个热风炉模块组成，棱长为15m×8.6m×4.6m。热风炉模块的棱长为2.5m×8.6m×4.6m，因此可以在不采用专用的重型运输机的情况下进行运输。
在一种优选实施形式中，热风炉模块界定出公共的、贯通的炉室。因此通过将多个热风炉模块彼此排成一行可以制造出具有几乎任意长度的炉室的热风炉。在本发明的上述实施形式中规定，炉室长度15m，炉室的高度为2m，而宽度为4.7m。在炉室长度侧的各末端处分别设置允许连续地输入和输出材料的闸门机构。其中为材料提供的用于热处理过程的总长度为15m。
合适的是，排气通道形成一在流动方向上布置在炉室下游的分配室，该分配室用于将来自炉室的气流优选是相等(gleichteilig)地分配到至少两个相邻布置的热风炉模块的送风装置上。通过公共的分配室可以实现将流过炉室的气流分成至少两个支流。使气流的这些支流经过相邻布置的热风炉模块的传热装置，并被各送风装置分别再输送到各进气通道和公共炉室中。由此可以确保，在整个炉室内存在一致的温度，即使传热装置或送风装置具有不同的效率。
附图说明
本发明其它的优点和特征由权利要求书以及以下对由附图示出的优选实施例的说明得到。附图中：
图1示出按本发明的、由多个热风炉模块组成的热风炉的示意性俯视图，
图2示出按图1的热风炉模块之一的示意性侧视图，
图3示出用于两个相互连接的热风炉模块的等效回路的俯视图。
具体实施方式
在图1中示出的热风炉10由多个热风炉模块12组成，所述热风炉模块布置成彼此排成一行并形成一公共的、在彼此排成一行的方向上连续的炉室20。热风炉模块12彼此间相对取向成，使其各自关于未示出的、通常垂直于图1的视图平面取向的对称轴线相对旋转180°。每个热风炉模块12具有2.5m×8.6m的底面积以及在图2中示出的4.6m的高度。
通过壁16、18界定出的炉室20具有一立方体构型。其中竖直取向的壁16设计成封闭式，而水平取向的壁18设计成具有大量规则地布置的、几何结构相同的孔口28的孔板。水平取向的壁18由于孔口28而允许气流穿过。其中对穿过的气流的流动阻力由流通横截面，亦即孔口28的面积与整个壁18的总面积之比决定。对于水平取向的壁18有利地选择10％的流通横截面，使得孔口28只占壁18总面积的1/10。
在热风炉模块12的端面处分别设置一设计成鼓风机14的送风装置，该送风装置实现对热风炉模块12内含有的空气的输送。
如图2中详细示出的，鼓风机14在端面上安装在热风炉模块12的上部区域内，并具有一鼓风机电机和一转子，该转子固定在鼓风机电机的电机轴上并布置在鼓风机箱44内。通过电机轴的旋转运动，鼓风机可以从热风炉模块12的下文还要详细说明的下部区域中抽吸空气，并且可以以可预定的流动速度向上从鼓风机箱44中以气流的形式排出空气。这里鼓风机箱44用于对由鼓风机14输送的气流进行导流。在流动方向24上在鼓风机箱44下游，在一进气通道22内引导所述气流，该进气通道基本上由热风炉模块12的外壁46及导流板48界定出。在进气通道22内设置第一节流装置30作为第一节流结构，该第一节流装置具有大约30％的流通横截面。气流在第一节流装置30处受到阻滞，并穿过孔口28进入进气通道22的位于第一节流装置下游的区域。通过阻滞气流并使之有序地穿过第一节流装置30几乎完全消除了由鼓风机14产生的湍流。虽然在气流穿过第一节流装置30时可能出现新的湍流，但是该新的湍流在适当选择气流的流动速度或体积流量时明显弱于在进气通道22内在第一节流装置30上游处的湍流。
接着气流穿过炉室20的设计成第二节流装置32的顶盖，该顶盖设计成第二节流结构。因为第二节流装置32具有约为10％的流通横截面，由于在第一和第二节流装置30、32之间对气流的阻滞造成包含在气流中的空气分子的均匀分布，使得在第二节流装置32的所有部位都能有相同量的空气穿过孔口28。这时气流进入炉室20，并沿竖直方向从第二节流装置32朝向第三节流装置34的方向以层流方式流动，该第三节流装置设计成第三节流结构。炉室20被在第二和第三节流装置32、34之间延伸的隔离装置38分成第一炉室区50和第二炉室区52。由供导丝杆穿过的窄缝贯穿的隔离装置38阻止在第一和第二炉室50、52之间不希望的气流交换作用。这对于避免由于炉室区50、52的相互影响而在层流气流内产生不希望的湍流是有利的。
在本发明的一种优选实施形式中，上述节流装置30至34以及第四节流装置36可以设计成节流单元62，该成节流单元以示例的方式借助于节流装置34在图2的局部放大图中示出。节流单元62由多个沿流动方向24一个接一个地紧邻布置的孔板64组成，其中两块上孔板64配设有导气结构60。导气结构60在流动方向24上设置在孔板64的下游。如在A-A剖视中详细表示的那样，所述导气结构围绕孔板64中的各孔口以网格形布置，并具有相当于孔板64厚度几倍的高度。导气结构60由窄板条制成，所述板条分别按孔口的网格尺寸配备有缝隙形切口，其中所述切口使板条可以相互插接在一起，从而实现网格形布置结构。
图2示出在每个炉室区50、52内输送的条状材料54。如图3中详细表示的那样，材料54由闸门机构56送入炉室20内并通过转向装置58多次转向，使得可以有利地充分利用炉室20的容积并提高材料54的热处理的停留时间。接着材料又被第二闸门机构56移出炉室20并可以被输送给其它加工设备。
在下侧，根据图2的炉室20由第三节流装置34界定，该第三节流装置在热风炉模块12的所示实施形式中具有与第二节流装置32相同的流通横截面。第三节流装置34阻止气流非受控地流出，从而确保即使在炉室20的下部区域内也是湍流度小或层流的气流。从第三节流装置下方开始是排气通道26，排气通道用来将气流回输给鼓风机14。在热风炉模块12的在图2中所示的实施形式中提出，气流既可以引向鼓风机14，也可以引向一旋转180°设置的、未示出的热风炉模块的鼓风机。因此排气通道26在第三孔板34下方的区域用作气流分配室。与气流流向那个鼓风机无关，气流在到达鼓风机之前必须穿过第四节流装置36。第四节流装置36用于使气流以有序的方式流向相应的鼓风机。
气流在流向鼓风机14的途中经过一传热装置42，该传热装置设计成用热油间接加热的换热器并将气流加热到炉室20所希望的目标温度。在本热风炉模块10中，例如能将炉室20内的目标温度预定为200℃至特别是280℃。
如由按图3的等效回路图可以看到的那样，相邻布置的热风炉模块可以表示为一气动系统。鼓风机14起气泵的作用并通入进气通道22，该进气通道配备有第一和第二节流装置30、32。接着气流流入由两个热风炉模块12组成的炉室20。待热氧化的塑料质连续长丝54穿过炉室20，该连续长丝通过第一闸门机构56进入炉室20并通过第二闸门机构56离开炉室20。在炉室20内，长丝54被转向装置58多次转向以便被气流热氧化。在流过炉室20后，气流通过第三节流装置34进入排气通道26，在流过第四节流装置36后经过传热装置42，在该传热装置处被加热。接着气流被鼓风机14吸入鼓风机箱中，并再次被输送给进气通道22。