Einfluss der internen Atmosphärenumwälzung auf den Temperaturverlauf bei elektrischer Beheizung

1 Einleitung

In Deutschland verursacht die Ziegelindustrie jährlich etwa 1,73 Millionen Tonnen CO₂-Emissionen [1]. Mehr als 56 % dieser Emissionen sind auf den Einsatz von Erdgas für den Trocknungs- und Brennprozess in der gesamten Produktionskette zurückzuführen. In der Ziegelindustrie erfolgt der Brennprozess in einem Tunnelofen. Die Elektrifizierung des Tunnelofenprozesses wurde aufgrund verschiedener Faktoren – von Preis und Verfügbarkeit bis hin zur Vermeidung der durch den Erdgaseinsatz verursachten Scope-1-Emissionen – als Alternative zum Einsatz von Wasserstoff oder Ammoniak in Betracht gezogen. 

»Abbildung 1 zeigt das Temperaturprofil beim Brennen von Ziegeln an verschiedenen Stellen während ihres Durchlaufs durch den mit Erdgas betriebenen Tunnelofen. Es ist zu erkennen, dass die Temperatur an der Besatzposition 3, die sich oben befindet, im Vergleich zur Besatzposition 4, die sich in der Mitte des Ofenwagens befindet, sehr hoch ist bis zur Ofenwagenposition 17. Nach der Position 17 des Ofenwagens sinkt die Temperatur an Besatzposition 3, also die Temperatur der Ziegel, unter die der Besatzposition 4. Die Ofenwagenpositionen bis 17 liegen in der Vorheizzone, danach folgen die Brennzone und die Abkühlzone. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit der Ziegel erwärmen sich die Ziegel im Kern des Besatzes (Position 4) in der Vorheizzone zunächst langsamer als die äußeren Ziegel (Position 3). In der Abkühlzone kehrt sich dieses Phänomen um, wobei der Kern im Vergleich zu den äußeren Ziegeln langsamer abkühlt.

Es wird deutlich, dass die Vergleichmäßigung der Temperatur im Besatz eine große Herausforderung für die Produktion und somit der Produktqualität darstellt. Um eine homogene Temperaturverteilung im Besatz zu erreichen, ist eine interne Zirkulation im Tunnelofen wichtig, um die konvektive Wärmeübertragung zwischen der Tunnelofenatmosphäre und dem Besatz zu verstärken [3]. Die Wärmeübertragung zwischen dem Besatz und dem Gas im derzeitigen Tunnelofen erfolgt durch Konvektion und Strahlung, wobei der Anteil der Konvektion bis zu 80 % beträgt [4].

Um die CO₂-Emissionen zu senken, wird Strom als Alternative zu Wasserstoff als Energiequelle für den Tunnelofen in Betracht gezogen. Elektrische Tunnelöfen sind bereits in Betrieb [5,6] bzw. werden gerade gebaut [7]. Zur Erwärmung der Ziegel im Tunnelofen werden elektrische Heizelemente eingesetzt, und die Wärmeübertragung auf die Ziegel erfolgt durch Strahlung. Im Rahmen des Forschungsprojekts „eLITHE“ des Programms „Horizont Europa“ (Electrification of ceramic industries high temperature heating equipment - grant agreement number 101138325), wird untersucht, wie ein Mix aus Energiequellen (Strom und Erdgas) für das Brennen von Ziegeln in einem Tunnelofen genutzt werden könnte. Zu diesem Zweck wurde ein experimenteller Ofen an beiden Seiten mit elektrischen Heizelementen nachgerüstet, wobei der Ofen bereits über sechs Erdgasbrenner verfügt. Der Ofen kann die Strömungsverhältnisse simulieren, die denen in einem Abschnitt des Tunnelofens ähneln. Neben Erdgas wird Strom als Energiequelle für den Ofen genutzt, um Ziegel auf eine Temperatur von bis zu 900 °C zu erhitzen. Mit dem Einbau der elektrischen Heizelemente an den Seitenwänden des Ofens ist es notwendig, die Temperaturentwicklung im Inneren des Besatzes mit und ohne interne Atmosphärenumwälzung zu verdeutlichen.

2 Versuchsaufbau

»Abbildung 2 zeigt den Innenraum des Ofens am IZF. Der Ofen wurde 1984 gebaut und ist 5,9 m lang, 3,8 m breit und 4,1 m hoch. Das Nutzvolumen im Inneren des Ofens beträgt etwa 18,5 m³, wobei die Innenmaße 3,9 m Länge, 2,8 m Breite und 1,7 m Höhe betragen. Der Ofen ist mit 6 Erdgasbrennern ausgestattet, die jeweils eine Nennleistung von 180 kW haben, was einer Gesamtleistung von 1080 kW entspricht. Unten rechts befinden sich zwei Brenner und oben rechts befindet sich ein Brenner in der Mitte. Auf der linken Seite sind die Brenner spiegelbildlich zur rechten Seite angeordnet. An den beiden Seitenwänden befinden sich elektrische Heizelemente mit einer Gesamtleistung von 230 kW. In der Ofenkammer befindet sich ein Umwälzer (maximale Betriebstemperatur 900 °C). Es saugt die Luft aus der Mitte des Besatzes ab (»Abbildung 3) und verteilt die Luft im Ofenraum. Dieser Umwälzer bzw. interne Atmosphärenumwälzung ermöglicht eine Erhöhung der Luftströmung durch die Brennkammer, wodurch sich der konvektive Wärmeübergangskoeffizient zwischen der Brennatmosphäre und den Ziegeln erhöht. Neben der Erhöhung des konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten sorgt das für eine homogene Temperatur in der Brennatmosphäre.

Die externe Atmosphärenumwälzung ermöglicht die Simulation der Längsströmung im Tunnelofen. Diese Luft strömt durch die im Brennofenwagen vorgesehenen Einlässe in den Brennofen, wie in »Abbildung 4 (rechts). Der Luftstrom durch den Besatz, der eine Gesamtmasse von 3360 kg aufweist, strömt aus dem Ofen durch die Wabenstruktur zum externen Umwälzgebläse, wie in »Abbildung 2. Diese Luft wird über einen rechteckigen Kanal am oberen Ende des Ofens zum Eingang zurückgeführt.

»Abbildung 3 zeigt die Positionen der Thermoelemente in dem Besatz, um den Temperaturverlauf im Verlauf des Experiments zu messen. Insgesamt befinden sich 24 Thermoelemente in dem Besatz, jeweils 6 in jeder Messebene, die mit 1, 2, 3 und 4 nummeriert sind. In jeder Messebene befinden sich oben und unten jeweils 3 Thermoelemente. Die 3 verschiedenen Thermoelemente messen die Temperatur im rechten, mittleren und linken Bereich oben und unten. Zusätzlich zu den Thermoelementen, die die Temperatur im Besatz erfassen, wird auch die Atmosphärentemperatur gemessen.

Es wurden Versuche durchgeführt um den Einfluss der internen Atmosphärenumwälzung bei elektrisch beheizten Seitenwänden zu bewerten. Die Gesamtdauer des Programms betrug 6 Stunden, wobei die Aufheizrate in den ersten 2 Stunden 150 K/Stunde, in der folgenden Stunde 200 K/Stunde und in den letzten 3 Stunden etwa 60 K/Stunde betrug. Gemäß dem dem Ofentemperaturregler vorgegebenen Temperaturprofil lag die erwartete Endtemperatur nach 6 Stunden bei etwa 680 °C.

3 Ergebnisse und Diskussionen

»Abbildung 5 (links) und »Abbildung 5 (rechts) zeigen den Temperaturverlauf im Inneren des Besatzes in der dritten bzw. zweiten Messebene bei Verwendung elektrischer Heizelemente und bei einer Drehzahl des Laufrads von 10 %. Die höchste Temperatur in der 3. Messebene wurde an der als 3OL (schwarze Linie) gekennzeichneten Position gemessen, die sich oben links im Besatz befindet und den elektrischen Heizelementen auf der linken Seite zugewandt ist. Das Thermoelement auf der rechten Seite der Messebene (3OR – dunkelgrüne Linie) hatte während der Versuche eine Fehlfunktion, was der Grund für die im Diagramm dargestellten sehr hohen Temperaturen ist. Die niedrigste Temperatur in dieser Ebene wurde an der Stelle in der Mitte des Besatzes (3UM – hellblaue Linie) gemessen. Es ist zu erkennen, dass in den ersten drei Stunden des Experiments die Mitte des Besatzes (3UM) eine Temperatur aufwies, die der zu Beginn entsprach, während die Temperatur an der Seite (3OL – schwarze Linie) fast 200 °C betrug; diese Stelle befindet sich an der Seite des Besatzes, die den Heizelementen zugewandt ist. Der plötzliche Temperaturabfall nach mehr als 3 Stunden (3OM – blaue Linie) ist auf die plötzliche kurzzeitige Abschaltung des Umwälzsystems zurückzuführen.  Das System wurde nach einigen Minuten wieder eingeschaltet und war für den Rest der Versuchsdauer in Betrieb, was sich im Temperaturanstieg (3OM – blaue Linie) widerspiegelt. »Abbildung 5 (rechts) zeigt den Temperaturverlauf in der zweiten Messebene. In dieser Messebene weisen die Positionen 2OL, 2UL, 2OM und 2UM, die den linken und mittleren Bereich repräsentieren, bis zur 3-Stunden-Marke die gleiche Temperatur auf. Der rechte Abschnitt der Messebene, der durch die Positionen 2OR und 2UR repräsentiert wird, weist fast die gleiche Temperatur auf und erreicht nach 3 Stunden die gleiche Temperatur wie die linke Seite (2OL und 2UL). Nach 4 Stunden beginnt die Temperaturentwicklung im oberen Bereich der 2. Messebene (2OM) hinter den anderen Positionen zurückzubleiben. Vergleicht man die Temperaturentwicklung in der 2. und 3. Messebene, so weist die 2. Ebene eine homogenere Temperaturentwicklung auf als die 3. Messebene. Der Betrieb des internen Laufrads bei 10 % kann als Grund für die homogene Temperaturentwicklung in dieser Messebene angesehen werden. Die Luft in der Mitte des Besatzes wird durch die Rotation des Laufrads angesaugt und in der gesamten Atmosphäre verteilt. Die Rotation des Laufrads bewirkt, dass sich die aus horizontaler Richtung kommende Luft in der Mitte des Besatzes konzentriert und führt zur Temperaturhomogenisierung in der Messebene 2.

»Abbildung 6 (links) und »Abbildung 6 (rechts) zeigen den Temperaturverlauf im Inneren des Besatzes in der dritten bzw. zweiten Messebene bei Verwendung elektrischer Heizelemente und bei einer Drehzahl des Laufrads von 50 %. Wenn die Drehzahl des Laufrads auf 50 % erhöht wird, verringert sich der Temperaturunterschied in der 3. Messebene im Laufe von 3 Stunden auf weniger als 50 K und steigt bis zur Zeitmarke von 6 Stunden auf etwa 100 K an. Die Maximaltemperatur (nach 6 Stunden) in der 3. Messebene steigt von 375 °C (3OL – »Abbildung 5) auf 425 °C (3OL – »Abbildung 6) an, und die Minimaltemperatur (nach 6 Stunden) steigt von 125 °C (3UM – »Abbildung 5) auf 375 °C (3UR – »Abbildung 6) im Vergleich zu dem Fall, in dem die Laufraddrehzahl bei 10 % liegt. In dieser Ebene verläuft die Temperaturentwicklung in der Mitte des Besatzes fast ähnlich (3UM – »Abbildung 6) wie an den Seiten, während bei einer Laufraddrehzahl von 10 % die Temperatur in der Mitte (3UM – »Abbildung 5) bis zum Erreichen der Zeitmarke von 3 Stunden nicht anstieg.

Die Maximaltemperatur (nach 6 Stunden) in der zweiten Messebene bleibt nahezu unverändert bei 450 °C (2UL – »Abbildung 6) und 450 °C (2OL – »Abbildung 5), und die Mindesttemperatur (nach 6 Stunden) ist im Vergleich zum Fall, in dem die Laufraddrehzahl bei 10 % liegt, von 350 °C (2OM – »Abbildung 5) auf 375 °C (2OL – »Abbildung 6) angestiegen. In der 2. Messebene ist bei einer Laufraddrehzahl von 50 % (»Abbildung 6 (rechts)) der Temperaturverlauf im Vergleich zum Fall mit einer Laufraddrehzahl von 10 % (»Abbildung 5 (rechts)) sehr homogen.

4 Schlussfolgerungen

Die Versuche mit unterschiedlichen Drehzahlen des Umwälzrads zeigen den Einfluss auf den Temperaturverlauf im Besatz. Die Atmosphärenumwälzung ist ein probates Mittel, die Temperaturhomogenität im Tunnelofen zu erhöhen und somit eine möglichst gleichmäßige Erwärmung der Produkte zu erreichen, unabhängig von der Energiequelle. Die Konvektion spielt eine entscheidende Rolle für die Temperaturhomogenisierung des Besatzes. Entscheidend ist die Aussage zur möglichen Überhitzung der äußeren Besatzreihen in direkter Position zu den elektrischen Heizelementen an den Seitenwänden. Im Versuch wurde deutlich, dass dieser Effekt nur mittels einer intensiven Umwälzung verringert werden kann. Es stellt sich jedoch die Frage, ob das bei wesentlich größeren Ofenquerschnitten über die gesamte beheizte Fläche gelingen kann. Vor allem bei einer Nachrüstung im Bestand gibt es bauliche Herausforderungen, die einen hohen Investitionsaufwand erfordern.

Danksagung

Diese Studie wurde im Rahmen des Horizon-Forschungsprojekts „eLITHE – Electrification of ceramic industries high temperature heating equipment” durchgeführt. Die Fördernummer des Projekts lautet 101138325.