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Dokumentenidentifikation DE2709091C2 03.09.1987
Titel Verfahren und Vorrichtung zum Zurückstrahlen der aus einer fensterförmigen Öffnung als Verlustwärme austretenden Wärmestrahlung in diese Öffnung
Anmelder Pyreflex Corp., Boston, Mass., US
Erfinder Berg, Charles A., Buckfield, Me., US
Vertreter Stellrecht, W., Dipl.-Ing. M.Sc.; Grießbach, D., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat.; Haecker, W., Dipl.-Phys., Pat.-Anw., 7000 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 02.03.1977
DE-Aktenzeichen 2709091
Offenlegungstag 08.09.1977
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 03.09.1987
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.09.1987
IPC-Hauptklasse F28F 9/20
IPC-Nebenklasse F27D 23/00   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zurückstrahlen der aus einer fensterförmigen Öffnung als Verlustwärme austretenden Wärmestrahlung in diese Öffnung.

Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit Einrichtungen und Verfahren mit deren Hilfe Strahlungsenergie, die von einer Quelle in Form einer Öffnung ausgeht, zu dieser Quelle zurückgestrahlt bzw. reflektiert werden kann, beispielsweise zu einem Werkstück in einem Industrieofen.

Das Problem der Vermeidung von Wärmeverlusten bzw. das Problem der Energieeinsparung ist auf den verschiedenen Gebieten der industriellen Fertigung seit vielen Jahren bekannt und hat in jüngster Zeit erhöhte Bedeutung erlangt, da einerseits die Energievorräte der Erde schrumpfen und andererseits die Kosten für die Energieerzeugung zunehmen. Obwohl nun eine bessere Isolation für diejenigen Bauelemente, welche auf einer erhöhten Temperatur gehalten werden müssen, wie z. B. ein Industrieofen, wertvoll sein kann, stellt diese Maßnahme keine allgemeine brauchbare Lösung dar, da in vielen Fällen der beheizte Bereich ständig zugänglich sein muß, beispielsweise durch eine Öffnung in einem Ofen. Derartige Öffnungen sind beispielsweise dort gebräuchlich, wo Werkstücke nach einem kontinuierlichen Verfahren einer Wärmebehandlung unterworfen werden und nicht stückweise oder chargenweise.

Während Konvektionsströmungen durch derartige Öffnungen auf verschiedene Weise unterdrückt werden können, gibt es derzeit noch keine brauchbare Möglichkeit, die Abstrahlung beträchtlicher Wärmemengen durch die Öffnungen im Bereich der Infrarotstrahlung zu unterbinden. Die durch eine solche Wärmeabstrahlung hervorgerufenen Verluste sind jedoch andererseits ganz beträchtlich.

Ausgehend von dem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung bzw. ein System zur Rückgewinnung von abgestrahlter Verlustwärme anzugeben. Dabei wird angestrebt, daß das Verfahren und die Vorrichtung zur Durchführung desselben verhältnismäßig einfach und billig sind und daß die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens leicht zu installieren ist.

Diese Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch die Merkmale der kennzeichnenden Teile der Patentansprüche 1 bzw. 4 gelöst.

Es ist ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, daß die aus der fensterförmigen Öffnung austretenden Wärme auf die Reflexionszellen trifft und von dort zu einem hohen Prozentsatz gerichtet zu der Öffnung zurückgestrahlt wird.

Damit unterscheidet sich das erfindungsgemäße Verfahren, beispielsweise gemäß der US-PS 20 60 088, gemäß welcher auf der einer Mauer zugewandten Rückseite von Heizkörpern ein Reflektor angeordnet ist, mit dem das Ziel verfolgt wird, eine Wärmeabstrahlung durch die Mauer hindurch zu vermeiden.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat sich eine Vorrichtung besonders bewährt, die dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Rückstrahlelement vorgesehen ist, mit dessen Hilfe von der Wärmequelle abgestrahlte Verlustwärme zu dieser zurückstrahlbar ist, wenn sie aus einem vorgegebenen Raumwinkel auf das Rückstrahlelement auftrifft, und daß das Rückstrahlelement ein Feld von aneinandergrenzenden Reflexionszellen aufweist, von denen jede mehrere Reflexionsflächen aufweist, die relativ zueinander unter Winkeln von etwa 90° angeordnet sind.

Bei der Erfindung kommt es wesentlich darauf an, daß ein Strahl der Wärmeenergie, der aus irgendeiner Richtung innerhalb eines verhältnismäßig großen Raumwinkels eintrifft, zu der Strahlungsquelle reflektiert wird. Das Rückstrahlelement reflektiert den Strahl in mindestens einer Bezugsebene, wobei der Strahl um einen Winkel von im wesentlichen 180° umgelenkt wird, um ihn zu der Strahlungsquelle zurückzuführen. Das Rückstrahlelement besitzt mehrere Reflexionszellen, von denen jede einen Grundkörper aufweist, der mehrere ebene Oberflächen besitzt, die einander unter Winkeln von etwa 90° schneiden und von denen jede auf ihrer der Strahlungsquelle zugewandten Oberfläche mit einem Material bedeckt ist, welches einen größeren Teil der einfallenden Strahlung in dem Wellenlängenband zwischen etwa 1 µm und etwa 20 µm reflektiert. Zur Verminderung von Reflexionsverlusten hat es sich als günstig erwiesen, wenn jede der ebenen Reflexionsflächen die Form einer geometrischen Figur mit mindestens vier Seiten aufweist.

In Weiterbildung der Erfindung hat es sich unabhängig von der Form der Reflexionszellen des genannten primären Feldes als vorteilhaft erwiesen, wenn ein oder mehrere sekundäre Felder von Reflexionszellen vorhanden sind, die bezüglich des primären Feldes so ausgerichtet sind, daß sie von dem primären Feld gestreute Strahlung (welche nicht zu der Wärmequelle reflektiert wird) derart auf das primäre Feld reflektieren, daß sie von dort wieder zu der Wärmequelle zurückgestrahlt wird. Wenn der Richtungskosinus der einfallenden Strahlung die Kosinuswerte a, b, c hat, und zwar in einem Koordinatensystem, welches bezüglich der Schnittpunkte der Reflexionsflächen der Reflexionszellen ausgerichtet ist, dann werden die einzelnen sekundären Felder vorzugsweise bezüglich des primären Feldes in einer Ebene angeordnet, die ungefähr senkrecht zu einer Richtung liegt, die durch einen Richtungskosinus mit folgenden Sätzen von Kosinuswerten definiert ist:



In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden die Dispersions- oder Streuungsverluste eines Rückstrahlelementes mit zwei oder mehr einander schneidenden Reflexionsflächen dadurch in Grenzen gehalten, daß man die Reflexionsflächen so ausrichtet, daß sie sich unter einem Winkel von π 2-δ schneiden und indem man bei jeder Reflexionszelle des Rückstrahlelementes eine Öffnungsweite von λ vorsieht. Vorzugsweise wird ein derartiges Rückstrahlelement in Verbindung mit einer Wärmequelle eingesetzt, welche sich in einem Abstand von dem Rückstrahlelement bzw. von dem Feld von Reflexionszellen befindet, der geringer ist als die "Brennweite" des Feldes aus Reflexionszellen mit der angegebenen Winkellage der Reflexionsflächen und der angegebenen Öffnung und vorzugsweise genau die Hälfte der "Brennweite" beträgt.

Einzelheiten und Ausführungsbeispiele sind in den folgenden Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens;

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine abgewandelte Vorrichtung der Erfindung;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer dreiflächigen Reflexionszelle eines Rückstrahlelements einer Vorrichtung;

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Anordnung von Reflexionszellen gemäß Fig. 4;

Fig. 6 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Streuung an einer Reflexionszelle;

Fig. 7 eine Vorderansicht einer dreiflächigen Reflexionszelle, in der die hauptsächlich zur Streuung beitragenden Bereiche besonders hervorgehoben sind;

Fig. 8 eine der Fig. 7 ähnliche Vorderansicht einer abgewandelten Ausführungsform einer Reflexionszelle mit stark verringerter Streuwirkung;

Fig. 9 eine Vorderansicht einer weiteren abgewandelten Ausführungsform einer Reflexionszelle;

Fig. 10 eine Vorderansicht einer weiteren abgewandelten Ausführungsform einer Reflexionszelle;

Fig. 11 eine Vorderansicht einer Anordnung von Reflexionszellen gemäß Fig. 10;

Fig. 12 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung mit primären und sekundären Rückstrahlelementen;

Fig. 13 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Streuwirkung bei einer Reflexionszelle mit zwei zueinander rechtwinkligen Reflexionsflächen;

Fig. 14A und 14B schematische Darstellungen zur Erläuterung der Streuwirkung bei einer Reflexionszelle mit zwei Reflexionsflächen, die unter einem Winkel von π /2-δ aneinanderstoßen, in Abhängigkeit vom Abstand der Reflexionszellen von der Wärmequelle;

Fig. 15 eine der Fig. 14A entsprechende Darstellung zur Erläuterung weiterer Streuungseffekte und

Fig. 16 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Änderung der Parameter in den Fig. 14A bis 15 bei Reflexionszellen mit drei Reflexionsflächen.

Grundsätzliche Überlegung

Die nachstehend beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren betreffen im wesentlichen Reflektoren bzw. Rückstrahlelemente für Infrarotstrahlung und sind für den industriellen Einsatz gedacht, insbesondere zur Rückstrahlung der Wärme, die von einem Ofen abgestrahlt wird, der eine Öffnung besitzt, die entweder ständig offenbleiben muß oder häufig geöffnet werden muß, um zu behandelnde Werkstücke in den Ofen einzubringen und/oder aus diesem herauszunehmen. Bei Einrichtungen zum Reflektieren der Infrarotstrahlung im industriellen Einsatz unter den genannten Voraussetzungen müssen folgende Bedingungen erfüllt sein:

  • (a) Die Rückstrahlelemente müssen eine hohe Spiegel- bzw. Reflexionsfähigkeit im Infrarotbereich besitzen;
  • (b) Rückstrahlelemente müssen einfach zu reinigen sein;
  • (c) die Rückstrahlelemente dürfen keine übertrieben genaue Justierung erforderlich machen;
  • (d) die Rückstrahlelemente dürfen nicht zerbrechlich sein;
  • (e) die Rückstrahlelemente sollten nur ein Minimum an Streuverlusten aufweisen und
  • (f) die Rückstrahlelemente sollten einen möglichst stark gebündelten reflektierten Strahl erzeugen können.


Es hat sich gezeigt, daß alle diese Forderungen bzw. Bedingungen erfüllt werden können, wenn man das Rückstrahlelement als ein Feld aus Reflexionseinheiten bzw. -zellen ausbildet, von denen jede mehrere Reflexionsflächen aufweist, die geeignet sind, einen einfallenden Strahl im wesentlichen unabhängig vom Einfallwinkel zum Ausgangspunkt der Strahlung zu reflektieren. Die Reflexionsflächen der Reflexionszellen besitzen vorzugsweise eine reflektierende Schicht, beispielsweise aus Gold, die auf den Oberflächen eines Substrats oder Grundkörpers vorgesehen ist. Die normalerweise sehr empfindliche reflektierende Schicht ist ferner vorzugsweise durch eine darüber angebrachte Schutzschicht geschützt, die beispielsweise aus TiO, Al&sub2;, O&sub3; usw. bestehen kann. Eine solche Schutzschicht ermöglicht eine einfache Reinigung des Rückstrahlelementes. Die Mehrfachreflexionen in den einzelnen Reflexionszellen sorgen dafür, daß die genaue Ausrichtung des Rückstrahlelementes nicht so kritisch ist wie bei den meisten anderen optischen Systemen.

Wie Fig. 1 zeigt, wird ein Strahl 10 einer Infrarotstrahlung von Reflexionsflächen 12, 14 einer Reflexionszelle 16 um einen Winkel 2R umgelenkt, wenn sich die Reflexionsflächen unter einem Winkel R schneiden. In einem Grundkörper 36 sind mehrere derartiger Reflexionszellen 16 ausgebildet. Die Reflexionszellen 16 sind einer Öffnung (Wärmequelle) 18 in einer Ofenwand 20 zugewandt, wobei die Infrarotstrahlung von der Öffnung 18 ausgeht. (Es ist zu beachten, daß die einzelnen Abmessungen in der Zeichnung nicht maßstäblich sind, um die Erläuterung zu vereinfachen. Insbesondere beträgt die Öffnungsweite λ der Reflexionszellen 16 üblicherweise einige Zentimeter, während der Abstand D des Rückstrahlelementes 30 von der Öffnung 18 normalerweise einige Meter beträgt.)

Ein Rückstrahlelement 30 mit Reflexionszellen 16, die jeweils zwei Reflexionsflächen 12, 14 aufweisen, wie dies Fig. 1 zeigt, ist besonders für die Rückgewinnung von Infrarotstrahlung geeignet, die aus langgestreckten Öffnungen abgestrahlt wird, wie z. B. aus Schlitzen in der Wandung eines Ofens. Ein solches Rückstrahlelement 30 wird derart angebracht, daß im wesentlichen die gesamte Fläche, auf der im Abstand von der Öffnung 18 eine Strahlung vorhanden ist, von den gestaffelten bzw. übereinander angeordneten Reflexionszelle ausgefüllt ist. Die Reflexionsflächen der einzelnen Reflexionszellen 16 schneiden sich jeweils längs einer Linie 32, während sich die Reflexionsflächen benachbarter Reflexionszellen jeweils längs einer Linie 34 schneiden. Die Linien 32 und 34 sollten ziemlich scharfe Kanten sein, d. h. einen kleinen Krümmungsradius aufweisen, da die dort auftreffende Strahlung in alle Richtungen gestreut wird und nicht gleichmäßig zu der Öffnung 18 reflektiert wird. Die Reflexionsflächen 12, 14 können Oberflächen eines einstückigen Substrats oder Grundkörpers 36, beispielsweise aus Glas, sein. Eine andere günstige Möglichkeit besteht darin, für die einzelnen Facetten oder Reflexionsflächen 12, 14 getrennte Platten, beispielsweise aus Glas, vorzusehen, die von einem Rahmen getragen werden. Unabhängig von der Art der Ausbildung des Rückstrahlelementes ist es erforderlich, daß alle Reflexionsflächen 12, 14 zumindest an ihrer Oberfläche mit einem Material bedeckt sind, welches für Infrarotstrahlung ein hohes Reflexionsvermögen besitzt, wie z. B. eine dünne Goldschicht, wobei die reflektierende Oberfläche anschließend vorzugsweise mit einer Schutzschicht, beispielsweise aus TiO&sub2;, bedeckt wird, um eine Beeinträchtigung der Reflexionseingenschaften der reflektierenden Schicht, wie z. B. durch Oxidation, Verschmutzung, Verkratzen usw., zu verhindern.

Wie Fig. 1 zeigt, wird die das Rückstrahlelement erreichende Strahlung in einer senkrechten Ebene, d. h. in der Ebene der Fig. 1 bzw. der Zeichenebene, um einen Winkel von 180° gedreht. Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung (in der die einzelnen Abmessungen ebenfalls nicht maßstabsgerecht dargestellt sind) der gleichen Anordnung wie Fig. 1, jedoch in einer Draufsicht von oben. Wenn man von oben auf das Rückstrahlelement 30 blickt, sind die einzelnen Reflexionsflächen der Reflexionszellen natürlich verdeckt. Aus Fig. 2 wird jedoch deutlich, wie groß die Länge des Rückstrahlelementes 30 und der Öffnung 18 ist (der Abstand D des Rückstrahlelements 30 von der Ebene 40 der Öffnung 18 beträgt etwa 2,5 m). Wie Fig. 3 zeigt, werden diejenigen Strahlenbündel oder Strahlen 38, die von der Öffnung 18 in einer Ebene ausgehen, welche zur Ebene 40 der Öffnung 18 nicht senkrecht ist, in einer horizontalen Ebene nicht um einen Winkel von 180° umgelenkt. Fig. 3 zeigt eine der Fig. 2 ähnliche Darstellung eines Rückstrahlelements 30, dessen Reflexionszellen jeweils zwei Reflexionsflächen aufweisen und das gegenüber der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2 dadurch abgewandelt ist, daß Reflexionsplatten 42 vorgesehen sind, welche von der Vorderseite des Rückstrahlelements 30 in Richtung auf die Öffnung 18 vorstehen. Die Reflexionsplatten 42 sind in geeigneter Weise gehaltert und an ihren Oberflächen in der vorstehend beschriebenen Weise mit einer Reflexionsschicht und einer Schutzschicht versehen. Der schräg einfallende Strahl 38 trifft nach seiner Reflexion an einer der Reflexionszellen des Rückstrahlelements 30 auf eine der Reflexionsplatten 42 und wird dort in einer horizontalen Ebene gedreht und zu dem Teil der Öffnung 18 reflektiert, von dem er ausgegangen ist. Obwohl bei der betrachteten Ausführungsform eine gewisse Streuwirkung eintritt, kann diese durch geeignete Wahl des Abstandes zwischen den Reflexionsplatten für jeden gegebenen Anwendungsfall auf ein Minimum reduziert werden.

Zur Erhöhung der Übersichtlichkeit sind die Abmessungen der Reflexionszellen im Vergleich zu den typischen Abmessungen der Öffnung 18 in einem Industrieofen stark vergrößert dargestellt. In einem typischen Fall, wie er beim industriellen Einsatz der Erfindung auftritt, kann beispielsweise die Öffnung 18 über 2 m lang sein, während jede einzelne Reflexionszelle der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Querrichtung eine Öffnungsweite λ zwischen etwa 1 cm und 15 cm aufweisen könnte.

Wie Fig. 4 zeigt, kann eine Drei-Flächen-Reflexionszelle 54 in der Weise hergestellt werden, daß man drei Reflexionsflächen 56, 58, 60 vorsieht, die derart senkrecht zueinander angeordnet sind, daß sich von vorne gesehen eine Reflektionszelle mit der Form eines gleichseitigen Dreiecks ergibt. Bei Verwendung einer solchen Reflexionszelle 54 wird jeder einfallende Strahl 64 nach mehreren Reflexionen als reflektierter Strahl 66 zu seinem Ausgangspunkt reflektiert. Eine Gruppe 62 von sechs Reflektoren gemäß Fig. 4 führt zu einem sechseckigen Feld, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Sechsecke sind nun aber geeignet, eine Ebene vollständig auszufüllen und stellen somit eine geeignete Grundform für ein großes Feld aus Reflexionszellen dar.

Selbst wenn ein großes Feld von Reflexionszellen bzw. ein Rückstrahlelement derart angeordnet ist, daß es die gesamte von der Öffnung 18 ausgehende Strahlung auffängt, treten Streuverluste auf, die vom Einfallwinkel der einzelnen Strahlen abhängig sind. Das Zustandekommen derartiger Streuverluste wird anhand der Fig. 6 erläutert, wo der Einfachheit halber eine 2-Flächen-Reflexionszelle dargestellt ist. Bei einem Einfallwinkel R wird ein einfallender Strahl 68 nach zwei Reflexionen in Form eines dazu parallelen reflektierten Strahls 70 reflektiert. Dies gilt für alle Strahlen, die auf dem Band A-A zwischen den Grenzstrahlen 68 und 70 eintreffen. Diejenigen Strahlen, die in dem Band B-B eintreffen, wie z. B. der Strahl 72, werden jedoch nur einmal reflektiert und als reflektierter Strahl 74 so abgelenkt, daß sie nicht zu der Öffnung 18 zurückkehren.

Für einen bestimmten Teil der Strahlung ergibt sich also eine Streuung bzw. eine Reflexionsrichtung, die die Rückgewinnung der abgestrahlten Verlustwärme verhindert.

Im einzelnen wurde festgestellt, daß beim Auftreffen kollimierter Strahlung auf eine Reflexionszelle der betrachteten Art dann, wenn die Strahlenrichtung parallel zu der Senkrechten der Frontebene der Drei-Flächen-Reflexionszelle ist, 1/3 der Strahlung nicht dreimal reflektiert wird, wie dies für eine Rückgewinnung erforderlich ist und folglich durch die Art von Streuung verlorengeht, die vorstehend für den einfacheren Fall einer 2-Flächen-Reflexionszelle erläutert wurde. Es wurde festgestellt, daß diejenige Strahlung, welche gestreut wird, aus den Strahlungsanteilen besteht, die auf die Randbereiche 76 der in Fig. 7 gezeigten Reflexionszelle auftreffen, wobei die Fig. 7 speziell für die Streuung an einer Reflexionszelle gilt, bei der die drei Reflexionsflächen genau senkrecht zueinander angeordnet sind. Die Streuung ist dann etwas geringer, wenn die einzelnen Reflexionszellen miteinander Winkel einschließen, die etwas kleiner sind als rechte Winkel.

Zur Unterdrückung der Streuverluste kann man gemäß Fig. 8 die Randbereiche, die zum überwiegenden Teil für die Streuung verantwortlich sind, weglassen, so daß eine von vorn gesehen im wesentlichen sechseckige Reflexionszelle erhalten wird. Eine solche sechseckige Reflexionszelle 78, welche ausgehend von einer Reflexionszelle gemäß Fig. 7 erhalten wird, besitzt drei fünfeckige Facetten bzw. Reflexionsflächen 80.

Fig. 9 zeigt eine abgewandelte Reflexionszelle 82, welche - von vorn - im wesentlichen dreieckig ist und drei Reflexionsflächen 84 aufweist, von denen jede eine etwas unregelmäßige Form besitzt, d. h. nicht die Form eines Parallelogramms.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10 sind ausgehend von dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 die Randbereiche 76, von denen der Hauptteil der Streuung ausgeht, derart abgeschnitten, daß sich eine Reflexionszelle 86 mit quadratischen Reflexionsflächen 88 ergibt. Auch mit solchen Reflexionszellen läßt sich, wie Fig. 11 zeigt, ein geschlossenes Feld von Reflexionszellen aufbauen, wobei in Fig. 11 der Scheitelpunkt jeder Reflexionszelle 86 mit dem Bezugszeichen 90 bezeichnet ist.

Bei Reflexionszellen mit dreieckigen Reflexionsflächen muß man jeweils ein Paar von Reflexionszellen untersuchen, um eine Aussage über die Gesamtreflexion an einem Feld derartiger Reflexionszellen in Abhängigkeit vom Polarwinkel der einfallenden Strahlung machen zu können. Bei quadratischen Reflexionszellen gemäß Fig. 10 und 11 besitzt jedoch eine einzige Reflexionszelle bezüglich Änderungen des Polarwinkels der einfallenden Strahlung die gleichen Eigenschaften wie das ganze Feld von Reflexionszellen. Diese Tatsache führt zu Folgerungen hinsichtlich der Größe der Facetten oder Reflexionsflächen, die praktisch eingesetzt werden können und wirkt sich somit auch auf die Herstellungskosten aus. Wenn man beispielsweise ein Feld von Reflexionszellen mit quadratischen Reflexionsflächen aufbaut, könnte man Reflexionsflächen verwenden, welche etwa doppelt so groß sein könnten wie dreieckige Reflexionsflächen, um bei gleicher Gesamtreflexionsfläche die gleichen Reflexionseigenschaften zu erhalten. Es versteht sich, daß Reflexionszellen mit größeren Reflexionsflächen einfacher und billiger herzustellen sind.

Es wurde festgestellt, daß die Strahlung, welche von einem Feld von Drei-Flächen-Reflexionszellen gestreut wird, in ziemlich genau definierte Strahlrichtungen abgestrahlt wird. Wenn die einfallende Strahlung in einem Koordinatensystem, welches bezüglich der Schnittstellen der Reflexionsflächen einer Reflexionszelle orientiert ist, einen Richtungskosinus mit den Kosinuswerten a, b, c aufweist, dann ergibt sich eine Streustrahlung mit Orientierungen, die durch einen Richtungskosinus mit einem der folgenden Sätze von Kosinuswerten definiert sind:



Wenn man folglich sekundäre Rückstrahlelemente 92 (Fig. 12), die den gleichen Grundaufbau besitzen wie das primäre Rückstrahlelement 94, gegenüber letzterem richtig orientiert, dann kann man die Streustrahlung zu dem primären Rückstrahlelement reflektieren. Wenn die Reflexionsflächen der Reflexionszellen der sekundären Rückstrahlelemente genau orthogonal zueinander angeordnet würden, so daß die reflektierte Strahlung genau parallel zu der einfallenden Strahlung wäre und wenn die Öffnungsweiten der Reflexionszellen der sekundären Rückstrahlelemente klein im Vergleich zu den Öffnungsweiten der Rückstrahlelemente des primären Rückstrahlelements wären, dann würde aber die auf die sekundären Rückstrahlelemente auftreffende Streustrahlung nicht nur zu dem primären Rückstrahlelement reflektiert, sondern auch zu Reflexionsflächen mit der gleichen Orientierung wie diejenigen, an denen die letzte Reflexion vor der Aussendung der Strahlen zu dem betreffenden sekundären Rückstrahlelement erfolgte. Die Streustrahlung würde dann von dem primären Rückstrahlelement unmittelbar zu der Strahlen- bzw. Wärmequelle reflektiert.

Bei diesem Vorgehen müßte die Streustrahlung insgesamt 5- oder 6mal reflektiert werden. Die gesamte zu der Wärmequelle reflektierte Strahlung, von der ein Teil normalerweise aufgrund von Streuverlusten verlorengeht und welche den vorstehend beschriebenen Reflexionsvorgängen unterworfen wird, würde dann entweder von der vierten Potenz oder von der fünften Potenz des Reflexionsvermögens bestimmt. Bei einem Reflexionsvermögen von 0,90 für die zu der Wärmequelle zurückgeführte Strahlung würde sich dann beispielsweise entweder der Wert (0,90)&sup6;=0,531 oder (0,90)&sup5;=0,590 des ursprünglich gestreuten Anteils ergeben. Bei einem Reflexionsvermögen bzw. -faktor von 0,98 würden die entsprechenden Anteile bei 0,886 bzw. 0,904 liegen.

Aus Vorstehendem ergeben sich folgende praktische Folgerungen: Es soll angenommen werden, daß der Einfallwinkel der Strahlung an einem primären Rückstrahlelement 15° betrug. Ferner soll angenommen werden, daß der Reflexionsfaktor der einzelnen Reflexionsflächen irgendwo zwischen 0,98 und 0,90, also beispielsweise bei 0,95 lag. In diesem Fall würden die Strahlungsverluste am primären Rückstrahlelement bei etwa 38% bis 36% der Gesamtenergie liegen, die auf das primäre Rückstrahlelement auftrifft. Durch Verwendung von sekundären Rückstrahlelementen, die eine angemessene Größe aufweisen und richtig orientiert sind und außerdem Reflexionsflächen mit dem gleichen Reflexionsfaktor aufweisen, könnte man diesen Verlust derart verringern, daß ein Anteil von 0,308 bis 0,326 derjenigen Strahlung, die normalerweise durch Streuung verlorenginge, zu der Wärmequelle hoher Temperatur zurückgeführt würde. Hierdurch würde der Wirkungsgrad des Rückgewinnungssystems von etwa 0,657 auf etwa 0,965 angehoben.

Eine andere physikalische Erscheinung, welche dazu führen kann, daß die Strahlung nicht zu der Strahlungsquelle zurückkehrt, ist die Auffächerung der reflektierten Strahlung. Das Phänomen der Auffächerung wird nachstehend anhand der Fig. 13 näher erläutert, wo eine 2-Flächen-Reflexionszelle 96 schematisch dargestellt ist, deren Abmessungen zur Verdeutlichung bezüglich des Abstandes von der Ebene 98 der Strahlungsquelle 100 längs der Achse 102 in einem stark vergrößerten Maßstab dargestellt wurden. Wenn der Winkel 104 zwischen den Reflexionsflächen der Reflexionszelle 96 genau ein rechter Winkel ist, dann werden die Grenzstrahlen 106 für den Bereich von Einfallswinkeln, in welchem eine doppelte Reflexion, d. h. keine Streuung erfolgt, zunächst an der einen Reflexionsfläche an einem Punkt 108 reflektiert, der gegenüber der Vorderkante 110 der betreffenden Reflexionsfläche nach innen zurückgesetzt ist. Die zweite Reflexion erfolgt dann an der Kante 110 der anderen Reflexionsfläche, von wo ein reflektierter Strahl 112 ausgeht. Die reflektierten Grenzstrahlen 112 treffen in der Ebene 98 in einem Bereich auf, der doppelt so breit ist wie die Öffnungsweite der Reflexionszelle 96, also doppelt so breit wie der Abstand zwischen den Vorderkanten 110 der Reflexionsflächen. Die Tatsache, daß der reflektierte Strahl breiter ist als der einfallende Strahl, wird als Strahlauffächerung bzw. einfach Auffächerung bezeichnet.

Fig. 14A zeigt, wie es sich auswirkt, wenn der Winkel 104 zwischen den Reflexionsflächen etwas kleiner als ein rechter Winkel ist. Bekanntlich wird bei einem solchen kleineren Winkel ein reflektierter Strahl erzeugt, der mit dem ankommenden Strahl einen Winkel von 2 δ einschließt, wenn der Winkel 104 im Bogenmaß π /2-δ beträgt. Wie Fig. 14A zeigt, ergibt sich immer noch eine beträchtliche Strahlauffächerung mit einem reflektierten Bild in der Ebene 98, welches im wesentlichen doppelt so breit ist wie die Öffnungsweite λ der Reflexionszelle. In der betrachteten Figur gilt jedoch für den Abstand D zwischen der Strahlungsquelle 100 und der Frontebene der Reflexionszelle 96 folgende Beziehung: D =λ /2δ. Wenn man nun, wie dies Fig. 14B zeigt, die Strahlungsquelle 100 in einem Abstand D /2 von der Frontebene der Reflexionszelle 96 anordnet, dann ist die Breite des Bildes in der Ebene 98 der Strahlungsquelle 100 im wesentlichen λ und mehr 2λ.

Eine Analyse des Strahlengangs der inneren und äußeren Strahlen, welche von der Strahlungsquelle 100 ausgehen, führt zu einer weiteren Entdeckung, welche anhand der Fig. 15 erläutert wird. Wenn sich die Strahlungsquelle 100 in einem Abstand D von der Frontebene der Reflexionszelle 96 befindet, dann zeigt es sich, daß die am weitesten innenliegenden Strahlen in der Nähe der Achse 102 der Reflexionszelle 96 so verlaufen, daß die Grenzen des Bildes in der Ebene 98 der Strahlungsquelle 100 einen Abstand von 2λ besitzen. Die äußersten Strahlen werden so reflektiert, daß sie sich an der Strahlenquelle schneiden und miteinander einen Winkel von 2δ einschließen. Das Ergebnis ist ein reflektiertes Strahlungsmuster hinter der Strahlungsquelle 100, d. h. in Fig. 15 rechts von der Strahlungsquelle 100, welches die Form eines divergierenden Konus aufweist, der in der Mitte einen dunklen Konus besitzt, welcher von einem ausgestrahlten Ring mit einer radialen Ausdehnung von λ umgeben ist.

Die Einhüllende des Musters der reflektierten Strahlung ist mit dem Bezugszeichen 114 bezeichnet. Zwischen der Bezugsebene 116, die sich in einem Abstand D /2 von der Frontebene der Reflexionszelle 96 befindet einerseits und der Reflexionszelle selbst andererseits, wird die Einhüllende 114 durch den äußersten von der Strahlungsquelle 100 ausgehenden Strahl definiert. Auf der anderen Seite der Bezugsebene 116 wird die Einhüllende 114 jedoch durch den inneren von der Strahlungsquelle ausgehenden Strahl definiert, welcher von der Reflexionszelle 96 derart aufgefächert wird, daß er den äußeren Strahl in der Bezugsebene 116 schneidet. Jenseits der Ebene 98, die sich in einem Abstand D von der Frontebene der Reflexionszelle 96 befindet, definiert der innere Strahl immer noch die Einhüllende 114 des Strahlungsmusters, und es ergibt sich die konische innere Schattenzone mit einem Öffnungswinkel von 2δ.

Vorstehend wurde der Effekt der Strahlauffächerung der Einfachheit halber für eine 2-Flächen-Reflexionszelle 96 erläutert. Im wesentlichen die gleichen Verhältnisse ergeben sich auch für die Drei-Flächen-Reflexionszelle, wobei jedoch die geometrischen Zusammenhänge etwas schwieriger sind. Für einen Parameter ergibt sich jedoch ein anderer Zusammenhang. Dieser Zusammenhang wird aus Fig. 16 deutlich, wo gezeigt ist, daß die "Brennweite" (d. h. der Abstand D gemäß Fig. 14A und 14B) bei einer Drei-Flächen-Reflektionszelle um den Faktor (3/2) größer ist als bei einer 2-Flächen-Reflexionszelle mit den gleichen Werten für λ und δ.

Die Öffnungsweite λ der Reflektionszelle beträgt vorzugsweise zwischen etwa 1 und 15 cm. Obwohl kleine Werte von λ zu einer Verringerung der Auffächerungsverluste führen, ergeben sich bei sehr kleinen Werten von λ sowohl hohe Fertigungskosten als auch unerwünschte Beugungseffekte.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum Zurückstrahlen der aus einer fensterförmigen Öffnung als Verlustwärme austretenden Wärmestrahlung in diese Öffnung, insbesondere bei Industrieöfen, dadurch gekennzeichnet, daß im Abstand von der Öffnung in dem von der Wärmestrahlung erfaßten Raumwinkel ein Feld von aneinandergrenzenden Reflexionszellen vorgesehen wird, von denen jede mehrere Reflexionsflächen aufweist, die zueinander jeweils unter einem Winkel von etwa 90° angeordnet sind.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Reflexionsflächen (12, 14) der Reflexionszellen (16) derart ausrichtet, daß sie sich unter einem Bogenwinkel von π /2-δ schneiden und daß man das Feld von Reflexionszellen (16) in einem Abstand von der Wärmequelle (18) anordnet, der zwischen etwa λ /4δ und maximal etwa λ /2δ beträgt, wobei λ die Öffnungsweite und δ den Öffnungswinkel darstellen.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man für den Aufbau der Reflexionszellen (z. B. 54) jeweils drei Reflexionsflächen (56, 58, 60) verwendet, welche miteinander Winkel mit einem Bogenmaß von etwa π /2-δ einschließen und daß man das Feld von Reflexionszellen (54) in einem Abstand von der Wärmequelle anordnet, der mindestens √×(g /4δ) beträgt und nicht größer ist als etwa √×(λ /2δ).
  4. 4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rückstrahlelement (30) vorgesehen ist, mit dessen Hilfe von der Wärmequelle (18) abgestrahlte Verlustwärme zu dieser zurückstrahlbar ist, wenn sie aus einem vorgegebenen Raumwinkel auf das Rückstrahlelement (30) auftrifft, und daß das Rückstrahlelement (3) ein Feld von aneinander angrenzenden Reflexionszellen (16) aufweist, von denen jede mehrere Reflexionsflächen (12, 14) besitzt, die relativ zueinander unter Winkel von etwa 90° angeordnet sind.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsflächen (12, 14) ebene Reflexionsflächen in Form einer geometrischen Figur mit mindestens vier Seiten sind.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsflächen (12, 14) mindestens einer und vorzugsweise aller Reflexionszellen (16) des Rückstrahlelements an einem Grundkörper (36) vorgesehen sind.
  7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Reflexionsflächen (12, 14) unter einem Winkel schneiden, der geringfügig kleiner ist als 90°.
  8. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Reflexionszellen (z. B. 54) genau drei Reflexionsflächen (56, 58, 60) aufweist, die sich jeweils unter Winkeln von etwa 90° schneiden.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils sechs Reflexionszellen (54) zu einer Gruppe (62) zusammengefaßt sind und daß das Rückstrahlelement (30) durch ein Feld von mehreren Gruppen von Reflexionszellen (54) gebildet ist.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Gruppe (62) von Reflexionszellen (54) eine einziger gemeinsamer Grundkörper vorgesehen ist.
  11. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jede Reflexionsfläche (80, 84, 88) eine geometrische Figur mit mehr als drei Seiten ist.
  12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsflächen die Form einer geometrischen Figur mit vier Seiten haben.
  13. 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Richtungskosinus der einfallenden Strahlung mit den Kosinuswerten a, b, c in einem Koordinatensystem, welches bezüglich der Schnittlinien der Reflexionsflächen orientiert ist, mindestens ein sekundäres Rückstrahlelement (92) vorgesehen ist, welches bezüglich des primären Rückstrahlelements (94) in einer Ebene ausgerichtet ist, die im wesentlichen senkrecht zu einer Richtung verläuft, die durch einen Richtungskosinus mit einem der folgenden Sätze von Kosinuswerten definiert ist:







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A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

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