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Dokumentenidentifikation DE102004034798B4 09.08.2007
Titel Rührsystem für Glasschmelzen
Anmelder SCHOTT AG, 55122 Mainz, DE
Erfinder Eisermann, Henry, 55262 Heidesheim, DE;
Lange, Ulrich, 55118 Mainz, DE;
Loch, Horst, 65527 Niedernhausen, DE
Vertreter Blumbach Zinngrebe, 65187 Wiesbaden
DE-Anmeldedatum 19.07.2004
DE-Aktenzeichen 102004034798
Offenlegungstag 16.02.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 09.08.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.08.2007
IPC-Hauptklasse C03B 5/187(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse C03B 5/182(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   C03B 7/092(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Rührsystem für Glasschmelzen.

Bei Glas handelt es sich um einen Werkstoff, der eine relativ schlechte Wärmeleitfähigkeit und auch in geschmolzenem Zustand selbst bei hohen Temperaturen eine hohe Viskosität besitzt. In einer Glasschmelze können sich daher starke Temperaturgradienten ausbilden, da die Glasschmelze nur äußerst schwierig gleichmäßig durchmischt werden kann.

Bei kontinuierlichen (Wannen-)Schmelzprozessen können sehr breite Verweilzeitverteilungen entstehen. Das heißt, dass für die einzelnen Volumina der Glasschmelze unterschiedlich viel Zeit für die mit dem Schmelzprozess verbundenen chemischen Reaktionen zur Verfügung steht.

Diese Volumina unterscheiden sich deshalb in ihrer Struktur. Dies, und die unterschiedliche Temperaturvergangenheit der einzelnen Volumina, führt zu unerwünschten Inhomogenitäten in dem flüssigen Glas, welches der Schmelze entnommen wird, sowie auch in den daraus hergestellten Produkten.

Um die Homogenisierung einer Glasschmelze zu verbessern, können Rührer eingesetzt werden. Um eine gleichbleibend gute Glasqualität zu erzeugen, soll gemäß der DE 44 40 704 A1 der konstruktive Aufbau eines Rührers zum Homogenisieren von schmelzflüssigem Glas mit Grundbauteilen entsprechend gestaltet werden. Dazu wird eine verfahrenstechnisch optimale Anzahl von Anbauten an den Rührerschaft mit einzelnen großen Scherflächen angestrebt. Dies wird gemäß der DE 44 40 704 A1 dadurch erreicht, dass der Rührerschaft über die gesamte Höhe seiner Rühreranbauten im Inneren durch Versteifungen gegen Verdrehung stabilisiert ist.

Im einfachsten Fall ist der Rührerschaft in bestimmten Höhen mit gegenüberliegenden bzw. durchgehenden Bohrungen versehen, durch welche an den Enden verschlossene Rohre durchgesteckt sind, die mit dem Rührerschaft verschweißt sind. Es wird also ein Hohlwellenrührer vorgeschlagen, welcher aufgebohrt wird, um die Rührelemente durch den Schaft hindurch montieren zu können. Gleichzeitig wird eine Versteifung des Schaftes erforderlich. Um eine ausreichende Festigkeit des Rührers gewährleisten zu können, ist also ein komplizierter Aufbau notwendig. Ein weiterer Nachteil dieses Rührsystems liegt darin, dass bei Verschleiß einzelner Rührelemente diese nicht einzeln ausgewechselt werden können.

In der JP 2001-072426 A wird ein Rührsystem zum Homogenisieren einer Glasschmelze vorgeschlagen. Dazu wird ein Rührer mit mehreren Blättern vorgeschlagen, deren Abmessungen in radialer Richtung vom Rührerschaft derart gewählt sind, dass an zumindest zwei Blättern in unterschiedlicher Höhe der Abstand zwischen der äußeren Kante des Rührerblattes und der Wand der Schmelzwanne möglichst eng wird.

Um den Abstand zwischen dem Rührer und der Wand über die gesamte Höhe möglichst gering zu halten, wird vorgeschlagen, einen äußeren Rahmen anzubringen, wobei die Durchmischung dann als besonders effizient angesehen wird, wenn der Rahmen und die Rührerblätter schräg zur Rührerachse ausgerichtet sind. Nachteilig an dem in JP 2001-072426 A beschriebenen Rührsystem ist jedoch die aufwendige Fertigung aus mehreren Einzelteilen und die zeitintensive Montage der einzelnen relativ zueinander auszurichtenden Rührerblätter sowie des Rahmens.

Eine speziell an einen Speiserkopf einer Anlage zur Fertigung von Glasposten, das heißt Glastropfen, durch Abscheren eines aus einer Bodenöffnung austretenden Glasstranges angepasste Rühr- und Dosiereinrichtung wird in DE 41 24 390 A1 beschrieben. Im Inneren eines Speiserbeckens des Speiserkopfes ist ein als Plunger bezeichneter Kolben angeordnet, der einen Antrieb für die Ausführung vertikaler Hub- und Senkbewegungen besitzt. Durch diese Bewegungen wird das Glas durch die Bodenöffnung gefördert.

An dem Plunger wird zumindest ein Rührblatt angeordnet, welches in der zur Plunger-Achse senkrechten Ebene einen Querschnitt aufweist, der mehrfach kleiner ist als die Rührfläche. Dies hat zur Folge, dass durch die Größe der Rührfläche eine gute Mischwirkung erzeugt, jedoch keine zusätzliche Pumpenkolbenwirkung bei der Axialverschiebung des Plungers hervorgerufen wird. Um die Rührwirkung zu steigern, kann das Rührblatt mindestens eine Öffnung aufweisen, durch die die Schmelze hindurchtreten kann.

Durch das in DE 41 24 390 A1 beschriebene Rührsystem soll im Speiserkopf eine bessere Homogenität des Glases und in den abgezogenen Glasposten eine gleichmäßigere Temperaturverteilung erreicht werden. Nachteilig an diesem System ist jedoch, dass aufgrund der axialen Bewegung des Plungers, also des Rührerschaftes, die über die Rotation des Rührers in die Glasschmelze eingebrachte Leistung in einem Volumen dissipiert wird, welches in axialer Richtung größer ist als der Bereich, der von der Unterkante des untersten Rührblattes zur Oberkante des obersten Rührblattes reicht. Das bedeutet, dass die Rührblätter eine spiralförmige Bahn beschreiben, deren Länge größer ist als die Kreisbahn, die die Rührerblätter beschreiben würden, wenn die Rührerachse feststeht. Um im gesamten Volumen eine ausreichend hohe Leistungsdichte zu erreichen, sind daher relativ hohe Drehzahlen erforderlich. Durch die Auf- und Abbewegung des Plungers ist darüber hinaus die Gefahr des Gaseinzugs über die Oberfläche der Schmelze gegeben.

Um Inhomogenitäten in der Schmelze zu reduzieren oder nach Möglichkeit zu beseitigen, ist es notwendig, die ohnehin stattfindenden Diffusionsvorgänge zu unterstützen bzw. zu beschleunigen. Um dies zu erreichen ist der Kontaktbereich zwischen den Inhomogenitäten (Schlieren) und der umgebenden Schmelze durch mechanische Einwirkung zu vergrößern.

Zur Veranschaulichung betrachte man ein im Verhältnis zur Umgebung sehr kleines markiertes Volumenelement von der Gestalt einer Kugel. Dies stelle die Inhomogenität dar. Diffusionsmechanismen können nur über die Kugeloberfläche wirksam werden, die bekanntlich zum vorgegebenen Kugelinhalt minimal ist, daher ist die Beseitigung einer derartigen Störung durch Diffusion nur mit einem stark erhöhten Zeitaufwand möglich. Jede von der Kugel abweichende Form hingegen hätte bei gleichem Volumen eine größere Oberfläche, was vom Standpunkt der Homogenisierung wünschenswert ist. Ziel ist es daher, die Kugelgeometrie zu zerstören bzw. die Kugel in einen echten Ellipsoid zu deformieren.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zur Verfügung zu stellen, mit welcher einer Glasschmelze möglichst viele Dehnungs- und Faltungsoperationen aufgeprägt werden können, die Startvolumina in Volumina mit größerer Oberfläche überführen.

Das bedeutet, es sollen die Oberflächen von Inhomogenitäten wie beispielsweise Schlieren in der Glasschmelze möglichst stark vergrößert werden, so dass sie sich durch Diffusion schneller auflösen können und sich somit nicht mehr nachteilig auf die Produktqualität auswirken.

Gelöst werden diese Aufgaben auf höchst überraschend einfache Weise bereits mit einem Rührsystem nach Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung finden sich in den zugeordneten Unteransprüchen.

Die Erfindung stellt damit erstmals ein Rührsystem für Glasschmelzen mit einem Rührer, welcher einen Schaft, der eine Längsachse definiert und zumindest zwei Gruppen von Flügeln aufweist, wobei die Flügel jeweils zumindest ein Blatt umfassen, welches parallel zur Längsachse ausgerichtet ist und zumindest eine Öffnung aufweisen, und wobei die zumindest zwei Gruppen von Flügeln am Schaft mit einem Abstand zueinander positionierbar sind und mit zumindest einer Gruppe von Strombrechern, welche insbesondere zwischen zwei Gruppen von Flügeln positionierbar ist, bereit.

Mit dem Begriff "Gruppe" wird eine Anordnung von zwei oder mehr Flügeln beziehungsweise Strombrechern bezeichnet. Ein Flügel kann dabei insbesondere auch mehr als ein Blatt aufweisen. Zudem liegt es im Rahmen der Erfindung, mehr als eine Öffnung in einem Blatt anzuordnen.

Das Rührsystem kann auf unterschiedliche Weise in einer Vorrichtung zur Behandlung von Glasschmelzen angeordnet werden. Insbesondere kann es derart positioniert sein, dass es von einer Glasschmelze in vertikaler Richtung, beispielsweise von oben nach unten, durchströmt wird. Dann passiert die Glasschmelze abwechselnd eine Gruppe von Flügeln, eine Gruppe von Strombrechern und wiederum eine Gruppe von Flügeln.

Der Schaft des Rührsystems kann mit einem Verbindungsteil versehen sein, welches eine Kopplung des Rührsystems mit einer Antriebsmaschine ermöglicht. Über die Antriebsmaschine kann das Rührsystem in Rotation versetzt werden. Volumenelemente der Glasschmelze, welche sich in Umfangsrichtung betrachtet vor den Rührerblättern befinden, werden in Umfangsrichtung bewegt. Volumenelemente, welche sich nicht vor den Rührerblättern, also beispielsweise im Bereich der Öffnung befinden, werden relativ zum Rührerblatt entgegen der Bewegungsrichtung des Rührerblattes in Umfangsrichtung bewegt.

Durch die entgegengesetzt zueinander ausgerichteten Geschwindigkeitsvektoren der Fluidelemente, welche mit dem Rührerblatt bewegt werden, und der Fluidelemente, welche durch die Öffnung in entgegengesetzter Richtung bewegt werden, wird eine gegenüber einer Anordnung ohne Öffnungen im Flügelblatt erhöhte Deformationsrate erzielt.

Durch die Kombination der Anordnung von zwei Gruppen von Flügeln mit einer dazwischen positionierten Anordnung von einer Gruppe von Strombrechern wird jedoch über die Scherrate hinaus vorteilhafterweise ein Bereich erzeugt, in welchem der Strömung eine Dehnrate aufgeprägt wird. Die Strombrecher nehmen zumindest einen Teil der Fläche senkrecht zur Längsachse ein.

Die Strombrecher zwingen die Strömung entlang der Längsachse zu einer Richtungsumkehr, um den Strombrecher zu passieren. Insbesondere wird der Strömung eine Komponente in radialer Richtung, also auf der Anströmseite des Strombrechers auf die Längsachse zugerichtet und auf der Abströmseite des Strombrechers von der Längsachse weg gerichtet, überlagert. Mit abnehmendem Abstand in radialer Richtung auf die Längsachse zu wird die in radialer Richtung durchströmte Fläche kleiner.

Das bedeutet, dass sich aufgrund der Massenerhaltung die Strömungsgeschwindigkeit in radialer Richtung erhöht. An Positionen, welche der Längsachse näher gelegen sind, als solche Positionen, die von der Längsachse weiter entfernt sind, herrschen damit relativ gesehen höhere Strömungsgeschwindigkeiten als an Positionen, welche in radialer Richtung weiter von der Längsachse entfernt sind. Dadurch wird eine Dehnrate erzeugt.

Vorteilhafterweise kann zumindest eine Gruppe von Flügeln zwei einander diametral gegenüber positionierbare Flügel aufweisen. Insbesondere können auch weitere Gruppen von Flügeln zwei einander diametral gegenüber positionierbare Flügel aufweisen. Des Weiteren kann die zumindest eine Gruppe von Flügeln mehr als zwei einander diametral gegenüber positionierbare Flügel umfassen, also insbesondere vier Flügel. Durch die Anordnung von diametral gegenüber positionierbaren Flügeln wird vorteilhafterweise erreicht, dass der Leistungseintrag über die Rotation des Rührers symmetrisch verteilt in die Glasschmelze eingekoppelt werden kann. Zudem wird die Belastung des Rührers durch einen Flügel durch den anderen ausgeglichen.

Die Erfindung sieht ferner vor, dass die Blätter zumindest eines Flügels in zumindest einer Ebene parallel zur Längsachse rechteckig sind. Mit Ebenen, welche parallel zur Längsachse ausgerichtet sind, sind solche Ebenen gemeint, die keinen Winkel mit der Längsachse umschließen. Die besonders einfache Rechteckform bietet vorteilhafterweise die Möglichkeit, eine effiziente Homogenisierwirkung durch die Blätter zu erzeugen. Insbesondere erfolgt über die gesamte Höhe des Blattes eine gleichmäßig hohe Beanspruchung der Glasschmelze im Bereich, welcher in radialer Richtung gesehen zwischen der der Längsachse abgewandten Kante des Blattes und der benachbarten Wand einer das Rührsystem umgebenden Vorrichtung, in welcher sich die Glasschmelze befindet, gewährleistet werden.

Des Weiteren kann zumindest eine Öffnung in einem Blatt rechteckig sein. Durch diese vorteilhafterweise besonders einfache Form wird bereits bei gegebener Fläche ein relativ großer Umfang erreicht, an welchem durch die Relativbewegung der mit dem Rührerblatt mitbewegten Flüssigkeit gegenüber der durch die Öffnung, und insbesondere im Bereich deren Randes, besonders große Scherraten erzielt werden können.

Statt der oben beschriebenen Rechteckform sind grundsätzlich auch alle anderen Formen möglich. Je nach Anwendungsfall können für die Öffnungen kreisförmige oder ovale oder polygone oder aus mehreren Formen kombinierte Gestaltungen der Öffnungsfläche gewählt werden. Auch die Form der Rührerblätter kann insbesondere je nach Formgebung der Vorrichtung, in welchem sich die Glasschmelze und das Rührsystem befindet, an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden.

Sind Rührerblatt und Öffnung rechteckig geformt, können vorteilhafterweise die Kanten des Blattes parallel zu den Kanten der Öffnung verlaufen. So wird auf einfache Weise eine möglichst große Abmessung der verbleibenden Randes des Rührerblattes und damit eine hohe mechanische Festigkeit erreicht.

Unter dem Gesichtspunkt einer möglichst großen mechanischen Festigkeit ist es weiterhin von Vorteil, wenn die Öffnung zentrisch im Blatt positioniert ist.

Um mit Hilfe der Strombrecher einen möglichst Bereich zu erzeugen, in dem die Schmelze einer Dehnung unterworfen wird, ist es von Vorteil, die Strombrecher derart zu gestalten, dass ihre der Anströmseite beziehungsweise der Abströmseite zugewandten Flächen für den jeweiligen Anwendungsfall so groß wie möglich gewählt werden. Die Erfindung sieht dazu vorteilhafterweise vor, dass der Winkel &agr; zwischen den radial verlaufenden Seitenflächen eines Strombrechers einen Wert im Bereich von 0° und 360° aufweist.

Wird ein Winkel von &agr; = 0° gewählt, sind die beiden Seitenflächen eines Strombrechers parallel zueinander und die Abmessung des Strombrechers in Umfangsrichtung ist radial konstant. Als ein derartiger Strombrecher kann beispielsweise ein einfacher quaderförmiger Block verwendet werden.

Wird ein Winkel &agr; von 360° gewählt, bedeutet dies, dass die Seitenflächen des Strombrechers zusammenfallen. In der Praxis kann für diesen Fall nach Art einer Blende eine Scheibe verwendet werden, welche den durchströmten Querschnitt der Vorrichtung, in welcher sich die Glasschmelze befindet, bis auf einen Bereich um den Schaft des Rührsystems ausfüllt. Auf diese Weise wird vorteilhaft eine Dehnströmung in axialer Richtung erzeugt, welche zudem bei geeigneter Gestaltung der angeströmten Fläche des Strombrechers nahezu keine Totzonen aufweist.

Die geometrische Gestaltung der Strombrecher richtet sich je nach Anwendungsfall danach, welcher Strömungswiderstand in Kauf genommen werden kann, um einen ausreichenden Durchsatz bei gegebenen Leistungseintrag erzielen zu können. Um die Wirkung der Strombrecher vorteilhafterweise bei gegebenen Abmessungen erhöhen zu können, sieht die Erfindung vor, mehrere Strombrecher auf einer Höhe in Relation zur Längsachse anzuordnen. Insbesondere kann die zumindest eine Gruppe von Strombrechern zwei einander diametral gegenüber positionierbare Strombrecher aufweisen. Möglich sind jedoch auch mehr Strombrecher.

Der Winkel zwischen den Seitenflächen ist je nach Anzahl der Strombrecher entsprechend geringer und liegt maximal bei 360° geteilt durch die Anzahl der Strombrecher. Auf diese Weise wird des Weiteren der Vorteil realisiert, für eine gegebene Anlage mehrere Strombrecher in Form von einander ergänzenden Segmenten vorgesehen werden. Je nach Anwendungsfall und zu verarbeitender Schmelze können dann mehrere dieser Segmente zu zumindest einer Gruppe von Strombrechern kombiniert werden.

Um die Strombrecher konstruktiv auf einfache Weise und damit kostengünstig herstellen zu können, ist des Weiteren vorgesehen, dass zumindest ein Strombrecher in einer Ebene parallel zur Längsachse rechteckig ist. So können die Strombrecher aus vorgefertigten quaderförmigen Blöcken durch einfachen Zuschnitt hergestellt werden.

Gegenüber der oben beschriebenen grundsätzlichen Anordnung mit der Abfolge einer Gruppe von Flügeln, einer Gruppe von Strombrechern und einer weiteren Gruppe von Flügeln kann das erfindungsgemäße Rührsystem durch Kombination mit weiteren Gruppen von Flügeln und/oder Gruppen von Strombrechern erweitert werden. Insbesondere kann das Rührsystem zumindest drei Gruppen von Flügeln umfassen. Ferner kann das Rührsystem zumindest zwei Gruppen von Strombrechern aufweisen.

Durch die Möglichkeit zur Erweiterung in Richtung der Längsachse bietet das erfindungsgemäße Rührsystem den Vorteil, flexibel an verschiedene Vorrichtungen, in welchen sich die Glasschmelze befindet, angepasst werden zu können. Je nach Anforderungen an die Homogenisierung der Glasschmelze und Ausgangsbedingungen können auch an einem bestehenden Rührsystem Ergänzungen durch Anbau weiterer Komponenten auf einfache Weise vorgenommen und somit ein Nachrüsten erzielt werden. Besonders vorteilhaft ist eine Anordnung der Komponenten am Rührsystem, in welcher die Gruppen von Flügeln und die Gruppen von Strombrechern alternierend in Bezug zur Längsachse positionierbar sind.

Durch die Relativbewegung benachbarter Komponenten des Rührsystems in einem räumlich weit ausgedehnten Bereich entlang der Längsachse, wobei die benachbarten Komponenten zum einen Strombrecher und Flügel und zum anderen Strombrecher und Schaft sowie des Weiteren Flügel und Wand der Vorrichtung, in welcher sich die Glasschmelze befindet, sein können, können besonders hohe Deformationsraten erzielt werden.

Insbesondere auch durch die Umlenkung der Strömung in radialer Richtung zusätzlich zur Relativbewegung der mit dem Rührerblatt mitbewegten Fluidvolumina in Bezug auf die durch die Öffnung hindurch tretenden Fluidvolumina in Umfangsrichtung kann aufgrund der verbesserten Verteilung der Leistungsdichte im gesamten Bereich des vom Rührsystem beeinflussten Teils der Schmelze die Effizienz des Homogenisierens gesteigert werden. Damit ist vorteilhafterweise eine bessere Produktqualität verbunden.

Die Integration eines Rührsystems der beschriebenen Art bereits in eine Anlage zum Schmelzen und/oder Läutern von Glas ermöglicht eine kompakte Gestaltung der Anlage. Eine solche Anlage kann einen Tiegel umfassen, in welchem das Rührsystem positionierbar ist. Der Tiegel kann insbesondere zylinderförmig sein. Eine Positionierung der Längsachse des Rührsystems koaxial zur Längsachse des zylinderförmigen Tiegels ermöglicht einen rotationssymmetrischen Aufbau des das Rührsystem aufweisenden Abschnitts der Anlage, in welchem die über das Rührsystem eingetragene Leistung vorteilhafterweise relativ gleichmäßig verteilt werden kann, indem nachteilige Toträume vermieden werden.

Beim Homogenisieren wird in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens eine Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit in radialer Richtung und in Umfangsrichtung eingestellt, bei welcher sich innerhalb des Bereichs des Rührsystems die Strömungsrichtung in radialer Richtung und in Umfangsrichtung jeweils zumindest einmal umkehrt. Die das Rührsystem durchströmende Glasschmelze erfährt somit eine intensive Durchmischung durch die hohe Wahrscheinlichkeit, einen Bereich mit großer Deformationsrate zu durchlaufen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dieselben Bauteile werden auf allen Zeichnungen mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.

Es zeigen:

1 eine Illustration zur Erläuterung der Begriffe Scherrate und Dehnrate,

2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Rührsystems gemäß einer ersten Ausführungsform im Längsschnitt sowie in Aufsicht,

3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Rührsystems gemäß einer zweiten Ausführungsform sowie in Aufsicht,

4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Rührsystems gemäß einer dritten Ausführungsform in Aufsicht,

5 eine schematische Darstellung möglicher Strömungswege durch ein erfindungsgemäßes Rührsystems anhand eines Längsschnittes und eines Querschnittes durch das Rührsystem,

6 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Rührsystems gemäß einer vierten Ausführungsform im Längsschnitt,

7 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Rührsystems unter Angabe von Abmessungen in Relation zum Wandabstand dW,

8 ein Diagramm zur Charakterisierung des erfindungsgemäßen Rührsystems im Vergleich zu anderen Rührsystemen bei einer Drehzahl von 15 min-1, sowie

9 ein Diagramm zur Charakterisierung des erfindungsgemäßen Rührsystems im Vergleich zu anderen Rührsystemen bei einer Drehzahl von 30 min-1.

In 2 ist ein Rührsystem 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Man erkennt einen Schaft 10, welcher eine Längsachse 15 definiert. Das Rührsystem ist über eine Verbindungseinrichtung (nicht dargestellt) mit einer Antriebsmaschine (nicht dargestellt) verbunden, über die es in Rotation um die Längsachse 15 versetzt werden kann. Im gezeigten Beispiel ist das Rührsystem in einen zylinderförmigen Tiegel 90 eingebaut.

Das Rührsystem umfasst eine erste Gruppe 20 von Flügeln, die jeweils zwei einander diametral gegenüberliegende Blätter 22 umfassen. Die Blätter 22 sind mit ihrer vertikalen Ebene, die im Längsschnitt in 2 gezeigt ist, parallel zur Längsachse 15 ausgerichtet. Die Blätter 22 umfassen jeweils eine Öffnung 25.

Benachbart zu der ersten Gruppe von Flügeln 20 befindet sich eine Gruppe 40 von Strombrechern 45. Die Strombrecher sind im gezeigten Ausführungsbeispiel mit der Tiegelwand 90 verbunden. Benachbart zu den Strombrechern 45 befindet sich eine zweite Gruppe 30 von Flügeln, welche zwei einander diametral gegenüberliegende Blätter 32 umfassen. Die Blätter 32 weisen jeweils eine Öffnung 35 auf.

Im ersten Ausführungsbeispiel weisen die Strombrecher 45 im Wesentlichen eine quaderförmige Gestalt auf. Ihre radial von der Längsachse 15 aus verlaufenden Seitenflächen 41 und 42 sind parallel zueinander, das bedeutet der Winkel a beträgt 0°. In unmittelbarer Umgebung des Schaftes 10 lassen die Strombrecher im gezeigten Ausführungsbeispiel einen im Wesentlichen kreisförmigen Abschnitt frei. Die dem Schaft 10 zugewandten Flächen der Strombrecher können jedoch in beliebiger Weise gestaltet sein.

Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel sind die Öffnungen 25, 35 zentrisch in den Blättern 22, 32 angeordnet. Die Blätter 22 weisen Kanten 51, 52, 53 und 54 auf. Die Blätter 32 weisen Kanten 61, 62, 63 und 64 auf. Die Öffnungen 25 haben Kanten 71, 72, 73 und 74. Die Öffnungen 35 umfassen Kanten 81, 82, 83 und 84. Man erkennt, dass die jeweils einander benachbarten Kanten 51 und 71, 52 und 72, 53 und 73; 54 und 74; 61 und 81, 62 und 82, 63 und 83, 64 und 84 parallel zueinander ausgerichtet sind.

In 3 ist eine schematische Ansicht eines Rührsystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in Aufsicht dargestellt. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist die dem Betrachter zugewandte Anströmseite der Strombrecher 45 nicht mehr im Wesentlichen rechteckig, sondern weist vielmehr im Wesentlichen die Form eines abgestumpften Kreissegments auf. Der Winkel a liegt im gezeigten Beispiel bei ca. 50°.

Es wird im Vergleich mit dem ersten Ausführungsbeispiel nach 2 deutlich, dass durch Variation der Gestalt der Anströmfläche der Strombrecher 45 der Bereich, welchen die Strombrecher für die Strömung entlang der Längsachse 15 abdecken, vergrößert wird und somit ein zunehmender Anteil der Glasschmelze zur Umströmung der Strombrecher gezwungen wird. Die Bereiche mit erhöhter Dehnrate können auf diese Weise vergrößert werden.

In 4 ist eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Rührsystems in Aufsicht gezeigt. Bei dieser dritten Ausführungsform beträgt der Winkel &agr; zwischen den Seitenflächen 41, 42 des Strombrechers 45 180°. Zwischen den Seitenflächen 41, 42 eines Strombrechers 45 und den entsprechenden Seitenflächen eines diesem diametral gegenüberliegenden Strombrechers ist ein Spalt freigegeben, in welchen die axial strömende Glasschmelze gezwungenermaßen umgelenkt wird.

Die dadurch erzielbare Steigerung der Dehnraten gegenüber den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen lässt sich dadurch weiter erhöhen, dass die Breite dieses Spaltes verringert wird, im Extremfall kann die Breite des Spaltes 0 betragen, das heißt, es verbleibt ein Winkel a von 360°, also ein Strombrecher mit einer scheibenförmigen Anströmfläche, welche in der Umgebung des Schaftes 10 eine Öffnung freilässt. Durch diese blendenartige Anordnung kann der Strömung eine besonders hohe Dehnrate in achsialer Richtung aufgeprägt werden.

In 5 ist die Strömung durch ein Rührsystem 1 mit Strombrechern mit einem Winkel a = 0 schematisch dargestellt. Die Glasschmelze fließt vertikal von oben nach unten durch das Rührsystem 1. Im Spalt zwischen der in radialer Richtung äußerer Begrenzungsfläche der Blätter 22und der Wand 90 strömt die Glasschmelze nach unten. Sobald sie in den Einflussbereich der Strombrecher 45 gelangt, erfolgt eine Richtungsumkehr in radialer Richtung 101 von der Wand 90 auf die Längsachse 15 hin gerichtet. Die Glasschmelze strömt auf der Anströmseite des Strombrechers 45 nach innen.

Beim Erreichen des Einflussbereiches der dem Schaft 10 zugewandten Begrenzungsfläche der Strombrecher erfolgt eine Richtungsumkehr und die Glasschmelze strömt in Nachbarschaft zum Schaft 10 zwischen diesem und dem Strombrecher nach unten. Hat die Glasschmelze den Einflussbereich der Strombrecher 45 passiert, erfolgt eine erneute Richtungsumkehr in radialer Richtung 102 vom Schaft 10 hin weg auf die Wand 90 zu gerichtet, wobei die Abströmsteite des Strombrechers 45 passiert wird. Im weiteren Verlauf strömt die Glasschmelze durch den Einflussbereich der zweiten Gruppe von Flügeln nach unten.

Anhand des Schnittes entlang der Linie A-A durch die erste Gruppe von Flügeln wird nachfolgend die Strömung in der Ebenes senkrecht zur Längsachse 15 beschrieben. Das Rührsystem wird von der Antriebseinrichtung (nicht dargestellt) zu einer Rotation entgegen dem Uhrzeigersinn angeregt. Durch die Blätter 22 wird die Schmelze in Umfangsrichtung 201 mit dieser Rotation mitbewegt. Im Bereich der Öffnungen 25 jedoch wird die Schmelze nicht mit der Rotation mitbewegt. Vom Bezugssystem der Rührerblätter aus betrachtet, führt die Glasschmelze im Bereich der Öffnung 25 eine Bewegung entgegen der Rotationsrichtung in einer Umfangsrichtung 202 aus. Durch den großen Geschwindigkeitsgradienten der Komponenten in Richtung 201und 202 entsteht eine vorteilhafterweise hohe Scherrate in diesem Bereich.

In 6 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt. Während in den bisher beschriebenen Fällen die Öffnungen 25, 35 zentrisch in den Blättern 22, 32 positioniert waren, ist bei dieser Ausführungsform eine Position gewählt, bei welcher sich die Öffnung in radialer Richtung bis zur äußeren Begrenzungsfläche der Blätter 22, 32 erstreckt. In analoger Weise können mehrere Öffnungen in einem Blatt 22, 32 angeordnet werden.

In 7 ist das erfindungsgemäße Rührsystem zur Veranschaulichung einer Möglichkeit zur Wahl der Abmessungen in Relation zum Wandabstand dW dargestellt. Der Wandabstand ist der Abstand zwischen der vom Schaft 10 abgewandten äußeren Kante eines Blattes eines Flügels der Gruppe 20 beziehungsweise 30 und der wand des Tiegels 90.

Im gezeigten Beispiel beträgt der Durchmesser des Schaftes 10 das sechsfache des Wandabstandes, wobei der Tiegeldurchmesser mit 16 dW gewählt wurde. Die Dicke eines Flügels ist gleich dem Wandanstand. Die Höhe eines Flügels beträgt 8 dW.

Die Achsen, welche in radialer Richtung zum Schaft 10 die Blätter einer Gruppe von Flügeln in ihrer Höhe symmetrisch teilen, werden als Flügelachsen bezeichnet. Der Abstand der Flügelachsen der beiden Grupen 20, 30 von Flügeln beträgt 18 dW. Die Höhe eines Loches wurde mit 4 dW gewählt, wobei die Lochbreite 2 dW beträgt.

In den 8 und 9 sind sogenannte Längendehnungsdiagramme gezeigt, welche zur Charakterisierung von Rührsystemen herangezogen werden können. Um ein derartiges Längendehnungsdiagramm zu erstellen, werden für eine vorbestimmbare Anzahl von Fluidelementen die Pfade berechnet, welche diese Fluidelemente beim Durchströmen des betrachteten Rührsystems zurücklegen. Längs eines jeweiligen Pfades werden dabei Dehnungen, die das Fluidelement erfährt, aufsummiert. Nach dem Durchlauf durch das betrachtete Rührsystem, das heißt am "Ausgang", wird als Ergebnis ein Dehnungswert &lgr; angegeben, um welchen das betrachtete Fluidelement in Bezug auf seine Abmessung beim Eintritt in das Rührsystem gedehnt wurde.

Bei der Berechnung werden alle am Ausgang eingetroffenen Fluidelemente mit den zugehörigen Dehnungswerten erfaßt. Dann wird eine Sortierung nach dem Diskretisierungsschema 5–10–15–20–25 durchgeführt. Es werden alle Fluidelemente gezählt, deren Dehnungswerte unterhalb der Obergrenze des betrachteten Intervalls liegen. Haben beispielsweise für den Dehnungswert 5 vier Fluidelemente einen geringeren Dehnungswert, und werden insgesamt 20 Fluidelemente betrachtet, erhält man eine Wahrscheinlichkeit von 0,2, welche dem Dehnungswert 5 zugeordnet wird. Haben beispielsweise für den Dehnungswert 10 acht Fluidelemente einen geringeren Dehnungswert, erhält man entsprechend eine Wahrscheinlichkeit von 0,4, welche dem Dehnungswert 10 zugeordnet wird. Mit steigenden Dehnungswerten der Intervallobergrenzen steigt die Wahrscheinlichkeit bis zum Maximalwert 1. Auf diese Weise wird eine Summenverteilung der Dehnungswerte berechnet.

In den Längendehnungsdiagrammen sind die Werte für die Wahrscheinlichkeit zu den Intervallobergrenzen für den Dehnungswert &lgr; aufgetragen, wobei zur besseren Darstellung log10&lgr; zur Skalierung herangezogen wird.

Bei der Auftragung ist zu beachten, daß die y-Achse umgekehrt skaliert ist, um eine einfachere Vergleichsmöglichkeit der Kurven für unterschiedliche Rührsysteme zur Verfügung zu stellen. Bei einem sehr schlechten Rührer, welcher keinerlei Längendehnung der ihn passierenden Fluidelemente erzeugt, werden bereits bei der kleinsten Intervallobergrenze – im Beispiel bei einem Dehnungswert von 5 – alle Fluidelemente erfaßt, denn alle haben den Dehnungswert 1. Damit ist die Wahrscheinlichkeit für den Dehnungswert 5 bereits der Maximalwert 1.

Im Dehnungsdiagramm ist dann für den Dehnungswert 5 und alle größeren Dehnungswerte der Wert 1 für die Wahrscheinlichkeit einzutragen, womit die Kurve des schlechtesten Rührers auf der sogenannten "Einslinie", der x-Achse, liegen. Die zu einem besseren Rührer gehörende Kurve liegt darüber: Werden zum Beispiel alle Fluidelemente um mindestens den Faktor 30 gedehnt – also mehr als die im Ausgangsbeispiel genannte maximale Intervallobergrenze für den Dehnungswert. so erhält man für alle Fluidelemente die Wahrscheinlichkeit 0 für die betrachteten Intervallobergrenzen. Im Dehnungsdiagramm dieses besseren Rührers liegen alle Punkte auf der sogenannten "oberen Nulllinie".

Durch die Umkehrung der Skalierung der y-Achse von 1 bis 0 wird damit eine einfache Orientierung im Dehnungsdiagramm ermöglicht: Je weiter oben im Dehnungsdiagramm eine Kurve liegt, um so besser ist das Rührsystem.

Im Diagramm in 8 wird das erfindungsgemäße Rührsystem 1 mit vier weiteren Rührern verglichen. Aufgetragen ist die Wahrscheinlichkeit über dem log10&lgr; für eine Drehzahl von 15 min–1. Beim Durchlaufen eines Rührers mit zwei Flügelgruppen, die jeweils zwei einander diametral gegenüberliegende rechteckige Blätter umfassen (R1) werden die Fluidelemente am wenigsten gedehnt, die zugehörige Kurve liegt am weitesten unten im Diagramm. Beim Durchlaufen eines Rührers mit drei Flügelgruppen, die jeweils zwei einander diametral gegenüberliegende rechteckige Blätter umfassen, wobei die Blätter der oberen Flügelgruppe Öffnungen aufweisen (R2) werden die Fluidelemente etwas mehr gedehnt. Werden auch die Blätter der mittleren Flügelgruppe mit Öffnungen (R3) versehen, nimmt die Dehnung weiter zu. Entsprechendes gilt, wenn die Blätter aller drei Flügelgruppen mit Öffnungen (R4) versehen sind.

Eine deutliche Zunahme der Dehnung der Fluidelemente gegenüber dem Rührer R4 wird in überraschender Weise durch das erfindungsgemäße Rührsystem 1 erreicht. Die Kurve des Rührsystems 1 liegt oberhalb der Kurven für die anderen vier Rührsysteme.

Wird eine entspechende Betrachtung für eine Drehzahl von 30 min–1 durchgeführt, erhält man das in 9 gezeigte Diagramm. Gegenüber der Darstellung in 8 werden in

9 statt der Betrachtung des Rührers R3 die Rührer R5 und R6 betrachtet. Der Rührer R6 entspricht dem Rührer R4 mit dem Unterschied, daß die Blätter aller drei Flügelgruppen keine Öffnungen aufweisen. Man erkennt, daß durch das Fehlen der Öffnungen die Dehnung der Fluidelemente deutlich abnimmt, die Kurve des Rührers R6 liegt signifikant unterhalb der des Rührers R4.

Bei den Rührern R2 bis R4 und R6 liegen die Blätter der drei Flügelgruppen nicht in derselben Ebene. Anders ist dies beim Rührer R5, welcher drei Flügelgruppen aufweist, deren jeweils zwei Blätter derart ausgerichtet sind, daß Blätter übereinander angeordneter Flügelgruppen sich aneinander anschließen. Dadurch wird die Dehnungswirkung des Rührsystems deutlich verschlechtert. Die Kurve für den Rührer R5 liegt unterhalb aller anderen Kurven.

Im Unterschied zu den oben diskutierten Ergebnissen der Rührer ist die Dehnungswirkung des erfindungsgemäßen Rührsystems bei der Drehzahl 30 min–1 wesentlich höher als die der übrigen Rührer. Die Anordnung eines Rührer und zumindest zweier Gruppen von Flügeln, wobei die Flügel jeweils zumindest ein Blatt umfassen, welches parallel zur Längsachse ausgerichtet ist, und zumindest eine Öffnung aufweisen, und wobei die zumindest zwei Gruppen von Flügeln am Schaft mit einem Abstand zueinander positionierbar sind, und mit zumindest einer Gruppe von Strombrechern, welche insbesondere zwischen zwei Gruppen von Flügeln positionierbar ist, bietet somit erhebliche Vorteile. Insbesondere ist die Dehnungswirkung dieses Rührsystems sehr hoch, wodurch eine effiziente Zerkleinerung von Fluidelementen und somit eine verbesserte Homogenisierung der Schmelze erreicht werden kann.


Anspruch[de]
Rührsystem (1) für Glasschmelzen mit

einem Rührer, welcher einen Schaft (10), der eine Längsachse (15) definiert, und zumindest zwei Gruppen (20, 30) von Flügeln aufweist, wobei

die Flügel jeweils zumindest ein Blatt (22, 32) umfassen, welches parallel zur Längsachse (15) ausgerichtet ist, und zumindest eine Öffnung (25, 35) aufweisen, und wobei

die zumindest zwei Gruppen (20, 30) von Flügeln am Schaft (10) mit einem Abstand zueinander positionierbar sind,

und mit

zumindest einer Gruppe (40) von Strombrechern (45), welche derart zwischen zwei Gruppen von Flügeln (20, 30) positionierbar ist, daß im Betrieb eine Relativbewegung der Strombrecher (45) und Flügel (20, 30) erfolgt.
Rührsystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Gruppe von Flügeln (20, 30) zumindest zwei einander diametral gegenüber positionierbare Flügel aufweist. Rührsystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blätter (22, 32) zumindest eines Flügels in zumindest einer Ebene parallel zur Längsachse (15) rechteckig sind. Rührsystem (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Öffnung (25, 35) in einem Blatt (22, 32) rechteckig ist. Rührsystem (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten (51, 52, 53, 54; 61, 62, 63, 64) des Blattes (22, 32) parallel zu den Kanten (71, 72, 73, 74; 81, 82, 83, 84) der Öffnung (25, 35) verlaufen. Rührsystem (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (25, 35) zentrisch im Blatt (22, 32) positioniert ist. Rührsystem (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (&agr;) zwischen den radial verlaufenden Seitenflächen (41, 42) eines Strombrechers (45) einen Wert im Bereich von 0° und 360° aufweist. Rührsystem (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Gruppe von Strombrechern (40) zwei einander diametral gegenüber positionierbare Strombrecher (45) aufweist. Rührsystem (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Strombrecher (45) in einer Ebene parallel zur Längsachse (15) rechteckig ist. Rührsystem (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest drei Gruppen von Flügeln. Rührsystem (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest zwei Gruppen von Strombrechern. Rührsystem (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppen von Flügeln und die Gruppen von Strombrechern alternierend in Bezug zur Längsachse (15) positionierbar sind.






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