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Der „Enviro Ofen“ – mit unserem neuen Gegenlaufofen in die richtige Richtung

Die Energiewende ist eine gesamtgesellschaftliche Aufgabe, die in Deutschland schon seit vielen Jahren diskutiert und inzwischen von der Mehrheit der Bevölkerung und der Politik getragen wird. Bis zum Jahre 2050 soll beispielsweise die Energieversorgung in Deutschland weitestgehend auf regenerative Energiequellen umgestellt sein. Mindestens ebenso wichtig ist in diesem Zusammenhang die Energieeffizienz, die seit einiger Zeit in den öffentlichen Diskussionen zunehmend die notwendige Beachtung findet.

KELLER HCW hat es sich zur Aufgabe gemacht, die Energieeffizienz in Ziegelwerken nachhaltig zu steigern und somit die energiebedingten CO2-Emmissionen zu senken. Bei den zur Herstellung eines Ziegels notwendigen Prozessen sind zweifelsohne der Trockenund Brennprozess die energieintensiven Vorgänge. Um den Energiebedarf beim Brennen drastisch zu reduzieren, hat KELLER HCW das Prinzip des Gegenlaufofens grundlegend überdacht und in ein zukunftsfähiges Konzept überführt. Der Energieverbrauch kann somit beispielsweise für eine Dachziegelanlage mit H-Kassetten gegenüber einer modernen konventionellen Anlage um min. 30 % reduziert werden.

Der Brennprozess

Im konventionellen Tunnelofen erfolgt der Energietransfer nach dem Fluid-Solid-Prinzip. Das heißt, es wird Luft eingesetzt, um Energie zu transportieren. Faktisch bedeutet dieses, dass heiße Luft aus der Kühlzone des Ofens zur Verfügung steht, die an anderer Stelle genutzt werden muss, und weiterhin Luft durch die Brennzone strömt und in Form von Rauchgasverlusten den Ofen verlässt. Um den Energieverbrauch des Brennprozesses signifikant zu reduzieren, sind diese Energieströme zu reduzieren oder gar zu eliminieren. Wie kann das gelingen?

Die Antwort auf diese Frage ist schwierig und dennoch nicht unbekannt. Der Gegenlaufofen vereint grundsätzlich zahlreiche Vorteile. Der Energietransfer im Gegenlaufofen erfolgt nach dem Solid-Solid-Prinzip (siehe Bild 1) und nicht wie im klassischen Ofen nach dem Fluid-Solid Prinzip. Somit ist sichergestellt, dass keine Luft in Form von Längsströmung durch die Brennzone strömt, wodurch die Rauchgasverluste stark reduziert werden. Weiterhin gibt es keine Energieabfuhr aus der Kühlzone und somit ist eine Kopplung mit dem Trockner hinfällig. Bekannte Gegenlauföfen sind zweigleisig mit ca. 3 bis 4 m breiten Ofenwagen. Der Energietransfer von einem zum anderen Gleis erfolgt über freie Konvektion (siehe Bild 2). Verbesserungspotenzial haben diese Öfen hinsichtlich der Vergleichmäßigung sowie der Intensivierung der Konvektion durch eine Zwangsbelüftung. Ein Strahlungsaustausch ist aufgrund der Trennwand zwischen den Gleisen nicht möglich.

Weiterhin bekannt sind theoretische Betrachtungen z. B. von Universitäten und Instituten. KELLER HCW hat sich mit den bekannten Ergebnissen und Grundlagen des Gegenlaufofens intensiv auseinandergesetzt und durch Neugestaltung und Modifikation den neuen Gegenlaufofen „Enviro“ geschaffen. Dieser Ofen eliminiert bestehende Nachteile und nutzt die bekannten Vorteile, sodass ein völlig neues Brennkonzept mit hohem Energieeinsparpotenzial entstanden ist.

Der Enviro Ofen

Wie ist der Enviro Ofen aufgebaut, wie funktioniert er?

Wichtigste Aufgabe im „Enviro Ofen“ ist, dass der Energietransfer Solid-Solid erfolgreich abläuft. Deshalb ist es naheliegend, dass die nebeneinander herfahrenden Produktströme geometrisch begrenzt sind, die Konvektion als Zwangskonvektion ausgeführt ist und dieWärmeübertragung mittels  Strahlung möglichst vollständig genutzt wird. Um diese Anforderungen zu erzielen, hat KELLER HCW die Ofenwagen gedanklich in Scheiben geschnitten und nebeneinander aufgereiht. Auf diese Weise bildet sich eine Mehrzahl an Ofenwagen, auf denen aufzuheizende und abzukühlende Produkte sich nebeneinander gegenläufig bewegen. Die Wärmeübertragung findet hierin optimale Rahmenbedingungen. Über die Länge des Ofens sind im Bereich der Konvektion Umwälzventilatoren angeordnet, die für eine Querumwälzung sorgen. Ab einer Temperatur von ca. 700 °C sind diese Umwälzer nicht mehr erforderlich, da der Strahlungsanteil überwiegt und der Wärmeaustausch vorwiegend hierüber erfolgt. In der Brennzone erfolgt wie bei einem konventionellen Ofen der Garbrand.

Versuchsanlage

Den Überlegungen zur Neugestaltung des Gegenlaufofens sind umfangreiche theoretische Betrachtungen unter anderem mit der Software „Fluent“ in Zusammenarbeit mit der Hochschule Osnabrück vorausgegangen. Um die Erkenntnisse abzusichern und fundierte Messdaten zu erhalten, hat KELLER HCW einen Versuchsofen mit den Abmessungen Breite 5 m, Länge 16 m und Höhe 5 m aufgebaut und umfangreiche Messwerte aufgenommen.

Auch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt, die sich in vielfältiger Weise für Umweltschutzprojekte einsetzt, hat das Potenzial des neuen „Enviro Ofens“ erkannt und den Aufbau der Versuchsanlage finanziell gefördert.


Strömungstechnik

Um hochwertige Brennergebnisse zu erzielen, muss im Besatzraum ein gleichmäßiges Strömungsprofil erreicht werden. Dieses konnte durch gezielte Einbauten erreicht und messtechnisch an unterschiedlichen Ebenen nachgewiesen werden (siehe Bild 6). Schon eine Luftgeschwindigkeit von kleiner 1 m/s reicht aus, um die notwendige Wärmeübertragung im konvektiven Bereich sicherzustellen.

Thermodynamik

Die Wärmeübertragung nach dem Solid-Solid Prinzip funktioniert. Jeweils nach einem TOW Schub kann die „Aufheizung“ der einen Besatzscheibe und die „Abkühlung“ der anderen Besatzscheibe messtechnisch erfasst und die Wärmeübertragung nachgewiesen werden (siehe Bild 7). Da es sich beim „Enviro Ofen“ prinzipiell um eine „Einzelsteinbehandlung“ handelt, ergibt sich eine sehr gute Temperaturverteilung im Besatz und es können an den kritischen Haltepunkten höhere Heiz- und Kühlgradienten gefahren werden als es aus konventionellen Öfen bekannt ist – und dass bei gleichbleibend hoher Produktqualität. Auch andere Produkte wie z. B. Vormauerziegel, Riemchen, Hintermauerziegel oder auch nicht keramische Produkte können im neuen KELLER „Enviro Ofen“ gebrannt werden.

Energie sparen – Betriebskosten reduzieren

Das Energieeinsparpotenzial, welches sich mit dem neuen „Enviro Ofen“ ergibt, lässt sich anschaulich mit Hilfe eines Sankey-Diagrammes darstellen. Am Beispiel einer modernen Dachziegelanlage mit H-Kassetten zeigt sich, dass sich der Gesamtenergiebedarf für Trocknen und Brennen von 631 auf 398 kcal/kg Dachziegel reduzieren lässt.

Mit dem neuen KELLER „Enviro Ofen“ gelingt die Entkopplung von Ofen und Trockner. Auf diese Weise ergeben sich völlig neue Möglichkeiten in der Beheizung des Trockners wie z. B. Niedrigenergietrocknung, Kraft-Wärmekopplung oder auch die Beheizung mit alternativen Brennstoffen. Der Energieversorgung des Trockners kann hierdurch kundenspezifisch und exakt bedarfsorientiert erfolgen. Somit entfallen in vielen Anlagen die bisherige systembedingte Überversorgung des Trockners mit Ofenluft und das „Abblasen“ wertvoller Energie. Das schont die Umwelt, spart Ressourcen und verringert die Betriebskosten – eine lohnenswerte Investition!

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