Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Neues Tunnelofenkonzept zum energieeffizienten Brennen von Ziegeln

Der heutige Tunnelofen hat relativ große Luft- und Abgasmengen. Geringe Ausfahrtverluste werden durch hohe Kühlluftmengen „erkauft“, die aus dem Tunnelofen abgesaugt und der asynchron zum Brennbetrieb stattfindenden Trocknung zugeführt werden. Diese Heißluft bindet meist über 50% der eingebrachten Primärenergie. Einem Technologiewechsel stehen die Langlebigkeit bestehender Anlagen und hohe Investitionssummen entgegen. Daher wird ein neues Konzept benötigt, das auf bestehende Anlagen übertragen werden kann. Insbesondere bei der Herstellung von Dachziegeln, die einzeln auf Brennhilfsmitteln gebrannt werden, kann die Heißluft aus dem Ofen nicht vollständig im Trockner Verwendung finden. Es gilt, diese Luftmenge deutlich zu vermindern. Im Vorhaben ist vorgesehen, in Vorwärm- und Kühlzone direkt über dem Besatz innerhalb des Brennkanals Ventilatoren zu platzieren, die das Ofengas umwälzen. Mit kleiner Leistung können große Luft- oder Gasmengen bewegt werden und der konvektive Wärmeübergang gesteigert werden, wie es in der Metallindustrie seit vielen Jahren getan wird. Auf diese Weise kann der Luft-/Gasstrom im Ofen erheblich reduziert werden. Der Wärmeübergang wird in dem neuen Konzept nicht mehr durch die axiale Strömung mit der relativen geringen Geschwindigkeit hervorgerufen, sondern durch die Querströmung, die mit den Ventilatoren örtlich individuell eingestellt werden kann. Das neue Tunnelofenkonzept ist das Erste, das sich auch mit der Kühlzone beschäftigt. Die drei Forschungsstellen werden ein neues Tunnelofenkonzept entwickeln, mit dem vorhandene Ofenanlagen umgerüstet werden können. Durch die Zusammensetzung des projektbegleitenden Ausschuss kann das Verfahren direkten Eingang in die Industrie finden. Die deutschen Keramikanlagenbauer können somit ihren weltweiten Innovationsvorsprung erhalten und die klein- und mittelständisch strukturierte Ziegelindustrie ihren Energiebedarf deutlich senken und somit dem Ziegel einen Wettbewerbsvorteil verschaffen.

Ergebniszusammenfassung:

Die Arbeit der drei Forschungsstellen teilte sich in theoretische und praktische Arbeiten auf. Zunächst wurde die später im Technikumsofen aufgebauten Besatzstapel aus Dachziegeln und Brennhilfsmitteln in einem 3D-Modell abgebildet und der Einfluss des Umwälzersystems auf die Wärmeübergangs- und Strömungsbedingungen simuliert. Ebenso wurde der Technikumsofen, als Ausschnitt eines Tunnelofens umgebaut, der Heißluftventilator installiert und der Besatz aufgebaut. Zeitgleich wurden Messungen an einem real existierenden Tunnelofen zur Produktion von Dachziegeln vorgenommen, als Basis für die Erstellung des Ofenmodells. Sowohl in der vorgenommenen Simulation durch die RWTH Aachen als auch durch die am IZF durchgeführten Strömungsversuche zeigten eindrucksvoll die Wirkung eines Ventilators und die deutliche Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeiten zur Verbesserung des Wärmeübergangs. Auf der Basis der Messungen im Ziegelwerk und den Ergebnissen der Technikumsversuche wurde ein Tunnelofenmodell entwickelt, mit dem die Möglichkeiten der Verbesserung der Wärmeübertragung, die Verminderung der für die Wärmeübertragung notwendigen Luft- und Verbrennungsgasmengen und damit der immense Einfluss auf den Energieverbrauch dargestellt werden konnte. Allein durch den Einsatz solcher Heißluftventilatoren in der Kühlzone können bis zu 25% Energie eingespart werden und zudem die in Dachziegelwerken meist überschüssige Wärmemenge zum Trockner deutlich vermindert werden. Das Ofenmodell zeigt zudem, dass bei konsequentem Einsatz solcher Ventilatoren sowohl in der Aufheiz- als auch in der Kühlzone eine Energieeinsparung von über 50% erreicht werden kann.