Verfahren und Vorrichtung zur elektromagnetischen

Beeinflussung der Strömungsverhältnisse in gering elektrisch leitfähigen und hochviskosen Fluiden

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine zur Durchfuhrung des Verfahrens geeignete Vorrichtung zur schwerkraftunabhangigen elektromagnetischen Beeinflussung der Stromungsverhaltnisse von gering elektrisch leitfahigen und hochviskosen Fluiden - vorzugsweise Glasschmelzen - in Kanälen beliebigen Querschnitts.

Die Strömung in einem Glasschmelzaggregat erfolgt in der Praxis vorrangig durch Konvektion, welche unter dem Einfluss der Schwerkraft durch Dichteunterschiede infolge von Temperaturgradienten in der Schmelze entsteht. Sie wird oft mit Hilfe einer elektrischen Zusatzheizung (EZH) verstärkt. Damit ist die erzeugte Kraftwirkung allerdings immer an das Vorhandensein und die Richtung der Schwerkraft bzw. entgegengesetzt dazu sowie an das Vorhandensein von Temperaturgradienten gebunden. Aufgrund der erforderlichen Gradienten ist also nie eine thermische Homogenisierung der Schmelze möglich und die chemische Homogenisierung ist an lange Prozesszeiten gebunden. Zudem können lokale Unterkuhlungen bzw. Uberhitzungen der Schmelze und das damit verbundene Reboiling auftreten.

Eine weitere angewandte Stromungsbeeinflussung ist das mechanische Ruhren. Es erfolgt mit Hilfe verschiedener Ruhrertypen und bei Glasschmelzen an unterschiedlichen Positionen im Schmelzaggregat. So kann z.B. ein Stabruhrer mit Hilfe hoher Drehzahlen und der dadurch auftretenden Scherkräfte eine vorhandene Schliere auseinander ziehen, wodurch ihre Oberflache vergrößert und die für den Abbau des chemischen Gradien-

ten notwendige Diffusion begünstigt wird (s. u.a. DE 100 57 285) .

Für die Verbesserung der thermischen Homogenität werden vor allem Spiralrührer verwendet, da sie einen hohen Materialtransport gewährleisten [1] . Deshalb eignen sie sich auch besonders zum Einfärben von Glas im Speiser von Glasschmelzanlagen (Feederbereich) (SU 1 011 564) .

Flügelrührer hingegen erzeugen die Scherkräfte durch unterschiedliche Geschwindigkeiten entlang eines Flügels (DD 296 798, DD 274 812, EP 0 504 774) .

Trotz vielfacher Anwendung gewährleistet der Einsatz von mechanischen Rührern jedoch oft nicht die gewünschte Verbesserung der Homogenität der Glasschmelzen, da einerseits die Abrasionsprodukte der Rührer wieder Färbungen, Kristallkeime und sonstige Verunreinigungen [1] verursachen und andererseits die Gefahr des thermischen Reboilings durch lokale Unterkühlung und Wiederaufheizung der Schmelze besteht [2] . Weiterhin haben diese Rührer begrenzte Betriebszeiten und rufen infolge des oft notwendigen Edelmetalleinsatzes (Platin, Platin-Rhodium) hohe Betriebskosten hervor.

In der GB 1289317 bzw. DE 2056445 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Glas beschrieben, bei dem zum Rühren von Glasschmelzen, insbesondere während des Gießvorganges oder der Läuterung, elektromagnetische Kräfte genutzt werden, die aus der Wechselwirkung des Heizstromes mit einem senkrecht dazu stehenden äußeren Magnetfeld resultieren.

Hierbei werden Wechselströme mit einer Frequenz von 50Hz und magnetische Wechselfelder gleicher Frequenz genutzt. Die Phasenlage muss nicht zwingend übereinstimmen. Das Magnetfeld

wird von einem oder mehreren von außen an die Schmelzgefäße adaptierten einphasigen und dreiphasigen eisenbehafteten Wechselstrommagneten erzeugt. Durch getrennte Ansteuerung einzelner Magnete sollen unterschiedliche Strömungen realisiert werden. Zur Erzielung hinreichender Rührwirkungen wird empfohlen, das Verhältnis der elektromagnetischen Kraft zu der Konvektionskraft gemäß Gleichung (1)

B

>1 :D

einzustellen. Es bezeichnen: j - die elektrische Stromdichte in der Schmelze, B - die magnetische Flussdichte, g - die Erdbeschleunigung, P _F - die Dichte der Glasschmelze, ß _F - den thermischen Volumen-Ausdehnungskoeffizienten der Schmelze

δi3- - den Temperaturgradienten in der Schmelze. Obwohl hier schon die vorteilhafte Nutzung von Lorentzkräften zur Strömungsbeeinflussung von Glasschmelzen vorgeschlagen wird, lassen die vorgeschlagenen Vorrichtungen und Verfahren nur eine Veränderung der Strömung in oder entgegen der Schwerkraft zu.

Auch nach [3] wird eine deutliche Verbesserung der Farbcharakteristik UV-absorbierender Gläser erzielt, wenn durch die Schmelze über Top-Elektroden ein Wechselstrom geführt und senkrecht dazu ein magnetisches Wechselfeld das Schmelzgefäß durchdringt. Die bessere Verteilung der färbenden Glasbe- standteile (Cr ³ VCr ⁶⁺ -; Fe ³⁺ - Ionen) wird auf die aus der elektromagnetisch generierten Volumenkraftdichte - im folgenden als Lorentzkräftdichte bezeichnet -

- A -

( 2 )

^L dV

mit f _L - Lorentzkraftdichte, F _L - Lorentzkraft,

V - Volumenelement,

resultierenden Strömung in der Glasschmelze zurückgeführt. Die erzielten Stromungsgeschwindigkeiten sollen bei einer magnetischen Induktion von 0,15 T bis zu 12 cm/s betragen haben. über die Stromdichten j in der Schmelze liegen keine Angaben vor.

Daneben sind aus [4] weitere Ergebnisse zum elektromagneti- sehen Ruhren in einer kleintechnischen Anlage (Kanalschmelzer mit 0,8 m ³ Fassungsvermögen) bekannt. Hierbei werden zwei hufeisenförmige Wechselstrommagnete an den Seitenwanden des Kanalschmelzers gegenüberliegend angebracht, so dass sich das Magnetfeld über den Schmelzkanal schließen muss. Drei Elekt- roden sind im Bereich der Einwirkung der Magnetfelder der Wechselstrommagneten mittig im Schmelzkanal mit einem bestimmten Abstand positioniert, so dass das elektrische Stromungsfeld zwischen den Elektroden mit dem in die Schmelze eindringenden Magnetfeld gekreuzt und endliche Lorentzkraft- dichten generiert werden, die wiederum Strömungen im Kanalquerschnitt initiieren. Die Wirkung dieser Strömung soll zur Homogenisierung der Schmelze beitragen. Die Effekte werden anhand von Brechzahlmessungen an Proben aus der erkalteten Schmelze nachgewiesen. Die mittleren Induktionen in der Glas- schmelze betragen zwischen 0,015 T bis 0,249 T.

In SU 81 49 04 wird ein Verfahren zur Verbesserung der Läuterung und Homogenisierung von insbesondere hochviskosen Glasschmelzen (bis zu 500 Pas bei Temperaturen von 1250 ⁰ C bis zu 1460°C) in einem speziellen Schmelzaggregat vorgeschlagen, wobei eine Strömung der Größenordnung 4 bis 5 cm/s und deren Wechsel (z. B. alle 3 bis 5 min) zwischen horizontaler und vertikaler Richtung ( = parallel zur Schwerkraft) mittels entsprechend in der Schmelze wirkenden Lorentzkraftdichten erzwungen wird. Dazu befinden sich in der Schmelze 3 Elektro- denpaare, womit Stromdichteverteilungen je nach Glasart von

10 bis etwa 50 mA/mm ² realisiert werden und außen am Schmelzaggregat ein Elektromagnet, der ein zu der Stromdichte senkrecht stehendes und zeitlich synchrones Magnetfeld (Flussdichte bis 40 mT) erzeugt. Die Richtungswechsel, z.B. von horizontaler nach vertikaler Strömung, werden durch das

Umschalten der Elektroden und des Elektromagneten mittels eines nicht näher beschriebenen Gerätes vorgenommen. Die unterschiedlich gerichtete Ausbildung der Strömung erfolgt aufgrund der jeweils generierten Lorentzkraftverteilung aber zeitlich versetzt, so dass getrennte Arbeitsschritte erforderlich sind, die zum Läutern oder zum Homogenisieren der Glasschmelze dienen. Die Dauer der elektromagnetische Läute- rungs- und Homogenisierungsprozeduren beträgt bis zu mehreren Stunden (1 bis 3 h) . Die Verbesserung der Glasqualität durch die elektromagnetisch initiierten Strömungen wurde anhand der Abnahme der Blasenhaltigkeit von Glasproben im Vergleich zu traditionell hergestellten Gläsern (ohne magnetisches Rühren) nachgewiesen. Als Beispiele sind u.a. für verschiedene Glaszusammensetzungen (in Ma-%) folgende Prozeduren angegeben: • 31 , 04 % S iO ₂ ; 65 , 57 % PbO ; 2 , 64 % Na ₂ O ; 0 , 5 % As ₂ O ₃ und 0 , 25 %

Sb ₂ O ₃ ;

Aufschmelzen: 1350 ⁰ C, 3 h

Läutern: 1480 ⁰ C (30 Pas); 50 mA/mm ² ; 50 mT;

Richtungswechsel alle 5 min; 15 min Gesamtdauer Homogenisieren: 1240 ⁰ C (50 - 70 Pas); 50 mA/mm ² ; 50 mT;

Richtungswechsel alle 5 min; 90 min Gesamtdauer • 65,15% SiO ₂ ; 12,11% B ₂ O ₃ ; 3,19% Al ₂ O ₃ ; 1,56% BaO; 1,20% CaO; 0,50% MgO; 6,10% K ₂ O; 9,89% Na ₂ O und 0,30% As ₂ O ₃ ; Aufschmelzen: 1380 ⁰ C - 1420°C, 3 h Läutern: 1440 ⁰ C - 1460°C (20 - 25 Pas); 20 mA/mm ² ;

40m T; Richtungswechsel alle 2,5 min; 15 min Gesamtdauer

Homogenisieren: 1280°C - 1260 ⁰ C (225 - 230 Pas);

50 mA/mm ² ; 40 mT; Richtungswechsel alle 5 min; 90 min Gesamtdauer

• 42,80% SiO ₂ ; 45,00% PbO; 10,40% K ₂ O; 1,50% Na ₂ O; 0,30% As ₂ O ₃ Aufschmelzen: 1380°C, 3 h

Läutern: 1450 °C ( 20 Pas); 30 mA/mm ² ; 50m T;

Richtungswechsel alle 5 min; 30 min Gesamtdauer Homogenisieren: 1280 ⁰ C (120 Pas); 30 mA/mm ² ; 50 mT;

Richtungswechsel alle 5 min; 60 min Gesamtdauer

In SU 10 244 23 wird ebenfalls ein Verfahren zur Verbesserung der Homogenität von Glasschmelzen mit Hilfe von Lorentzkräf- ten beschrieben, wobei nacheinander länger andauernd (5 - 20 min) ein niederfrequentes magnetisches Grundfeld (0,2 - 0,6

T; 50 Hz) und kurz (0,5 - 2,5 s) ein weiteres, aber höherfre- quentes Magnetfeld (0,01 - 0,03 T, 19 - 250 kHz) auf eine mit einer elektrischen Stromdichte (synchron mit dem Grundfeld) durchsetzten Glasschmelze einwirken. Die Zeit für die elekt- romagnetische Homogenisierungsprozedur beträgt 15 min bis 60 min. Dieses Schmelzverfahren soll insbesondere für die Herstellung von optischen Gläsern geeignet sein.

Die JP 2000-128547 hingegen beschreibt elektromagnetisch initiierte Rührwirkungen in Glasschmelzen bestimmter Zusammensetzung, deren Schmelzzustand in einem induktiv beheizten Platintiegel erzeugt wird. Ein magnetisches Feld - vermutlich Gleichfeld - mit einer Intensität im Bereich von 0,1 T bis 8 T wird senkrecht oder parallel zur Tiegelachse aufgeprägt. Als Einwirkzeiten des Magnetfeldes werden 2 bis 5 h angegeben. Die Zusammensetzung der Glasschmelzen sollte mindestens eines der bekannten netzwerkbildenden Oxide SiC>2, B2O3, P2O5 oder GeC>2 enthalten. Der Anteil dieser Netzwerkbildner - einzeln oder in der Summe - muss allerdings kleiner als 30 mol-% betragen. Auf die Erzeugung einer elektrischen Stromdichte in der Schmelze über Elektroden wird nicht hingewiesen. Es ist somit davon auszugehen, dass in der Schmelze kein von außen initiierter Ionenstrom (d.h. über Elektroden eingeprägt oder elektrisch induziert) fließt. Trotzdem wird eine zusätzliche Strömung festgestellt. Der Einfluss dieser elektromagnetisch hervorgerufenen Strömungen wurde mit Laborexperimenten unter definierten Betriebszuständen durch Messung der veränderten Temperaturverteilungen nachgewiesen. Insbesondere Gläser mit hoher Homogenität und Transmission für optische Anwendungen (Lichtleitfasern, Lasergläser, Gläser extrem hoher Brechzahl, IR-Gläser, ... ) sollen damit ohne mechanisches Rühren herstellbar sein. Angegeben werden z.B. zweistündige Schmelzprozeduren mit 2 T mit folgenden Zusammensetzungen (in mol-%) :

• 77,80% TeO ₂ ; 3,10% PbO; 14,10% B ₂ O ₃ ; 1, 60% Bi ₂ O ₃ ; 1, 6% WO ₃ ; 1,8% Al ₂ O ₃ bei 900 ⁰ C (→ hochbrechende Telluritgläser) ,

• 51,00% ZrF ₄ ; 20,00% BaF ₂ ; 4,50% LaF ₃ ; 4,50% AlF ₃ ; 20,00% NaF ₂ bei 900 ⁰ C (→ Zirkonf luoridgläser für Lichtleiter) ,

• 21, 60% Bi ₂ O ₃ ; 44,80% PbO; 13, 60% Ga ₂ O ₃ ; 20,00% GeO ₂ bei 1000 - 1250°C (→ Germanatgläser) .

Diese Druckschrift enthalt keine Erläuterungen zu den Ursachen der erzielten Effekte. Vermutlich erzeugt die induktive Erwärmung der Tiegelwand eine starke lokale Erwärmung der Schmelze in den Außenbereichen, wodurch eine intensive Konvektion in der Schmelze entsteht. Infolge des sehr geringen Netzwerkbildneranteils der halbleitenden bzw. hochionen- leitenden Glaser stellt diese Strömung gleichzeitig einen Gleichstrom dar. Die Kreuzung dieses naturlichen Gleichstromes mit einem ausreichend starken statischen Magnetfeld fuhrt zu einer konstanten und in einer Richtung wirkenden Lorentz- kraft, die die vorhandene Konvektionsstromung verändert, so dass die festgestellten Homogenisierungseffekte entstehen. Aber auch hier ist die elektromechanische Stromungsbeeinflussung von der Konvektion und damit von dem Vorhandensein einer Schwerkraft und eines Temperaturgradienten abhangig. Es wird auf keinen Fall eine thermische Homogenisierrung erzielt.

Das trifft auch für das in DE 10 2004 015 055 Al vorgeschlagene Verfahren und die dazugehörige Anordnung zur gezielten Beeinflussung des Flusses einer Glasschmelze bei der überführung aus dem Schmelzofen in einem Verarbeitungsprozess zu. Die Lorentzkrafte können nur in oder entgegen der Schwerkraft bzw. der Hauptstromung erzeugt werden.

In DE 31 05 070 Al wird ein Verfahren zur Herstellung von

Glasfasern vorgeschlagen, wobei mit radial wirkenden elektrischen und/oder elektromagnetischen Feldkraften, die auf ein aufgeschmolzenes, mit Dotierstoffen vermengtes Glasgemisch wirken, die radiale Verteilung der thermisch ionisierten Dotierstoffe verändert und somit die Brechzahlverteilung über den Faserquerschnitt gezielt eingestellt. Das elektrische Feld wird zwischen einer in das Glasgemisch eintauchenden Mittenelektrode, die kurz vor dem Erstarren der Schmelze

wieder entfernt wird und einer Außenelektrode, die konzen- zentrisch zur Mittenelektrode angeordnet ist und das Glasgemisch umgibt, eingeprägt. Um Kontaminationen infolge Korrosion der Elektroden zu vermeiden, kann auch um das Glasge- misch eine Spule (Toroid) angeordnet werden, die ein axiales Magnetfeld erzeugt. In diesem Fall muß das Glasgemisch gedreht werden. Dann soll die damit induzierte radial wirkende Lorentzkraft die radiale Ionenverteilung verandern. Stärkere Effekte verspricht man sich, wenn man das axiale Magnetfeld mit dem radialen elektrischen Feld kombiniert.

In keinen der aufgezeigten Falle wird eine Strömung im Glas erzeugt, sondern die thermisch bedingte Diffusion der Ionen durch die generierten Feldkrafte gerichtet. Weiterhin ist zu beachten, dass die Feldkrafte sowohl auf die Kationen als auch auf die Anionen wirken. Diese Wirkung ist aber aufgrund der Ladung der Ionen entgegengesetzt gerichtet, so dass sich das Glas entmischt und nicht homogenisiert wird. Die Wirkung dieser entscheidend nachteiligen Effekte verringert sich auch nicht bei Verwendung von asymmetrischen Wechselfeldern , deren eine Halbwelle bis auf 20 % unterdruckt wird.

In US 6 849 121 Bl werden in einem rotationssysmmetrischen Graphittiegel durch die Erzeugung einer tangential wirkenden Lorentzkraftverteilung, generiert mittels einer radialen

Stromdichteverteilung, welche zwischen einer Graphitelektrode kleinen Durchmessers und dem Graphittiegel selbst durch Anlegen einer Gleichspannung eingeprägt wird, und der überlagerung mit einem axialen Magnetfeld, erzeugt mittels einer den Tiegel umschließenden Solenoid-Spulenanordnung, tangentiale Strömungen in der Schmelze erzwungen, die die Schmelze chemisch homogenisieren sollen und damit am unteren Tiegelaustritt ein uniformes Kristallwachstum gestatten.

Die Verwendung von Gleichfeldern ist generell für Glasschmelzen nicht sinnvoll, da das elektrische Feld eine Dissoziation erzwingt. Weiterhin ist bei diesem Prozess keine Hauptstro- mung in axialer Richtung vorhanden. Ebenso bilden sich infolge der elektrischen Leitfähigkeit des Tiegelbodens auch axial gerichtete Sromdichteverteilungen zwischen Mittenelektrode und Tiegel aus. Das fuhrt dazu, dass insbesondere im Bereich des Tiegelbodens, dort wo sich die Kristalle bilden, keine tangentialen Lorentzkrafte und somit im Extremfall

(Stromdichte parallel zum Magnetfeld) keine tangentiale Strömungen entstehen können. Weiterhin sind mit der vorgeschlagenen Anordnung infolge der dünnen Mittenelektrode nur kleine Stromdichten in der Schmelze realisierbar, da eine Oberfla- chengrenzstromdichte der Elektroden von < 2 A/cm ² eingehalten werden muss. Eine überschreitung wurde die Elektrodenkorrosion exponentiell vergrößern und damit die Bildung reiner Kristalle unmöglich machen. Kleine Stromdichten bewirken aber bei ebenfalls kleinen Flussdichten, die von konventionellen Solenoidwicklungen erzeugt werden, entsprechend geringe

Lorentzkrafte (vgl. Gl. (2), die wiederum nur kleine Strömungen in der Schmelze und somit eine unzureichende Homogenisierung der Schmelze zur Folge haben. Somit mussten teure Hochfeldmagnetsysteme eingesetzt werden, um hinreichende Effekte zu erzielen.

Ahnliche Anordnungen werden auch in EP 0500 970 Al zur Stromerzeugung vorgeschlagen. Hier wird allerdings infolge der Bewegung eines niedrig elektrisch leitfahigen, aber niedrig viskosen Fluid (z.B. Seewasser) durch das starke Gleichfeld (10 bis 20 T) eines supraleitenden Solenoidmagneten im Fluid eine elektrische Stromdichte - anolog den bekannten MHD-Gene-

ratoren - induziert und nicht durch ein externes Magnetfeld induziert bzw. über Elektroden eingeprägt.

In der Patentanmeldung PCT/FR2004/050319 (WO 2005/008157 A2) wird ein Verfahren beschrieben, das nach dem Prinzip des

Induktionstiegelofens arbeitet. Bei diesem Verfahren wird ein zweiter galvanisch getrennter, aber induktiv gekoppelter Induktor benutzt, der ein entgegengesetzt gerichtetes, ebenfalls hochfrequentes elektromagnetisches Feld (0,1 MHz < f < 20 MHz) erzeugt, das auch die Schmelze durchdringt. Die elektromagnetische Kraftwirkung, die sich aus der Wechselwirkung der in der Schmelze induzierten Wirbelströme und den sich überlagernden Induktorfeldern ergibt, erzeugt eine Veränderung der Geometrie der Schmelzoberfläche und eine intensivere, turbulente Durchmischung, wodurch sich das

Aufschmelzverhalten von eingebrachtem Glaspulver verbessert. Die Effekte können mit einer Phasenverschiebung der beiden Induktorsysteme von 20° bis 40° erzielt werden. Jedoch sind aufgrund der geringen elektrischen Leitfähigkeit von Glas- schmelzen und der hohen Verluste sowie des hohen technischen Aufwands für die elektrische Stromversorgung des Induktorsystems die realisierbaren geometrischen Abmessungen des Schmelzaggregates stark eingeschränkt (Durchmesser des Ausführungsbeispiels ca. 10 cm). Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass ein kontinuierlicher Betrieb des Herstellungsverfahrens bisher nicht realisiert wurde.

In der nationalen sowie auch in der internationalen Praxis finden Glasschmelzanlagen mit den bisher bekannten, oben angeführten Vorrichtungen zur elektromagnetischen Strömungsbeeinflussung gegenwärtig keine Anwendung, da die damit erzielbaren Effekte nicht ausreichend sind. Hauptursache dafür ist die ungenügende Durchmischung und Homogenisierung

der Schmelze aufgrund zu geringer Gradienten der Geschwindigkeit im Fluidvolumen . Zudem fuhren die exponentiellen Tempe- raturabhangigkeiten der Eigenschaften (Viskosität, elektrische Leitfähigkeit) von Glasschmelzen zu einer nur schwer beherrschbaren Durchflusssteuerung bzw., -regelung, besonders im Fall von inhomogenen Glasschmelzen.

Eine weitere Ursache für den bisher nicht realisierten Einsatz ist eine ungenügende und/oder diffuse Durchdringung der Schmelzen mit den extern erzeugten Magnetfeldern, so dass die vektorielle Verknüpfung mit der elektrischen Stromdichte in der Schmelze nicht zu der maximal möglichen Lorentzkraft- dichte fuhrt. Des Weiteren sind die Aufwendungen für die Erzeugung des erforderlichen externen Magnetfeldes zu hoch. Das trifft insbesondere für Hochfeldmagnete zu. Dadurch lassen sich die erzielten Effekte nicht wertschopfend umsetzen. Zudem fuhren die Maßnahmen zur elektromagnetischen Stromungsbeeinflussung teilweise zu nachteiligen Nebeneffekten:

• Reboiling infolge ortlicher Uberhitzungen durch ungleich- maßige Verteilung der eingeprägten elektrischen Stromdichten, das durch die exponentielle Zunahme der elektrischen Leitfähigkeit von Glasschmelzen mit der Temperatur noch verstärkt werden kann,

• Aufwolbungen/Durchbruch der Gemengedecke bei vollelektri- sehen Schmelzen (VES) über den Bodenelektroden (Bottom- Elektroden) infolge der in Elektrodennahe starken und nach oben gerichteten naturlichen Lorentzkrafte und daraus resultierendes Ansteigen der Warmeabstrahlung und Gewolbe- schaden .

Die zur Zeit verwendeten Technologien zur Stromungsbeeinflussung (Konvektion, mechanisches Ruhren) haben den Nachteil, dass die Eigenschaften der Glasschmelze unmittelbar vor dem

Verlassen des Schmelzaggregates nur unzureichend steuerbar sind. Besonders zu nennende Problemstellungen sind:

• auf empirischen Ansätzen basierende Durchflusssteuerung / Portionierung der Schmelze • unzureichende chemische und thermische Homogenität der Schmelze

• Kristallisationen in der Schmelze.

Für die sich anschließende Formgebung bedeutet das unter Umständen lange Einfahrzeiten des Prozesses, große Toleranzen in der Maßhaltigkeit und in den Eigenschaften des gefertigten Produktes. Die steigenden Anforderungen an technische Gläser sowie der Trend zur Kostenreduzierung erfordern aber eine stetige Verbesserung der Glasproduktion. Ebenso ist das Schmelzen neuer, vor allem hochschmelzender Glaszusammensetzungen notwendig. Um die erforderliche Qualität des Glasproduktes auch in Zukunft gewährleisten zu können, sind demnach die Möglichkeiten zur Beeinflussung der Strömungsverhältnisse in einem Schmelzaggregat von großer Bedeutung.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung zur elektromagnetischen Beeinflussung der Strömungsverhältnisse von vorrangig Glasschmelzen oder anderen gering elektrisch leitfähigen, viskosen Fluiden in Kanälen beliebigen Querschnitts zu schaffen, die Strömungsbeeinflussungen von der Schwerkraft unabhängig, abschnittsweise, effizent, gezielt steuerbar und werkzeuglos ermöglichen. Damit sollen einerseits die für die chemische Homogenisierung in laminaren Strömungen charakteristischen Diffusionszeiten (durch Maxi- mierung der Grenzfläche der Inhomogenitäten) und andererseits gleichzeitig die Temperaturgradienten simultan minimiert sowie die Verweilzeit des Fluides im Kanal eingestellt werden

können. Weiterhin soll die Homogenisierung (thermisch und chemisch) über den gesamten Strömungsquerschnitt erfolgen und durch Veränderung der Verweilzeit eine Durchflusssteuerung bzw. -regelung möglich werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein im Anspruch 1 angegebens Verfahren und Vorrichtungen nach den Ansprüchen 17 und 18 gelöst.

Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Patentansprüchen 2 bis 16 gekennzeichnet, während bevorzugte Ausgestaltungen der Vorrichtungen in den Patentansprüchen 19 bis 33 angegeben sind.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch charakterisiert, dass die Wandung des Kanals, die unmittelbar mit dem Fluid in Verbindung steht, partiell oder vollständig elektrisch leitfähig ausgeführt wird, und in dem Kanal eine Innenelektrode mittig angeordnet und ebenso wie die Außenelektrode partiell oder vollständig elektrisch leitfähig ausgeführt wird, so dass beim Anlegen einer Wechselspannung an diese Außen- und Innenelektrode das Fluid über die Länge des Kanals partiell oder vollständig von einer vorrangig radialen Stromdichteverteilung durchsetzt wird.

Zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes in dem in diesem Kanal befindlichen Fluid, werden in dem erfindungsgemäßen Verfahren konzentrisch um den Kanal mindestens zwei (oder ein Vielfaches davon) eisenlose Magnetspulen vorzugs- weise in einer Helmholtzanordnung positioniert. Diese Magnetspulen werden mit hinsichtlich des zeitlichen Verhaltens dem Elektrodenstrom analogen jedoch abschnittsweise um 180° gegeneinander phasenverschobenen Spulenströmen gespeist, so

dass der Kanalquerschnitt von einem axial aber abschnittsweise entgegengesetzt ausgerichteten Magnetfeld durchdrungen wird. In Folge dessen stehen im Fluid das elektrische Stromungsfeld j und das magnetische Feld B senkrecht zueinander und ergeben hier gemäß Gleichung (2) die maximal mögliche

Lorentzkraftverteilung F _L , die aber abschnittsweise abwechselnd - ebenso wie das Magnetfeld - tangential zur Stromdichteverteilung in positiver oder negativer Richtung ausgerichtet ist und somit ebenso ortlich abwechselnde tangentiale Geschwindigkeitskomponenten im Fluid erzeugen.

Damit sind gegenüber gleichgerichteten Lorentzkraftverteilun- gen bei sonst gleichen Bedingungen (Stromdichte im Fluid, Flussdichte der Spulen) wesentlich höhere Geschwindigkeits- gradienten im Fluid erzielbar. Dies fuhrt zu einer effizienten Homogenisierung (chemisch und thermisch) des Fluides und gleichzeitig zu einer Vergrößerung der Verweilzeit infolge der überlagerung der tangentialen Stromungskomponenten mit der axialen Komponente aus der Hauptstromung des Fluides. Die Homogenisierung und die Verweilzeit des Fluides im Kanal sind über die Große des Elektrodenstromes, die Große des Spulenstromes und/oder deren Phasenlage zueinander, unabhängig von sonstigen Prozessparametern, variierbar, einstellbar und bei Vorhandensein entsprechender Durchflussmesseinrich- tungen auch regelbar.

Die Anordnung der Magnetspulen gemäß der Helmholtzbedingung (Spulenradius = Spulenabstand) gewahrleistet eine ausreichend gleichmaßige Verteilung des magnetischen Feldes über den gesamten Kanalquerschnitt bei minimalem Einsatz von Leitungsmaterial für diese Magnetspulen.

Gegebenenfalss ist es sinnvoll, die Zu- und Ableitungen für die elektrische Versorgung der Elektroden mit positivem und negativem Wicklungssinn um den Stromungskanal zu fuhren, so dass eine ortlich verteilte aber abschnittsweise entgegenge- setzt durchflossene Spulenanordnung entsteht, die ebenso in ihrer Richtung abwechselnde Magnetfelder erzeugt.

Möglich ist es auch, alle Magnetspulen mit gleichen Stromrichtungen zu speisen, so dass ein in einer Richtung den Kanal und das Fluid axial durchdringendes Magnetfeld entsteht, aber die Innen- und Außenelektrode zu segmentieren, die Segmente elektrisch voneinander zu isolieren und die gegenüberliegenden Elektrodensegmente abwechselnd entgegenzuschalten, so dass im Fluid abschnittsweise abwechselnd radial nach außen oder radial nach innen gerichtete Stromdichteverteilungen entstehen, die wiederum durch die vektorielle Verknüpfung mit dem axialen Magnetfeld zur Stromdichteverteilung tangentiale, abschnittweise in positiver und negativer Richtung wirkende Lorentzkrafte generieren und somit ebenso ortlich abwechselnde, tangentiale Geschwindigkeitskomponenten im Fluid erzeugen.

Mit dem vorgeschlagenen Verfahren und der erfindungsgemaßen Vorrichtung werden über die Lange eines Stromungskanales schwerkraftunabhangig zur Hauptstromungsrichtung senkrechte, abschnittsweise aber gegenläufige Strömungen erzeugt und somit die Geschwindigkeitsgradienten besonders in den Uber- gangszonen der Teilabschnitte maximiert.

Die Magnetspulen oder Teile davon können zur Anpassung an die zur Verfugung stehenden Stromquellen (Mittelfrequenzgenerator, Frequenzumrichter) elektrisch in Reihe oder parallel und bezuglich der Stromrichtung in den Magnetspulen entsprechend

den Erfordernissen gleich- oder entgegengesetzt verschaltet werden .

Bei hochschmelzenden Fluiden und entsprechenden Qualitätsan- forderungen sind die Innen- und die Außenelektrode (Kanalbe- wandung) aufgrund der erforderlichen Temperaturbeständigkeit aus entsprechenden Platinlegierungen auszuführen. Dies hat zur Folge, dass zur Vermeidung von Platinkorrosionen für den Spulen- und Elektrodenstrom vorzugsweise Frequenzen >1 kHz verwendet werden müssen. Für andere Elektrodenmaterialien

(Molybdän, Zinndioxid, ... Kupfer) sind die vorhandenen Netzfrequenzen (50/60 Hz) nutzbar.

Ein weiterer Effekt der eingeprägten elektrischen Stromdichte j besteht darin, dass das Fluid zusätzlich direkt elektrisch beheizt wird. Die zwangsläufig direkt im Fluid erzeugte Heizleistung P _H entsprechend Gleichung (3)

P _H =—V (3) σ

mit P _H - Heizleistung und σ - elektrische Leitfähigkeit des Fluids,

kann einerseits, falls notwendig, verringert werden und die damit verbundene Reduzierung der Lorentzkraftdichte durch eine proportionale Erhöhung der magnetischen Flussdichte ausgeglichen werden (eine Reduzierung der Stromdichte j auf die Hälfte hat eine Verringerung der zusätzlichen Heizleistung auf H zur Folge; um in diesem Fall die gleiche Lorentz- kraftverteilung zu gewährleisten, ist aber nur eine Verdopplung der magnetischen Flussdichte notwendig) oder andererseits zum Ausgleich des erhöhten Wärmeverlustes infolge der

modifizierten Strömungsverhältnisse genutzt werden. Diese Möglichkeiten sind vor allem für Glasschmelzen vorteilhaft.

Die Anwendung der Erfindung bringt insbesondere Vorteile für Glasschmelztechniken mit einem elektrisch beheizten vertikalen Auslaufkanal und Tauchkolben (Plunger) zur Durchflusssteuerung für die Herstellung von hochschmelzenden, alkaliarmen oder -freien Borosilikatgläsern . Hier ist in der Regel nur der Plunger als Mittenelektrode auszuführen und das Magnetsystem als Modul an die Anlagen zu adaptieren. Weiterhin sind mit der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Strömungsbeeinflussung neue Gläser, die bei konventionellen Herstellungstechniken zur Phasentrennung oder zur Kristallisation neigen, herstellbar.

Selbstverständlich liegt es aufgrund der Schwerkraftunabhängigkeit auch im Bereich der Erfindung, den Strömungskanal mit den beschriebenen Varianten des Magnet- und Elektrodensystems in jedem Winkel zur Schwerkraft bis zur horizontalen Lage anzuordnen oder das erfindungsgemässe Verfahren unter μ- gravimetrischen Bedingungen (Weltraum, Parabellflug, u.a.) durchzuführen. Die tangentialen Strömungen werden ebenso elektromagnetisch erzeugt.

Das vorgeschlagene Verfahren und die dazugehörige Vorrichtung ist insbesondere für die Herstellung technischer Gläser, Gläser für Flachbildschirme auf LCD- und Plasmabasis, optischer Gläser, Glasseiden, Behältergläser u.a. geeignet. Zudem lassen sich einige spezielle Gläser überhaupt erst mit Hilfe der erfindungsgemäßen Lösung homogen schmelzen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Qualität der herzustellenden Gläser erheblich gesteigert werden kann und dass eine genauere Dosierung des Fluides und damit einher-

gehend geringere Wandstärketoleranzen der Enderzeugnisse möglich werden.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

Figur 1 - einen Querschnitt und einen Ausschnitt aus dem

Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;

Figur 2 - einen Querschnitt und einen Ausschnitt aus dem Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform;

Figur 3 - die Verteilung der magnetischen Flussdichte in einem Ausschnitt der Vorrichtung nach Figur 2 bei einer magnetischen Durchflutung von 2500 A,

Skala in T

Figur 4 - die Verteilung der Stromdichte im Ringspalt der

Vorrichtung nach Figur 2 bei einer Elektroden- Spannung von 130 V und einer mittleren elektrischen

Leitfähigkeit der Glasschmelze von 1 S/m, Skala in A/m ²

Figur 5 - die Verteilung der Lorentzkraft im Ringspalt der Vorrichtung nach Figur 2 bei einer Elektrodenspannung von 130 V, einer mittleren elektrischen Leitfähigkeit der Glasschmelze von 1 S/m und einer magnetischen Durchflutung von 2500 A, Skala in N/m ³

Figur 6 - Prinzip einer an die erfindungsgemäße Vorrichtung angeschlossenen Durchflussregelung;

Figur 7 - die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Darstellung der Elektrodenzu- und ableitungen;

Figur 8 - einen Querschnitt und einen Ausschnitt aus dem

Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit segmentierten und abwechselnd entgegengeschalteten Elektroden.

In Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform zur elektromagnetischen Strömungsbeeinflussung für eine insbesondere unter der Wirkung der Schwerkraft g auslaufende Glasschmelze (4) in einem vertikalen, rotationssymmetrischen Kanal dargestellt. Die Hauptströmung des Fluids kann aber auch mit einem Druck (Pumpe) erzwungen werden - insbesondere bei horizontaler Annordnung des Kanals.

In jedem Fall ist um den fluidführenden Kanal konzentrisch das Magnetsystem (1) positioniert. Zwischen der Außenelekt- rode (3a) des Elektrodensystems (3) , die zugleich die Kanalwand darstellt, und dem Magnetsystem (1) befindet sich eine thermische Isolation (2). Bei heißen Fluiden, wie es Glasschmelzen sind, ist es zweckmäßig, die hohen Temperaturen mittels einer thermischen Isolation (2) in Form von im Glas- Schmelzanlagenbau üblichen Feuerfestmaterialien auf Temperaturen unterhalb der zulässigen Einsatztemperaturen der für die Magnetspulen verwendeten elektrischen Leitermaterialien (Kupfer) abzubauen. Zur Auslegung dieser Wärmeisolation ist

der Wärmetransport durch Leitung und Strahlung zu berücksichtigen. Bei kalten Fluiden entfällt diese Notwendigkeit. Somit können die Spulenquerschnitte des Magnetsystems kleiner gewählt werden. Im günstigsten Fall sind Magnetspulen- und Kanalquerschnitt, abgesehen von dem Platzbedarf für die elektrische Isolierung zwischen Magnetspulen und Außenelektrode, identisch.

In der Mitte des fluidführenden Kanals ist konzentrisch zur Außenelektrode (3a) des Elektrodensystems (3) die Innenelektrode (3b) angeordnet. Die Außen- und Innenelektrode können beispielsweise aus einer Platinlegierung bestehen. Zwischen der Außen- und Innenelektrode bewegt sich das Fluid (Glasschmelze) (4) in Richtung §.

Das Magnetsystem (1) besteht aus eisenlosen Ringspulen, die abwechseld entgegen geschaltet sind. Man erkennt die dabei abschnittsweise entgegenwirkenden Teilmagnetfelder (5) bzw. die abschnittsweise abwechselnd in positiver oder negativer tangentialer Richtung wirkenden Lorentzkräfte und Geschwindigkeitskomponenten im Fluid. Daraus resultiert bei sonst gleichen Bedingungen theoretisch der doppelte Geschwindigkeitsgradient - insbesondere vorteilhaft, um in hochviskosen, laminar strömenden Fluiden vorhandene Inhomogenitäten (Schlieren) wirksam aufzulösen.

Die Magnetspulen mit dem Radius r ₀ sind im Abstand 2d konzentrisch um den Kanal angeordnet. Die Durchdringung des Fluid- volumens mit dem vom Magnetsystem (1) erzeugten magnetischen Feld ist mit den eingezeichneten magnetischen Feldlinien (5) prinzipiell dargestellt. Die Spulenquerschnitte können kreisförmig oder mehreckig ausgeführt werden.

Die Intensität des magnetischen Feldes im Spulenquerschnitt hängt von der Durchflutung der Magnetspulen w * I und vom mittleren Radius r ₀ des Spulenpaares ab. Für die z-Komponente der Induktion auf der z-Achse (= Spulenachse, Richtung entgegen g) gilt Gleichung (4) :

£ _z (2,0) = - μ ₀ r ₀ ² iW - + - A )

2 (r ^> ₊ (d _{+ z} yy (r ^> ₊ (d - _z yy

wobei 2d - den Spulenabstand, μo - die absolute Permeabilität, r ₀ - den Spulenradius, w - die Spulenwindungszahl und

I - den Spulenstrom

bezeichnen. Demnach können bei einer vorzugsweisen Verwendung einer Helmholtzspulenanordnung mit Radien ro ≤ 20 mm und Durchflutungen von w * I = 1000 A in jedem Abschnitt Induktionen B _z (z,0) > 40 mT erzeugt werden. Mit größer werdenden Magnetspulenradien werden die erzeugten magnetischen Fluss- dichten deutlich kleiner. Dies ist durch eine höhere magnetische Durchflutung der Spulen mittels Veränderung der Spulenwindungszahl w und / oder des Spulenstromes I ausgleichbar.

Befinden sich in dem Magnetsystem leitfähige Gebiete, z. B. die Elektroden und das Fluid, wird das Magnetfeld in Abhängigkeit von der Größe der Frequenz des Magnetfeldes und der elektrischen Leitfähigkeit und Permeabilität dieser Gebiete geschwächt. Die Reduzierung infolge Abschirmung wird durch die Eindringtiefe δ des Magnetfeldes charakterisiert. Für die Eindringtiefe gilt Gleichung (5) :

wobei f - die Frequenz des elektromagnetischen Feldes, μ - die Permeabilität und σ - die elektrische Leitfähigkeit

bezeichnen. Sie nimmt mit steigender Frequenz, Permeabilität und elektrischer Leitfähigkeit exponentiell ab. Tabelle 1 zeigt zur Veranschaulichung der Zusammenhänge die elektromag- netische Eindringtiefe für dispersionsverstärktes Platin

(DVS-Platin) und für eine Glasschmelze mit einer elektrischen Leitfähigkeit von 1 S/m bei verschiedenen möglichen relativen Permeabilitäten in Abhängigkeit von der Frequenz f des magnetischen Feldes.

Es wird ersichtlich, dass Gläser - auch mit von 1 verschiedenen relativen Permeabilitäten - immer ausreichend von höher- frequenten magnetischen Feldern durchdrungen werden, jedoch bei Frequenzen > 5 kHz das Magnetfeld in Gebieten mit metal- lischen Leitfähigkeiten und Dicken von ca. 1 mm, die etwa die Kanalwände bzw. Außenelektroden bei Glasschmelzen aufweisen müssen, auf mehr als den 1/e-ten Teil seiner ursprünglichen Intensität abklingt. Die Frequenz von Elektroden- und Spulenstrom ist deshalb so einzustellen, dass eine minimale Elekt- rodenkorrosion entsteht, aber die magnetische Induktion im Fluid durch die abschirmende Wirkung der Außenelektrode nur auf maximal 50 % der Induktion ohne Abschirmung reduziert wird.

Tabelle 1: Eindringtiefe δ von DVS-Platin und einer Glasschmelze in Abhängigkeit von der magnetischen Feldfrequenz f

Beaufschlagt man das Elektrodensystem (3) mit einer Wechselspannung, entsteht in der Glasschmelze eine radiale Stromdichteverteilung. Die Größe der Stromdichte hängt bei fester Elektrodenspannung von dem elektrischen Widerstand zwischen den Elektroden ab. Dieser wird von der elektrischen Leitfähigkeit der Glasschmelze und der Geometrie des Ringspaltes bestimmt. Unter Berücksichtigung der zusätzlichen Heizleistung (s. Gl. 3) sind in Glasschmelzen Stromdichten bis 100 mA/mm ² möglich. Sind das zeitliche Verhalten von Stromdichte und Magnetfeld zeitlich synchron, wird im Fluid eine tangentiale Lorentzkraftdichteverteilung erzeugt, die eine tangentiale Strömung erzwingt. Bei j = 100 mA/mm ² und B = 40 mT betragen diese Lorentzkraftdichten bis zu +4000 N/m ³ in posi- viter tangentialer Richtung und -4000 N/m ³ in negativer tangentialer Richtung. Die Differenz der elektromagnetisch generirten Kraftdichten von Abschnitt zu Abschnitt beträgt also 8000 N/m ³ . Im Vergleich dazu beträgt die Volumenkraft, die infolge der Schwerkraft auf eine auslaufende Glasschmelze wirkt, nur ca. 2300 N/m ³ .

Figur 2 veranschaulicht eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur elektromagnetischen Strö-

mungsbeeinflussung mit abwechselnd entgegengeschalteten Magnetspulen .

Um eine vollständige und nahezu gleichmäßige magnetische Durchdringung des Fluidvolumens zu realisieren, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, nicht einzelne Magnetspulen, sondern Magnetspulengruppen von mindestens 2 Magnetspulen je Gruppe bezüglich der Stromrichtung entgegenzuschalten, so wie es in dem zweiten Ausführungsbeispiel in Figur 2 gezeigt wird. Hierbei sind die Magnetspulen in Helmholtzanordnung paarweise entgegengeschaltet. Der Innendurchmesser der Außenelektrode beträgt 40 mm, der Außendurchmesser der Innenelektrode 20 mm. Konzentrisch dazu sind 6 wassergekühlte Magnetspulen mit einer Windungszahl w = 1, einem Mittendurchmesser von 120 mm und einem Mittenstand von 60 mm angeordnet. Der Leiterquerschnitt der Magnetspulen ist hohl und rechteckig ausgeführt (Außenabmessungen: 15 mm x 10 mm) . Die Magnetspulen sind in Reihe und paarweise entgegen geschaltet. Sie werden mit einem Strom von 2500 A der Frequenz von 1 kHz durchflössen. Mit dieser Durchflutung entsteht das in Figur 2 gezeigte prinzipielle Feldlinienbild (5) .

Figur 3 zeigt die numerisch berechnete Verteilung der magnetischen Flussdichte in einer Vorrichtung nach Figur 2 zum Zeitpunkt des Maximums des Spulenstromes Man erkennt, dass das Magnetfeld die Glasschmelze vollständig, ausreichend stark (bis zu 10 mT ) und abschnittsweise gleichmäßig durchdringt .

Die berechnete Stromdichteverteilung (vgl. Figur 4) ist radial. Die Stromdichten sind an der Innenelektrode (3b) am größten. Sie betragen hier 20 mA/mm ² und an der Außenelektrode (3a) 10 mA/mm . Die Elektrodenspannung beträgt 130 V. Die

Heizleistung des Elektrodenstromes in den Elektroden ist vernachlässigbar klein. Ebenso vernachlässigbar sind die Wirbelstromverluste infolge des Magnetfeldes in den Elektroden und in der Schmelze. Die erforderliche Leistung der Magnetspulen beträgt 4 kW.

Die mittleren Lorentzkraftdichten (s. Figur 5) in einer Vorrichtung nach Figur 2 betragen in drei Abschnitten (-640/ +480/-640) N/m ³ . Damit entsteht in den Ringspaltabschnitten eine tangentiale Strömung von (-0, 4/+0, 3/+0, 4) mm/s mit abwechselnder Richtung, woraus sich ein mittlerer Geschwindigkeitsgradient von ca. 5, 8 -l/ms ergibt. Das führt zu einer schnellen und guten thermischen und chemischen Homogenisierung der Schmelze.

Ist der vom Fluid durchflossene Ringspalt am unteren Ende offen, läuft das Fluid spiralförmig aus dem Kanal. Die Steuerung der Auslaufgeschwindigkeit des Fluides erfolgt zweckmäs- sig über die Größe der tangentialen Geschwindigkeitskompo- nente im unteren Ringspaltabschnitt, die wiederum von der Größe des Elektrodenstromes und / oder des Magnetfeldes abhängt. Dazu ist es sinnvoll, den unteren Bereich der Außen- und Innenelektrode von dem oberen Bereich zu trennen und elektrisch zu isolieren, so dass die mittlere Auslaufge- schwindigkeit des Fluides über den Elektrodenstrom, der diesem Ringspaltabschnitt zugeführt wird, gesteuert wird. Ebenso kann das untere Magnetspulenpaar von der Stromversorgung des Magnetsystems getrennt und separat versorgt werden, so dass die Steuerung der mittleren Auslaufgeschwindigkeit des Fluides über die Größe der magnetischen Flussdichte in diesem unteren Bereich erfolgt. In den oberen Abschnitten kann somit die elektromagnetische Homogenisierung der Schmelze eingestellt werden.

Um den Steuerbereich der mittleren Auslaufgeschwindigkeit des Fluides zu maximieren, ist es zweckmäßig beide Möglichkeiten zu nutzen, wobei die separate elektrische Versorgung der Elektroden- und Magnetteilsysteme über synchronisierte Stromquellen (Frequenzumrichter) erfolgen kann.

In Figur 6 ist das Prinzip einer an die erfindungsgemäße Vorrichtung angeschlossenen Durchflussregelung dargestellt. Zur Regelung der mittleren Auslauflaufgeschwindigkeit des

Fluides ist eine Durchflussmesseinrichtung (7) im Strömungskanal vorgesehen. Der mit dieser Durchflussmesseinrichtung gemessene Istwert wird regeltechnisch über eine Stromregelung (10) der synchronisierten Stromquellen (8) und (9) an den vorgegebenen Sollwert angeglichen. Als Durchflussmesser eignen sich je nach Art des Fluids zum Beispiel, aber nicht ausschließlich, aus dem Stand der Technik bekannte Blenden (kalte hochviskose Fluide), Flügelradanemometer (kalte, niedrig viskose Fluide) oder Lorentzkraftanemometer (heiße Fluide) .

In Figur 7 ist die Zuleitungsführung (11) zur Realisierung der erfindungsgemäßen, örtlich verteilten und mit abwechselnden Richtungen durchflossenen Spulenanordnung mit einer beispielhaften Spulenwindungszahl von 2 dargestellt. Die elektrische Zuleitung der Außenelektrode ist hierbei mit positiven Wicklungssinn und die Ableitung der Innenelektrode mit negativen Wicklungssinn spulenähnlich um den Strömungskanal geführt. Solche Ausführungen können vorteilhaft bei hohen Elektrodenströmen (elektrisch beheizte Feeder von Glasschmelzanlagen) und/oder bei Strömungskanälen, die eine unmittelbare Umwicklung - also ohne große Abstände - gestatten, angewendet werden.

In Figur 8 ist der Querschnitt und ein Ausschnitt aus dem Längsschnitt einer erfindungsgemaßen Vorrichtung mit segmentierten und abwechselnd entgegengeschalteten Elektroden (12a, 12b) und das damit ausfuhrbare Verfahren dargestellt. Die dadurch erreichten abschnittsweise abwechselnd nach außen und innen gerichteten radialen Stromdichteverteilungen generieren abschnittsweise in positiver und negativer Richtung wirkende tangentiale Lorentzkrafte und somit ebenso ortlich abwech- selnde tangentiale Geschwindigkeitskomponenten im Fluid.

Hierbei sind größere Geschwindigkeitsgradienten erreichbar, wenn die Verhaltnisse der elektrischen Widerstände zwischen den Innen- und Außenelektrodensegment zu benachbarten Segmenten kleiner als 1, da die Umkehr des elektrisches Feldes physikalisch bedingt keine Rückführung wie das magnetische Feld benotigt und demzufolge die Feldumkehr auf wesentlich kleinere Distanzen erfolgen kann.

Bei dem erfindungsgemassen Verfahren wird angestrebt, die Magnetsysteme bis zum maximalen Strom zu belasten, da damit die größte magnetische Flussdichte, die höchste Lorentzkraft bzw die stärkste Veränderung der Strommungsverhaltnisse erzielbar ist.

Der Induktorstrom fuhrt aber auch zu einer Erwärmung der

Induktorspule, die bei überschreiten einer Grenztemperatur zur Zerstörung fuhrt. Deshalb kann die Induktorspule zwangs- gekuhlt (Wasserkühlung) werden und mit einer Temperaturuber- wachung versehen werden. Dadurch wird ein Betrieb mit maxima- lern Induktorstrom ermöglicht und folglich ein maximales Magnetfeld realisierbar.

Literaturliste

[1] - Sims, R.: Rühren im Glas - ein Technologieüberblick, Proceedings 75. Glastechnische Tagung, S. 117-121,

Deutsche Glastechnische Gesellschaft e.V., 2001

[2] - Voss, H. J.: Elektrisch beheizte Glasschmelzöfen -

Heutiger Stand vor dem Hintergrund Energie, Umwelt, Flexibilität und Betriebssicherheit. Glass Sei.

Technol., 70, 1997, Nr.5, N61-N68

[3] - Osmanis, A. D.; u.a.: Einfluss des Rührens einer

Schmelze im elektromagnetischen Feld auf die spektralen und Farbcharakteristika chromhaltiger Gläser. (Orig.

Russ.) In: Proceedings 12. Rigaer Symposium zur Magnetohydrodynamik 1987, S. 179 - 183

[4] - Osmanis, A. D.; u.a.: Intensivierung der Prozesse der Glasschmelze im elektromagnetischen Feld. (Orig. Russ.)

In: Nachschlagebuch über wissenschaftliche Arbeiten, Anorganische Gläser, Beschichtungen und Werkstoffe, Riga 1987, S. 123 -130

Bezugszeichenliste

1 - Magnetsystem

2 - thermische Isolation 3 - Elektrodensystem

3a - Außenelektrode

3b - Innenelektrode

4 - Fluid (Glasschmelze)

5 - magnetische Feldlinien (prinzipieller Verauf) 6 - elektromagnetisch initiierter Strömungsverlauf

7 - Durchflussmesseinrichtung

8 - synchronisierte Stromquelle für das Magnetsystem

9 - synchronisierte Stromquelle für das Elektrodensystem

10 - Stromregelung 11 - Zuleitungen

12 - Elektrodensegmente

12a - Elektrodensegment der Außenelektrode

12b - Elektrodensegment der Innenelektrode

B - magnetische Induktion

B _z - z-Komponente der magnetischen Induktion

2d - Spulenabstand f - Frequenz des elektromagnetischen Feldes

F _L - Lorentzkraft f _L - Lorentzkraftdichte g - Erdbeschleunigung

I - Spulenstrom j - Stromdichte

P _H - Heizleistung r ₀ - Spulenradius

V - Volumenelement v _t - tangentiale Geschwindigkeitskomponente w - Spulenwindungszahl δ - Eindringtiefe μ - Permeabilität μo - absolute Permeabilität σ - elektrische Leitfähigkeit