Verfahren und Vorrichtung zur Erwärmung eines Heizgutes und/oder der Oberfläche von Heizgütern mittels Heißgas

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erwärmung eines Heizgutes und/oder der Oberfläche von Heizgütem mittels Heißgas, wobei die Energiezufuhr über die Temperatur und den Massenstrom des Heißgases in einer Konvektionszone an der Oberfläche des Heizgutes gesteuert wird und wobei das Heißgas durch Konvektion an der Oberfläche in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird.

Aus der DE-OS 4315631 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einschweißen eines Ports in einen Kunststoffbeutel bekannt. Dabei werden die Folien zum Herstellen der Schweißnähte mittels einander gegenüberliegender Andruckflächen einer geteilten Schweißform an den einzuschweißenden Stutzen des Ports angedrückt. In den Andruckflächen der Schweißform sind Luftkanäle eingeformt, die zur Schweißnaht hin offen sind derart, dass ihre offenen Seiten nach dem Schließen der Form durch die an den Stutzen anzuschweißenden Folien begrenzt sind. Die Schweißnähte werden dann durch Heißluft hergestellt, die zu diesem Zweck durch die Luftkanäle hindurch geleitet werden. Um zu vermeiden, dass Blasen oder Lufteinschlüsse in der Schweißnaht entstehen, wird durch einen entsprechend hohen Druck in den Luftkanälen dafür gesorgt, dass die zu verschweißenden Folien entlang der Schweißnaht gut an den einzuschweißenden Stutzen des Ports gedrückt werden.

Durch den bei dem bekannten Verfahren anzuwendenden Druck des Heißgases wird der Anwendungsbereich stark eingeschränkt. Insbesondere bei dünnem Heizgut wie Folien, Bändern oder Hohlkörpern kann das Verfahren nur innerhalb einer geschlossenen Form oder durch Aufbringen eines Gegendruckes durchgeführt werden. Ferner wird dem Heißgas bei einer Kreislaufführung der auf das Heizgut einwirkenden Anpress- bzw. Differenzdruck aufgeprägt, der zusätzlich zum Druckverlust der

Kreislaufströmung aufgebracht werden muss. Somit ist die Effizienz der Energieübertragung nicht optimal.

Bei einem anderen bekannten Verfahren zum Verschließen eines Behälters nach DE- OS19722293 wird ein Umfangsabschnitt erwärmt und stoffschlüssig (mit dem Verschluss) beispielsweise durch Verschweißen (I) verbunden. Zum Festhalten des Verschlussteils kann ein Unterdruck erzeugt werden. Die Heißluft wird durch passive Abfuhr nach oben aus der Verbindungszone abgeleitet, wobei es jedoch möglich ist, auch eine Absaugeinrichtung für die Heißluft und gegebenenfalls eine Heißluftrückführung zurück zum Heißluftgebläse vorzusehen. Gleichzeitig wird über ein Innenrohr Kühlmittel in den Ringkanal des Halteteils eingeleitet, um die Wandungen des Verschlussteils zu stabilisieren. Zur Durchführung dieses Verfahrens wird eine relativ aufwendige Vorrichtung benötigt, die eine geschlossene Halteeinrichtung zur Aufbringung eines Unterdruckes umfasst. Zwar ist jedem Gasaustrittskanal ein mit seiner inneren Mündung darüber angeordneter Gasabfuhrkanal zugeordnet, jedoch münden die Kanäle in einer Ringnut, die nach unten offen ist. Dadurch ist eine gezielte und steuerbare Konvektionserwärmung mit dem bekannten Verfahren nicht möglich.

In vielen Anwendungsfällen darf das Heißgas nur die Oberfläche des Heizgutes erwärmen, ohne dass die Kerntemperatur wesentlich ansteigt. Hierbei muss die Energiezufuhr über die Temperatur und den Massestrom des Heißgases so gesteuert werden, dass das Ausmaß der Energieübertragung bzw. der einzubringenden Energie im Voraus festgelegt werden kann.

Ein Beispiel für eine gesteuerte Wärmeübertragung zeigt die FR2361213, bei der eine zusätzliche Andruckplatte zur gezielten Wärmeübertragung auf einen thermoplastischen

Werkstoff eingesetzt wird. Auch hier handelt es sich nicht um eine reine

Konvektionserwärmung, da ein direkter Kontakt von thermoplastischem Material mit dem Heißluftstrom nicht erfolgt. Die Andruckplatte wird konvektiv erwärmt und bringt über die Wärmeleitung (Konduktion) die Wärmeenergie in den thermoplastischen Werkstoff. Durch die zusätzliche Andruckplatte und durch randseitige Abdichtungen ist das bekannte Verfahren relativ aufwendig und hat zudem den Nachteil der geringen

Effizienz, da an der Wärmeübertragung mehrere Medien und Stoffe beteiligt sind, die

nach Art und Größe von Oberfläche und Volumen bei der Optimierung berücksichtigt werden müssen.

Deshalb ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Effizienz der Energieübertragung bei Voll- und Hohlkörpern, insbesondere von dünnwandigen Folien und Bändern durch Konvektion bei gleichbleibendem Wärmeübergangskoeffizienten zwischen den beteiligten Medien bzw. Stoffen zu optimieren und dabei den Gasaustausch mit der Umgebung so zu reduzieren, dass die eingeleitete Energie zu einem hohen Maß und lokal gesteuert in das aufzuheizende Gut bzw. die Oberfläche eingebracht wird. Zur Umsetzung des Verfahrens soll eine dafür geeignete Vorrichtung angeboten werden, die insbesondere eine effiziente Wärmeübertragung bei bewegten Heizgut ermöglicht, wobei auch empfindliche Heizgüter mit dünnwandigen z.B. folienartigen Oberflächen ohne Beschädigung erwärmt werden sollen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in den Patentansprüchen 1 und 12 angegebene Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen und bevorzugte Anwendungsfälle sind in den Unteransprüchen angegeben.

Es hat sich gezeigt, dass die Erwärmung von Oberflächen eines Heizgutes mit einem Heißgaswärmeerzeuger besonders effizient ist, wenn die Gasführung in einem geschlossenen Kreislauf erfolgt. Hierzu wird ein neuer Heißgaswärmeerzeuger vorgeschlagen, der auf seiner der Konvektions- oder Heizfläche zugewandten Seite ein Feld von schalen- oder kanalförmigen Vertiefungen oder Glocken aufweist, wobei immer mindestens einer Zuluftdüse mindestens eine Absaugöffnung zugeordnet ist, die einen sehr geringen Abstand zur Konvektions- oder Heizfläche des zu erwärmenden Objekt aufweisen. Durch die im Durchmesser mit den Zuluftdüsen übereinstimmenden Absaugöffnungen wird in vorteilhafter Weise ein Unterdruck erzeugt, so dass die Strömungsgeschwindigkeit des Heißgases an der Heizgutoberfläche über die gesamte Querschnittsfläche weitgehend konstant gehalten werden kann. Der Abstand der Zuluft- und Absaugöffnungen beträgt vorzugsweise 3-4 x Durchmesser D1 , D2.

Die Verfahrensangabe, wonach die Geschwindigkeit des Heißgases in der Konvektionszone konstant gehalten werden soll, bedeutet, dass die mittlere

Geschwindigkeit über den jeweiligen Querschnitt konstant gehalten wird, wobei lokale Abweichungen von der mittleren Geschwindigkeit insbesondere in den Randbereichen auftreten können. Wichtig ist, dass das Heißgas nach Verlassen der Zuluftleitungen 10 in der Summe aller lokaler Geschwindigkeiten auf den jeweiligen Querschnitt bezogen konstant gehalten wird, da hiermit ein optimaler Wärmeaustausch in der Konvektionszone ermöglicht wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 Querschnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten

Heißgaswärmeerzeuger mit einem flaschenförmigen Heizgut, dessen Bodenfläche beheizt werden soll.

Figur 2 vergrößerter Ausschnitt aus dem Bodenbereich des Heißgaswärmeerzeugers nach Figur 1 Figur 3 prinzipielle Darstellung des Massenstromes bei einem erfindungsgemäß ausgebildetem Heißgaswärmeerzeuger.

Figur 4 Ausschnitt aus dem Bodenbereich eines erfahrungsgemäßen

Heißgaswärmeerzeugers mit mäandrierenden Kanälen.

In Figur 1 sind flaschenförmige ausgebildete Körper 21 , 22 gezeigt, die nur im Bereich der Bodenfläche auf eine zum Verschweißen der Folie 23 geeignete Temperatur erwärmt werden sollen. Im Bodenbereich des Heißgaswärmeerzeugers erkennt man Heißgasleitungen 10, die zentrisch in schalen- oder kanalförmigen Vertiefungen 6a, 6b angeordnet sind.

Seitlich von den Heißgasleitungen 10 sind Absaugöffnungen 1 1 bis 14 angeordnet, die ebenfalls in den kanalförmigen Vertiefungen 6 eingeformt sind. Bei einem Durchmesser D der Vertiefungen 6 sollte die Heizgutoberfläche L mindestens 15 % vorzugsweise 20 % größer sein, so dass zwischen der Oberfläche der kanalförmigen Vertiefung 6 und der Unterseite des aufzuheizenden Gutes ein Luftspalt entsteht, der seitlich in einem überlappungsbereich L - D verengt und vorzugsweise abgedichtet ist.

In dem zwischen der Oberfläche des aufzuheizenden Gutes und der Unterseite der Vertiefung 6 sich ausbildende Luftspalt S (siehe Fig. 2) erfolgt der Austausch der Wärmeenergie zwischen der Heißluft und der Objektunterseite bei konstanter Geschwindigkeit. Die übertragung der Wärmeenergie kann durch die Ausbreitung bzw. Verteilung des Massenstroms (Volumen, Temperatur, Art des Heißgases) gesteuert werden. Die obere Begrenzungslinie des Spaltes S kann durch eine Gitterstruktur 15 oder durch eine poröse Fläche realisiert werden.

Nähere Einzelheiten zur Ausbildung des Luftspaltes und der Geometrie der Vertiefung 6 sind aus der als Ausschnittsvergrößerung von Figur 1 gedachten Figur 2 zu entnehmen. Die Dicke des Gitters ist so abzustimmen, dass Strömungsverluste durch seitliches Austreten von Heißgasen praktisch vernachlässigbar sind, und zugleich die Abdeckung der Heizgutoberfläche L durch das Gitter minimal ist.

Eine Möglichkeit, die Energiezufuhr zu optimieren besteht darin, den Abstand H zum aufzuheizenden Gut so einzustellen, dass das Verhältnis H/d kleiner 1 ist. In diesem Fall werden die Vertiefungen vom aufzuheizenden Objekt am Rand größtenteils überdeckt und der Strömungsverlauf ist im Inneren der Vertiefungen 6 praktisch geschlossen. Dadurch wird der Fehllufteinfluß minimiert, so dass mit weniger Energie und einer geringen Zuluftmenge und Abluftmenge ein optimales Ergebnis erreicht wird.

Bei beweglichen Heizgütern kann auf einer größeren Heizfläche mit vielen Vertiefungen eine seitlich gesteuerte Abdeckung der freiliegenden, nicht von aufzuheizendem Gut beaufschlagten Vertiefungen vorgenommen werden. Die zeitliche Steuerung wird in Form von mitwandernden Schiebern oder Bändern realisiert.

Die Heizfläche besteht in diesem Fall aus schachbrettartig bzw. registerartig angeordneten Zirkulationseinheiten, die eine trichterförmige Zuleitung für die Heißluft und symmetrisch in Bezug auf den Trichterrand angeordnete Absaugöffnungen aufweisen. Im Betriebszustand werden die register- oder schachbrettartig angeordneten Elemente von der Unterseite des Heizgutes abgedeckt. Die vom Heizgut freigelassenen Elemente werden mechanisch oder elektronisch gesteuert mit Hilfe von Längs- und Querschiebern abschnittsweise verschlossen.

Eine schematische Darstellung des Massenstroms ist aus Fig. 3 zu entnehmen. Die auf ca. 200 ⁰ C aufgeheizte Zuluft wird über die Heißluftleitungen 1 zentral in die Vertiefung 6 eingeblasen, wobei durch das Gitter 15 regional begrenzte Zirkulationseinheiten gebildet werden. Der Heißluftstrom wird an der Produktoberfläche reflektiert, die zur Strömungsumlenkung dient. Dabei teilt sich der Massenstrom an der Produktoberfläche auf. Die Teilströme werden über die Absaugung 4a, 4b am Rande der Vertiefung 6 aus der Konvektionszone geführt. Im weiteren Verlauf gelangt die abgesaugte Luft in einen Druckerzeuger und Erhitzer 16, der die für die Heißluftzufuhr erforderliche Energie in das System einspeist. Die Gesamtanlage kann daher als geschlossenes System betrachtet werden.

Die in Fig. 4 dargestellte Sektionsströmung verläuft zwischen den Heißgasleitungen 10 und den Absaugöffnungen 1 1 - 14 in mäanderförmig ausgebildeten Kanälen 7, 8, 9.

Die Kanäle 7, 8, 9 werden seitlich begrenzt durch Kanalwände 17, 18, 19, 20. Die Gaszuluft und die Gasabluft wird so gesteuert, dass der Fehllufteinfluss (übertritt von Heißgas) minimiert wird. Das Heißgas wird also nach der Konvektion an der Oberfläche des zu erwärmenden Heizgutes in einem geschlossenen Kreislauf geführt, wobei die Zu- und Abführung des Heißgases über ein Düsenfeld erfolgt. Unmittelbar neben jeder Heißgaszuführung (10.1 , 10.2, 10.3) befinden sich die Gasabführungen (11 , 12, 13, 14), über die das einströmende Heißgas nach Konvektion an der Oberfläche abgesaugt wird. Dabei ist die Summe aller zuströmenden Heißgase annähernd gleich der Summe aller abgesaugten Gase und die Druckniveaus von Zu- und Abführung so gewählt, dass nur ein geringer Druck auf das zu erwärmende Heizgut ausgeübt wird. „Geringer Druck" bedeutet, dass eine auf den senkrecht stehenden Kanalwänden 17 - 20 aufliegende Folie von den durch die Kanäle strömenden Heißgas nicht soweit hochgedrückt wird, dass die Folie über dem Düsenfeld schwebt.

Auch in Fig. 4 ist der matrixartige Aufbau des Düsenfeldes zu erkennen. In jedem Feld ist die Summe aller zu- und abströmenden Massen konstant, wobei zur Begrenzung des Düsenfeldes die Gaszu- und Abführungen registerartig zu- oder abgeschaltet werden.

Vorzugsweise erfolgt die Strömung in jedem Matrixfeld in Form einer 180 Grad Strömungsumlenkung als geschlossener Kreislauf. Dabei kann der Massenstrom des Heißgases im Bereich der aufzuheizenden Oberfläche in mehrere Sektionsströme aufgeteilt werden, beispielsweise fließt die Zuluft von der Heizgaszuführung (10.2) beidseitig zu den Gasabführungen (12 und 13).

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, dass das Heizgut und das Düsenfeld relativ zueinander bewegt werden. Dabei kann der Transport auf einem netz-, gitter- oder gasdurchlässigen Transportband erfolgen.

In der Ausführungsform nach Fig. 4 sind die Vertiefungen als mäandrierende Kanäle (7, 8, 9) ausgebildet. Vorzugsweise sind die Breite der Kanäle B und die kleinste Produktseitenlänge L des aufzuheizenden Gutes in ein bestimmtes Verhältnis B/L < 1 gesetzt, um einen geschlossenen Strömungsverlauf über die gesamte Wärmeübergangsfläche zu erreichen.

Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Beispiele beschränkt. Sie betrifft ein Verfahren zur Erwärmung von Oberflächen eines Heizgutes oder -körpers in einem Heißgaswärmeerzeuger mit konstanter Geometrie, wobei die Energiezufuhr über die Temperatur und den Massenstrom des Heißgases gesteuert wird und wobei das Ausmaß der Energieübertragung von den Wärmeübergangskoeffizienten zwischen Heißgas und Heizgut-Oberfläche, der Größe der aufzuheizenden Oberfläche und dem Energieverlust abhängt. Der Energieeintrag kann durch Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Heißgases und durch Erzeigung eines Unterdrucks im Gasaustrittsbereich gesteigert werden. Dabei soll die Geschwindigkeit des Heißgases an der Heizgut-Oberfläche konstant gehalten werden und gleichzeitig die. Gasströmung von einem offenen in einen geschlossenen Kreislauf überführt werden.