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T1 - Thermodynamische Betrachtung der Behälterglasherstellung und Grundlagen zur Entwicklung eines neuartigen Flugstromschmelzreaktors

AU - Berger, Gregor

N1 - gesperrt bis 22-02-2028

PY - 2023

Y1 - 2023

N2 - Die Herstellung von Glasprodukten erfordert aufgrund der hohen Temperaturen beim Schmelzen von Glas und dem Verarbeiten der Schmelze einen hohen Energieeinsatz. Das hohe Temperaturniveau führt zu großen Mengen an dissipierter Wärme über Aggregatsoberflächen und Abgasverlusten. Um die Energieeffizienz der Herstellung von Glasprodukten zu verbessern, ist die Kenntnis des Produktionsprozesses und die damit verbundenen Energieströme essentiell. Anhand thermodynamischer Gesetzmäßigkeiten werden im Rahmen dieser Dissertation erstmals die Energieströme über den gesamten Herstellprozess von Behältergläsern quantitativ erfasst. Durch die Verbindung von Abwärmequellen mit Wärmesenken werden neue Wege der Prozessgestaltung aufgezeigt, wodurch der Energieeinsatz verringert wird. Dies umfasst zum einen das Minimieren der Abgasverluste durch Rückführen der Abgaswärmen in den Prozess, als auch Ansätze zur Nutzbarmachung von durch Kühlmedien dissipierter Wärme. Es wird gezeigt, dass der größte Teil der benötigten Energie im Produktionsprozess für das Schmelzen der Rohstoffe zu Glas aufgewendet wird. Für die Produktion von Massengläsern werden hauptsächlich Schmelzwannen eingesetzt, deren Prinzip vor über einem Jahrhundert festgelegt wurde. Durch den lange Entwicklungszeitraum ist das Optimierungspotential dieser Wannen fast erschöpft. Energieeinsparungen werden in erster Linie durch Erhöhung der Tonnagen und der damit einhergehenden Minderung der spezifischen Verluste erreicht. Um das Schmelzen von Glas effizienter zu gestalten, muss die Wärmeübertragung auf das Schmelzgut verbessert werden. Der Ansatz eines neuwertigen Flugstromreaktors ermöglicht einen intensiven Kontakt mit der Ofenatmosphäre erlaubt eine gute Wärmeübertragung auf das Schmelzgut. Die Glasrohstoffe werden in diesem Konzept direkt in die Flamme aufgegeben und durch Konvektion und Wärmestrahlung rasch erhitzt. Um den Blaseneintrag in die Schmelze und somit den Läuteraufwand zu minimieren, werden Untersuchungen zur Entsäuerung der karbonatischen Rohstoffe durchgeführt. Durch die im Design vorgesehenen statischen Mischer, wird die Homogenisierung der hergestellten Glasschmelze sichergestellt. Untersuchungen der Strömungsbedingungen der Gasphase im Reaktor resultieren in der Definition eines geforderten Kornbands der Rohstoffe. Im Rahmen dieser Arbeit werden so die Voraussetzungen an den Prozess, die Glasrohstoffe und Abgasführung definiert, um mit diesem Schmelzaggregat wesentliche Energieeinsparungen im Vergleich zu den derzeit eingesetzten Schmelzwannen zu erzielen. Für die technische Realisierung eines solchen Aggregats muss allerdings noch weitere Forschungsarbeit geleistet werden. Als wesentlicher nächster Schritt sei die Untersuchung der Entsäuerung von karbonatischen Rohstoffen bei hohen Aufheizraten erwähnt.

AB - Die Herstellung von Glasprodukten erfordert aufgrund der hohen Temperaturen beim Schmelzen von Glas und dem Verarbeiten der Schmelze einen hohen Energieeinsatz. Das hohe Temperaturniveau führt zu großen Mengen an dissipierter Wärme über Aggregatsoberflächen und Abgasverlusten. Um die Energieeffizienz der Herstellung von Glasprodukten zu verbessern, ist die Kenntnis des Produktionsprozesses und die damit verbundenen Energieströme essentiell. Anhand thermodynamischer Gesetzmäßigkeiten werden im Rahmen dieser Dissertation erstmals die Energieströme über den gesamten Herstellprozess von Behältergläsern quantitativ erfasst. Durch die Verbindung von Abwärmequellen mit Wärmesenken werden neue Wege der Prozessgestaltung aufgezeigt, wodurch der Energieeinsatz verringert wird. Dies umfasst zum einen das Minimieren der Abgasverluste durch Rückführen der Abgaswärmen in den Prozess, als auch Ansätze zur Nutzbarmachung von durch Kühlmedien dissipierter Wärme. Es wird gezeigt, dass der größte Teil der benötigten Energie im Produktionsprozess für das Schmelzen der Rohstoffe zu Glas aufgewendet wird. Für die Produktion von Massengläsern werden hauptsächlich Schmelzwannen eingesetzt, deren Prinzip vor über einem Jahrhundert festgelegt wurde. Durch den lange Entwicklungszeitraum ist das Optimierungspotential dieser Wannen fast erschöpft. Energieeinsparungen werden in erster Linie durch Erhöhung der Tonnagen und der damit einhergehenden Minderung der spezifischen Verluste erreicht. Um das Schmelzen von Glas effizienter zu gestalten, muss die Wärmeübertragung auf das Schmelzgut verbessert werden. Der Ansatz eines neuwertigen Flugstromreaktors ermöglicht einen intensiven Kontakt mit der Ofenatmosphäre erlaubt eine gute Wärmeübertragung auf das Schmelzgut. Die Glasrohstoffe werden in diesem Konzept direkt in die Flamme aufgegeben und durch Konvektion und Wärmestrahlung rasch erhitzt. Um den Blaseneintrag in die Schmelze und somit den Läuteraufwand zu minimieren, werden Untersuchungen zur Entsäuerung der karbonatischen Rohstoffe durchgeführt. Durch die im Design vorgesehenen statischen Mischer, wird die Homogenisierung der hergestellten Glasschmelze sichergestellt. Untersuchungen der Strömungsbedingungen der Gasphase im Reaktor resultieren in der Definition eines geforderten Kornbands der Rohstoffe. Im Rahmen dieser Arbeit werden so die Voraussetzungen an den Prozess, die Glasrohstoffe und Abgasführung definiert, um mit diesem Schmelzaggregat wesentliche Energieeinsparungen im Vergleich zu den derzeit eingesetzten Schmelzwannen zu erzielen. Für die technische Realisierung eines solchen Aggregats muss allerdings noch weitere Forschungsarbeit geleistet werden. Als wesentlicher nächster Schritt sei die Untersuchung der Entsäuerung von karbonatischen Rohstoffen bei hohen Aufheizraten erwähnt.

KW - glass manufacturing

KW - energy efficiency

KW - entrained-flow reactor

KW - Glasherstellung

KW - Energieeffizienz

KW - Flugstromreaktor

U2 - 10.34901/mul.pub.2023.59

DO - 10.34901/mul.pub.2023.59

M3 - Dissertation

ER -