Energieeffiziente Wärmebehandlung von Gussteilen mit flammenfreien Gasbrenner-Technologie
(pressebox) Nürnberg, 14.11.2015 - Zur Freisetzung der im Brennstoff gebundenen Energie mittels Verbren-nung stehen für die Thermoprozeßtechnik Brenner in den unterschied-lichsten Ausführungsvarianten zur Verfügung. Konventionelle Indust-riebrenner benötigen zur kontrollierten Durchführung des Verbrennungs-prozesses ein mehr oder weniger ausgedehntes Volumen in dem sich die Flamme bzw. allgemeiner ausgedrückt der Oxidationsprozeß stabilisiert. D. h. damit die Verbrennung möglichst vollständig und schadstoffarm ab-läuft, muß ein entsprechender Brennraum, ein ausreichend großes Volu-men zur Verfügung stehen. Weil in der überwiegenden Anzahl von Anwendungen eine direkte Berührung des Gutes mit der Flamme vermieden werden muss (Vermeidung von "hot spots"), führt dies bei Öfen zu einem deutlichen überdimensionierten Ofenvolumen im Vergleich zum eigentlichen Nutzvolumen. Durch den Einsatz von vollvormischenden flächigen Brennersystemen kann neben anderen Vorteilen, wie eine gleichmäßige Erwärmung, Minimierung der Geräuschemissionen, auch eine drastische Reduzierung des notwendigen Brennraum- und somit Ofenvolumens erreicht werden. Die Weiterentwicklung und die Anwendung solcher Oberflächen- und Volumenbrenner im industriellen Umfeld und im Temperatur-bereich von aktuell bis 1350°C ist eine der Kernkompetenzen von promeos®.
So vielfältig die Aufgabenstellungen in der Thermoprozeßtechnik auch sind, so ist doch praktisch immer die möglichst homogene Erwärmung eines Gutes oder eines definierten Teilbereiches des Gutes gefordert. Für die Wärmeübertragung per Konvektion oder auch Gasstrahlung läßt sich festhalten, daß der lokale Wärmeübergang an die lokalen Temperatur- und Strömungsfelder gekoppelt ist. Für einen in der Fläche gleichmäßigen Wärmeübergang ist es deshalb notwendig zu fordern, daß die Tempera-tur- und Strömungsfelder möglichst wenig in der Fläche bzw. im Raum variieren. Ein Weg dies zu erzielen ist der Einsatz von flächigen Brenner-systemen, die mit relativ geringem Strömungsimpuls, jedoch über eine an das zu erwärmende Gut sogar individuell angepaßte Fläche, die heißen Abgase gleichmäßig über die Austrittsfläche verteilt emittieren. Dies führt zu turbulenzarmen Strömungsstrukturen, die zwar lokal u.U. zu kleineren konvektiven Wärmeübergängen als bei konventionellen Brennern führen, integral betrachtet jedoch den Gesamtwärmeübergang und damit die Energieeffizienz deutlich steigern. Weiterhin ist die homogene Erwärmung des Gutes per se gegeben und muß nicht erst durch Ausgleichsprozesse im Werkstück erreicht werden, was eine deutliche Beschleunigung von Aufheizprozessen erlaubt. Bei höheren Temperaturen, bei denen auch die Gasstrahlung eine relevante, gar dominierende Rolle spielt, ist die mit den flächigen Brennersystemen erzielbare dreidimensionale Gleichmäßigkeit der Temperatur des strahlenden "Gaskörpers" von hoher Wichtigkeit für den erzielbaren Gesamtwärmeübergang und stellt einen unschätzbaren Vorteil gegenüber flammenbasierten Systemen dar. Diesen Vorteil indust-riell nutzbar zu machen hat sich promeos® "auf die Fahnen geschrieben und deshalb neben einer steten Weiterentwicklung des Porenbrenner auch neue Oberflächenbrennersysteme, Öfen zur Wärmebehandlung und Schmelzöfen entwickelt und qualifiziert.
In der Wärmebehandlung als abschließender thermischer Prozeß können vollvormischende Brennersysteme bestehende Verfahren und Prozesse deutlich verbessern. Unabhängig vom Temperaturbereich (bis 1200°C) und ob es sich um einen Durchlauf- oder Batchbetrieb handelt, bietet promeos® Lösungen von kleineren Anlagen mit 100 kW oder weniger bis zu Öfen mit 2MW Leistung an. Darüber hinaus ist es möglich mit den Brennern von promeos® auch ganz gezielt partiell Werkstück zu erwärmen. Eine Möglichkeit, die mit Blick auf die Produktqualität und Effizienz des Prozesses, ganz neue Ansatzpunkte und Einsparpotentiale eröffnet.
Die Effektivität und Funktionalität der promeos® Brennertechnologie konnte eindrucksvoll bei der Realisierung eines Herdwagenofens gezeigt werden. Bei einer Zuladung von 18t und einem Ofenraumvolumen von 25m3 gelingt es die Anforderungen bezüglich der DIN EN 17052 für die Genauigkeitsklasse A für alle Temperaturbereiche bis 1200°C zu erfüllen.
Die Ausführung und Gestaltung des Herdwarenofens orientiert sich an den besonderen Eigenschaften der eingesetzten Brennertechnologie. Der Ofen ist nicht mehr so ausgeführt, daß er offenen Flammen und darin stehendes Gut Rechnung trägt, sondern bildet mit den Auflagern einen Doppelboden. Durch diesen Doppelboden werden mit unteren seitlichen Brennerlinien heiße Abgase eingeleitet und über einen Lochboden gleichmäßig in das Ofenvolumen verteilt. Damit wird die gesamte Zuladung des Ofens unabhängig von ihrer Geometrie und Verteilung an den Oberflächen von dem Abgas umströmt. Das gewährleistet, daß die Beladung in einem bezüglich der thermodynamischen Eigenschaften sehr homogenen Gaskörper steht. Die Grundbedingung für einen gleichmäßigen Wärmeübergang. Im oberen Drittel des Ofens befinden sich an den Seitenflächen zusätzliche Brenner, die nun ebenfalls über eine Schlitzdüse die heißen Verbrennungsgase in den Ofenraum emittieren. Zur Erhöhung der Effektivität und zur Verbesserung der Homogenität, werden die Abgase von Leitblechen umgelenkt und geführt. Die Leitbleche nehmen dabei einen Teil der Abgasenthalpie auf und geben diesen in Form von Festkörperstrahlung an den Ofenraum und das darin befindliche Gut ab.
Die Vormischtechnologie der Brennersysteme bietet den Vorteil der hohen Modulationsfähigkeit der Leistung ohne, daß dadurch solche Veränderungen an den Strömungs- und Temperaturfeldern im Ofen auftreten, die zu einer ungleichmäßigeren Erwärmung der Werkstücke führen. Darüber hinaus hat die Vormischtechnologie aufgrund der homogenen Vermischung von Brennstoff und Oxidator vor dem eigentlichen Verbren-nungsprozeß den Vorteil der niedrigen Schadstoffemissionen. So sind auch bei Ofenraumtemperaturen von 1200°C die Werte für NOx <150mg/m3 bei 5% O2.
So vielfältig die Aufgabenstellungen in der Thermoprozeßtechnik auch sind, so ist doch praktisch immer die möglichst homogene Erwärmung eines Gutes oder eines definierten Teilbereiches des Gutes gefordert. Für die Wärmeübertragung per Konvektion oder auch Gasstrahlung läßt sich festhalten, daß der lokale Wärmeübergang an die lokalen Temperatur- und Strömungsfelder gekoppelt ist. Für einen in der Fläche gleichmäßigen Wärmeübergang ist es deshalb notwendig zu fordern, daß die Tempera-tur- und Strömungsfelder möglichst wenig in der Fläche bzw. im Raum variieren. Ein Weg dies zu erzielen ist der Einsatz von flächigen Brenner-systemen, die mit relativ geringem Strömungsimpuls, jedoch über eine an das zu erwärmende Gut sogar individuell angepaßte Fläche, die heißen Abgase gleichmäßig über die Austrittsfläche verteilt emittieren. Dies führt zu turbulenzarmen Strömungsstrukturen, die zwar lokal u.U. zu kleineren konvektiven Wärmeübergängen als bei konventionellen Brennern führen, integral betrachtet jedoch den Gesamtwärmeübergang und damit die Energieeffizienz deutlich steigern. Weiterhin ist die homogene Erwärmung des Gutes per se gegeben und muß nicht erst durch Ausgleichsprozesse im Werkstück erreicht werden, was eine deutliche Beschleunigung von Aufheizprozessen erlaubt. Bei höheren Temperaturen, bei denen auch die Gasstrahlung eine relevante, gar dominierende Rolle spielt, ist die mit den flächigen Brennersystemen erzielbare dreidimensionale Gleichmäßigkeit der Temperatur des strahlenden "Gaskörpers" von hoher Wichtigkeit für den erzielbaren Gesamtwärmeübergang und stellt einen unschätzbaren Vorteil gegenüber flammenbasierten Systemen dar. Diesen Vorteil indust-riell nutzbar zu machen hat sich promeos® "auf die Fahnen geschrieben und deshalb neben einer steten Weiterentwicklung des Porenbrenner auch neue Oberflächenbrennersysteme, Öfen zur Wärmebehandlung und Schmelzöfen entwickelt und qualifiziert.
In der Wärmebehandlung als abschließender thermischer Prozeß können vollvormischende Brennersysteme bestehende Verfahren und Prozesse deutlich verbessern. Unabhängig vom Temperaturbereich (bis 1200°C) und ob es sich um einen Durchlauf- oder Batchbetrieb handelt, bietet promeos® Lösungen von kleineren Anlagen mit 100 kW oder weniger bis zu Öfen mit 2MW Leistung an. Darüber hinaus ist es möglich mit den Brennern von promeos® auch ganz gezielt partiell Werkstück zu erwärmen. Eine Möglichkeit, die mit Blick auf die Produktqualität und Effizienz des Prozesses, ganz neue Ansatzpunkte und Einsparpotentiale eröffnet.
Die Effektivität und Funktionalität der promeos® Brennertechnologie konnte eindrucksvoll bei der Realisierung eines Herdwagenofens gezeigt werden. Bei einer Zuladung von 18t und einem Ofenraumvolumen von 25m3 gelingt es die Anforderungen bezüglich der DIN EN 17052 für die Genauigkeitsklasse A für alle Temperaturbereiche bis 1200°C zu erfüllen.
Die Ausführung und Gestaltung des Herdwarenofens orientiert sich an den besonderen Eigenschaften der eingesetzten Brennertechnologie. Der Ofen ist nicht mehr so ausgeführt, daß er offenen Flammen und darin stehendes Gut Rechnung trägt, sondern bildet mit den Auflagern einen Doppelboden. Durch diesen Doppelboden werden mit unteren seitlichen Brennerlinien heiße Abgase eingeleitet und über einen Lochboden gleichmäßig in das Ofenvolumen verteilt. Damit wird die gesamte Zuladung des Ofens unabhängig von ihrer Geometrie und Verteilung an den Oberflächen von dem Abgas umströmt. Das gewährleistet, daß die Beladung in einem bezüglich der thermodynamischen Eigenschaften sehr homogenen Gaskörper steht. Die Grundbedingung für einen gleichmäßigen Wärmeübergang. Im oberen Drittel des Ofens befinden sich an den Seitenflächen zusätzliche Brenner, die nun ebenfalls über eine Schlitzdüse die heißen Verbrennungsgase in den Ofenraum emittieren. Zur Erhöhung der Effektivität und zur Verbesserung der Homogenität, werden die Abgase von Leitblechen umgelenkt und geführt. Die Leitbleche nehmen dabei einen Teil der Abgasenthalpie auf und geben diesen in Form von Festkörperstrahlung an den Ofenraum und das darin befindliche Gut ab.
Die Vormischtechnologie der Brennersysteme bietet den Vorteil der hohen Modulationsfähigkeit der Leistung ohne, daß dadurch solche Veränderungen an den Strömungs- und Temperaturfeldern im Ofen auftreten, die zu einer ungleichmäßigeren Erwärmung der Werkstücke führen. Darüber hinaus hat die Vormischtechnologie aufgrund der homogenen Vermischung von Brennstoff und Oxidator vor dem eigentlichen Verbren-nungsprozeß den Vorteil der niedrigen Schadstoffemissionen. So sind auch bei Ofenraumtemperaturen von 1200°C die Werte für NOx <150mg/m3 bei 5% O2.
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