DE102007017768A1 - Heißgaserzeuger, insbes. für eine thermische Spritzmaschine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Heißgaserzeuger, insbesondere für eine thermische Spritzmaschine, bei der ein Hauptgas einer Spritzdüse über einen Gaserhitzer zugeführt wird, wobei ein elektrisch isolierter Heizdraht (3) vorgesehen ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Heißgaserzeuger, insbes. für eine thermische Spritzmaschine.
  • Elektrisch betriebene Wärmetauscher zur Erzeugung von Heißgas gehören in den vielfältigsten Formen und Ausführungen zum Stand der Technik. Da bei Gasen meist das Problem besteht, dass der Wärmeübergangskoeffizient aufgrund der geringen Dichte klein ist, zeichnen sich diese Wärmetauscher durch eine große Austauschfläche aus. Bevorzugte Bauweisen sind Rippenrohrwärmetauscher, Plattenregister und direkt elektrisch beheizte Drahtwendeln. Aufgrund der großen Oberfläche und abhängig von der zu übertragenden Heizleistung besitzen diese Apparate jedoch eine vergleichsweise große Baugröße. Darüber hinaus besteht bei einer elektrischen Beheizung generell die Gefahr, dass bei einer örtlich verminderten Wärmeabfuhr eine Überhitzung des Heizkörpers bis hin zur Zerstörung der Heizwendel auftreten kann. Einen Grenzwert für diese Belastung stellt die Wärmeleistung pro Oberflächenelement dar, die bei einer möglichst kompakten Bauweise zwischen 6 und 12 W/m2 liegt. Die Steigerung des Wärmeübergangskoeffizienten auf der Gasseite durch Verringerung des Strömungsquerschnittes und damit Erhöhung der Geschwindigkeit wird durch den damit verbundenen Druckverlust in der Strömung begrenzt. Wird dieser zu hoch, dann entspannt sich die Strömung mit der Länge des Wärmetauschers. Dies führt zu einem abnehmenden Wärmeübergangskoeffizienten im Bereich der geringeren Temperaturdifferenz und damit zu einer übermäßigen Belastung der Heizung im Ausgangsbereich des Wärmetauschers.
  • Direkt elektrisch beheizte Drähte oder Heizspiralen haben zwar den Vorteil eines minimierten thermischen Widerstands zwischen der Heizfläche und dem beheizten Medium, die erforderliche elektrische Isolierung der Heizdrähte gegeneinander sowie ge genüber dem umgebenden Gehäuse kann jedoch zu erheblichen Problemen führen. So darf die elektrische Leitfähigkeit des zu beheizenden Mediums bestimmte Grenzwerte nicht übersteigen. Kondensierbare Bestandteile im Medium gefährden zudem die Beständigkeit der häufig eingesetzten keramischen Isolierkörper. Flüssigkeitsdichte Glasuren neigen bei Temperaturwechselbeanspruchung zum Abplatzen, daher werden die Keramiken meist unglasiert eingesetzt. In den unglasierten porösen Körper bzw. in Bereichen abgeplatzter Glasur kann die Flüssigkeit in den Körper eindringen. Wird die Heizung dann eingeschaltet führt die schlagartige Verdampfung dieser Flüssigkeit zu hohen Drücken im Inneren des Körpers mit der Folge einer schleichenden Erosion bis hin zur Zerstörung der Keramik.
  • Beim thermischen Spritzen wird bisher das zu spritzende Metallpulver in einem bestimmten Bereich vor der Düse mit dem heißen Hauptgasmassenstrom vermischt. Auf dem Weg zum engsten Querschnitt der Düse wird das Pulver dabei vorgeheizt wobei gröberes Pulver eine längere Zeit benötigt wie feine Partikel um die nötige Temperatur und damit Duktilität zu erhalten.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung hier Abhilfe zu schaffen und eine Möglichkeit zu eröffnen, auch gröberes Metallpulver unabhängig von der Länge der Strecke zwischen Einspeisung und engstem Düsenquerschnitt einsetzen zu können.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Heißgaserzeuger, insbes. für eine thermische Spritzmaschine, bei der ein Hauptgas einer Spritzdüse über einen Gaserhitzer zugeführt werden, wobei ein elektrisch isolierter Heizdraht vorgesehen ist.
  • Vorzugsweise weist der Gaserhitzer ein Innenrohr und ein das Innenrohr umgebendes Druckrohr auf, ist ein Metallpulver/Trägergas in dem Innenrohr und das Hauptgas in dem Druckrohr geführt, und befindet sich zwischen Innenrohr und Druck rohr ein Heizdraht, der mit einer elektrischen Isolierung umgeben ist.
  • Vorzugsweise ist der Heißgaserzeuger zwischen 20 cm und 2 m lang und erstreckt sich im Wesentlichen gerade.
  • Infolge dieser Ausgestaltung können Metallpulver und das Hauptgas gleichzeitig aufgeheizt und auf relativ hohe Temperaturen gebracht werden. Dies ermöglicht z. B. auch die Verwendung von gröberem Metallpulver. So ist es mit dem erfindungsgemäßen Heißgaserzeuger möglich, das Trägergas auf bis zu ca. 1000°C aufzuheizen.
  • Abhängig von der Segmentierung des Heizdrahtes über der Länge als auch der getrennten Schaltung der am Innenrohr und am Druckrohr anliegenden Heizleiter können Trägergas und Hauptgasstrom mit unterschiedlicher Heizleistung beaufschlagt werden. Zusätzlich ermöglicht die Variation des Durchsatzes von Trägergas und Hauptgas die Einstellung der gewünschten Temperaturen vor der Vermischung.
  • Wenn das Metallpulver über eine genügend lange Strecke im Heißgaserhitzer geführt wird, kann dies bis zur Temperatur des Trägergases erhitzt werden.
  • Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung umgibt der Heizdraht das Innenrohr spiralförmig und bildet damit eine Leiteinrichtung für den Hauptgasstrom.
  • Weiterhin verläuft der Heizdraht nach einer vorteilhaften Weiterbildung an der Innenseite des Druckrohres derart, dass sich ein spiralförmiger Strömungskanal zwischen Innenrohr und Druckrohr ergibt. Ein kleiner Spalt zwischen Heizdraht und Rohr ist unkritisch.
  • Der Heizdraht besteht vorteilhafterweise aus einem inneren, am Innenrohr anliegenden und einem äußeren, am Druckrohr verlaufenden Heizleiter.
  • Der Heizdraht ist mit einer elektrisch nicht leitenden Isolierung umgeben. Das erlaubt den direkten Kontakt mit einer elektrisch leitfähigen Strömung und den Kontakt mit elektrisch leitfähigen Bauteilen. Diese Isolierung kann zusätzlich von einem flüssigkeitsdichten Mantel umgeben sein.
  • Der Mantel um die Isolierung ist vorzugsweise aus Edelstahl oder einer Legierung aus Nickel, Chrom und Molybdän, wie z. B. Inconel oder Hastelloy, umgeben, was eine hervorragende Mischung aus Korrosionsfestigkeit, guter Verarbeitbarkeit und hoher Temperaturfestigkeit aufweist und auch Spannungskorrosionsrissen gut widerstehen kann. Dies erlaubt einen direkten Kontakt auch mit chemisch und physikalisch aggressiven Medien.
  • Das Druckrohr ist vorteilhafterweise von einer Isolierschicht umgeben, um eine Wärmeabstrahlung und eine damit verbundene thermische Belastung der Umgebung weitgehend zu verhindern.
  • Die Isolierschicht kann gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung von einer Drahtwendel umgeben sein, so dass die Isolierschicht besser in Form gehalten werden kann.
  • Um den Heißgaserzeuger thermisch noch besser zu isolieren, kann die Isolierschicht in einem Außenrohr angeordnet sein.
  • Vorteilhafterweise ist das Außenrohr doppelwandig ausgebildet und in der Wandung ist ein Kühlmittel, wie z. B. Wasser, geführt.
  • Wenn die Heizwendel in mindestens zwei Abschnitte unterteilt ist, die mit unterschiedlicher Leistung beaufschlagt werden, kann eine Segmentierung der Heizwendel erreicht werden, so dass eine variable Vorheizung des Metallpulvers bzw. des Trä gergases möglich ist und der Wärmefluss an die jeweiligen Gegebenheiten angepasst werden kann.
  • Das Innenrohr dient zur Führung des Metallpulvers und weiterhin zur Auflage des inneren Heizleiters und der Ausbildung des Strömungskanals zwischen dem Innenrohr und dem Druckrohr. Hierbei ist besonders vorteilhaft, wenn das Innenrohr gerade verläuft um Anlagerungen des Pulvers bei besonders kritischen Parametern und Materialien zu vermeiden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung kann der Heizdraht zum Ausgleich von Wärmespannungen nur partiell an dem Innenrohr bzw. dem Druckrohr befestigt sein.
  • Alternativ kann der Heizdraht auch über die gesamte Baulänge an dem Innenrohr bzw. dem Druckrohr befestigt sein.
  • Bei großen Differenzen der thermischen Ausdehnung wird der Heizdraht auch nur einseitig am Druckrohr fixiert sein, um eine freie Längenausdehnung des Heizdrahts zu gewährleisten und die mechanische Belastung des heißen Heizdrahts zu minimieren.
  • Der Querschnitt des zwischen Innenrohr und Druckrohr gebildeten Strömungskanals kann sich nach einer vorteilhaften Weiterbildung verändern, z. B. erweitern oder verringern. Dies kann z. B. durch eine Veränderung der Steigung der Heizwendel erfolgen. Dadurch kann die Strömungsgeschwindigkeit und damit der Wärmeübergang an die Temperaturdifferenz zwischen Trägergas und Heizwendel angepasst und ein über der Länge gleichmäßiger Austauschwärmestrom erreicht werden. Außerdem kann dadurch auch der Druckverlust im Strömungskanal optimiert werden.
  • Bei entsprechender Länge des Heißgaserzeugers kann aufgrund der großen wärmeaustauschenden Fläche davon ausgegangen werden, dass am Ende des Strömungskanals Wandtemperatur und Gas temperatur identisch sind, was eine einfache Bestimmung der Hauptgastemperatur ermöglicht.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
  • 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Heißgaserzeugers,
  • 2 einen Längsschnitt durch die in dem erfindungsgemäßen Heißgaserzeugers angeordnete Heizwendel,
  • 3 einen weiteren Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Heißgaserzeuger, und
  • 4 eine Detailansicht des erfindungsgemäßen Heißgaserzeugers.
  • In den Figuren ist eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heißgaserzeugers dargestellt. Ein solcher Heißgaserzeuger ist insbesondere für eine thermische Spritzmaschine verwendbar, bei der Metallpulver/Trägergas und ein Hauptgas einer Spritzdüse zugeführt werden. Als Hauptgas wird bevorzugt Wasserdampf eingesetzt. Bevorzugt wird als Hauptgas Wasserdampf und/oder sauerstoffreduzierte Luft mit einem Sauerstoffanteil kleiner 3% verwendet. Ferner kann als Trägergas sauerstoffreduzierte Luft wiederum mit einem Sauerstoffanteil kleiner 3% verwendet werden. Nach der Pulverzumischung zum Trägergas kann zum Trägergas zusätzlich noch Wasserdampf gemischt werden. Eine Kondensierung des Wasserdampfes muss dabei aber weitgehend verhindert werden.
  • Der Heißgaserzeuger weist ein Innenrohr 1 und ein das Innenrohr 1 umgebendes Druckrohr 2 auf. In dem Innenrohr 1 ist das Trägergas mit Metallpulver und in dem Druckrohr 2 das Hauptgas geführt. Das Innenrohr 1 ist von einem Heizgas 3 spiralförmig umgeben, welches mit einer elektrisch nicht leitenden Isolierung gegenüber dem Innenrohr 1 und dem Trägergas isoliert ist.
  • Vorteilhafterweise kann das Innenrohr zur Verbesserung des Wärmeübergangs auch eine vergrößerte Oberfläche, z. B. durch eine sternförmige Berippung oder aus mehreren einzelnen Rohren beliebigen Querschnitts bestehen.
  • Insbesondere bei der Verwendung einer berippten Oberfläche kann das Innenrohr auch aus einem Werkstoff mit sehr guter Wärmeleitfähigkeit bestehen. Besonders vorteilhaft ist hierbei die Tatsache, dass zwischen Innerohr und Ringspalt keine größeren Druckdifferenzen auftreten da der Systemdruck durch das Druckrohr abgefangen wird.
  • Der Heizdraht 3 liegt derart an der Innenseite des Druckrohres 2 an, dass sich ein spiralförmiger Strömungskanal zwischen Innenrohr 1 und Druckrohr 2 ergibt.
  • Infolge dieser Ausgestaltung kann der Heizdraht 3 sowohl das im Innenrohr 1 geführte Metallpulver als auch das im Druckrohr 2 geführten Trägergas erhitzen.
  • Der Heizdraht 3 kann aus einem inneren, am Innenrohr 1 anliegenden und einem äußeren, am Druckrohr 2 anliegenden Heizleiter 3a, 3b bestehen.
  • Die Isolierung des Heizdrahts bzw. der Heizwendeln kann entweder selbst stabil als Mantel ausgebildet sein oder die Isolierung ist von einem Mantel aus Edelstahl oder einer Legierung aus Nickel, Chrom und Molybdän, wie z. B. Inconel oder Hastelloy, umgeben.
  • Um das Druckrohr 2 gegen Wärmeverluste nach außen abzuschirmen, ist das Druckrohr 2 von einer Isolierschicht 4 umgeben (vgl. 3).
  • Die Isolierschicht 4 wiederum ist von einem Außenrohr 6 umgeben, welches doppelwandig ausgebildet ist, so dass in dem Ringspalt ein Kühlmittel, z. B. Wasser über einen Spiralkanal 5 geführt werden kann.
  • Der Heizdraht 3 kann in mehrere Segmente unterteilt sein, die mit unterschiedlichen Spannungen versorgt werden können, um eine variable Aufheizung des Metallpulvers zu ermöglichen.
  • Der Heizdraht 3 kann zum Ausgleich von Wärmespannungen entweder nur örtlich partiell fixiert sein oder auch über der gesamten Baulänge mit dem Druckrohr 2 verlötet sein. Bei großen Differenzen der thermischen Ausdehnung wird die Spiralanordnung nur einseitig am Druckrohr 3 fixiert, um eine freie Längenausdehnung des inneren Heizleiters 3a zu gewährleisten und die mechanische Belastung der heißen Heizleiter 3a, 3b zu minimieren.
  • Der erfindungsgemäße Heißgaserzeuger ist vorzugsweise zwischen ca. 20 cm und 2 m lang und erstreckt sich im Wesentlichen gerade. Dies hat den Vorteil, dass auch höherviskose Metallpulver oder auch Fluide und Gas-Partikelmischungen ohne Abscheidewirkung bei mäßigen Druckverlusten erwärmt werden können.
  • Der Querschnitt des zwischen Innenrohr 1 und Druckrohr 2 gebildeten Strömungskanals kann durch Änderung der Steigung über der Länge des Heißgaserzeugers verringert oder vergrößert werden, um die Strömungsgeschwindigkeit und damit den Wärmeübergang an die Temperaturdifferenz zwischen Gas und Heizdraht 3 anzupassen und einen über die Länge gleichmäßigen Austauschwärmestrom zu erzielen. Außerdem erlaubt die Steigung der Heizwendel 3 auch eine Optimierung des Druckverlustes im Strömungskanal.
  • Grundsätzlich kann der Heißgaserzeuger nur ein Druckrohr aufweisen, durch welches das Hauptgas zugeführt wird. Auch auf diese Ausgestaltungsform ist die vorliegende Erfindung anwendbar.
  • Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
  • Die Offenbarung der Figuren wird als expliziter Inhalt der vorliegenden Beschreibung angesehen.
  • Alle oben beschriebenen Komponenten können auch in Alleinstellung oder in beliebiger Kombination in anderen Herstellungsverfahren von metallischen oder Verbundbauteilen zur Anwendung kommen.
    • 1
    Innenrohr
    2
    Druckrohr
    3
    Heizdraht
    3a
    innerer Heizleiter
    3b
    äußerer Heizleiter
    4
    Isolierschicht
    5
    Spiralkanal
    6
    Außenrohr

Claims (23)

  1. Heißgaserzeuger, insbes. für eine thermische Spritzmaschine, bei der ein Hauptgas einer Spritzdüse über einen Gaserhitzer zugeführt wird, – wobei zumindest ein elektrisch isolierter Heizdraht (3) vorgesehen ist.
  2. Heißgaserzeuger nach Anspruch 1, – wobei der Gaserhitzer ein Innenrohr (1) und ein das Innenrohr (1) umgebendes Druckrohr (2) aufweist, – wobei ein Metallpulver/Trägergas in dem Innenrohr (1) und das Hauptgas in dem Druckrohr (2) geführt ist, und – wobei sich zwischen Innenrohr (1) und Druckrohr (2) der Heizdraht (3) befindet.
  3. Heißgaserzeuger nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Heißgaserzeuger zwischen 20 cm und 2 m lang ist und sich im Wesentlichen gerade erstreckt.
  4. Heißgaserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Heizdraht (3) das Innenrohr (1) spiralförmig umgibt und eine Leiteinrichtung für den Hauptgasstrom bildet.
  5. Heißgaserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Heizdraht (3) an der Innenseite des Druckrohres (2) derart anliegt, dass sich ein spiralförmiger Strömungskanal zwischen Innenrohr (1) und Druckrohr (2) ergibt.
  6. Heißgaserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Heizdraht (3) aus einem inneren, am Innenrohr (1) anliegenden und einem äußeren, am Druckrohr (2) anliegenden Heizleiter (3a, 3b) besteht.
  7. Heißgaserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 6. wobei die Isolierung des Heizdrahts (3) mit einem flüssigkeitsdichten Mantel umgeben ist.
  8. Heißgaserzeuger nach Anspruch 7, wobei der Mantel des Heizdrahts (3) aus Edelstahl oder einer Legierung aus Nickel, Chrom und Molybdän besteht (z. B. Inconel oder Hastelloy).
  9. Heißgaserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Druckrohr (2) von einer Isolierschicht (4) umgeben ist.
  10. Heißgaserzeuger nach Anspruch 9, wobei die Isolierschicht (4) in einem Außenrohr (6) angeordnet ist.
  11. Heißgaserzeuger nach Anspruch 10, wobei das Außenrohr (6) doppelwandig ausgebildet ist und in der Wandung ein Kühlmittel geführt ist.
  12. Heißgaserzeuger nach Anspruch 11, wobei das Kühlmittel im Mantel durch einen Spiralkanal geführt wird.
  13. Heißgaserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei einzelne oder alle Heizdrähte (3) in mindestens zwei Abschnitte unterteilt sind, die mit unterschiedlichen Leistungen beaufschlagt werden.
  14. Heißgaserzeuger nach Anspruch 6, wobei die Innen anliegenden und am Druckrohr verlaufenden Heizleiter getrennt angesteuert werden.
  15. Heißgaserzeuger nach Anspruch 6, wobei die Heizleiter nur partiell an dem Innenrohr (1) bzw. dem Druckrohr (2) befestigt sind.
  16. Heißgaserzeuger nach Anspruch 6, wobei die Heizleiter über die gesamte Baulänge an dem Innenrohr (1) bzw. dem Druckrohr (2) befestigt sind.
  17. Heißgaserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei sich der Querschnitt des zwischen Innenrohr (1) und Druckrohr (2) gebildeten Strömungskanals ändert.
  18. Heißgaserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die Querschnittsänderung durch eine über der Länge variable Steigung der Heizwendeln (3) erreicht wird.
  19. Heißgaserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei das Innenrohr mit einer vergrößerten Oberfläche, z. B. durch eine Berippung, ausgestattet ist.
  20. Heißgaserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei das Innenrohr aus mindestens zwei kreisförmigen oder Rohren beliebiger Querschnittsgeometrie besteht.
  21. Heißgaserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei das Innenrohr aus einem Werkstoff mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit als Edelstahl besteht.
  22. Heißgaserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei das Innenrohr eine Antihaftbeschichtung aufweist.
  23. Heißgaserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei das Innenrohr eine besondere Oberflächenhärte zur Reduzierung von Verschleiß aufweist.
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