DE102008058420A1

DE102008058420A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Anwärmen eines Bauteils mit einem atmosphärischen Anwärmbrenner

Info

Publication number: DE102008058420A1
Application number: DE102008058420A
Authority: DE
Inventors: Hans Fröhlich
Original assignee: Air Liquide Deutschland GmbH
Current assignee: Air Liquide Deutschland GmbH
Priority date: 2008-11-21
Filing date: 2008-11-21
Publication date: 2010-05-27

Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Anwärmen eines Bauteils (22) mit einem atmosphärischen Anwärmbrenner (2), wobei der Anwärmbrenner (2) mit einem Brennstoff und einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch betrieben wird, zeichnet sich dadurch aus, dass das sauerstoffhaltige Gasgemisch einen Sauerstoffanteil von 28 Vol.-% (Volumen-%) bis 70 Vol.-% enthält. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung (1) erlauben in vorteilhafter Weise eine effektive Anwärmung von Bauteilen (22) über atmosphärische Anwärmbrenner (2). Der Wärmeeintrag aus dem Anwärmbrenner (2) in das Bauteil (22) kann durch das erfindungsgemäße Verfahren deutlich erhöht werden.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Anwärmen eines Bauteils mit einem atmosphärischen Anwärmbrenner. Das hauptsächliche Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung wird in der Metallverarbeitung gesehen.
Bei der Verarbeitung von metallischen Bauteilen ist es oftmals notwendig, Werkstücke partiell oder gänzlich auf eine bestimmte Temperatur zu erhitzen. Beispielsweise ist vor, nach oder während Schweißarbeiten ein Vor- oder Nachwarmen erforderlich. Oftmals werden Gasbrenner für die Anwendung an Atmosphäre, die im Folgenden auch als atmosphärische Anwärmbrenner bezeichnet werden, zum Vor- oder Nachwärmen eingesetzt. Bei aus dem Stand der Technik bekannten atmosphärischen Anwärmbrennern wird ein Brenngas, wie beispielsweise Erdgas, mit Luft oder mit reinem Sauerstoff vor oder innerhalb der Anwärmbrennerdüse zur Erzeugung der entsprechenden Flammen zusammengeführt.
Sauerstoff-Brenngas-Brenner haben den Vorteil hoher Flammentemperaturen, weisen jedoch den Nachteil auf, dass die Betriebskosten relativ hoch sind. Grundsätzlich besteht die Gefahr örtlicher Überhitzung in Folge der sehr konzentrierten Flammen. Insbesondere bei der Vorwärmung von Großbauteilen, wie beispielsweise Rohren oder große Behälterelementen, werden deshalb keine Sauerstoff-Brenngas-Brenner eingesetzt.
Luft-Brenngas-Brenner haben den Vorteil geringerer Betriebskosten und einer ausgeglichenen Temperaturverteilung. Sie weisen jedoch den Nachteil eines relativ geringen Wirkungsgrades im Wärmeübergang auf das Bauteil auf, der sich in einer deutlich größeren Abwärme an die Umgebung zeigt.
Die Ausführung der Brennerdüsen eines Anwärmbrenners ist abhängig davon, ob dieser mit Luft oder Sauerstoff betrieben wird. Ein für den reinen Sauerstoffbetrieb ausgelegter Anwärmbrenner funktioniert nicht mit Luft, weil die Flammen nicht stabil an der Brennerdüse brennen. Ein für den Luftbetrieb ausgelegter Anwärmbrenner kann wegen der Gefahr von Flammenrückschlägen und damit verbundenen Explosionsgefahren nicht mit Sauerstoff betrieben werden.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere einen Anwärmbrenner und ein entsprechendes Anwärmverfahren vorzuschlagen, welches eine gute Effektivität des Anwärmens des Bauteils bei gleichzeitiger Verhinderungen von örtlichen Überhitzungen aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche, die jeweiligen abhängigen Ansprüche sind auf vorteilhafte Weiterbildungen gerichtet.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Anwärmen eines Bauteils mit einem atmosphärischen Anwärmbrenner, wobei der Anwärmbrenner mit einem Brennstoff und sauerstoffhaltigem Gasgemisch betrieben wird, zeichnet sich dadurch aus, dass das sauerstoffhaltige Gasgemisch einen Sauerstoffanteil von 28 Vol.-% bis 70 Vol.-% enthält.
Unter dem Brennstoff werden hierbei ein gasförmiger Brennstoff und/oder ein Aerosol eines flüssigen Brennstoffs verstanden. Besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei der der Brennstoff gasförmig ist und insbesondere Erdgas umfasst. Das sauerstoffhaltige Gasgemisch enthält neben Sauerstoff mindestens ein weiteres Gas, insbesondere Stickstoff (N₂). Insbesondere umfasst das sauerstoffhaltige Gasgemisch auch Luft, welche mit reinem Sauerstoff angereichert wurde.
Bevorzugt handelt es sich hierbei um einen Anwärmbrenner, welcher auf einen Betrieb mit reiner Luft ausgelegt ist. Durch den Betrieb mit dem sauerstoffhaltigen Gasgemisch gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Effektivität der Erwärmung des Bauteils deutlich gesteigert werden. Dies liegt daran, dass die übliche Streuflamme, wie sie beim Betrieb mit reiner Luft auftritt, reduziert wird und stattdessen mehr Energie zur Bauteilerwärmung nutzbar ist. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt also eine effektive Anwärmung metallischer Bauteile.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein gasförmiger kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff eingesetzt.
Insbesondere handelt es sich bei dem gasförmigen kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff um Erdgas. Alternativ oder zusätzlich ist auch ein Aerosol längerkettiger Kohlenwasserstoff wie beispielsweise von Öl oder Benzin möglich.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das sauerstoffhaltige Gasgemisch eine vorgegebene Menge Luft und 10% bis 160% dieser Menge an Sauerstoff.
Unter der vorgegebenen Menge Luft wird insbesondere die Menge an Luft verstanden, für die der entsprechende Anwärmbrenner ausgelegt ist. Durch die entsprechende Zugabe von reinem Sauerstoff wird insbesondere die Streuflamme reduziert und so der Wärmeintrag in das Bauteil verbessert.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist der Anwärmbrenner einen für einen Betrieb ausschließlich mit Luft und Brennstoff vorgegebenen Luftvolumenstrom auf, wobei der Volumenstrom des sauerstoffhaltigen Gasgemisches den Luftvolumenstrom und einen zusätzlichen Sauerstoffvolumenstrom umfasst und der Quotient aus dem Volumenstrom des sauerstoffhaltigen Gasgemisches und dem Luftvolumenstrom im Bereich von 1,1 bis 2,6 liegt.
Versuche bei der Anmelderin haben überraschend gezeigt, dass die einfache Zugabe eines Sauerstoffvolumenstroms, dessen Größe im Bereich von 10 bis 160% des Luftvolumenstroms liegt, eine deutliche Verbesserung der Effizienz der Bauteilerwärmung bewirkt. Hierbei ist der vorgegebene Luftvolumenstrom der Luftvolumenstrom, für den der atmosphärische Anwärmbrenner ausgelegt ist. Es handelt sich also hierbei um einen Anwärmbrenner, welcher nicht für den Betrieb mit reinem Sauerstoff ausgelegt ist. Überraschenderweise führt hier die Zugabe von reinem Sauerstoff und damit die Erhöhung des Sauerstoffgehaltes in dem sauerstoffhaltigen Gasgemisch im Vergleich zu Luft zu einer deutlichen Verbesserung des Wärmeeintrags in das zu heizende Bauteil.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist der Anwärmbrenner einen für einen Betrieb ausschließlich mit Luft und Brennstoff vorgegebenen Brennstoffvolumenstrom auf, wobei der Quotient des Volumenstroms des Brennstoffs zum vorgegebenen Brennstoffvolumenstrom im Bereich von 1,0 bis 2,0 liegt.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens in dieser Ausgestaltung ist es nunmehr möglich, bei einem gleichen Anwärmbrenner die Brennstoffzufuhr zu erhöhen und insbesondere sogar zu verdoppeln. Hierbei kommt es nicht zu Flammenrückschlägen oder Ähnlichem, es wird lediglich die Effektivität des Anwärmens erhöht. Hierdurch kann aufgrund des gleichmäßigeren Flammenverhaltens weiterhin eine lokale Überhitzung des Bauteils vermieden werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Anwärmen eines Bauteils mit einem atmosphärischen Anwärmbrenner um fassend mindestens eine Flammendüse, mindestens einen Brennstoffanschluss, mindestens einen Luftanschluss und mindestens einen Sauerstoffanschluss vorgeschlagen. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind mindestens ein Mischraum zur Mischung von zumindest Luft und Sauerstoff und mindestens ein Steuermittel ausgebildet, welches geeignet und bestimmt ist, die Vorrichtung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu steuern. Das Steuermittel kann dabei insbesondere eine elektronische Steuerung umfassen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Mittel zur Durchführung einer Relativbewegung zwischen Bauteil und Anwärmbrenner ausgebildet.
Hierbei kann es sich um Mittel handeln, die das Bauteil relativ zu einem feststehenden oder bewegbaren Anwärmbrenner bewegen können. Zum anderen kann es sich hierbei um Mittel handeln, die den Anwärmbrenner in Bezug auf das Bauteil bewegen können. Insbesondere kann die Vorrichtung einen entsprechend ausgebildeten Roboter oder auch alternativ oder zusätzlich einen Manipulatorarm umfassen. Die für das erfindungsgemäße Verfahren offenbarten Details und Vorteile lassen sich auf die erfindungsgemäße Vorrichtung übertragen und anwenden und umgekehrt.
Im Folgenden wir die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert, ohne auf die dort gezeigten Details und Vorteile beschränkt zu sein. Es zeigen schematisch:
1: ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Anwärmen eines Bauteiles;
2: eine schematische Darstellung des Sauerstoffvolumenstromes beim Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens;
3: eine schematische Darstellung des Brennstoffvolumenstroms beim Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
4: ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
1 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Anwärmen eines hier nicht gezeigten Bauteiles. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Anwärmbrenner 2. Dieser umfasst Flammendüsen 3, die von einem Düsenrohr 4 gespeist werden. Die Flammendüsen 3 sind der Übersicht halber nur exemplarisch mit Bezugszeichen versehen. Die Vorrichtung 1 umfasst weiterhin einen Brennstoffanschluss 5 zum Zuführen eines gasförmigen Brennstoffs wie beispielsweise Erdgas, einen Luftanschluss 6 zum Zuführen von insbesondere komprimierter Luft und einen Sauerstoffanschluss 7 zum Zuführen von reinem Sauerstoff. Vor dem Vermischen mit dem aus dem Brennstoffanschluss 5 stammenden Brennstoff erfolgt in einem Mischraum 8 die Mischung von Luft und Sauerstoff, die aus dem Luftanschluss 6 und dem Sauerstoffanschluss 7 zugeführt werden. Der über den Brennstoffanschluss 5 zugegebene Brennstoff wird über eine Brennstoffleitung 9 einem Gemischrohr 10 zugeführt. Die Luft wird vom Luftanschluss 6 über eine Luftleitung 11 über den Mischraum 8 dem Gemischrohr 10 zugeführt. Der Sauerstoff wird vom Sauerstoffanschluss 7 über eine Sauerstoffleitung 12 dem Mischraum 8 und dem Gemischrohr 10 zugeführt. Im Gemischrohr 10 liegt folglich im Betrieb ein Gemisch aus Brennstoff und dem sauerstoffhaltigen Gasgemisch vor. Brennstoffleitung 9, Luftleitung 11 und Sauerstoffleitung 12 weisen jeweils Sicherheitsventile 13, insbesondere Sicherheitsrückschlagventile, auf. Weiterhin weisen die Brennstoffleitung 9, die Luftleitung 11 und die Sauerstoffleitung 12 Einstellventile 14 zum Einstellen des entsprechenden Volumenstroms und Absperrventile 15 zum Schließen der entsprechenden Leitung auf.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird über den Brennstoffanschluss 5 Erdgas mit einem Überdruck von 0,5 bar, über den Luftanschluss 6 Druckluft mit einem Überdruck von 6 bar und über den Sauerstoffanschluss 7 Sauerstoff mit einem Überdruck von 4 bar zugeführt. Der Anwärmbrenner 2 ist ausgelegt auf einen Betrieb mit Luft bei Volumenströmen von Anwärmbrennerbezogen 6 m³/h (Kubikmeter pro Stunde) und 42 m³/h. Die Mengendosierung erfolgt jeweils über die Einstellventile 14. Mit Hilfe der Einstellventile 14 wird eine zusätzliche Sauerstoffmenge von etwa 9,2 m³/h eingestellt, so dass sich der Volumenanteil des Sauerstoffs im sauerstoffhaltigen Gemisch von ursprünglich ca. 21% bei Druckluft auf 35% erhöht. Unter Beibehaltung der Brennstoffzufuhr von etwa 6 m³/h führt das erfindungsgemäße Verfahren zu einer Erhöhung der zur Bauteilerwärmung nutzbaren Anwärmbrennerleistung um ca. 30%. Diese Leistungssteigerung beruht insbesondere darauf, dass die übliche Streuflamme, die einen erheblichen Anteil der Verbrennungswärme als Abwärme an die Umwelt abgibt reduziert wird und stattdessen mehr Energie zur Bauteilerwärmung nutzbar ist. Weiterhin ist mit dem gleichen Anwärmbrenner 2 eine zusätzliche Steigerung der Brennstoffzufuhr in Form größerer Erdgasmengen bis zu insgesamt etwa 12 m³/h möglich, was weiterhin zu einer Erhöhung der Effektivität der Bauteilerwärmung führt.
Die 2 und 3 verdeutlichen die Änderungen beim erfindungsgemäßen Verfahren im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren. 2 zeigt eine Darstellung des eingesetzten Volumenstroms S des Sauerstoffhaltigen Gasgemisches in willkürlichen Einheiten. 2 zeigt den Luftvolumenstrom 16, der durch die Auslegung des Anwärmbrenners 2 vorgegeben ist. Erfindungsgemäß wird nunmehr statt des Luftvolumenstroms 16 ein Volumenstrom 17 des sauerstoffhaltigen Gases zugegeben. Dieser unterscheidet sich vom Luftvolumenstrom 16 um den Sauerstoffvolumenstrom 18. Der Sauerstoffvolumenstrom 18 liegt im Bereich von 10% bis 160% des Luftvolumenstroms 16 und kann gegebenenfalls zeitlich variieren, insbesondere in Abhängigkeit von dem Anforderungsprofil an eine vorgebbare Erwärmung des Bauteils.
3 zeigt die Möglichkeit gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren, die Brennstoffzufuhr durch den Brennstoffanschluss zu erhöhen. Aus der Auslegung des Anwärmbrenners 2 ergibt sich ein vorgegebener Brennstoffvolumenstrom 19. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein Volumenstrom 20 des Brennstoffs zugegeben werden. Dieser unterscheidet sich vom vorgegebenen Brennstoffvolumenstrom 19 um einen Erhöhungsvolumenstrom 21, der im Bereich von 0% bis 100% des vorgegebenen Brennstoffvolumenstroms 19 liegt und gegebenenfalls variieren kann, insbesondere in Abhängigkeit von dem Anforderungsprofil an eine vorgebbare Erwärmung des Bauteils. Bevorzugt können sowohl der Sauerstoffvolumenstrom 18 als auch der Erhöhungsvolumenstrom 21 in Abhängigkeit von dem Anforderungsprofil an eine vorgebbare Erwärmung des Bauteils variiert werden.
4 zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Diese umfasst einen Anwärmbrenner 2 zum Anwärmen eines Bauteils 22, im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein großes Rohr. Der Anwärmbrenner 2 ist ein atmosphärischer Anwärmbrenner, der über einen Brennstoffanschluss 5 mit einem Brennstoffreservoir 23, über einen Luftanschluss 6 mit einer Luftquelle 24 und über einen Sauerstoffanschluss 7 mit einem Sauerstoffreservoir 25 verbindbar ist. Die Luftquelle 24 umfasst dabei insbesondere einen Kompressor zur Erzeugung von Druckluft und entsprechende Filtermittel zur Reinigung der Luft. Bei dem Sauerstoffreservoir 25 kann es sich beispielsweise um eine Gasflasche oder auch um einen Gastank handeln, der mit molekularem Sauerstoff gefüllt ist. Bei dem Brennstoffreservoir 23 kann es sich insbesondere um eine Gasflasche oder einen Tank handeln. Alternativ kann das Brennstoffreservoir 23 auch in einer Versorgungsleitung mit Brennstoff bestehen.
Die Verbindungen zum Anwärmbrenner 2 erfolgen dabei über Einstellventile 14, durch die der Volumenstrom von Brennstoff aus dem Brennstoffreservoir 23 über den Brennstoffanschluss 5 in den Anwärmbrenner 2, der Volumenstrom der Luft aus der Luftquelle 24 über den Luftanschluss 6 in den Anwärmbrenner 2 und den Volumenstrom des Sauerstoffs aus dem Sauerstoffreservoir 25 über den Sauerstoffanschluss 7 in den Anwärmbrenner 2 geregelt werden kann. Hierzu sind die Einstellventile 14 über Datenleitungen 26 mit einem Steuermittel 27 verbindbar. Das Steuermittel 27 steuert also die entsprechende Zufuhr von Brennstoff, Luft und Sauerstoff zum Anwärmbrenner 2.
Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 Mittel 28 zur Durchführung einer Relativbewegung zwischen Bauteil 22 und Anwärmbrenner 2. Diese Mittel 28 umfassen Mittel 29 zum Bewegen des Bauteils 22 und/oder einen Manipulationsarm 30 zur Bewegung des Anwärmbrenners 2. Die Bewegung kann dabei jeweils in unterschiedliche Bewegungsrichtungen 31 erfolgen. Auch die Mittel 28 zur Durchführung einer Relativbewegung zwischen Bauteil 22 und Anwärmbrenner 2 sind über Datenleitungen 26 mit dem Steuermittel 27 verbindbar, so dass auch die Relativbewegung zwischen Bauteil 22 und Anwärmbrenner 2 abgestimmt auf die Zufuhr von Brennstoff, Luft und Sauerstoff erfolgen kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 erlauben in vorteilhafter Weise eine effektive Anwärmung von Bauteilen 22 über atmosphärische Anwärmbrenner 2. Der Wärmeeintrag aus dem Anwärmbrenner 2 in das Bauteil 22 kann durch das erfindungsgemäße Verfahren deutlich erhöht werden.

1: Vorrichtung zum Anwärmen eines Bauteils
2: Anwärmbrenner
3: Flammendüse
4: Düsenrohr
5: Brennstoffanschluss
6: Luftanschluss
7: Sauerstoffanschluss
8: Mischraum
9: Brennstoffleitung
10: Gemischrohr
11: Luftleitung
12: Sauerstoffleitung
13: Sicherheitsventil
14: Einstellventil
15: Absperrventil
16: Luftvolumenstrom
17: Volumenstrom des sauerstoffhaltigen Gasgemisches
18: Sauerstoffvolumenstrom
19: vorgegebener Brennstoffvolumenstrom
20: Volumenstrom des Brennstoffs
21: Erhöhungsvolumenstrom
22: Bauteil
23: Brennstoffreservoir
24: Luftquelle
25: Sauerstoffreservoir
26: Datenleitung
27: Steuermittel
28: Mittel zur Durchführung einer Relativbewegung zwischen Bauteil und Anwärmbrenner
29: Mittel zum Bewegen des Bauteils
30: Manipulationsarm
31: Bewegungsrichtung

Claims

Verfahren zum Anwärmen eines Bauteils (22) mit einem atmosphärischen Anwärmbrenner (2), wobei der Anwärmbrenner (2) mit einem Brennstoff und einem Sauerstoffhaltigen Gasgemisch betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Sauerstoffhaltige Gasgemisch einen Sauerstoffanteil von 28 Vol.-% (Volumen-%) bis 70 Vol.-% enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein gasförmiger kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Sauerstoffhaltige Gasgemisch eine vorgegebene Menge Luft und 10% bis 160% dieser Menge an Sauerstoff umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Anwärmbrenner (2) einen für einen Betrieb ausschließlich mit Luft und Brennstoff vorgegebenen Luftvolumenstrom (16) aufweist, wobei der Volumenstrom (17) des Sauerstoffhaltigen Gasgemisches den Luftvolumenstrom und einen zusätzlichen Sauerstoffvolumenstrom (18) umfasst und der Quotient aus dem Volumenstrom (17) des Sauerstoffhaltigen Gasgemisches und dem Luftvolumenstrom (16) im Bereich von 1,1 bis 2,6 liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Anwärmbrenner (2) einen für einen Betrieb ausschließlich mit Luft und Brennstoff vorgegebenen Brennstoffvolumenstrom (19) aufweist, wobei der Quo tient des Volumenstroms (20) des Brennstoffs zum vorgegebenen Brennstoffvolumenstrom (19) im Bereich von 1,0 bis 2,0 liegt.
Vorrichtung (1) zum Anwärmen eines Bauteils (22) mit einem atmosphärischen Anwärmbrenner (2), umfassend mindestens eine Flammendüse (3), mindestens einen Brennstoffanschluss (5), mindestens einen Luftanschluss (6) und mindestens einen Sauerstoffanschluss (7), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Mischraum (8) zur Mischung von Luft und Sauerstoff ausgebildet ist und mindestens ein Steuermittel (27) ausgebildet ist, welches geeignet und bestimmt ist die Vorrichtung (1) nach dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zu steuern.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, bei der Mittel (28) zur Durchführung einer Relativbewegung zwischen Bauteil (22) und Anwärmbrenner (2) ausgebildet sind.