DE102008005259A1

DE102008005259A1 - Verfahren zur Energieeinsparung bei Wärmebehandlungsanlagen mit durch Heizteil und Kühlteil bewegtem Gut

Info

Publication number: DE102008005259A1
Application number: DE200810005259
Authority: DE
Inventors: Carl Prof. Dr.-Ing. Kramer; Karl Jeger; Leszek Dr. Poletek; Albrecht Bader
Original assignee: Wieland Werke AG
Current assignee: Wieland Werke AG
Priority date: 2008-01-18
Filing date: 2008-01-18
Publication date: 2009-07-30
Anticipated expiration: 2028-01-19
Also published as: DE102008005259B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmebehandlungsanlage, bestehend aus Heizteil und Kühlteil, durch welche das Wärmebehandlungsgut hindurchbewegt wird und bei der zumindest ein Teil des im Kühlteil dem Wärmebehandlungsgut entzogenen Wärmestromes dem nachfolgenden Gut in einem Vorwärmteil zugeführt und dadurch zurückgewonnen wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmebehandlungsanlage, bestehend aus Heizteil und Kühlteil, durch welche das Wärmebehandlungsgut hindurch bewegt wird und bei der zumindest ein Teil des im Kühlteil dem Wärmebehandlungsgut entzogenen Wärmestromes dem nachfolgenden Gut in einem Vorwärmteil zugeführt und dadurch zurück gewonnen wird.
Stand der Technik
Bei der Wärmebehandlung von Gütern, z. B. aus metallischen Werkstoffen, zum Zweck der Beeinflussung der Materialeigenschaften, wird das Gut häufig auf hohe Temperaturen von mehreren 100°C aufgeheizt und anschließend wieder abgekühlt. Dabei darf die Abkühlung häufig eine gewisse Mindestabkühlgeschwindigkeit nicht unterschreiten. Die Gutwärme wird aus dem Prozess als Kühlleistung abgeführt und geht in der Regel verloren. Die Erwärmung kann dabei durch Wärmestrahlung oder auch überwiegend durch erzwungene Konvektion mit einem auf die jeweils erforderliche Temperatur aufgeheizten Beblasungsgas erfolgen. Die Kühlung erfolgt in der Regel immer durch erzwungene Konvektion mit einem Beblasungsgas, das im Kühlteil, der in mehreren Zonen unterteilt sein kann, umgewälzt wird und dem durch Kühleinrichtungen, z. B. von Kühlwasser durchströmte Gaskühler, die vom Gut abgeführte Wärme wieder entzogen wird. Ein solcher geschlossener Kühlkreislauf ist unerlässlich wenn es sich beim Beblasungsgas z. B. um Schutzgas handelt oder wenn aus anderen Gründen keinerlei Vermischung des Beblasungsgases mit der Außenatmosphäre stattfinden darf.
Der konvektive Wärmeübergang in solchen Anlagen entspricht meist einem Wärmeübergangskoeffizienten von mehr als 80 W/(m²K). Im technischen Sprachgebrauch ist dann vielfach von Hochkonvektion die Rede.
Um den Energieverbrauch derartiger Thermoprozessanlagen zu reduzieren, ist bekannt, dass die bei üblicher Brennerbeheizung zur Wärmebehandlungsgutaufheizung entstehenden Rauchgase zur Vorwärmung des Wärmebehandlungsgutes benutzt werden. Eine einfache, sich bei offener Beheizung anbietende Möglichkeit besteht darin, dass ein Teilstrom der Ofenatmosphäre, der dem bei der Verbrennung entstehenden Rauchgasstrom entspricht, am Gut vor dessen Eintritt in den Heizteil vorbeigeführt wird, um das Rauchgas im Gegenstrom zum Gut abzukühlen und dabei das Gut vorzuwärmen. Ebenfalls sind Einrichtungen bekannt, bei denen die Wärmeübertragung vom Rauchgasstrom auf das Wärmebehandlungsgut zur Vorwärmung mit hoher erzwungener Konvektion erfolgt. Bei indirekter Verbrennung, also der Anordnung der Brenner in geschlossenen Heizrohren, wird das Rauchgas durch Rekupe ratoren geführt, in denen es mit dem Gas, das in der Vorwärmzone Wärme auf das Gut übertragen hat, abgekühlt wird.
All diese Einrichtungen können aber nur den nach Verbrennung und Wärmeabgabe im Ofen noch im Rauchgas verbliebenen Energieanteil entsprechend den Gesetzen der Thermodynamik nutzen. Dieser Anteil ist: ΔQ . = Q .Brennstoff·(1 – ηF)mit ΔQ . = im Rauchgas noch enthaltener Restwärmestrom, Q ._Brennstoff = insgesamt mit dem Brennstoff zugeführter Wärmestrom, η_F = feuerungstechnischer Wirkungsgrad.
Da jedoch das Rauchgas nicht auf Umgebungstemperatur abgekühlt werden kann, weil eine gewisse Übertemperatur gegenüber dem zu erwärmenden Gasstrom erforderlich ist und weil die im Rauchgas enthaltene Feuchte im Kamin in der Regel nicht kondensieren darf, ist nur ein Anteil von ca. 50% ÷ 70% dieser Restwärme nutzbar.
Geht man bei modernen Brennern mit integrierter Verbrennungsluftvorwärmung durch das Brennergas von feuerungstechnischen Wirkungsgraden ηF ≅ 0,8 ≜ 80%aus, so verbleiben zur Nutzung durch Vorwärmung nur ΔQ . = Q .Brennstoff(1 – 0,8)·(0,5 ÷ 0,7) = 0,1 ÷ 0,14·Q .Brennstoff also nur 10% bis 14% der zugeführten Brennstoffenergie.
Durch regenerative Verbrennungsluftvorwärmung mit so genannten Regeneratorbrennern lassen sich sogar Wirkungsgrade η_F von 90% und mehr erzielen, so dass die Rauchgaswärmenutzung zur Gutvorwärmung durch die verbesserte Verbrennungstechnik an Bedeutung verliert.
Der im Kühlteil dem Wärmebehandlungsgut entzogene Wärmestrom geht nach wie vor für den Wärmebehandlungsprozess verloren, auch wenn in seltenen Fällen die Abwärme aus dem Kühlteil, zumindest teilweise, zur Erwärmung von Brauchwasser genutzt wird, das jedoch bei der Wärmebehandlung in der Regel nicht weiter verwendet werden kann.
Aufgabenstellung
Es besteht daher die Aufgabe, den im Kühlteil dem Wärmebehandlungsgut entzogenen Wärmestrom, der einen wesentlich größeren Betrag ausmacht als der noch im Rauchgas enthaltene nutzbare Wärmestrom, zumindest teilweise zur Gutvorwärmung zu nutzen um dadurch den Energieverbrauch der Wärmebehandlungsanlagen wesentlich zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch aufgeführten Merkmale gelöst. Die Unteransprüche beschreiben zweckmäßige Ausführungsdetails der Erfindung.
Ausführungsbeispiele
Die Erfindung wird anhand des Beispiels einer kontinuierlich arbeitenden Wärmebehandlungsanlage für Bänder erläutert.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch auch auf jede andere Thermoprozessanlage, bei der Gut kontinuierlich oder in Schritten durch Heizteil und Kühlteil hindurch bewegt wird, in ähnlicher Weise, wie im Folgenden beschrieben, angewendet werden. Es ist z. B. auch auf Anlagen anwendbar, bei denen Gut in einer Position, z. B. in einer Kühlkammer, abgekühlt wird, während Gut vor der Erwärmungsstation auf die Einbringung in diese wartet. Dann würde die Gutvorwärmung mit der Abwärme aus der Kühlkammer in Warteposition vor dem eigentlichen Heizteil stattfinden.
Wesentlich für die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die mit den erfindungsgemäßen Mitteln erfolgende Nutzung eines Wärmestromes aus der Wärmgutabkühlung zur Gutvorwärmung mittels hoher erzwungener Konvektion bei Abkühlung und Vorwärmung
Die 1 und 2 dienen der Erläuterung.
1 zeigt ein aus Übersichtlichkeitsgründen stark vereinfachtes Verfahrensschema einer Durchlaufwärmebehandlungsanlage für Bänder, z. B. eines so genannten Schwebeofens, durch die das Band im horizontalen Durchlauf geführt ist. Das Band 10 tritt in den Vorwärmteil 1 ein, durchläuft den Heizteil 3 und wird im Kühlteil 2 wieder abgekühlt. Der Vorwärmteil besteht aus den Vorwärmzonen 11, 12 und 13, der Kühlteil aus den Kühlzonen 21, 22, 23 und 24. In den Vorwärm- und Kühlzonen wird die Gasatmosphäre umgewälzt, was durch die Kreispfeile 4 in den jeweiligen Zonen angedeutet ist. Von der ersten Kühlzone 21 führt eine zweckmäßigerweise gut isolierte Gasleitung 5 zur letzten Vorwärmzone 13. Die Gastemperatur in der ersten Kühlzone 21 wird mittels des Thermofühlers 8 gemessen und eine Regeleinrichtung 7 unter Nutzung dieses Messsignals so eingestellt, dass der durch die Gasleitung 5 vom Umwälzventilator (nicht gezeichnet) der Kühlzone 21 geförderte Gasstrom gerade so groß ist, dass die Temperatur in der Kühlzone 21 und damit die Gastemperatur in der Gasleitung 5 auf einem für die Abkühlung des Bandes 10 ausreichend niedrigen und für die Vorwärmung des Bandes in den Vorwärmzonen aber ausreichend hohen Temperaturwert bleibt. Der Gasmassenstrom in der Gasleitung 5 wird mit der Massenstrommesseinrichtung 6 gemessen. Diese Massenstrommesseinrichtung kann z. B. eine Kombination von Wirkdruckmessung und Temperaturmessung des Gasvolumenstroms sein, wobei dann aus den gemessenen Größen mit Hilfe der Gasgleichung der Massenstrom berechnet wird. Aus der ersten Vorwärmzone 11 strömt das Gas über eine Gasleitung 18 wieder in den Kühlteil 2 zurück und mündet in eine Kühlzone ausreichend weit hinter der ersten Kühlzone, damit in dieser eine niedrigere Gastemperatur herrscht. Von dieser Kühlzone, im dargestellten Beispiel der Kühlzone 23, tritt das Gas durch die Kühlzone 22 wieder in die Kühlzone 21 ein. Dieser Gasstrom ist in 1 durch die Strömungspfeile 25 gekennzeichnet. In dieser Kühlzone erhält es die für die Vorwärmung des Bandes notwendige Temperatur. Um den nicht nutzbaren Teil der Bandwärme während der Kühlung abzuführen sind in den nachgeschalteten Kühlzonen, im vorliegenden Fall beispielhaft in der Kühlzone 23 und in der Kühlzone 24 von Kühlwasser durchströmte Gaskühler 15 vorgesehen. Damit nun genau der gleiche Gasmassenstrom, der durch die Gasleitung 5 von der Kühlzone 21 in die Vorwärmzone 13 strömt, auch wieder von der Vorwärmzone 11 über die Gasleitung 18 in die Kühlzone 23 zurückfließt, wird mit Hilfe der Regeleinrichtungen 7 und 9 sowie der Massenstrommesseinrichtung 6 in der Gasleitung 18 der Massenstrom in der Gasleitung 18 auf genau dem gleichen Wert gehalten – natürlich unter Berücksichtigung von Regelabweichungen – wie der in der Gasleitung 5 mit der Massenstrommesseinrichtung 6 gemessene. Wie durch die Strömungspfeile 25 angedeutet, strömt der Gasmassenstrom, welcher der Vorwärmzone 13 zugeführt wird, durch die Vorwärmzone 12 in die erste Vorwärmzone 11.
In der Kühlzone, in welche mittels der Gasleitung 18 der Gasmassenstrom aus dem Vorwärteil 1 in den Kühlteil 2 zurückgeführt wird, im beispielhaften Fall der Kühlzone 23, befindet sich, wie auch in der folgenden Kühlzone, ein mit Kühlfluid durchströmter Gaskühler 15 für das umgewälzte Kühlgas. In der Zuleitung zu diesem Gaskühler 15 in der Kühlzone 23 befindet sich eine Regeleinrichtung 16, z. B. ein Thermostatventil, das die Kühlfluidmenge durch den Gaskühler 15 derart einstellt, dass die mit dem Thermofühler 8 in dieser Zone gemessene Gastemperatur auf demjenigen Wert bleibt, mit dem sie der vorangehenden Kühlzone, im beispielhaften Fall der Kühlzone 22, entsprechend der Wärmebilanz des Gaskreislaufs zwischen Kühlteil 2 und Vorwärmteil 1 zuströmen muss.
2 zeigt ein weiteres Beispiel einer Durchlaufanlage, bei der der Wärmetransport vom Kühlteil 2 in den Vorwärmteil 1 nicht durch einen Massenstrom des Beblasungsgases, sondern durch den Massenstrom eines besonderen Wärmetransportfluids, z. B. Thermoöl, bewirkt wird. Der Einfachheit halber liegt der 2 auch wieder das vereinfachte Schema einer Banddurchlaufwärmebehandlungsanlage zugrunde. In den – in Banddurchlaufrichtung betrachtet – ersten Kühlzonen 21, 22 sind mit Thermoöl oder einem anderen geeigneten Wärmetransportfluid durchströmte Gaskühler 15 angeordnet. Das Wärmetransportfluid, das von einer separaten Fördereinrichtung 14 gefördert wird, wird bei der Abkühlung des Bandes im Gegenstrom zum Bandlauf erwärmt und gelangt über eine Rohrleitung 19, die zweckmäßigerweise gut wärmeisoliert ist, in die Vorwärmzone und gibt in den Vorwärmzonen mit Hilfe von Heizkörpern 17, die vom Wärmetransportfluid durchströmt werden, seine Wärme im Gegenstrom zum Band ab. Nach erfolgter Abkühlung strömt das Wärmetransportfluid durch die Rohrleitung 20 in den Kühlteil zurück. Regeleinrichtungen 16 sorgen in Verbindung mit Temperaturfühlern 8 in den einzelnen Zonen mittels einer Prozesssteuerung nach dem Stand der Technik für die zweckdienliche Aufteilung des Wärmeträgerfluidstromes auf die einzelnen Gaskühler 15 und Heizkörper 17.
Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf die in den 1 und 2 dargestellten Beispiele beschränkt, sondern ist natürlich auch auf jede andere Bandanlage, z. B. eine Durchhanganlage oder eine Vertikalofenanlage, anwendbar. Bei einer Vertikalofenanlage ist es sogar besonders günstig den Vorwärmteil oder zumindest einen großen Teil des Vorwärmteils im aufsteigenden Bandlauf unterhalb der Toprolle anzuordnen, das noch nicht besonders hoch vorgewärmte Band dann über die Toprolle bzw. Toprollen nach unten umzulenken und die restliche Vorwärmung sowie die Aufheizung und die Kühlung im vertikal absteigenden Bandlauf vorzunehmen.
Die Erfindung kann auch auf Thermoprozessanlagen angewendet werden, bei denen das Wärmebehandlungsgut, z. B. ein Bandbund, während der Abkühlung in einer Kühlkammer verbleibt und erst nach hinreichender Temperaturabsenkung aus der Kühlkammer ausgefahren wird. Dann wird z. B. auch nur eine Vorwärmkammer für das auf die Einbringung in den Heizteil wartende Wärmebehandlungsgut verwendet. Die beim Kühlen dem Wärmebehandlungsgut entzogene Wärme lässt sich dabei nur soweit nutzen, bis die Temperatur im Kühlteil auf einen Wert nahe der im Vorwärmteil ansteigenden Temperatur abgesunken ist. Die Restwärme wird dann, ähnlich wie bei der beispielhaft beschriebenen Banddurchlaufanlage, mittels Gaskühlern, die mit Kühlwasser durchströmt werden, abgeführt oder, falls dies zulässig ist, erfolgt die Restkühlung im offenen Kreislauf mit Umgebungsluft.
Durch hohe konvektive Wärmeübertragung entsprechend einem Wärmeübergangskoeffizienten von mindestens 80 W/(m²K) lassen sich im Kühlteil auch bei höheren Temperaturen des umgewälzten Gasstromes noch relativ hohe Abkühlgeschwindigkeiten erreichen. So lassen sich, z. B. im Kühlteil von Wärmebehandlungsdurchlaufanlagen für Buntmetallbänder, die mit Temperaturen von 650°C und mehr in den Kühlteil eintreten, selbst bei Temperaturen in der Kühlzone von 400°C und höher noch spezifische Abkühlgeschwindigkeiten von 20 K/(s mm) und mehr erreichen, wenn ein entsprechendes Hochkonvektionsbeblasungssystem eingesetzt wird. Diese Abkühlgeschwindigkeiten reichen in der Regel einerseits zur Erfüllung der metallurgischen Anforderungen, andererseits ist die Betriebstemperatur in der Kühlzone ausreichend hoch für eine effektive Gutvorwärmung. Im Vorwärmteil ist ebenfalls eine hohe konvektive Wärmeübertragung erforderlich, wobei ein Wärmeübergangskoeffizient von etwa 80 W/(m²K) als untere Grenze gilt. Besonders günstig ist wegen der dann im Gasmassenstrom bzw. Thermofluidstrom, der den Wärmestrom vom Kühlteil in den Vorwärmteil bewirkt, und im Gutmassenstrom auftretenden etwa gleichen Temperaturdifferenzen ein Kapazitätsstromverhältnis von etwa 1, wobei unter Kapazitätsstrom das Produkt von Massenstrom mal spezifischer Wärmekapazität zu verstehen ist.
Die Heizteile können bei den beschriebenen Beispielen Industrieöfen nach dem Stand der Technik mit Elektrobeheizung oder Brennstoffbeheizung, wobei letztere offen oder indirekt erfolgen kann, ausgerüstet sein. Die Wärmeübertragung im Heizteil kann, insgesamt oder zonenweise unterschiedlich, durch Strahlung, durch erzwungene Konvektion oder durch Strahlung und erzwungene Konvektion gleichzeitig erfolgen. Es ist außerdem noch möglich, die bei mit Brennstoff beheizten Öfen anfallende Restwärme im Rauchgas ebenfalls zur Gutvorwärmung zu nutzen, indem man einen Wärmetauscher, in dem das Rauchgas den nutzbaren Teil seiner Restwärme an den dem Vorwärmteil zugeführten Gasstrom oder das der Vorwärmzone zugeführte Wärmetransportfluid abgibt, in den Wärmeaustauschkreislauf zwischen Kühlteil und Vorwärmteil einbezieht.

1: Vorwärmteil
2: Kühlteil
3: Heizteil
4: Kreispfeil
5: Gasleitung
6: Massenstrommesseinrichtung
7: Regeleinrichtung
8: Temperaturfühler
9: Regeleinrichtung
10: Band
11: Vorwärmzone
12: Vorwärmzone
13: Vorwärmzone
14: Fördereinrichtung für Wärmetransportfluid
15: Gaskühler
16: Regeleinrichtung
17: Heizkörper
18: Gasleitung
19: Rohrleitung
20: Rohrleitung
21: Kühlzone
22: Kühlzone
23: Kühlzone
24: Kühlzone
25: Strömungspfeil

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Wärmebehandlungsanlage bestehend aus Heizteil und Kühlteil mit zumindest im Kühlteil hohem Wärmeaustausch mit dem Wärmebehandlungsgut durch erzwungene Konvektion entsprechend einem Wärmeübergangskoeffizienten von mindestens 80 W/(m²K) und einer Wärmebehandlungsgutbewegung in und durch den Heizteil, nach erfolgter Aufheizung aus dem Heizteil in und durch den Kühlteil, sowie nach erfolgter Abkühlung aus dem Kühlteil, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des im Kühlteil durch erzwungene Konvektion vom Wärmebehandlungsgut abgeführten Wärmestromes zur Vorwärmung des Wärmebehandlungsgutes mittels hohen konvektiven Wärmeübergangs von mindestens 80 W/(m²K) vor Eintritt in den durch externe Energiezufuhr beheizten Heizteil genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vom Umwälzventilator der ersten Kühlzone (21) durch die Gasleitung (5) in die – in Transportrichtung des Wärmebehandlungsguts betrachtet – letzte Vorwärmzone (13) geförderte Massenstrom des Beblasungsgases mit Hilfe einer Regeleinrichtung (7) und eines Temperaturfühlers (8) für die Umwälztemperatur in der ersten Kühlzone (21) derart geregelt wird, dass die Temperatur des in der ersten Kühlzone (21) zur Gutabkühlung umgewälzten Beblasunggasstromes einen bestimmten, für die Erwärmung des Behandlungsgases zweckdienlichen Wert einhält.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführung des von der ersten Kühlzone (21) in die letzte Vorwärmzone (13) geförderten Gasmassenstromes aus der ersten Vorwärmzone (11) in den Kühlteil (2) – in Transportrichtung des Wärmebehandlungsguts betrachtet – hinter der ersten Kühlzone (21) durch eine Gasleitung (18) vom – in Transportrichtung des Wärmebehandlungsguts betrachtet – Anfang des Vorwärmteiles (1) erfolgt und dass dieser Gasmassenstrom mittels der Regeleinrichtungen (7) und (9) sowie der Massenstrommesseinrichtungen (6) zur Bestimmung des Massenstromes in den Gasleitungen (18) für die Rückführung und in den Gasleitungen (5) für die Zuführungen des Gasmassenstromes auf dem, von Regelabweichungen abgesehen, gleichen Wert wie in der Gasleitung (5) gehalten wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasmassenstrom durch die Gasleitung (5) statt vom Umwälzventilator der ersten Kühlzone (21) von einem gesonderten Ventilator gefördert wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Gasleitung (18) zum Kühlteil zurück geförderte Gasmassenstrom statt vom Umwälzventilator der betreffenden Vorwärmzone von einem gesonderten Ventilator gefördert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetransportfluid mit dem Umwälzgas im Kühlteil (2) durch den dem Wärmebehandlungsgut entzogenen Wärmestrom aufgeheizt und mittels einer Rohrleitung (19) und einer Fördereinrichtung (14) in den Vorwärmteil (1) gefördert, dort bei der Vorwärmung des in den Vorwärmteil eingebrachten Wärmebehandlungsgutes abgekühlt wird und anschließend wieder durch eine Rohrleitung (20) in den Kühlteil (2) zurückströmt und, dass dieser Wärmetransportfluidkreislauf durch Regeleinrichtungen (16) derart geregelt wird, dass die Temperaturen des Beblasungsgases im Kühlteil auf bestimmten für die Erwärmung des Wärmetransportfluids zweckdienlichen Werten gehalten werden.