DE102009031263A1

DE102009031263A1 - Ofenlinie mit Thermoentfettung und Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102009031263A1
Application number: DE102009031263A
Authority: DE
Inventors: Rüdiger Jilg; Andreas Jenseit; Roger Gorges
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2008-07-15
Filing date: 2009-06-30
Publication date: 2010-02-11

Abstract

Ofenlinie, umfassend einen ersten beheizbaren Bereich (1) zur Thermoentfettung eines Werkstücks und einen zweiten beheizbaren Bereich (3) zur Verlötung des Werkstücks, wobei eine erste Abgasführung (5) des ersten Bereichs (1) mit einem Oxidationsglied (6) zur Nachverbrennung von im Zuge der Thermoentfettung abgedampften Stoffen vorgesehen ist, und wobei eine zweite Abgasführung (7) des zweiten Bereichs (3) zur Abführung von heißen Gasen des Bereichs (3) vorgesehen ist, wobei die zweite Abgasführung (7) zumindest thermisch an die erste Abgasführung (5) stromaufwärts des Oxidationsglieds (6) angebunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ofenlinie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Ofenlinie.
Bei der industriellen Herstellung von verlöteten Werkstücken wie zum Beispiel vormontierten Wärmetauschern wird regelmäßig zunächst eine Thermoentfettung zur Entfernung von anhaftenden Ölen und Fetten durchgeführt. Die dabei abgedampften Stoffe, auch als VOC (= Volatile Organic Compounds) bezeichnet, werden aufgrund ihrer Umweltschädlichkeit einer nachfolgenden Oxidation unterzogen. Hierzu wird der die abgedampften Stoffe enthaltene Abgasstrom zum Beispiel durch Zusatzbrenner weiter aufgeheizt, wodurch erhebliche Mengen an Energie verbraucht werden.
DE 35 17 186 A1 beschreibt eine Ofenlinie, bei der heiße Abgase eines Lötofens zur besseren Energienutzung gesammelt und zu einem dem Lötofen vorgeordneten Trocknerofen geführt werden, um diesen durch die Wärme der Abgase zumindest teilweise mit Heizenergie zu versorgen.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Ofenlinie und ein Verfahren zum Betrieb einer Ofenlinie anzugeben, mittels derer der Gesamtenergieverbrauch der Ofenlinie verringert werden kann.
Diese Aufgabe wird für eine eingangs genannte Ofenlinie mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch die thermische An kopplung der zweiten Abgasführung bzw. der heißen Abgase des Lötofens kann ohne oder zumindest mit deutlich verminderter systemexterner Energiezufuhr eine Temperaturerhöhung der abgedampften Stoffe erreicht werden, die zu einer Oxidierung ausreichend ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die thermische Anbindung über einen ersten Wärmetauscher erfolgt, so dass Wärme von Abgasen des zweiten Bereichs bzw. eines Lötofens in Abgase des ersten Bereichs bzw. einer Thermoentfettungsstation stromaufwärts des Oxidationsglieds einbringbar ist. Hierdurch wird eine Vermischung der beiden Abgasströme vermieden, was insbesondere dann vorteilhaft sein kann, wenn der zweite Abgasstrom wenig oxidierende Gase enthält. Je nach Auslegung der Anlage kann in alternativer Ausgestaltung aber auch eine zumindest teilweise, insbesondere einstellbare Vermischung der Abgasströme erfolgen, falls dies der Oxidation der abgedampften Stoffe nicht abträglich oder sogar förderlich ist.
In bevorzugter Detailgestaltung der Erfindung ist ein zweiter Wärmetauscher vorgesehen, der die erste Abgasführung stromabwärts des Oxidationsglieds thermisch an die erste Abgasführung stromaufwärts des Oxidationsglieds anbindet. Hierdurch kann allgemein überschüssige Wärme und insbesondere Wärmeenergie, die bei exothermer Oxidation der abgedampften Stoffe frei wird, ebenfalls zur Aufheizung der Stoffe vor Eintritt in das Oxidationsglied genutzt werden. Es wird dadurch weitgehend vermieden, dass die in die Atmosphäre entlassenen Gase der ersten Abgasführung eine nicht genutzte überschüssige Wärme enthalten. Besonders vorteilhaft ist dabei der zweite Wärmetauscher im ersten Abgasstrom stromaufwärts der thermischen Anbindung von erstem und zweitem Abgasstrom angeordnet, um eine unter Berücksichtigung der Temperaturgefälle besonders effektive Aufheizung zu ermöglichen.
In allgemein bevorzugter Ausgestaltung umfasst das Oxidationsglied einen Katalysator, um eine kostengünstige und effektive Oxidation der abgedampften Stoffe zu erzielen. Bei den abgedampften Stoffen handelt es sich meist um größere organische Moleküle, auch VOC (Volatile Organic Compounds) genannt, die möglicht vollständig zu unschädlichen Molekülen wie etwa CO2 oxidiert werden sollen, was durch einen Katalysator besonders zuverlässig erreicht wird.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zumindest in einem Normalbetrieb der Ofenlinie kein zusätzlicher Brenner vor dem Oxidationsglied vorgesehen. Entsprechend wird sämtliche zur Aufheizung der abgedampften Stoffe auf ein für die Oxidation notwendiges Temperaturniveau notwendige Heizenergie den Abgasströmen selbst entnommen. Allerdings kann ein Zusatzbrenner insbesondere aus Gründen der Betriebssicherheit vorgesehen sein, um eine jederzeitige vollständige Oxidation der umweltschädlichen abgedampften Stoffe auch bei Auftreten ungünstiger Betriebsbedingungen sicherstellen zu können. Zur Sicherstellung der Oxidation in dem Oxidationsglied ist es vorteilhaft vorgesehen, dass die Temperatur in der ersten Abgasführung vor dem Oxidationsglied wenigstens etwa 320°C beträgt.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich ein Vorheizbereich angeordnet. Hier erfolgt eine weitere Temperaturerhöhung zur ausreichenden Vorheizung des Werkstücks vor Eintritt in den Lötofen bzw. zweiten Bereich. Gegebenenfalls können auch heiße Abgase dieses Vorheizbereichs zur Aufheizung der abgedampften Stoffe genutzt werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird für ein Verfahren zum Betrieb einer Ofenlinie zur Verlötung eines Werkstücks durch die Verfahrensschritte gemäß Anspruch 10 gelöst. Durch das Aufheizen der von dem ersten Bereich abgeführten abgedampften Stoffe mittels der heißen Gase des zweiten Bereichs wird der Energieverbrauch der Ofenlinie optimiert.
Besonders bevorzugt umfasst die Ofenlinie dabei die Merkmale nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
In vorteilhafter Weiterbildung wird dabei zudem die Wärme der in Schritt e. oxidierten abgedampften Stoffe zum Zweck der Aufheizung der noch nicht oxidierten abgedampften Stoffe verwendet. Hierdurch wird die in die Atmosphäre entlassene Wärmemenge des ersten Abgasstroms im Sinne einer Optimierung der Energiebilanz verringert.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie aus den abhängigen Ansprüchen.
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben und anhand der anlegenden Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ofenlinie
Die in 1 dargestellte Ofenlinie umfasst einen ersten Bereich 1, einen zweiten Bereich 3 und einen dazwischen angeordneten Vorheizbereich 2, durch die mittels einer Fördereinrichtung 4 Werkstücke, vorliegend aus lotplattierten Aluminiumblechen vormontierte Wärmetauscher für Kraftfahrzeuge, gefördert werden.
Bei dem ersten Bereich handelt es sich um eine beheizte Station zur Thermoentfettung der Werkstücke. Dabei werden die Werkstücke auf eine zur Abdampfung der an ihnen haftenden Fette und Öle und sonstigen abdampfbaren Verunreinigungen ausreichende erste Temperatur T1 gebracht. T1 muss dabei so niedrig sein, dass eine Abdampfung und nicht eine Zersetzung der Stoffe an der Oberfläche des Werkstücks erfolgt.
Die abgedampften Stoffe, vorrangig VOCs, werden über eine erste Abgasführung 5 von der Thermoenffettungsstation 1 abgeführt. Die abgedampften Stoffe sind hochgradig umweltschädlich und müssen vor einer Emission in die Atmosphäre nachbehandelt werden, was vorliegend durch katalytische Nachverbrennung in einem einen Katalysator umfassenden Oxidationsglied 6 erfolgt. Um eine ausreichende katalytische Nachverbrennung zu ermöglichen, müssen die abgedampften Stoffe bzw. der Gasstrom der ersten Abgasführung 5 am Eintritt des Oxidationsglieds 6 eine Mindesttemperatur von zum Beispiel wenigstens 320°C aufweisen, die deutlich oberhalb der Heiztemperatur im dem ersten Bereich liegt.
In dem Vorheizbereich 2 der Ofenlinie erfolgt eine weitere Aufheizung des Werkstücks auf eine Temperatur T2, bevor dieses in den als Lötofen ausgebildeten zweiten Bereich 3 der Ofenlinie eintritt. Der Lötofen wird auf eine Temperatur T3 geheizt, die nochmals höher als die Temperatur des Vorheizbereichs 2 ist.
Heiße Gase des Lötofens 3 werden über eine zweite Abgasführung 7 abgeführt. Bei diesen heißen Gasen kann es sich etwa um Gase aus dem unmittelbaren Ofenbereich handeln, um Rauchgase von zum Beispiel gasbetriebenen Heizbrennern oder um ein Gemisch solcher Gase. Jedenfalls haben die Abgase des Lötofens 3 eine höhere Temperatur als die für die katalytische Nachverbrennung benötigte Temperatur des ersten Abgasstroms.
Die zweite Abgasführung 7 führt durch einen ersten Wärmetauscher 8, in dem der zweite, heißere Abgasstrom mit dem ersten, kälteren Abgasstrom in thermischen Austausch gelangt. Der erste Wärmetauscher 6 ist dabei stromaufwärts des Oxidationsglieds 6 bezüglich des ersten Abgastroms 5 vorgesehen. Hierdurch wird der erste Abgasstrom auf die für die katalytische Nachverbrennung erforderliche Temperatur von wenigstens etwa 320°C aufgeheizt.
Entsprechend kann zumindest bei einem normalen Betriebszustand der Ofenlinie auf eine Heizung des ersten Abgasstroms mit externer Energie verzichtet werden. Dennoch kann ein Zusatzbrenner vorgesehen sein, um eine Oxidation der VOCs zum Beispiel auch im Fall einer Betriebsstörung wie etwa einem plötzlichen Ausfall der Lötofenheizung sicherzustellen.
Weiterhin ist stromaufwärts des ersten Wärmetauschers 8 ein zweiter Wärmetauscher 9 in der ersten Abgasführung 5 angeordnet, über den der erste Abgasstrom vor Eintritt in den ersten Wärmetauscher 8 und vor Eintritt in das Oxidationsglied 6 durch Wärme des ersten Abgasstroms austrittseitig des Oxidationsglieds 6 vorgeheizt wird. Dabei wird zum einen bei exothermen Reaktionen entstehende Wärme genutzt und zum anderen ganz allgemein die überschüssige Wärme des ersten Abgasstroms, die nur zum Zweck der katalytischen Oxidation zugeführt worden war.
Der erste Abgasstrom wird nach Abgabe seiner Wärme in dem zweiten Wärmetauscher 9 in die Atmosphäre entlassen und der zweite Abgasstrom wird nach Abgabe seiner Wärme in dem ersten Wärmetauscher 8 in die Atmosphäre entlassen. Je nach Auslegung der Ofenlinie können die Abgasströme dabei noch überschüssige Wärme enthalten. Bei einer nicht dargestellten Abwandlung können die Abgasströme daher weiterhin zur Bereitstellung von Prozesswärme verwendet werden, zum Beispiel zur zumindest unterstützenden Heizung der Thermoentfettungsstation 1, in der eine nur relativ niedrige Temperatur erforderlich ist.

Nachfolgend wird für das Ausführungsbeispiel der Erfindung eine überschlägige Beispielsrechnung angegeben, anhand derer die Möglichkeiten der Einsparung von Energie und CO2-Ausstoß verdeutlicht wird:

Größe des zweiten Abgasstroms:	520 m³/h
Typische Wärmekapazität des Gasstroms:	1,56 kJ/m³K
ΔT (im ersten Wärmetauscher):	450 K
Geschätzter Wirkungsgrad Wärmerückgewinnung:	50%
Angenommene Betriebsdauer pro Jahr:	6000 Std.

(Volumen ist jeweils bezogen auf 0°C und 1,013 bar)

Aus diesen Annahmen ergibt sich eine durch den Wärmetausch in dem ersten Wärmetauscher eingesparte Heizleistung von 450 K·520 m3/h·1,56 kJ/m3K·0,5 = 50 kW.
50 Kilowatt entsprechen einem Verbrauch von rund 5 m³/h Erdgas. Entsprechend werden pro Jahr 6000·5 = 30000 m³ Erdgas eingespart. Dies entspricht bezüglich der umweltschädlichen Emission von Kohlendioxid einer Einsparung von rund 32000 m³ CO2 oder auch 63 Tonnen CO2 pro Jahr.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 3517186 A1 [0003]

Claims

Ofenlinie, umfassend einen ersten beheizbaren Bereich (1) zur Thermoentfettung eines Werkstücks und einen zweiten beheizbaren Bereich (3) zur Verlötung des Werkstücks, wobei eine erste Abgasführung (5) des ersten Bereichs (1) mit einem Oxidationsglied (6) zur Nachverbrennung von im Zuge der Thermoentfettung abgedampften Stoffen vorgesehen ist, und wobei eine zweite Abgasführung (7) des zweiten Bereichs (3) zur Abführung von heißen Gasen des zweiten Bereichs (3) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Abgasführung (7) zumindest thermisch an die erste Abgasführung (5) stromaufwärts des Oxidationsglieds (6) angebunden ist.
Ofenlinie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Anbindung über einen ersten Wärmetauscher (8) erfolgt, so dass Wärme von Abgasen des zweiten Bereichs (3) in Abgase des ersten Bereichs (1) stromaufwärts des Oxidationsglieds (6) einbringbar ist.
Ofenlinie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Wärmetauscher (9) vorgesehen ist, der die erste Abgasführung (5) stromabwärts des Oxidationsglieds (6) thermisch an die erste Abgasführung (5) stromaufwärts des Oxidationsglieds (6) anbindet.
Ofenlinie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmetauscher (9) im ersten Abgasstrom stromaufwärts der thermischen Anbindung von erstem und zweiten Abgasstrom angeordnet ist.
Ofenlinie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxidationsglied (6) einen Katalysator umfasst.
Ofenlinie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einem Normalbetrieb der Ofenlinie kein zusätzlicher Brenner vor dem Oxidationsglied (6) vorgesehen ist.
Ofenlinie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur in der ersten Abgasführung (5) vor dem Oxidationsglied (6) wenigstens etwa 320°C beträgt.
Ofenlinie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Bereich (1) und dem zweiten Bereich (3) ein Vorheizbereich (2) angeordnet ist.
Ofenlinie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ofenlinie in dem ersten beheizbaren Bereich (1) einen Infrarotstrahler aufweist.
Verfahren zum Betrieb einer Ofenlinie zur Verlötung eines Werkstücks, gekennzeichnet durch die Schritte a. Heizen des Werkstücks auf eine erste Temperatur in einem ersten Bereich (1) zur Thermoentfettung und Abführen von abgedampften Stoffen; b. Verbringen des Werkstücks in einen zweiten Bereich (3); c. Heizen des Werkstücks dem zweiten Bereich (3) zur Verlötung des Werkstücks; d. Abführen von heißen Gasen aus dem zweiten Bereich (3) und Aufheizen der von dem ersten Bereich (1) abgeführten abgedampften Stoffe mittels der heißen Gase; und e. Oxidation der abgeführten und in Schritt d. aufgeheizten abgedampften Stoffe.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ofenlinie die Merkmale nach einem der Ansprüche 1 bis 8 umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme der in Schritt e. oxidierten abgedampften Stoffe zum Zweck der Aufheizung der noch nicht oxidierten abgedampften Stoffe verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizen des Werkstücks gemäß Schritt a. konvektiv und/oder durch Strahlung, insbesondere mittels Infrarotstrahlung, erfolgt.