DE2427349A1 - Verfahren und anordnung zur einstellung des waermeueberganges bei heissgasschweissbrennern fuer plaste - Google Patents

Description

• Verfahren und Anordnung zur Einstellung des Wärmeüberganges bei IIeißgasschweißbrennern für Plaste Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung des Wärmeüberganges von insbesondere elektrisch beheizten Wärmequellen auf gasförmige Medien, vorzugsweise bei Heißgasschweißbrennern zur Bearbeitung thermoplastischer Werkstoffe sowie eine- Anordnung zur Ausübung des Verfahrens.
• Die bisher bekanntgewordenen elektrisch beheizten Heiß gas schweiß brenner sind grundsätzlich mit einem Widerstandsheizelement versehen, welches das unter einem leichten Überdruck stehende strömende Medium, -insbesondere atmosphärische Luft, aufheizt. Das Medium strömt innerhalb des Brenners durch eine sontralfiangeordnete Bohrung oder durch über den Querschnitt des Brenners verteilte axiale Kanäle und wird mit Hilfe einer jusströmdüse der Schweißstelle zugeführt.
• Da das Heißgas nur als Wärmetr4er dient und auf den Erfolg der Schweißung keinen Einfluß ausübt, ist an die Wärmeübertragung vom Heizelement zum Gasstrom die Forderung nach einen hohen thermischen Wirkungsgrad zu stellentum einerseits den erforderlichen Gasdurchsatz gering zu halten. und darüberhinaus die Erwärmung der Brennerbauteile zu vermeiden.
• Zur Herabsetzung der Erwärmung der äußeren Brennerbauteile rrurc den bereits Heiß@asschweißbrenner bekannt, bei denen zwischen dem Heizelement und dem Brenneraußenmantel eine wärmeisolierende Schicht vorgesehen wurde. Um eine unzumutbare Erwärmung des Brennerhandgriffes zu vermeiden, ist bei einem bekannten Heißgasschweißbrenner ein Leitblech angeordnet, daß einen Wärmerückstau auf den Handgriff vermeiden soll; Hierbei ist der Kaltgasstrahl auf die Innenseite des Brenneraußenmantels gerichtet, wodurch das Kaltgaszuführungsrohr gegen das erhitzte Gas abeeschirmt wird.
• Weiter sind eine Reihe von Lösungen bekannt, nach denen der Außenmantel des Heißgasbrenners durch das zuströmende, noch kalte gasförmige Medium gekühlt wird, indem zwischen Widerstandsheizelement und Außenmantel ein rohrförmizes Leitblech angeordnet ist. Das gasförmige Medium strömt in diesem Falle labyrinthartig vom Brennerbandgriff über die Innenseite des Außenmantels des Heißgasbrenners zum Brennerkopf, dann zurück über den Mantel des Heizelementes und schließlich durch den zentralen Gaskanal des Heizelementes zur Düse des lleißgasbrenners.
• Nach einer anderen bekannten Lösung wird das zasförmime Medium spiralförmig von der Innenseite des Außenmantels zum Mantel des Heizelementes und anschließend durch den zentralen Gaskanal des Heizelementes geleitet.
• Ballen diesen Konstruktionsprinzipien gemeinsam ist der Nachteil, daß ein optimaler Wärmeübergang vom Heizelement auf das strömende Gas nicht zu erzielen ist.
• Voraussetzung für einen optimalen Wärmeübergang ist eine Mindestkontaktzeit der noch nicht auf Arbeitstemperatur erhitzten Gasmolek!ile mit dem Heizelementv Um jedoch diese Forderung zum Erreichen der für das Heißgasschweißen erforderlichen Heiß#astemperatur zu erfüllen, sind sehr große Brennerlängen erforderlich, die notwendigerweise zu unhandlichen Konstruktionen führen. Gleiche Nachteile sind auch dann zu erwarten, wenn die wirksame Manteloberfläche des Heizelementes vergrößert wird.
• Die besonders zur Eühlunz des Brennermantels geschaffenen Labyrinthsysteme flir die Führung des gasförmigen Mediums lassen eine größere Kontaktzeit der noch nicht auf Arbeitstemperatur erhitzten Gasmolekäle mit der Wärmequelle zu. Da sich auf den letzten Abschnitt des Gasführungssystems jedoch ein Wärmestau bildet, wird eine rasche EnerFieubertragung auf die Gasmoleküle durch ein fehlendes oder zu Eerinmes Wärmegefälle zwischen Heizelement und Gasmolekülen verhindert. Die Folge davon ist, eine Uberhitzung des Heizelementes, die nur durch einen höheren Gasdurchsatz zu vermeiden ist.
• Ein erhöhter Gasdurchsatz kann, wie Versuche beweisen, zur völligen Energieübernahme führen, wobei jedoch eine erhöhte Oxydation der Brennerbauteile und eine geringe Heißgastemperatur an der Schweißstelle als untragbare Nachteile auftreten.
• Die bekannten Labyrinthsysteme besitzen ferner den konstruktivbedingten Nachteil, daß die metallischen Leitbleche eine unerwünschte Wärmeableitung vom Heizelement an den BrennerauBenmantel und an den Brennerhandgriff verursachen.
• Schließlich wurden Heißgasschweißbrenner mit einem eingebauten Gebläse bekannt, das in Abhängigkeit von einer Temperaturregel einrichtung Überhitzungserscheinungen des Heizelementes durch Regelung der Iiuftdurchsatzmenge vermeiden helfen soll. Damit konnten jedoch die dargestellten gesetzmäßigen Nachteile nicht beseitigt werden.
• Es ist deshalb Zweck der Erfindung, einen Heißgatschwelßbrenner so zu vervollkommneng daß bei einem zerinzen Gasdurchsatz Außenmantel und Griffstück sich nur seringfügig erwärmen und über hitzunPserscheinunzen des Heizelementes vermieden werden, wobei für jede Schweißaufgabe eine ausreichende Gastemperatur an der Heißgasdüse vorhanden sein muß.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wärmeübergang von einer vorzuzsweise elektrisch beheizten Wärmequelle auf strömende zasförmime Medien, insbesondere bei Heißgasschweißbrennern so zu verbessern, daß ein maximaler thermischer Wirkungsgrad des heißgaserzeugenden Systems zu erzielen ist.
• Diese Aufgabe#wird erfindungsgemäß gelöst, indem das der Wärmequelle zufließende gasförmige Medium in zwei oder mehrere Teilströme aufgeteilt wird, wovon mindestens ein Teilstrom die Wärmequelle axial umströmt und mindestens von einem weiteren Teilstrom schraubenlinienartig so umhüllt wird, daß ein unmittelbarer Kontakt zwischen den gaßförmigen Medien der Teilströme vorhanden ist. Dabei ist die.Durchflußmenge des äußeren Teilstromes zweckmäßig größer als die des.inneren Teilßtromes zu wählen. Der innere Teilstrom oder die inneren Teilströme erhalten zur Erhöhung des erfindungszemäßen Effektes durch eeionete konstruktive Maßnahmen ein turbulentes Strömungsverhalten.
• Die zwischen dem schraubenlinienartig verlaufenden äußeren Teilstrom und dem axial zur Wärmequelle verlaufenden inneren Deilßtrom hervorgerufene Wirbelbildung bewirkt eine intensive Durchmischung des Arbeitsgases und damit eine Verlängerung der Kontaktzeit JedeR Gasmoleküles mit der Wärmequelle, wodurch eine optimale Energieübernahme erfolgt. Da die Umwandlung einer laminaren Gasströmung in eine turbulente Strömung vox Außenmantel des Heißgasschweißbrenners sowie vom Brennergriffelement ausgeht, ist ferner eine wirksame Kühlung dieser Bereiche gesichert.
• Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, die Durchflußmenge des äußeren Gasstromes größer zu wählen als die des inneren Teilstromes, wozu die Querschnitte der Zwangsführungen entsprechend zu bemessen sind. Durch eine an sich bekannte Gestaltung dieser Querschnitte kann ferner den Gas strömen ein turbulentes Strömungsverhalten mitgeteilt werden.
• Die Anordnung zur Ausübung des Verfahrens besteht aus einer stabförmigen Wärmequelle, die vorzugsweise mit einem Widerstandsheizelement versehen ist. Auf diese Wärmequelle wird ein aus einem Werkstoff hoher thermischer Leitfähigkeit bestehender Mantel aufgeschoben, der in axialer Richtung auf seiner Peripherie Æleichm~aß4g verteilt eine Anzahl von Nuten besitzt. Dieser Mantel ist mit einer wendelförmigen Zwan#sführung um#eben, die beispielsweise aus einem Wendel eines Drahtes mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt besteht. Die Steigung des Wendels wird von dem notwendigen Strömungsquerschnitt des äußeren Gasstromes bestimmt.
• Um die Wasströmung insbesondere des inneren Teilstromes oder der inneren Teilströme turbulent verlaufen zu lassen, können die Längsnuten zusätzlich aufgerauht oder mit profilierten Oberflächen versehen sein.
• Zur Verminderung des Wärmeüberganges von der wendelförmigen Zwangsfährung auf den Außenmantel des Heißgasscbweißbrenners wird zwischen diesen Bauelementen eine wärmeisolierende Schicht angeordnet, wozu sich besonders eine Hitze schutzfolie eignet, die aus einem Verbundwerkstoff von Glasseid e mit Aluminiumfolie besteht.
• Der wesentliehe Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ein optimaler Energiellbergang vom Heizelement auf das gasförmige Medium erfolgt, wobei sich Außenmantel und Griffstück des Heißgasschweißbrenners nur unwesentlich erhitzen und bei einer für jede Schweißauf gabe ausreichenden Gastemperatur tlberhitzungserscheinunzen des Heizelementes vermieden werden.
• Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeis;piel näher erläutert werden. In der dazugehörigen Zeichnung zeigen s Fig. 1 : Einen Teilschnitt durch die Achse des Heißgasschweißbrenners.
• Fig. 2 : Den Schnitt A-A durch die erfindungswesentlichen Bauteile des Heißgasschweißbrenners.
• Der von einem Gebläse erzeugte Luftstrom tritt durch das Brennergriffstück 7 über den Gaseinlaßkanal 8 in den im wesentlichen durch den Mantel 2 gebildeten Heizraum des Heißgasschweißbrenners ein. Die zugeführte Luftmenge teilt sich danach in mehrere Teilströme auf, die durch die Längsnuten in Heizelementmantel 3 bzw. durch den von der Zwangsführung 4 Fbebildeten wendelförmigen Querschnitt fließen. Beide Teilströme durchmischen sich mit zunehmender Entfernung vom Griffstück 7 und Mantel 2 durch die mit Hilfe aufgerauhter Längsnuten im Heizelementmantel 3 erzwungene Turbulenz und führen ein Maximum der durch die widerstandsbeheizte Wärmequelle 1 erzeugten Wärmeenergie ab. Der erhitzte Gasstrom verläßt über die Heißgasdüse 6 den Heißgasschweißbrenner. Um die Wiirmeableituna von der Wärmequelle 1 über den Heizelementmantel 2 und die wendelförmige Zwangsführung 4 auf den Brennermantel 2 herabzusetzen, empfiehlt es sich, zwischen die letztgenannten beiden Bauteile eine wärmeisolierende Schicht 5 einsufügen. Als geeigneter Isolierwerkstoff hat sich eine Verbundfolie aus Glasseide und Aluminiumfolie erwiesen.
• Der Netzanschluß 9 an die Wärmequelle 1 wird in einet gemeinsamen, nichtdårgestellten Schlauchpaket bis an seine Anschlußstelle untergebracht.
• Für das Verhältnis des äußeren Teilstromes zum inneren Teilstrom ist die Bemessung der Kanalquerschnitte von Bedeutung.
• Der Brenner ist funktionsfähig, wenn der Querschnitt zwischen der wendelförmigen Zwangsführung 4 und der Summe der Querschnitte der Nuten im Heizelementmantel 3 sich wie 2 s 1 bzw.
• 1 z 1 verhält.

Claims (3)

Patentansprüche

1.Verfahren zur Einstellung des Wärmeüberganzes von insbesondere elektrisch-beheizten Wärmequellen auf gasförmige Medien, vorzugsweise bei Heiß@asschweißbrennern zur Bearbeitunz thermoplastischer W#erkstoffe, dadurch gekennzeichnet, daß das der Wärmequelle (1) zufließende gasförmige Medium in zwei oder mehrere Teilströme aufgeteilt wird, wovon mindestens ein Teilstrom die Wärmequelle (1) axial umströmt und mindestens von einem weiteren Teilstrom schraubenlinienartig so umhüllt wird, daß ein unmittelbarer Kontakt zwischen den gasförmigen Medien der Teilströme vorhanden ist, wobei die Durchflußmenge des äußeren Teilstromes vorzugsweise größer als die des inneren Teilstromes ist und letzterem ein vorzugsweise turbulentes Strömungsverhalten mitgeteilt wird.

2. Anordnung zur Ausübung des yerfahrens nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß eine stabförmige, insbesondere widerstandsbeheizte Wärmequelle (1) von einem, mit auf seiner Peripherie angeordneten Längsnuten (3) versehenen, vorzugsweise aus einem Werkstoff hoher thermischer Leitfähi#keit bestehenden Mantel (2) umgeben ist1 der von einer wendelföraigen Zwangsführung (4) umschlossen wird.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Peripherie des Mantels (2) anzeordneten Längsnuten (3) panz oder teilweise eine aufgerauhte oder profilierte Oberfläche besitzen.

4e Anordnun nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wendelförmige Zwangsführung (4) von einer wärmeisolierenden Schicht (5) umhüllt ist.

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