EP1673581B1 - Temperiergerät für industrielle wärmeverbraucher - Google Patents

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EP1673581B1
EP1673581B1 EP04765535A EP04765535A EP1673581B1 EP 1673581 B1 EP1673581 B1 EP 1673581B1 EP 04765535 A EP04765535 A EP 04765535A EP 04765535 A EP04765535 A EP 04765535A EP 1673581 B1 EP1673581 B1 EP 1673581B1
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exhaust gas
heat
gas
combustion chamber
combustion
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Hartmut Seifert
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EOn Ruhrgas AG
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EOn Ruhrgas AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/18—Water-storage heaters
    • F24H1/20—Water-storage heaters with immersed heating elements, e.g. electric elements or furnace tubes
    • F24H1/205—Water-storage heaters with immersed heating elements, e.g. electric elements or furnace tubes with furnace tubes
    • F24H1/206—Water-storage heaters with immersed heating elements, e.g. electric elements or furnace tubes with furnace tubes with submerged combustion chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C3/00—Combustion apparatus characterised by the shape of the combustion chamber
    • F23C3/004—Combustion apparatus characterised by the shape of the combustion chamber the chamber being arranged for submerged combustion

Definitions

  • the invention relates to a temperature control unit for industrial heat consumers, in particular molds, which are in heat exchange with a liquid heat transfer medium, which flows in a circulation line, with a container in which there is a heater for the heat transfer medium, wherein the heater is designed as a gas burner, the one Has mixing device for fuel gas and combustion air and a burner plate, which is followed by a combustion chamber to which at least one exhaust gas heat exchanger is connected, wherein the combustion chamber and the exhaust gas heat exchanger are in heat exchange with the heat transfer medium.
  • the US-A-6,173,681 shows a device for the tempering of liquid feed for calves.
  • a water tank designed as a gas burner heater is arranged.
  • the gas burner has a burner plate, which is followed by a combustion chamber, to which at least one exhaust gas heat exchanger is connected, wherein the combustion chamber and the exhaust gas heat exchanger are in heat exchange with the water in the water tank.
  • a pipe is wound around the flue gas heat exchanger where the liquid feed is heated.
  • thermocontrol devices For temperature control of injection molds and die casting molds for plastic, rubber, metal die casting processing temperature control devices are used. Further applications include temperature control of sample containers in the pharmaceutical and chemical industries as well as roller tempering in the production of paper and chipboard.
  • a heat transfer medium in particular water or thermal oil is used.
  • the heat transfer medium is heated in the container by means of the heater to a desired temperature.
  • the temperature is usually kept constant, in the container is a cooling coil, which is connected to an external cooling circuit to ensure the temperature stability.
  • the heat transfer medium is guided by means of a pump to one or more heat consumers.
  • a further disadvantage is that electrical resistance heating must be replaced with relatively great effort, if a heat transfer medium is to be replaced with such a different maximum temperature.
  • the maximum temperature of the heat transfer medium depends on the type of heat transfer medium used. Water is known to be heated not higher than 100 ° C. Thermal oil can reach temperatures of up to 350 ° C.
  • the service life of electrical heating elements as a result of aging processes is relatively low. This has a negative effect on current production.
  • the invention is therefore based on the object to improve a temperature control device of the type mentioned in such a way that these disadvantages are avoided, in particular, the heating time should be low and should be possible to save energy, the temperature of the heat transfer medium.
  • the combustion chamber has a connection for the supply of foreign burner exhaust gases which can be conducted through the exhaust gas heat exchanger when the gas burner is switched off.
  • the waste heat from foreign gas burners whose exhaust gases can still have a temperature of about 160 ° C to 200 ° C energy-saving to maintain the temperature of the heat transfer medium can be used.
  • the assembly is simple because the combustion chamber, the exhaust gas heat exchanger and the exhaust gas collection chamber form a structural unit that can be mounted in the container.
  • the mixing device consists of an exchangeable Venturi nozzle through which combustion air flows with the aid of a blower located in the mixture passage, fuel gas being drawn in from a combustion gas line via at least one passage opening.
  • the maximum output of the gas burner is determined by the dimensions of the Venturi nozzle. This maximum power can be changed in a particularly simple manner, by replacing only the venturi nozzle with one of other dimensions. This is of particular importance if the heat transfer medium is to be exchanged for a heat transfer medium with a different maximum temperature.
  • the burner plate designed as a metal fiber plate
  • the fuel gas / combustion air is supplied by means of a blower whose speed is adjustable.
  • Fig. 1 shows a container 1 for a heat transfer medium.
  • a circulation line 2, in which the heat transfer medium is pumped in a circle, is on the container 1 and connected to at least one heat consumer 3 in the form of a mold.
  • the mold 3 has a channel, not shown, through which the heat transfer medium flows while emits heat.
  • the mold is, for example, an injection mold for plastic.
  • the heat transfer medium used is water.
  • the container 1 is provided with a heater 4, which is designed as a fully pre-mixing gas burner, which is operated with natural gas.
  • the gas burner has a rectangular burner plate 5, which is formed as a metal fiber plate. At the burner plate 5, a combustion chamber 6 connects. To this several parallel and spaced from each other arranged exhaust gas heat exchanger 7 are connected, which open with their downstream ends in an exhaust gas collecting chamber 8 having an outlet opening 9. The arrangement of the exhaust gas heat exchanger is also Fig. 2 refer to.
  • the combustion chamber 5, the exhaust gas heat exchanger 6 and the exhaust gas collection chamber 7 form a structural unit, which is fastened in a manner not shown by means of a flange on a side wall of the container 1.
  • the combustion chamber 6 and the exhaust gas heat exchanger 7 are in direct heat exchange with the heat transfer medium, so that it is heated by the hot exhaust gases relatively quickly to the target temperature.
  • the fuel gas / combustion air mixture is generated by means of a mixing device 10, which consists of a Venturi nozzle, which is open at the front, so that ambient air is sucked by means of a blower 13. Since a pressure drop occurs in the Venturi nozzle 10, natural gas is drawn in from a gas line 11 via a passage opening 12, which is designed as an annular gap.
  • the gas supply can be interrupted in a known manner by means of a non-illustrated solenoid valve in the gas line 11.
  • the dimensions of the Venturi nozzle 10 determine the maximum power of the gas burner. This maximum power can be changed in a particularly simple manner by replacing only the Venturi nozzle 10 with one of other dimensions. This is of particular importance if the heat transfer medium is to be exchanged for a heat transfer medium with a different maximum temperature.
  • the fuel gas / combustion air mixture is fed to the burner plate 5 by means of the blower 13, the speed of which is controllable. In this way, the performance of the gas burner can be varied. Since the burner plate 5 glows during operation, there is a constant ignition, whereby the burner burns very stable.
  • the combustion chamber 6 has an exhaust connection, not shown, for energy-saving use of waste heat from foreign gas burners.
  • the burner performance can be modulated by cyclic operation.
  • the exhaust gas heat exchanger 7 can be designed arbitrarily.
  • the passage opening 12 may be in the form of several holes. Instead of water, thermal oil or another suitable liquid can also be used as the heat transfer medium.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Temperiergerät für industrielle Wärmeverbraucher, insbesondere Formwerkzeuge, die in Wärmetausch mit einem flüssigen Wärmeträgermedium stehen, welches in einer Kreislaufleitung strömt, mit einem Behälter in dem sich eine Heizeinrichtung für das Wärmeträgermedium befindet, wobei die Heizeinrichtung als Gasbrenner ausgebildet ist, der eine Mischeinrichtung für Brenngas und Verbrennungsluft und eine Brennerplatte aufweist, an die sich eine Brennkammer anschließt, an welche mindestens ein Abgas-Wärmetauscher angeschlossen ist, wobei die Brennkammer und der Abgaswärmetauscher in Wärmetausch mit dem Wärmeträgermedium stehen.
  • Aus der US-A-5 355 841 ist ein gasbeheizter Wassererhitzer für die Erhitzung von Brauchwasser bekannt. Dieser bekannte Wassererhitzter weist die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 auf und ist primär im Hinblick auf kostengünstige Geräteproduktion für haushaltliche Zwecke gestaltet.
  • Die US-A-6 173 681 zeigt eine Einrichtung für die Temperierung von flüssigem Futter für Kälber. In einem Wasserbehälter ist eine als Gasbrenner ausgebildete Heizeinrichtung angeordnet. Der Gasbrenner weist eine Brennerplatte auf, an die sich eine Brennkammer anschließt, an welche mindestens ein Abgas-Wärmetauscher angeschlossen ist, wobei die Brennkammer und der Abgaswärmetauscher in Wärmetausch mit dem Wasser in dem Wasserbehälter stehen. Um die Abgaswärmetauscher ist eine Rohrleitung gewickelt, in der das flüssige Futter erwärmt wird.
  • Zum Temperieren von Spritzgieß- und Druckgussformen für die Kunststoff-, Gummi-, Metalldruckguss-Verarbeitung werden Temperiergeräte eingesetzt. Weitere Anwendungen sind das Temperieren von Ansatzbehältem in der Pharma- und der Chemieindustrie sowie die Walzentemperierung bei der Herstellung von Papier und Spanplatten.
  • Als Wärmeträgermedium wird insbesondere Wasser oder Thermoöl verwendet. Das Wärmeträgermedium wird in dem Behälter mittels der Heizeinrichtung auf eine Solltemperatur erhitzt. Die Temperatur wird in der Regel konstant gehalten, Im Behälter befindet sich eine Kühlschlange, die an einen externen Kühlkreislauf angeschlossen ist, um die Temperaturkonstanz zu gewährleisten. Das Wärmeträgermedium wird mittels einer Pumpe zu einem oder mehreren Wärmeverbrauchern geführt.
  • Aus der Praxis ist bekannt, in dem Behälter zum Erhitzen des Wärmeträgermediums elektrische Widerstandsheizelemente in Form von z. B. Heizstäben zu verwenden. Elektrische Widerstandheizelemente haben den Nachteil, dass die Aufheizgeschwindigkeit gering ist. Demzufolge ist die Aufheizzeit, d. h. die Zeit in der das Wärmeträgermedium zu Produktionsbeginn oder nach dem Abkühlen die gewünschte Solltemperatur erreicht hat, relativ lang.
  • Nachteilig ist weiterhin, dass elektrische Widerstandsheizelemente mit relativ großem Aufwand ausgetauscht werden müssen, falls ein Wärmeträgermedium gegen ein solches mit anderer Maximaltemperatur ausgewechselt werden soll. Die Maximaltemperatur des Wärmeträgermediums hängt von der Art des verwendeten Wärmeträgermediums ab. Wasser ist bekanntlich nicht höher als 100°C erhitzbar. Thermoöl kann Temperaturen bis 350°C erreichen. Hinzu kommt, dass die Standzeit elektrischer Heizelemente in Folge von Alterungsprozessen relativ gering ist. Dies wirkt sich negativ auf die laufende Produktion aus.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Temperiergerät der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass diese Nachteile vermieden werden, wobei insbesondere die Aufheizzeit gering sein und die Möglichkeit bestehen soll, energiesparend die Temperatur des Wärmeträgermediums aufrechtzuerhalten.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Temperiergerät mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
  • Da die Brennkammer und der Abgaswärmetauscher des Gasbrenners in direktem Wärmetausch mit dem Wärmeträgermedium stehen und die Abgastemperaturen hoch sind, ist die Aufheizzeit für das Wärmeträgermedium sehr gering.
  • Erfindungsgemäß weist die Brennkammer einen Anschluss für die Zuführung von fremden Brennerabgasen auf, die bei abgeschaltetem Gasbrenner durch den Abgas-Wärmetauscher leitbar sind. Auf diese Weise kann die Abwärme von fremden Gasbrennern, deren Abgase noch eine Temperatur von etwa 160°C bis 200°C haben kann, energiesparend zur Aufrechterhaltung der Temperatur des Wärmeträgermediums genutzt werden.
  • Die Montage ist einfach, weil die Brennkammer, die Abgas-Wärmetauscher und die Abgas-Sammelkammer eine Baueinheit bilden, die im Behälter befestigt werden kann.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Mischeinrichtung aus einer austauschbaren Venturiedüse, durch die mit Hilfe eines im Gemischweg befindlichen Gebläses Verbrennungsluft strömt, wobei über mindestens eine Durchtrittsöffnung Brenngas aus einer Brenngasleitung ansaugt wird.
  • In der Venturiedüse entsteht eine Druckabfall, so dass das Brenngas angesaugt wird. Wenn der Luftstrom sich ändert, folgt der Brenngasstrom im vorgegebenen Verhältnis. Die maximale Leistung des Gasbrenners wird durch die Abmessungen der Venturiedüse bestimmt. Diese Maximalleistung kann auf besonders einfache Weise geändert werden, indem lediglich die Venturiedüse gegen eine solche mit anderen Abmessungen ausgetauscht wird. Dies ist von besonderer Bedeutung, wenn das Wärmeträgermedium gegen ein Wärmeträgermedium mit einer anderen Höchsttemperatur ausgetauscht werden soll.
  • Vorzugsweise wird der als Metallfaserplatte ausgebildeten Brennerplatte das Brenngas-/Verbrennungsluft mittels eines Gebläses zugeführt, dessen Drehzahl regelbar ist.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Temperiergerätes in Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.
  • Die Zeichnung zeigt in:
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung der wesentlichen Komponenten eines Temperiergerätes;
    Fig. 2
    eine schematische Draufsicht auf die Heizeinrichtung des Temperiergerätes.
  • Fig. 1 zeigt einen Behälter 1 für ein Wärmeträgermedium. Eine Kreislaufleitung 2, in der das Wärmeträgermedium in Kreis gepumpt wird, ist an dem Behälter 1 und an mindestens einen Wärmeverbraucher 3 in Form eines Formwerkzeuges angeschlossen. Das Formwerkzeug 3 weist einen nicht dargestellten Kanal auf, durch den das Wärmeträgermedium strömt und dabei Wärme abgibt. Bei dem Formwerkzeug handelt es sich beispielsweise um eine Spritzgießform für Kunststoff. Als Wärmeträgermedium wird Wasser verwendet.
  • Der Behälter 1 ist mit einer Heizeinrichtung 4 versehen, die als voll vormischender Gasbrenner ausgebildet ist, der mit Erdgas betrieben wird.
  • Der Gasbrenner weist eine rechteckige Brennerplatte 5 auf, die als Metallfaserplatte ausgebildet ist. An die Brennerplatte 5 schließt sich eine Brennkammer 6 an. An diese sind mehrere parallel und mit Abstand zueinander angeordnete Abgas-Wärmetauscher 7 angeschlossen, die mit ihren stromabwärts gelegenen Enden in eine Abgas-Sammelkammer 8 münden, die eine Austrittsöffnung 9 aufweist. Die Anordnung der Abgas-Wärmetauscher ist auch Fig. 2 zu entnehmen.
  • Die Brennkammer 5, die Abgas-Wärmetauscher 6 und die Abgas-Sammelkammer 7 bilden eine Baueinheit, die auf nicht dargestellte Weise mittels einer Flanschverbindung an einer Seitenwand des Behälters 1 befestigt ist.
  • Die Brennkammer 6 und der Abgaswärmetauscher 7 stehen in direktem Wärmetausch mit dem Wärmeträgermedium, so dass dieses von den heißen Abgasen relativ schnell auf die Solltemperatur aufgeheizt wird.
  • Das Brenngas-/Verbrennungsluftgemisch wird mittels einer Mischeinrichtung 10 erzeugt, die aus einer Venturiedüse besteht, die stirnseitig offen ist, so dass Umgebungsluft mittels eines Gebläses 13 angesaugt wird. Da in der Venturiedüse 10 ein Druckabfall entsteht, wird Erdgas aus einer Gasleitung 11 über eine Durchtrittsöffnung 12 angesaugt, die als Ringspalt ausgebildet ist. Die Gaszufuhr kann auf bekannte Weise mittels eines nicht dargestelltes Magnetventils in der Gasleitung 11 unterbrochen werden.
  • Die Abmessungen der Venturiedüse 10 bestimmen die maximale Leistung des Gasbrenners. Diese Maximalleistung kann auf besonders einfache Weise geändert werden, indem lediglich die Venturiedüse 10 gegen eine solche mit anderen Abmessungen ausgetauscht wird. Dies ist von besonderer Bedeutung, wenn das Wärmeträgermedium gegen ein Wärmeträgermedium mit einer anderen Höchsttemperatur ausgetauscht werden soll.
  • Das Brenngas-/Verbrennungsluftgemisch wird der Brennerplatte 5 mittels des Gebläses 13 zugeführt, dessen Drehzahl regelbar ist. Auf diese Weise kann die Leistung des Gasbrenners variiert werden. Da die Brennerplatte 5 während des Betriebs glüht, findet ständig eine Nachzündung statt, wodurch der Brenner sehr stabil brennt. Die Brennkammer 6 weist einen nicht dargestellten Abgasanschluss zur energiesparenden Nutzung der Abwärme von fremden Gasbrennern auf.
  • Im Rahmen der Erfindung sind ohne weiteres Abwandlungsmöglichkeiten gegeben. So kann die Brennerleistung durch taktweisen Betrieb moduliert werden. Der Abgas-Wärmetauscher 7 kann beliebig gestaltet sein. Die Durchtrittsöffnung 12 kann in Form von mehreren Bohrungen ausgeführt sein. Anstelle von Wasser kann als Wärmeträgermedium auch Thermoöl oder eine andere geeignete Flüssigkeit verwendet werden.

Claims (5)

  1. Temperiergerät für industrielle Wärmeverbraucher, insbesondere Formwerkzeuge, die in Wärmetausch mit einem flüssigen Wärmeträgermedium stehen, welches in einer Kreislaufleitung (2) strömt, mit einem Behälter (1), in dem sich eine Heizeinrichtung (4) für das Wärmeträgermedium befindet, wobei die Heizeinrichtung (4) als Gasbrenner ausgebildet ist, der eine Mischeinrichtung (9) für Brenngas und Verbrennungsluft und eine Brennerplatte (5) aufweist, an die sich eine Brennkammer (6) anschließt, an welche mindestens ein Abgas-Wärmetauscher (7) angeschlossen ist, wobei die Brennkammer (6) und der Abgaswärmetauscher (7) in Wärmetausch mit dem Wärmeträgermedium stehen,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Brennkammer (6) einen Anschluss für die Zuführung von fremden Abgasen aufweist, die bei abgeschaltetem Gasbrenner durch den Abgas-Wärmetauscher (7) leitbar sind.
  2. Temperiergerät nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass an die Brennkammer (6) mehrere parallel und mit Abstand zueinander angeordnete im wesentlichen rohrförmige Abgas-Wärmetauscher (7) angeschlossen sind, die mit ihren stromabwärts gelegenen Enden in eine Abgas-Sammelkammer (8) münden, die eine Austrittsöffnung (9) aufweist.
  3. Temperiergerät nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Brennkammer (6), die Abgas-Wärmetauscher (7) und die Abgas-Sammelkammer (8) eine Baueinheit bilden, die im Behälter (1) befestigt ist.
  4. Temperiergerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Mischeinrichtung (10) aus einer austauschbaren Venturiedüse besteht, durch die Verbrennungsluft strömt, wobei über mindestens eine Durchtrittsöffnung (11) Brenngas aus einer Brenngasleitung (12) ansaugt wird.
  5. Temperiergerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der als Metallfaserplatte ausgebildeten Brennerplatte (5) das Brenngas-Nerbrennungsluft-Gemisch mittels eines Gebläses (13) zugeführt wird, dessen Drehzahl regelbar ist.
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