AT526910A1 - Heizvorrichtung zur Einbringung von Prozesswärme in einen Schmelz- oder Erwärmungsofen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung zur Einbringung von Prozesswärme in einen Schmelz- oder Erwärmungsofen in welchem Wasser über eine Zuführung (1) für Wasser, vorzugsweise in Form von Wasserdampfeingebracht wird und/oder im Ofeninnenraum (2) vorhanden ist. Die Heizvorrichtung umfasst folgende Elemente: - zumindest ein induktionsfähiges Element (3), welches der Ofeninnenseite und/oder einer Wasserdampfzuführung (1) zugewandt ist und auf eine Temperatur von über 2000° C bevorzugt von über 2500° C bis etwa 4000°C erhitzbar ist, sodass ein Anteil des vorhandenen Wasserdampfs im Ofeninnenraum (2) bzw. in der Zuführung (1) zu HHO dissoziiert - zumindest einen Induktor (4), beispielsweise ausgebildet als elektrisch leitfähige Spule, zur Erhitzung des induktionsfähigen Elements (3) auf die gewünschte Temperatur, - eine thermische Dämmschicht (5) zwischen dem induktionsfähigen Element (3) und dem Induktor (4) und - einen vorzugsweise flüssigkeitsgekühlten Kühlkreislauf (6) zur Kühlung des Induktors (4).

Description

Wasser über eine Zuführung für Wasser, vorzugsweise in Form von Wasserdampf eingebracht wird und/oder im Ofeninnenraum vorhanden

ist.

Bei bestimmten industriellen Materialbearbeitungsprozessen ist es notwendig, effizient sehr hohe Temperaturen in einem Ofenraum zu erzeugen. Dies betrifft beispielsweise Metallverarbeitungen, thermische Spritzverfahren, Sinterprozesse, Lötverfahren oder andere Bearbeitungsverfahren, bei denen das zu verarbeitende Material auch in größeren Quantitäten auf eine Temperatur von

beispielsweise 1500° C oder mehr gebracht werden muss.

Bisher wird bei derartigen Prozessen in größeren Brennöfen die Hitze vorwiegend über Erdgasbrenner eingebracht. Es sind auch Wasserstoffbrenner bekannt, bei welchen über separate Gasführungen der Wasserstoff und Sauerstoff voneinander getrennt in eine Düse eingebracht und verbrannt werden, um die Prozesswärme in den Ofenraum einzubringen. Erdgasbrenner waren bisher wirtschaftlich sinnvoll, da sie weniger aufwändig und damit billiger sind als Wasserstoffbrenner und weil Erdgas bisher am Markt sehr günstig war. Abgesehen von den steigenden Preisen von Erdgas erzeugt dieses bei der Verbrennung auch CO,

was zunehmend unerwünscht ist.

Im Stand der Technik bekannte Wasserstoffbrenner sind aufwändig und müssen sehr präzise gefertigt und betrieben werden, da andernfalls schnell die Gefahr von Knallgasexplosionen steigt. Bisher wird der nötige Wasserstoff und Sauerstoff für diese Brenner in einer separaten Anlage mittels Elektrolyse hergestellt und muss dann mit aufwändigen Mitteln zum Verarbeitungsort transportiert werden. Am Brenner selbst müssen die beiden Gase wiederum separat gelagert und in entsprechenden getrennten Gasführungen zur Brennerdüse transportiert werden. Der Gesamtaufwand und die permanent notwenige Wartung, um die

Sicherheit zu gewährleisten, sind daher sehr hoch.

den Ofenraum.

Wasserdampf und Wasserstoff sind wichtige Wärmeträger für die Energieübertragung im Ofen. Weiters wichtig ist die Eigenschaft von Wasserdampf, die Materialoberfläche vor schädlicher

Luftatmosphäre zu schützen.

In der WO 2019/096885 Al ist beispielsweise ein Plasmagenerator beschrieben, welcher Wasserdampf als Gas für die Einbringung von Prozesswärme in Form von Plasma in einen Drehrohrofen beschreibt. Auch bei dieser Vorrichtung wird Sauerstoff und Wasserstoff zuerst separat zugeführt und verbrannt und erst anschließend dem Plasmagenerator als Wasserdampf zugeführt. Plasma führt jedoch zu sehr hohen Temperaturen von oftmals über 15000° C bis 30000° C. Die notwendigen Geräte und Materialien im Plasmabereich unterliegen Jedoch einem sehr hohen Verschleiß. Bei den extrem hohen Temperaturen werden auch hochreaktive chemische Verbindungen erzeugt, welche ebenfalls für alle möglichen Verarbeitungsprozesse problematisch sind, weshalb es für die gestellte Aufgabe nicht wünschenswert ist, im

Plasmabereich zu arbeiten.

Die Verwendung von Sauerstoff wirkt sich außerdem sehr stark bestimmend auf den Verschleiß der Elektroden aus. Aufgrund der Verwendung einer nicht verbrauchbaren Elektrode würde diese eine vorhandene Sauerstoffatmosphäre nicht überstehen. Auch die Verwendung von Wasserdampf als plasmabildendes Gas führt zu einer erheblichen Abnutzung der Elektroden, weshalb dies

industriell nicht praktikabel einsetzbar wäre.

Bei einer direkten Widerstandsheizung werden elektrische Leiter

verwendet, um den Strom zu den Widerstandselementen zu

sinnvoll realisierbar.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Heizvorrichtung für die oben genannten Anwendungen zu schaffen, welche die genannten Probleme beseitigt und es erlaubt, Wasser, vorzugsweise in Form von Wasserdampf in einem Offeninnenraum auf eine Temperatur von über 2000°C zu erhitzen, sodass dieser zumindest anteilig zu HHO dissoziiert, um dadurch vermehrt Prozesswärme zu den Werkstücken im Ofeninnenraum zuzuführen. Die Vorrichtung soll dabei einfach im Aufbau sein und es erlauben mit HHO zu arbeiten, ohne dass aufwändige und sicherheitstechnisch komplexe Leitungsführungen und Steuerungen für Wasserstoff und Sauerstoff notwendig werden. Die Anlage soll dabei energieeffizient und ressourcenschonend sein, da eine separate Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff mittels Elektrolyseanlagen sowie der Transport eingespart werden. Die

Anlage soll ferner emissionsfrei betreibbar sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Heizvorrichtung folgende Elemente umfasst:

- zumindest ein induktionsfähiges Element, welches der Ofeninnenseite und/oder einer Zuführung für Wasser, vorzugsweise in Form von Wasserdampf zugewandt ist und auf eine Temperatur von über 2000° C bevorzugt von über 2500° C bis etwa 4000°C erhitzbar ist, sodass ein Anteil des vorhandenen Wasserdampfs im Ofeninnenraum bzw. in der Zuführung zu HHO dissoziiert

- zumindest einen Induktor, beispielsweise ausgebildet als elektrisch leitfähige Spule, zur Erhitzung des induktionsfähigen Elements auf die gewünschte Temperatur,

- eine thermische Dämmschicht zwischen dem induktionsfähigen Element und dem Induktor und

- einen vorzugsweise flüssigkeitsgekühlten Kühlkreislauf zur

Kühlung des Induktors.

wird auf die gewünschte Temperatur erhitzt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Heizvorrichtung an einer Zuführung für Wasser, vorzugsweise in Form von Wasserdampf in den Ofen angeordnet ist, wobei das induktionsfähige Element den Einlassbereich der Zuführung in den Ofeninnenraum zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig umschließend angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform umgibt die Heizeinrichtung unmittelbar den Einströmbereich der Zuführung in den Ofeninnenraum. Auf relativ kleinem Raum kann daher das aufgeheizte induktionsfähige Element die Wärme an das einströmende Wasser bzw. an den einströmenden Wasserdampf abgeben und diesen über die Dissoziationstemperatur anheben, wodurch ein Anteil des Wasserdampfs zu HHO zerfällt und in diesem hochenergetischen Zustand in den Ofeninnenraum strömt. Durch die Ausdehnung und die Interaktion mit dem im Ofeninnenraum befindlichen Werkstück reagiert das HHO unter Wärmefreisetzung wieder zu H20, wodurch auf sehr effiziente Weise und emissionsfrei große Wärmemengen in den Ofen einbringbar

sind.

Dabei ist es ein weiteres bevorzugtes Merkmal, dass eine Gaszufuhreinrichtung zum Einbringen von weiteren Gasen in die Zuführung sowie gegebenenfalls in den Ofeninnenraum vorgesehen ist. Dies kann zur Erhöhung der Sicherheit vorgesehen werden, sodass die Zuführung und der Ofeninnenraum bei Leistungsstopp oder beim Startvorgang beispielsweise mit Inertgas gespült

werden können. Es ist auch möglich, weitere Betriebsgase, wie

eingebracht werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass das induktionsfähige Element plattenförmig ausgebildet ist und einen Abschnitt der Ofenauskleidung bildet, wobei die Dämmschicht sowie der Induktor an der von der Ofeninnenseite abgewandten Seite des plattenförmig ausgebildeten induktionsfähigen Elements angeordnet sind. Bei dieser alternativen Ausführungsform kann die Heizvorrichtung als Teil der Ofenauskleidung eingesetzt werden. Dabei können Heizvorrichtungen unterschiedlich groß ausgebildet sein bzw. mehrere Heizvorrichtungen als Bausteinelemente auch matrixartig in den Seitenwänden und Deckflächen der Ofeninnenwand angeordnet sein. Wenn mehrere rasterförmig angeordnete Heizvorrichtungen vorgesehen sind, so können diese im Verbund, einzeln oder in Gruppen angesteuert werden, um den im Ofeninnenraum vorhandenen Wasserdampf wieder über die Dissoziationstemperatur von etwa 2000° C zu bringen. Die plattenförmig ausgebildeten Heizvorrichtungen können idealerweise in Kombination mit der weiter oben beschriebenen Heizvorrichtung an der Zuführung für Wasser vorzugsweise in Form von Wasserdampf eingesetzt werden. Es ist Jedoch auch möglich, die plattenförmigen Heizvorrichtungen mit alternativen Brennern zu kombinieren, solange ausreichend Wasserdampf im Ofenraum vorliegt, damit eine effektive Wärmeeinbringung zum Werkstück über den dissoziierten Wasserdampf möglich ist. So können beispielsweise auch Erdgasbrenner vorgesehen werden, da diese über das verbrennende Erdgas ebenfalls 30%-60% Wasserdampfanteil in den Ofeninnenraum

einbringen.

Es ist ein zusätzliches bevorzugtes Merkmal, dass das plattenförmige induktionsfähige Element eine oder mehrere

Öffnungen für die Einbringung von Wasser vorzugsweise in Form

Ganz allgemein ist es ein weiteres bevorzugtes Merkmal, dass die Zuführung im Kreislauf mit dem Ofeninnenraum angeordnet ist, sodass der im Ofeninnenraum durch die Reaktion des HHO entstehende Wasserdampf erneut in die Zuführung gelangt. Die gesamte Ofenanlage kann damit emissionsfrei betrieben werden, da der benötigte Wasserdampf für die Wärmeeinbringung komplett im Kreis geführt wird. Damit entsteht kein CO2 und auch sonstige auftretende Schadstoffe aus dem Werkstück gelangen nicht mit

einem Abgasstrom nach außen.

Es ist ferner ein bevorzugtes Merkmal, dass der Kühlkreislauf stromabwärts des Induktors über einen Wärmetauscher mit der Zuführung stromaufwärts des induktionsfähigen Elements verbunden ist, sodass die Abwärme des Kühlkreislaufs zum Vorwärmen des eingebrachten Wassers bzw. des Wasserdampfs verwendbar ist. Dadurch kann die Energieeffizienz der gesamten Anlage verbessert

werden.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Merkmal ist es vorgesehen, dass das induktionsfähige Element zumindest anteilig eine oder mehrere Verbindungen ausgewählt aus Molybdänsilizid, Kohlenstoffmaterial, wie beispielsweise Graphit, Siliziumcarbid oder Wolframcarbid enthält. Die genannten Verbindungen haben sich beim Einsatz im Bereich der angestrebten Temperaturbereiche bewährt.

Dabei ist es ein zusätzliches bevorzugtes Merkmal, dass das induktionsfähige Element an der der Ofeninnenseite bzw. der Zuführung zugewandten Seite eine hitzebeständige und/oder verschleißfeste Beschichtung, vorzugsweise eine keramische Beschichtung aufweist. Um einen raschen Verschleiß des

induktionsfähigen Elements vorzubeugen, ist es wünschenswert,

entsprechenden Beschichtung zu versehen.

Es ist ferner ein bevorzugtes Merkmal, dass die Beschichtung eine Dicke von etwa 0,05 mm bis etwa 2 mm aufweist. Diese Schichtdicke ist für den Schutz des induktionsfähigen Elements ausreichend und behindert gleichzeitig nicht die

Wärmeübertragung in den Offeninnenraum bzw. in die Zuführung.

Dabei ist es ein weiteres bevorzugtes Merkmal, dass die Beschichtung zumindest anteilig Wolframkarbid und/oder Siliziumcarbid aufweist. Diese Verbindungen sind für die gewünschte Anwendung besonders bevorzugt aufgrund ihrer hohen

Temperaturbeständigkeit.

Schließlich ist es ein weiteres bevorzugtes Merkmal, dass die Heizvorrichtung derart ausgebildet ist, dass im Betrieb zumindest 10%, bevorzugt etwa 10% bis 70% des eingebrachten Wasserdampfs zu HHO dissoziieren. In diesen Bereichen kommt es zu einer optimalen Wärmeeinbringung zum Werkstück bezogen auf die eingesetzte Energie für die Heizvorrichtung. Sowohl die Dimensionierung und Durchflussrate der Zuführung als auch die Gestaltung des induktionsfähigen Elements sind daher entsprechend den gewünschten Anwendungen zu optimieren, um einen

entsprechenden Dissoziationsgrad zu erreichen.

Die Erfindung wird nun in größerem Detail anhand von Ausführungsbeispielen sowie mit Hilfe der beiliegenden Figuren beschrieben. Dabei zeigen

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Heizvorrichtung an einer Zuführung für Wasser vorzugsweise in Form von Wasserdampf und

Fig. 2 bis 5 schematische Schnittansichten durch verschiedene Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung mit

plattenförmig ausgebildeten induktionsfähigen Elementen.

In der Fig. 1 ist schematisch in einer Schnittansicht eine mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung

gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist die Heizvorrichtung am

werden.

Je nach Ofen können eine oder auch mehrere derartige Zuführungen 1 mit entsprechenden Heizelementen vorgesehen sein. Durch die hohen Temperaturen des induktionsfähigen Elements 3 wird ein Anteil des eingebrachten Wasserdampfs zu HHO dissoziiert, wobei bevorzugt zumindest 10% des Wasserdampfs dissoziiert werden. Im Ofeninnenraum 2 kann das HHO dann wieder unter Abgabe von Wärme an das Werkstück zu H2O0 reagieren. Dadurch, dass das Knallgas nur unmittelbar am Ort des Einsatzes gebildet wird, sind keine aufwändigen Leitungsführungen und Regelmechanismen notwendig und die Anlage kann sicher und ohne Gefahr von unkontrollierten

Verpuffungen oder Entzündungen betrieben werden.

In der Fig. 2 und Fig. 3 ist schematisch eine weitere mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung dargestellt, bei welcher das induktionsfähige Element 3 plattenförmig ausgebildet ist und einen Teil der Ofenauskleidung 7 bildet. Fig.2 zeigt dabei einen Längsschnitt und Fig. 3 einen Querschnitt. Es sind Jeweils mehrere Heizvorrichtungen matrixartig nebeneinander angeordnet. An den Seitenwänden und an

der Oberseite des Ofeninnenraums 2 sind fast über die gesamte

2 herangeführt werden.

Die Fig. 4 und Fig. 5 zeigen eine weitere Ausführungsform ähnlich jener aus den Figuren 2 und 3, wobei hier weniger plattenförmige induktionsfähige Elemente 3 vorgesehen sind und damit nur gewisse Bereiche der Ofenauskleidung 7 mit

zusätzlichen Heizvorrichtungen versehen sind.

Claims (1)

1. Patentansprüche

   Heizvorrichtung zur Einbringung von Prozesswärme in einen Schmelz- oder Erwärmungsofen, in welchem Wasser über eine Zuführung (1) für Wasser, vorzugsweise in Form von Wasserdampf eingebracht wird und/oder im Ofeninnenraum (2) vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung folgende Elemente umfasst:

   - zumindest ein induktionsfähiges Element (3), welches der Ofeninnenseite und/oder einer Wasserdampfzuführung (1) zugewandt ist und auf eine Temperatur von über 2000° € bevorzugt von über 2500° C bis etwa 4000°C erhitzbar ist, sodass ein Anteil des vorhandenen Wasserdampfs im Ofeninnenraum (2) bzw. in der Zuführung (1) zu HHO dissoziiert

   - zumindest einen Induktor (4), beispielsweise ausgebildet als elektrisch leitfähige Spule, zur Erhitzung des induktionsfähigen Elements (3) auf die gewünschte Temperatur,

   - eine thermische Dämmschicht (5) zwischen dem induktionsfähigen Element (3) und dem Induktor (4) und

   - einen vorzugsweise flüssigkeitsgekühlten Kühlkreislauf (6)

   zur Kühlung des Induktors (4).

   Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung an einer Zuführung (1) für Wasser, vorzugsweise in Form von Wasserdampf für den Ofen angeordnet ist, wobei das induktionsfähige Element (3) den Einlassbereich der Zuführung (2) in den Ofeninnenraum (1) zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig umschließend

   angeordnet ist.

   Heizvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gaszufuhreinrichtung zum Einbringen von weiteren Gasen in die Zuführung (2) sowie gegebenenfalls in den

   Ofeninnenraum (1) vorgesehen ist.

   Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   dass das induktionsfähige Element (3) plattenförmig

   ausgebildet ist und einen Abschnitt der Ofenauskleidung (7) bildet, wobei die Dämmschicht (5) sowie der Induktor (4) an der von der Ofeninnenseite abgewandten Seite des plattenförmig ausgebildeten induktionsfähigen Elements (3)

   angeordnet sind.

   Heizvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das plattenförmige induktionsfähige Element (3) eine oder mehrere Öffnungen für die Einbringung von Wasser bzw.

   von Wasserdampf in den Ofeninnenraum (2) aufweist.

   Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung (1) im Kreislauf mit dem Ofeninnenraum (2) angeordnet ist, sodass der im Ofeninnenraum (2) durch die Reaktion des HHO entstehende

   Wasserdampf erneut in die Zuführung (1) gelangt.

   Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislauf (6) stromabwärts des Induktors (4) über einen Wärmetauscher mit der Zuführung (1) stromaufwärts des induktionsfähigen Elements (3) verbunden ist, sodass die Abwärme des Kühlkreislaufs (6) zum Vorwärmen des eingebrachten Wassers bzw. des Wasserdampfs verwendbar

   ist.

   Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das induktionsfähige Element (3) zumindest anteilig eine oder mehrere Verbindungen ausgewählt aus Molybdänsilizid, Kohlenstoffmaterial, wie beispielsweise

   Graphit, Siliziumcarbid oder Wolframcarbid enthält.

   Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das induktionsfähige Element (3) an der der Ofeninnenseite bzw. der Zuführung (1) zugewandten Seite eine hitzebeständige und/oder verschleißfeste Beschichtung

   (8), vorzugsweise eine keramische Beschichtung aufweist.

   11.

   12.

   12

   Heizvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (8) eine Dicke von etwa 0,05 mm bis

   etwa 2 mm aufweist.

   Heizvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (8) zumindest anteilig

   Wolframkarbid und/oder Siliziumcarbid aufweist.

   Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung derart ausgebildet ist, dass im Betrieb zumindest 10%, bevorzugt etwa 10% bis

   70% des eingebrachten Wasserdampfs zu HHO dissoziieren.