Gasfyret plastsmeltning til sprøjtestøbemaskiner J.nr. 1273/

Transkript

1 Gasfyret plastsmeltning til sprøjtestøbemaskiner J.nr. 1273/ Delrapport 4: Målerapport for laboratorieforsøg Projektrapport Januar 2007

2 Gasfyret plastsmeltning til sprøjtestøbemaskiner J.nr. 1273/ Delrapport 4: Målerapport for laboratorieforsøg René Thiemke Dansk Gasteknisk Center a/s Hørsholm 2007

3 Titel : Gasfyret plastsmeltning til sprøjtestøbemaskiner, J.nr. 1273/ Rapport kategori : Projektrapport Forfatter : René Thiemke Dato for udgivelse : Januar 2007 Copyright : Dansk Gasteknisk Center a/s Sagsnummer : ; H:\722\50\Delrapport 4\Delrapport 4_final.doc Sagsnavn : EFP-Plast ISBN :

4 DGC-rapport 1 Indholdsfortegnelse Side 1 Forord Konklusion Summary Laboratorieforsøg Målepunkter Temperatur Flow Tryk Røggasanalyse Forsøg med brænderkonstruktion Forsøg med oprindelig opstilling Forsøg med revideret opstilling Måleresultater og analyse Temperaturmålinger Måleserie Måleserie Måleserie

5 DGC-rapport 2 1 Forord Denne rapport udgør delrapport 4 i projektet Gasfyret plastsmeltning til sprøjtestøbemaskiner. Projektet er gennemført i samarbejde med Replast Trading. Projektet er finansieret af de danske gasselskaber og Energistyrelsen gennem Energiforskningsprogrammet (EFP), J.nr. 1273/ Formålet med projektet er at udvikle en gasfyret brænderkonstruktion, der kan erstatte elvarmelegemerne, der i dag bliver anvendt til opvarmning af plastgranulat i sprøjtestøbeprocesser. I rapporten beskrives målingerne foretaget i DGC s laboratorium. Rapporten er kvalitetssikret af Henrik Iskov, DGC. Hørsholm, januar 2007 Rene Thiemke Projektleder Afd. for Energiteknik og Sikkerhed Bjarne Spiegelhauer Afdelingschef Afd. for Energiteknik og Sikkerhed

6 DGC-rapport 3 2 Konklusion Måleforsøg viste, at konstruktionen med en intern brænder ikke kunne fungere. Forklaringen er formentligt, at når konstruktionen blev lukket, var tryktabet i røggaskanalen gennem konstruktionen for stort. Det var hverken muligt at skabe stabile flammeforhold eller flow gennem konstruktionen efter det princip, brænderkonstruktionen blev bygget til. Konstruktionen kan derfor ikke i den eksisterende form anvendes i industrielle sammenhænge. Ved at ændre på forsøgsopstillingen var det muligt at tilføre varmen til snekkecylinderen fra en ekstern varmekilde (fiberbrænder m. varmeveksler) og foretage målinger af snekkecylinderens temperaturprofil. Konklusionen på disse målinger er, at det er muligt at skabe en jævnt fordelt temperaturprofil rundt om snekkecylinderen, som holder sig inden for kravspecifikationerne. Under målingerne er det vist, at dette kan opnås ved opstart af brænderen, når der ikke blæses køleluft gennem snekkecylinderkonstruktionen. Der er målt en temperaturdifference på 4,5 C rundt om snekkecylinderen i den mest optimale situation. Det kan dog også konkluderes, at når køleluften blæses gennem snekkecylinderen, ændres temperaturdifferencen, så den stiger til ca. 12 C og dermed ikke overholder kravspecifikationerne (maksimal temperaturdifference = 10 C). Konstruktionen er derfor følsom over for en normal driftssituation, hvor plastsmelte vil medvirke til at afkøle snekkecylinderen. Hvorvidt den større temperaturdifference kan skyldes, at køleluften giver en meget brat temperaturreduktion, eller om den skyldes, at konstruktionen har en indbygget større temperaturdifference ved lavere temperaturniveauer, kan målingerne ikke dokumentere. Den indbyggede regulering af temperaturprofilen ved at hæve/sænke brænderkonstruktionen virkede efter hensigten, idet temperaturdifferencen kunne reduceres fra 10 C til 4,5 C ved at hæve brænderkonstruktionen, så den interne brænder blev flyttet tættere på snekkecylinderen. Det er tydeligt, at brænderkonstruktionen ikke er udviklet i en grad, så den kan indgå i en produktionsvirksomhed. Dog har målingerne vist, at det ser

7 DGC-rapport 4 ud til at være inden for mulighedernes grænse at bygge en konstruktion baseret på naturgasfyring, der kan leve op til kravspecifikationerne fra plastbranchen.

8 DGC-rapport 5 3 Summary In this report measurements carried out in the laboratory of DGC are described. Due to problems with the operation of the internally mounted burner, the measurements had to be carried out with an external burner. Therefore only temperature measurements around the mould flow cylinder have been performed. Measurements have proven that this construction is not ready for introduction to the mould flow industry.

9 DGC-rapport 6 4 Laboratorieforsøg Det er formålet med laboratorieforsøgene er at simulere driften af en sprøjtestøbemaskine og samtidigt gennemføre målinger, der dokumenterer, under hvilke driftsforhold brænderen kan operere og hvordan. Snekkecylinderen i drift simuleres af en dobbeltvægget cylinderkonstruktion, hvor der strømmer et konstant luftflow igennem. Luften optager en del af varmen fra brænderen, på tilsvarende måde som varme optages i plasten i en normal driftssituation. De væsentligste parametre i driften af en sprøjtestøbemaskine er temperatur og temperaturprofil rundt om snekken. Derfor skal det under forsøgene undersøges, hvordan temperaturprofilen påvirkes ved varierede driftsforhold. De justerbare parametre i forsøgsopstillingen er: På cylinderkonstruktionen: Luftflow justering af effektoptagelse i snekkecylinderen. På brænderkonstruktionen: Gasflow justering af den indfyrede effekt. Luftflow justering af luftoverskudstallet λ. Højde justering af afstand mellem brænder og snekkecylinder. Køleluft justering af snekketemperatur. Ved konstant at måle temperaturprofilen og undervejs ændre på de justerbare parametre kan der opstilles sammenhænge, der vil indikere, om brænderkonstruktionen opfylder designkravene. 4.1 Målepunkter Der gennemføres målinger af både tryk, temperatur og flow forskellige steder i forsøgsopstillingen. Derudover foretages der røggasananlyse Temperatur Følgende steder måles der temperaturer: I 12 punkter rundt om snekkecylinderen.

10 DGC-rapport 7 I røggasserne. I forbrændingsluften (før og efter forvarmning). I naturgassen. På den ydre overflade af brænderkonstruktionen Flow Der måles både gas, vand og køleluftflow Tryk Gastrykket efter gastryksregulatoren registreres Røggasanalyse Røggasser suges ud til analyse fra aftrækket.

11 DGC-rapport 8 5 Forsøg med brænderkonstruktion Forsøgsopstillingen består af tre hoveddele. Brænderkonstruktionen, snekkecylinderen og analyseapparaturet. Brænderkonstruktionen er vist på figuren nedenfor. Konstruktionen er beskrevet i detaljer i Delrapport Forsøg med oprindelig opstilling Indledningsvist blev brænderkonstruktionen testet i forsøgsopstillingen vist i Figur 1. Figur 1 Forsøgsopstilling-1 Konstruktionen blev sat sammen rundt om den luftkølede snekkecylinder, som er vist med målepunkter for luftflow og overfladetemperaturer på Figur 2.

12 DGC-rapport 9 Figur 2 Snekkecylinder med temperaturmålepunkter Målepunkterne for overfladetemperaturen blev monteret i overfladen af snekkecylinderen med henblik på at registrere temperaturen på snekken. Temperaturprofile rundt om snekken er en væsentlig driftsparameter, der har stor indflydelse på plastsmeltens kvalitet. Den skal variere mindst muligt hele vejen rundt om snekkecylinderen. På Figur 1 ses det, at det blev forsøgt at anvende forbrændingsluftforvarmning, og at konstruktionen havde en brænder monteret internt i konstruktionen. Endvidere var der monteret udstyr til røggasanalyse på de fælles røggasaftræk. Det kan allerede nu konstateres, at det ikke lykkedes at få forsøg igangsat med denne opbygning. Brænderen fungerede fint, når den stod frit uden at være monteret på snekkecylinderen (se Figur 3).

13 DGC-rapport 10 Figur 3 Forsøg med intern brænder i åben forbrænding I det øjeblik at brænderkonstruktion og snekkecylinder blev sat sammen, og systemet blev lukket, var det ikke muligt at få en stabil flamme til at brænde. Det kan bl.a. skyldes, at trykforholdene i konstruktionen gjorde det umuligt for røggasserne at passere gennem hele konstruktionen. Det kunne konstateres, at temperaturen på røggasserne ved udgangen ikke steg. Endvidere var udstrømningen meget svag, hvilket blev tjekket ved at pulsere røg forbi aftrækket, uden at det påvirkede røgfanen. Det indikerede, at de interne strømningsforhold i konstruktionen ikke fungerede efter det tiltænkte princip. Målinger med denne forsøgsopstilling blev derfor efter en række forsøg stoppet. Pga. manglende flamme og ukontrollerede flowforhold var det ikke muligt at skabe målinger til at dokumentere temperaturprofilen rundt om snekkecylinderen.

14 DGC-rapport Forsøg med revideret opstilling Med henblik på at skaffe måleresultater for temperaturprofilen rundt om snekken var det nødvendigt at revidere forsøgsopstillingen. Det var i den oprindelige opstilling klart, at der var problemer med den interne brænder. Det blev derfor forsøgt at udføre forsøgene med en ekstern brænder som vist på Figur 4. Figur 4 Revideret forsøgsopstilling I denne forsøgsopstilling opvarmes luft via en eksternt monteret fiberbrænder, som er vist på figuren som den lysende konstruktion forrest i billedet. Igennem en varmeveksler, som hænger over fiberbrænderen, sendes trykluft, som opvarmes og strømmer ind i brænderkonstruktionen via den oprindelige gastilslutning. Fra gastilslutningen strømmer den opvarmede luft gennem lamelbrænderen og herfra rundt om snekkecylinderen, som herved opvarmes. Den opvarmede luft passerer herefter gennem det midterste lag i brænderkonstruktionen og videre gennem aftræksstudsene.

15 DGC-rapport 12 Det var med denne opstilling muligt at få strømningen gennem brænderkonstruktionen til at fungere efter det oprindelige princip. Det gav mulighed for at måle temperaturprofilen rundt om snekkecylinderen.

16 DGC-rapport 13 6 Måleresultater og analyse Som følge af de problemer der var med funktionen af brænderkonstruktionen, blev det besluttet at fokusere på at skabe måleresultater for temperaturprofilen rundt om snekkecylinderen. Blandt de forventede måleresultater var det derfor kun dette der blev målt. Øvrige målinger af bl.a. røggasser, gas og luftflow blev ikke registreret. 6.1 Temperaturmålinger Der er målt temperatur i 12 målepunkter rundt om snekkecylinderen (se Figur 2). Målepunt 12 er på toppen af snekkecylinderen og målepunkt 7 i bunden. De øvrige målepunkter er jævnt fordelt rundt om snekkecylinderen Måleserie 1 Forsøgene blev startet med at opvarme brænderkonstruktionen via den tilførte forvarmede luft. I denne måleserie blev snekkecylinderen ikke afkølet med luft. I Figur 5 vises temperaturmålingerne i 12 positioner rundt om snekkecylinderen over tid. Det ses, at konstruktionen havde en opvarmningsmæssig træghed, som krævede over to timers drift for at stabilisere sig. Samtidigt ses det, at uden afkøling af snekkecylinderen ville temperaturen omkring snekkecylinderen stabilisere sig ved en temperatur, der ligger på over 250 C. I forhold til kravet for plastsmelteprocessen ligger dette i den høje ende, da det i kravspecifikationerne er beskrevet, at temperaturen skulle ligge i et interval fra C. Forsøget blev afsluttet, da det blev klart, at fuld stabilitet ville ligge over den maksimalt tilladte temperatur.

17 DGC-rapport Temperatur ( C) T01 T02 T03 T04 T05 T06 T07 T08 T09 T10 T11 T Tid (minutter) Figur 5 Temperaturudvikling (uden snekkeafkøling) Den sidste temperaturmåling i måleserien er interessant, idet den giver information om hvordan temperaturprofilen rundt om snekkecylinderen ser ud. Denne måling er afbildet på Figur Figur 6 Temperaturprofil rundt om snekken (måling uden snekkeafkøling) På figuren er målingen i punkt 7 identisk med målepunktet i bunden af snekkecylinderen (lige over brænderen). Det ses, at der er en lille skævvrid-

18 DGC-rapport 15 ning af temperaturen, så de højeste temperaturer findes på venstre side af snekken. Skævvridningen er dog ikke større end at den holder sig inden for specifikationskravene på ±5 C. Den laveste temperatur findes i bunden af snekkecylinderen (position 7) og er 255 C, mens den højeste temperatur findes i position 11 og er 265 C. Den maksimale temperaturdifference er derfor ca. 10 C. Det er dermed muligt at holde temperaturprofilen inden for den snævre grænse, der stilles i kravspecifikationerne. Temperaturniveauet er dog for højt, og derfor blev der i måleserie 2 sat luftkøling på snekkecylinderen Måleserie 2 I denne måleserie blev det forsøgt at køle snekkecylinderen ved at blæse køleluft gennem snekkecylinderkonstruktionen (se Figur 2). Forsøget blev startet med at opvarme snekkecylinderen til et stabilt temperaturniveau på ca. 270 C. Herefter blev snekkecylinderkølingen startet. Efter yderligere ca. en times drift blev køleluftflowet gennem snekkecylinderen reduceret. Dette opvarmnings- og afkølingsforløb ses i Figur Temperatur ( C) T01 T02 T03 T04 T05 T06 T07 T08 T09 T10 T11 T Tid (minutter) Figur 7 Temperaturudvikling (med snekkekøling) Under hele forløbet af måleserie 2 er der tilført køleluft gennem yderste lag af brænderkonstruktionen for at simulere, hvordan den ville fungere i en normal driftssituation.

19 DGC-rapport 16 Luftkølingen af brænderkonstruktionen påvirkede ikke umiddelbart temperaturprofilen omkring snekken, men det var muligt at forøge luftens temperatur fra ca. 20 C til ca. 125 C. Konstruktionen vil derfor, hvis det er muligt at få den i drift, kunne forvarme forbrændingsluften op til ca. 125 C. Temperaturen er dog i høj grad afhængig af luftflow, isolering og snekkecylinderens temperatur. Forsøgene med tilførsel af køleluft gennem snekkecylinderen påvirkede temperaturprofilen rundt om snekkecylinderen, så tolerancen på ±5 C blev overskredet. Efter en times drift med køling på snekkecylinderen var differencen steget fra ca. 10 C til ca. 17 C, hvilket overskrider grænsen for temperaturvariation rundt om snekken med 7 C. Efterfølgende blev køleluftflowet gennem snekkecylinderen reduceret, hvilket kan ses på Figur 7, som det punkt på kurven hvor temperaturen stiger igen efter ca. 160 minutter. Forsøget fortsatte i yderligere 40 minutter, hvorefter det blev afsluttet. Målingerne viste, at med køling af snekkecylinderen og ved at blæse luft gennem konstruktionens yderste lag var det muligt at stabilisere brænderens temperatur på et lavere niveau (ca. 245 C), end det var muligt uden køleluft. Temperaturprofilen rundt om snekken efter 200 minutters drift ses i Figur 8.

20 DGC-rapport Figur 8 Temperaturprofil (m. snekkekøling og køleluft i yderste lag) Det fremgår, at profilen er identisk med temperaturprofilen målt uden anvendelse af køleluft. Der er den samme skævvridning mod venstre, således at de højeste temperaturer ligger i punkt10-12 og de laveste i punkt 7. Spredningen af temperaturen er ca. 12 C, hvilket overskrider grænsen med 2 C Måleserie 3 I denne måleserie blev brænderkonstruktionen hævet lidt i forhold til snekkecylinderen. Derved kom den interne brænder tættere på snekkecylinderen. Det var formålet at undersøge om dette ville kunne påvirke temperaturprofilen rundt om snekkecylinderen. Forsøget blev startet med at opvarme snekkecylinderen uden at blæse køleluft gennem den. Der blev under hele måleserien blæst luft gennem det yderste lag i brænderkonstruktionen for at simulerer drift med forbrændingsluftforvarmning. Temperaturudviklingen for måleserie 3 ses på Figur 9.

21 DGC-rapport Temperatur ( C) T01 T02 T03 T04 T05 T06 T07 T08 T09 T10 T11 T Tid (minutter) Figur 9 Temperaturudvikling (m. hævet brænderkonstruktion) Temperaturudviklingskurven ligner i høj grad kurverne målt i måleserie 1 og 2. Indledningsvist stabiliseres temperaturen efter 180 minutters drift ved omkring 240 C. På dette tidspunkt blev der målt en maksimal temperaturdifference på 4,5 C. På Figur 10 ses temperaturprofilen rundt om snekkecylinderen.

22 DGC-rapport Figur 10 Temperaturprofil ved stabiliseret drift (m. hævet brænderkonstruktion og køleluft i yderste lag, uden snekkekøling) Ved at hæve konstruktionen lykkedes det derfor at reducere temperaturdifferencen rundt om snekkecylinderen til 4,5 C, hvilket til fulde opfylder kravspecifikationerne (±5 C). Profilen er identisk med profilen målt i de øvrige måleserier, idet der er en lille skævvridning, der gør, at de højeste temperaturer findes til venstre i punkt De laveste temperaturer er fortsat i bunden af snekkecylinderen i punkt 7. Herefter blev der blæst køleluft gennem snekkecylinderen for at simulere drift på snekken. Det resulterede i en naturlig reduktion af temperaturen rundt om snekkecylinderen. På Figur 9 ses det, at måleserie 3 blev afsluttet efter ca. 285 minutters drift, hvoraf de sidste 100 minutter var drift med køling af snekkecylinderen. På dette tidspunkt havde temperaturen stabiliseret sig omkring 190 C. På Figur 10 ses den målte temperaturprofil rundt om snekkecylinderen på dette tidspunkt.

23 DGC-rapport Figur 11 Temperaturprofil ved stabiliseret drift (m. hævet brænderkonstruktion, køleluft i yderste lag og snekkekøling) Det ses, at skævvridningen er udjævnet, og at de højeste temperaturer nu findes i bunden af snekkecylinderen i punkt 7. De laveste temperaturer findes på toppen af snekkecylinderen i punkt 1-2. Den maksimale temperaturdifference rundt om snekken er målt til ca. 12 C, hvilket ligger 2 C over kravspecifikationerne.