Gasfyret plastsmeltning til sprøjtestøbemaskiner J.nr. 1273/01-0016

Gasfyret plastsmeltning til sprøjtestøbemaskiner J.nr. 1273/01-0016 Delrapport 2: Kravspecifikationer og konstruktionsoplæg til gasbrænder Projektrapport Januar 2007

Gasfyret plastsmeltning til sprøjtestøbemaskiner J.nr. 1273/01-0016 Delrapport 2: Kravspecifikationer og konstruktionsoplæg til gasbrænder René Thiemke Dansk Gasteknisk Center a/s Hørsholm 2007

Titel : Gasfyret plastsmeltning til sprøjtestøbemaskiner, j.nr. 1273/01-0016 Rapport kategori : Projektrapport Forfatter : René Thiemke Dato for udgivelse : Januar 2007 Copyright : Dansk Gasteknisk Center a/s Sagsnummer : 722.50; H:\722\50\Delrapport 2\Delrapport2_final.doc Sagsnavn : EFP-Plast ISBN : 978-87-7795-320-0

DGC-rapport 1 Indholdsfortegnelse Side 1 Forord... 2 2 Konklusion... 3 3 Summary... 4 4 Konstruktionskrav... 5 4.1 Dimensioner... 7 4.2 Materialekrav... 8 4.2.1 Temperaturbestandighed... 8 4.2.2 Holdbarhed og Slitage... 8 4.2.3 Vægt... 9 4.3 Konstruktion... 9 4.4 Montage... 9 4.5 Konstruktions pris... 10 5 Funktionskrav... 11 5.1 Forbrænding... 11 5.2 Energiforbrug og miljøbelastning... 11 5.3 Regulering af temperatur og effekt... 12 5.4 Drift og stabilitet... 14 5.5 Sikkerhed... 16 6 Præsentation af forskellige brænderkonstruktioner... 18 6.1 Brænderkoncept-1a: Direkte fyret fiberbrænder... 18 6.2 Brænderkoncept-1b: Direkte fyret varmelegeme med fiberbrændertrådnet... 20 6.3 Brænderkoncept-2: Indirekte fyret røggasopvarmning... 22 6.4 Brænderkoncept-3: Indirekte fyret olieopvarmning... 24 6.5 Brænderkoncept-4: Direkte fyret rørbrænder med oliekredsløb... 26 6.6 Brænderkoncept-5: Direkte fyret opbygget med lamelbrænder og forbrændingsluftforvarmning... 28

DGC-rapport 2 1 Forord Denne rapport udgør delrapport 2 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. 1273/01-0016. Formålet med projektet er at udvikle en gasfyret brænderkonstruktion, der kan erstatte elvarmelegemerne, der i dag bliver anvendt til opvarmning af plastgranulat i sprøjtestøbeprocesser. Henrik Iskov, DGC, har kvalitetssikret denne rapport. Hørsholm, januar 2007 Rene Thiemke Projektleder Afd. for Energiteknik og Sikkerhed Bjarne Speigelhauer Afdelingschef Afd. for Energiteknik og Sikkerhed

DGC-rapport 3 2 Konklusion I denne rapport er de tekniske specifikationer for en plastsmeltebrænder anvendt i sprøjtestøbeprocesser blevet fastlagt, herunder bl.a. den fysiske opbygning af brænderkonstruktionen og de driftsmæssige parametre, der skal overholdes. Pladshensyn er varierende for forskellige ekstrudere, men overordnet gælder der, at brænderkonstruktionen ikke må fylde væsentligt mere end de eksisterende elvarmelegemer, der anvendes i dag. Det stiller store krav til brænderkonstruktionens design. Den vigtigste driftsparameter er temperaturen på plastsmelten. Afhængigt af plasttypen vil tolerancen ligge fra ± 1-10 C. Dvs. at temperaturfordelingen rundt om snekkecylinderen skal styres inden for et meget snævert interval. Det er meget væsentligt, at sikkerheden er i orden. Det betyder bl.a., at der ikke må forekomme åbne flammer i produktionslokaler. Derfor er det bl.a. et krav, at brænderkonstruktionen er designet som et lukket brændkammer. På baggrund af de fastlagte kravspecifikationer er forskellige brænderkonstruktioner blevet designet i et 3D-designprogram. De forskellige designs er blevet vurderet, og fordele og ulemper er blevet opvejet. Konklusionen på disse overvejelser er at arbejde videre med et design, der er direkte fyret og anvender en lamelbrænder i snekkecylinderens længderetning til opvarmning. I konstruktionen er der indbygget et system til justering af temperaturprofilen rundt om snekkecylinderen. Endvidere er der af energiøkonomiske årsager indarbejdet et varmegenvindingssystem i konstruktionen. På baggrund af denne rapport er der blevet konstrueret en prototype af brænderkonstruktionen. For yderligere info om specifikationer henvises til delrapport 3 i projektet.

DGC-rapport 4 3 Summary In this report the technical specifications of a new gas burner for use in the mould injection industry have been determined. The burner will replace the commonly used electrical heaters installed in the machines. Both physical dimensions and operating parameters have been investigated. It is important that the physical dimensions of the burner do not considerably exceed the physical dimensions of the electrical heaters. Regarding the operating parameters it is very important that the temperature regulation and the temperature distribution are very precise. This is important due to the characteristics of the melted plastic. Safety in the production premises is also very important. Open flames will not be tolerated. Therefore the burner construction must be designed as a closed combustion system. From the conclusions regarding the technical specifications a few different burner constructions have been designed in a 3D design program. The different designs have been evaluated and the most promising one has been chosen for the further progress in this project. As a result of the discussions in this report, a prototype of the gas burner has been constructed.

DGC-rapport 5 4 Konstruktionskrav For at konstruere en brænder til plastbranchen, der skal kunne erstatte de elvarmelegemer, der i dag smelter plasten i ekstrudere, skal en lang række krav opfyldes. Kravene til konstruktionen vil i stor udstrækning være identiske, uanset i hvilken virksomhed brænderne skal installeres. Dimensionerne på brænderen vil dog i høj grad være individuelle og afhænge af ekstruderens størrelse og den enkelte virksomheds pladsforhold. Et typisk elvarmelegeme er konstrueret som vist i Figur 1. Figur 1 Elvarmelegme Varmelegemet er bygget op med en omkransende stålkappe. I kappen er der placeret keramiske klodser (se Figur 2) med huller. Gennem hullerne trækkes en elektrisk ledende tråd, der fungerer som varmekilde og varmer de keramiske klodser op. Varmen fra klodserne overføres til plastmaterialet, der transporteres inde i snekkecylinderen. Mellem den ydre stålkappe og klodserne er et lag isolerende materiale placeret for at reducere varmetabet til omgivelserne.

DGC-rapport 6 Figur 2 Keramiske klodser og varmetråde anvendt i elvarmelegeme Klodserne kobles sammen, som vist i Figur 2. Af hensyn til montagen på snekkecylinderen er varmelegemet bygget op med et lukkesystem som vist i Figur 1. Varmelegemet kan let åbnes og tilsvarende let spændes rundt om snekkecylinderen. Opbygningens fleksibilitet gør, at varmelegemet meget let kan udvides og dermed let kan monteres og afmonteres fra snekkecylinderen. Samtidig gør fleksibiliteten, at varmelegemet kan slutte tæt omkring snekkecylinderen. Det aktuelle varmelegeme installeret hos Replast, der skal erstattes af brænderen, er markeret i Figur 3. På ekstruderen er der monteret fem identiske varmelegemer. Hvert varmelegeme er installeret med en blæser, der fungerer som kølesystem. Blæseren ses på figuren monteret under varmelegemet. Figur 3 Varmelegeme der skal erstattes af brænder

DGC-rapport 7 4.1 Dimensioner Brænderens ydre fysiske dimensioner begrænses indvendigt af snekkecylinderens dimension. Denne dimension vil variere fra maskine til maskine. Den brænder, der aktuelt designes, skal passe omkring en snekkecylinder med udvendig diameter på 210 mm. Udvendigt begrænses brænderen radiært af afstanden til den øvrige installation af ekstruderen. Det kan fx være et fastmonteret kølesystem, blæsere, motoren eller den bærende konstruktion. En del ekstrudere er endvidere bygget op med en beskyttelseskappe (fx som vist i Figur 4), der ligeledes kan virke som en begrænsning for den udvendige diameter på brænderen. Figur 4 Sprøjtestøbemaskine med beskyttelseskappe Den udvendige diameter på brænderen der skal opbygges må maksimalt være 450 mm. Længden på snekkecylinderen er ligeledes afgørende for designet af brænderen. Længden af brænderen skal tilpasses, så den kan erstatte en, to eller evt. tre af elvarmelegemerne. Brænderens samlede længde skal udregnes som længden af brænderen plus evt. et stykke, hvor aftrækket fører røggasser fra brænderen. Dette stykke skal dog kun lægges til, hvis aftrækket monteres i enderne af brænderen. Varmelegemet, der skal erstattes hos Replast. må maksimalt have en samlet længde på 640 mm. Det svarer til længden på de nuværende elvarmelegemer.

DGC-rapport 8 4.2 Materialekrav Kravene til konstruktionens materialer omfatter deres evne til at modstå temperaturpåvirkninger og nedbrydning som følge af slitage. Materialernes massefylde og dermed konstruktionens vægt er også vigtig. 4.2.1 Temperaturbestandighed Materialet, som brænderen bygges op af, skal leve op til forskellige krav. Temperaturen i brænderen vil variere, afhængigt af hvor i brænderen den registreres. Tættest på brænderen vil den være højest. Røggastemperaturen vil variere afhængigt af det anvendte luftoverskud. Typisk vil forbrændingstemperaturen ligge mellem 1000 og 1400 C afhængigt af luftforvarmning, luftoverskudstal og gassens brændværdi. Materialet skal derfor, tættest på brænderen, være højtemperaturbestandigt. Da processen kræver en plasttemperatur på ca. 210 C, og ekstruderen under drift arbejder med temperaturer mellem 25-280 C, skal materialet i den inderste væg som minimum kunne modstå en temperatur på 280 C. Det må anbefales, at prototypen af brænderen dimensioneres til at kunne modstå temperaturer på ca. 800 C af hensyn til sikkerheden i konstruktionen. Alternativt skulle der gennemføres detaljeret CFD-modellering af temperaturflowet i brænderen. Ved at opbygge brænderen med en stor sikkerhedsmargin kan det undgås, at brænderen nedsmeltes under forsøgskørslen. Mens denne forsøgskørsel pågår, er det derfor vigtigt at registrere temperaturer i brænderkonstruktionen under drift. Herved kan der, i et revideret brænderdesign, ændres i materialevalget, dersom kravene til temperaturbestandigheden kan reduceres. 4.2.2 Holdbarhed og slitage Materialet, der benyttes i konstruktionen, skal kunne tåle, at brænderen anvendes under normale driftsforhold, uden at den slides og nedbrydes uhensigtsmæssigt. Det må ikke være nødvendigt at udskifte brænderkonstruktionen hyppigere end elvarmelegemerne. Typisk er levetiden for et elvarmelegeme anvendt hos Replast ca. 10 år. Brænderen skal udføres som en selvstændig del af konstruktionen, der kan udskiftes separat. Dens holdbarhed skal derfor ikke nødvendigvis være 10 år.

DGC-rapport 9 I konstruktionen vil det formentligt primært være slitage som følge af termiske påvirkninger, der er det mest markante. Denne slitage vil være centreret i det område i brænderen, hvor flammen dannes. Dertil kommer slitage pga. eventuel korrosion og kemisk påvirkning fra røggasserne. Materialevalget skal baseres på, at de termiske påvirkninger bliver minimale. 4.2.3 Vægt Af hensyn til montage og service skal brænderen bygges op af lette materialer. Brænderen skal være så let som muligt, idet de folk, der udfører montage og service, skal kunne udføre deres arbejde uden risiko for fysiske skader. Det skal ikke være nødvendigt, at der benyttes løfteredskaber (palleløfter eller truck) for at flytte brænderen. Det er ligeledes vigtigt at holde vægten nede, således at belastningen på snekkecylinderen ikke bliver for stor. Bøjning af snekkecylinderen vil ødelægge ekstruderen. 4.3 Konstruktion Brænderen skal konstrueres af materialer, der under konstruktion kan sikre stabilitet i den samlede konstruktion. Hvor det er påkrævet i konstruktionen, skal materialet kunne sammenføjes (svejses, loddes mv.), så utætheder undgås. Det skal være muligt for en autoriseret gasmekaniker at udskifte delkomponenter, uden at særlig uddannelse eller instruktion er nødvendig. Generelt skal konstruktionen bygges op, så det i de flest mulige tilfælde kan lade sig gøre at udskifte delkomponenter. 4.4 Montage Montering og demontering af brænderen skal kunne foretages af autoriseret gasmekaniker. Uautoriseret personel må ikke arbejde på installationen, da brænderen er tilsluttet gasforsyningen. Arbejde på brænderen skal kunne gennemføres uden brug af specialværktøj.

DGC-rapport 10 4.5 Konstruktionspris Af hensyn til brænderens konkurrencedygtighed skal den konstrueres så billig som muligt. Det er dog vigtigt, at man ikke på nogen måde går på kompromis omkring brænderens sikkerhed under optimering af konstruktionsprisen. For at minimere prisen kan materialevalget optimeres. Billigere ståltyper kan anvendes, hvor belastningen er mindst. Godstykkelser kan reduceres, hvor det er muligt. Komponenter, der er katalogvarer, vil blive foretrukket frem for specialdesignede komponenter, som vil øge konstruktionsprisen.

DGC-rapport 11 5 Funktionskrav 5.1 Forbrænding Primært skal det sikres, at forbrændingen foregår sikkerhedsmæssigt korrekt (se Afsnit 5.5). Derudover er kravet til forbrændingen, at den kan medvirke til at opnå de rette procesforhold. Dvs. krav vedr. temperatur skal overholdes, og den tilførte effekt skal afstemmes med behovet. Ufuldstændig forbrænding bevirker, at der i røggasserne bl.a. optræder CO. Årsagen til ufuldstændig forbrænding skyldes manglende luft, dårlig opblanding eller lav temperatur. Forbrændingsluftblæseren skal sikre tilstrækkelig luft til forbrændingen. God opblanding skal sikres gennem et godt designet mikserarrangement. Brænderen skal fungere således, at emissioner af bl.a. NO x, CO og UHC holdes på et minimum, og at den sammenlignet med lignende brændersystemer ikke forurener mere. Forbrændingen skal af sikkerhedsmæssige årsager foregå i et lukket brændkammer. Det skyldes bl.a. hensynet til, at der ved evt. fejldrift ikke trænger CO ud i fabrikshallen. Endvidere vil der i nogle produktionshaller være fare for, at åbne flammer udgør en brandrisiko. 5.2 Energiforbrug og miljøbelastning Det primære formål med at udvikle denne brænder er at erstatte elforbruget på ekstrudere med naturgas af miljømæssige hensyn. CO 2 -belastningen kan reduceres markant, hvis gassen bliver den primære energikilde i ekstruderes energiforbrug. Miljøbelastningen hænger i høj grad også sammen med energiforbruget. For at reducere energiforbruget mest muligt skal brænderkonstruktionen bygges, så den udnytter energien mest optimalt. Dvs. at det skal sikres, at varmetabet til omgivelserne minimeres, og at der, hvis det er muligt, skal anvendes forbrændingsluftforvarmning vha. røggasgenvinding.

DGC-rapport 12 5.3 Regulering af temperatur og effekt Ekstrudere er typisk bygget op med et kølesystem til regulering af temperaturen. Kølesystemet sikrer, at en kritisk temperatur på plastsmelten ikke overskrides. Hos Replast er der for hver brænder, der yder maks. 10 kw, installeret en køleluftblæser med effekt på 0,5 kw. I nogle konstruktioner er der installeret et vandbåret kølesystem. Brænderkonstruktionen skal derfor opbygges med et tilhørende kølesystem. Brænderens kølesystem kan bl.a. bygges op så køleluft passerer gennem premixkammeret og brænderen, når gastilførslen til brænderen afbrydes (se Figur 5). Det vil formentligt give et mere kompakt design og der kan evt. undgås at installere ekstra køleluftblæser og rørsystem til transport af køleluft. Figur 5 Premix- kølesystem. Blæseren fungerer enten som forbrændingsluft- eller køleluftblæser. Blæseren til forbrændingsluften kan evt. benyttes som køleluftblæser. Alternativt kan systemet bygges op med sekundær køleluftblæser, som vist i Figur 6. Det er både et krav, at forbrændingsprodukterne fordeler varmen jævnt omkring snekkecylinderen, og at køleluften køler jævnt.

DGC-rapport 13 Figur 6 Premix-/kølesystem. Systemet er bygget op med sekundær køleluftblæser. Et sekundært kølesystem vil gøre konstruktionen dyrere. Det vil derfor foretrækkes, at kølesystemet bygges op som skitseret i Figur 5. Kan forbrændingsluftblæseren ikke levere tilstrækkelig køleeffekt (når der lukkes for gassen), skal der indbygges en separat køleluftblæser, der kobles på, som vist på Figur 7. Dobbelte rørføringer kan herved i vid udstrækning undgås. Figur 7 Premix-/kølesystem. Separat køleluftblæser er koblet på forbrændingslufttilførslen.

DGC-rapport 14 5.4 Drift og stabilitet Brænderen kan operere enten modulerende eller on/off. En modulerende brænder vil øge prisen på konstruktionen. Fordelen vil være, at driften automatisk vil kunne regulere sig efter varmebehovet. Dvs. øge og sænke den indfyrede effekt efter det aktuelle behov. Denne styring vil være hensigtsmæssig for processer, hvor produktionsflowet varierer så kraftigt, at en kontinuert drift af brænderen ved en forudindstillet effekt ikke i alle tilfælde kan dække varmebehovet. Det kan også være nødvendigt, hvis varmeafgivelsen skal styres meget præcist. En gasbrænder, der opererer ved on/off-drift, kan styres tilsvarende præcist på samme måde som en modulerende brænder. Varmetilførslen kan tilsluttes og afbrydes momentant efter behov. Denne egenskab gør gasbrænderen velegnet til den driftsform, der er påkrævet i en plastsmelteproces. I den aktuelle proces hos Replast er kravet til brænderen under drift, at temperaturen ikke må overstige 280 C med en maksimal afvigelse på ± 5 C. I nogle zoner vil temperaturen dog være lavere, men kravet til afvigelsen den samme. I andre virksomheder produceres der plastemner, der har andre smelteegenskaber end emnerne hos Replast. Derfor skal brænderen designes, så temperaturniveauet for normal drift kan indstilles til forskellige niveauer. Ligeledes er kravet til, at temperaturen skal være præcis, i andre produktioner mere skærpede end hos Replast. Maks. variation på ± 2 C er ikke ualmindelige. Særlig opmærksomhed på en god temperaturregulering i brænderens design er derfor nødvendig. Konstruktionen og styresystemet skal sikre, at disse krav overholdes. I Tabel 1 redegøres for fire driftssituationer, som styresystemet skal operere efter.

DGC-rapport 15 Tabel 1 Driftssituationer for brænder hos Replast Driftssituation Fejl Aktion Kommentar T<T kritisk, lav T<T drift T>T drift T>T kritisk, høj Brænderen kan Alarm startes. evt. være slukket Kritisk lav temperatur manuelt. Effekt Brænder startes pga. fejl. Effekttilførslen er evt. for øges evt. lav Forbr. luftblæser Brænderen kører i Lav temperatur startes, gasventil on/off-drift og er i under normal drift åbnes, brænder situationen i offtilstand tændes Gasventil lukkes, Brænderen kører i forbr. luftblæser Høj temperatur on/off-drift og er i kører videre i sikkerhedsperiode og under normal drift situationen i ontilstand slukkes herefter Temp. varierer Gasventil lukkes, over en periode. I Kritisk høj temperatur og evt. køleluft- forbr. luftblæser, situationen er tilladte maks. blæser startes temp. overskredet. Ved den kritisk lave temperatur er det vigtigt, at brænderen startes, da der ellers er risiko for at produktionen tager skade. Hos Replast vil det betyde, at det producerede granulats kvalitet bliver for dårligt, og at produktionen derfor må kasseres. Ved lav temperatur under normal drift skal brænderen startes, da der ellers er fare for, at temperaturen falder til en kritisk lav temperatur. På samme måde som det producerede granulat skades ved for lav temperatur, vil det tage skade ved for høj temperatur. Det er derfor vigtigt, at styringen sikrer, at brænderen slukkes, når temperaturen når et for højt niveau, og at køleluftblæseren startes, hvis temperaturen bliver kritisk høj. Laboratorieforsøg skal vise, hvilke temperaturer der i forhold til Replasts funktionskrav (om maksimalt udsving på temperaturen på ± 5 C) skal defineres som kritisk lav, lav, høj og kritisk høj.

DGC-rapport 16 Stabilitet af brænderen skal sikres både i den øjeblikkelige driftssituation og over en længere periode. I den øjeblikkelige drift kræves der stabilitet inden for det fastsatte temperaturinterval, som brænderen skal fungere i. Over en længere periode må brænderen ikke rammes af fejl og afbrydelser, der kræver stop i produktionen. Brænderen skal mht. drift og stabilitet kunne operere som de i øjeblikket anvendte elvarmelegemer. 5.5 Sikkerhed Sikkerhed ved drift af brænderen skal i enhver henseende efterleve kravene, påpeget af den lokale gasleverandør og beskrevet i Gasreglement B-4. Formålet med disse krav er at sikre, at brænderen under drift ikke udgør en sikkerhedsrisiko. Brænderen skal derfor operere, så der ikke er fare for eksplosioner, brand, gasudslip, kulilteforgiftning, samt at der ikke er risiko for at personer, der arbejder i nærhed af brænderen, udsættes for forbrændinger ved fysisk kontakt. I langt de fleste gasinstallationer er det mest kritiske øjeblik, set i forhold til sikkerheden, antændelse af gas/luftblandingen. Placeringen af tændelektroden samt gas/luftblandingens brændbarhed i dette område afgør, om det er muligt at antænde brænderen sikkert. En forkert placeret tændelektrode kan få katastrofale konsekvenser, da der kan opstå eksplosionsfarlige koncentrationer af gas/luftblanding. Det skal derfor sikres, at brænderen udluftes tilstrækkeligt, hver gang der opstår en fejlsituation, således at der ikke ophobes brændbare gasser i brænderen. Den optimale udluftning kan sikres ved at kende brænderens volumen, interne strømningsforhold samt køleluftblæserens effekt. Der kan i designet af brænderen tages højde for, at der ikke må opstå lommer, hvorfra gas/luftblandingen ikke kan undslippe. Ved herefter at lade køleluftblæseren køre i en tilstrækkelig lang periode, uden at gasventilen åbnes, kan den bedst mulige udluftning foretages. Udluftning af brænderen og dermed evakuering af brændbare gasser skal ske efter hvert mislykkede opstartsforsøg. Den udvendige overflade på brænderen må under drift ikke nå op på temperaturer, der kan give forbrændingsskader ved kontakt. Kan dette ikke opnås med det udviklede design, skal konstruktionen afskærmes eller isoleres, så umiddelbar kontakt med de varme overflader ikke kan forekomme.

DGC-rapport 17 Gasudslip og kulilteforgiftning vil kun kunne opstå i konstruktioner med åbent forbrændingskammer, eller hvis konstruktionen er utæt. Brænderen skal konstrueres med lukket forbrændingskammer og lukket aftræk over tag. Derved elimineres risikoen for, at gasser trænger ud i fabrikshallen. Brænderens tilslutning rundt om snekkecylinderen skal tætnes, så udslip undgås.

DGC-rapport 18 6 Præsentation af forskellige brænderkonstruktioner I det efterfølgende skitseres en række forskellige brænderkonstruktioner, der i udvælgelsesprocessen har været drøftet. Fordele og ulemper beskrives for hvert koncept. Vurderingerne her ligger til grund for den endelige udvælgelse af brænderkonceptet, der arbejdes videre med. 6.1 Brænderkoncept-1a: Direkte fyret fiberbrænder Beskrivelse Brænderen er bygget op som en cirkulær brænder, der omkranser snekkecylinderen. I brænderen, der er opbygget som en fiberbrænder, foregår forbrændingen i overfladen af fibermaterialet. Fibermaterialet er indkapslet i et brænderhus, således at forbrændingen foregår i et lukket kammer. Varmen fra forbrændingen overføres fra fiberen til snekkecylinderen, der overfører den til plastgranulatet, som derved smeltes. Figur 8 Principskitse af fiberbrænder anvendt til plastsmeltning Fordele Jævn temperaturfordeling, fordi forbrændingen sker på hele snekkecylinderens areal. God regulering af temperatur og tilført effekt. On/off-drift eller modulerende drift af brænderen, begge kombineret med kølelufttilførsel, gør brænderen meget fleksibel mht. regulering af temperatur og tilført effekt. Simpel konstruktion, der bygger på et kendt og allerede udnyttet princip.

DGC-rapport 19 Ulemper Elvarmelegemernes normale driftsområde (hos Replast) ligger på ca. 2-3 kw. Den maksimale effekt pr. varmeleme er (hos Replast) 10 kw. Fiberbrænderens effekt varierer fra 100-800 kw/m 2. Da arealet af fiberbrænderen vil være ca. 0,50 m 2, ved en diameter på 250 mm, vil den minimalt installerede effekt pr. brænder derfor være ca. 50 kw. Brænderen vil derfor ikke kunne køre stabilt, da gasmængden, der tilføres fiberbrænderen, vil være for lavt. Det kan give ujævn fordeling af forbrændingszonen og dermed risiko for ujævn temperaturfordeling. For lav tilført gasmængde kan ligeledes resultere i, at brænderen vil slukke. Det skyldes, at flammen ikke altid vil være detekterbar for flammeovervågningen med afbrydelse af gassen til følge. Konklusion Der arbejdes ikke videre med dette koncept.

DGC-rapport 20 6.2 Brænderkoncept-1b: Direkte fyret varmelegeme med fiberbrændertrådnet Beskrivelse Dette brænderkoncept er bygget med et fiberbrændertrådnet, der sørger for en jævn varmetilførsel til snekkecylinderen. En fiberstreng er indbygget som overtænding mellem fibertrådene (se Figur 9 ). Figur 9 Direkte fyret varmelegeme med fiberbrændertrådnet Røggasserne føres gennem en perforeret kappe, hvor de fordeles jævnt og dermed sikrer jævn temperaturfordeling omkring snekken. Ved at reducere fiberbrænderens overfladeareal kan den samlede indfyrede effekt reduceres. Røggasserne ledes bort via aftræk. Til regulering af temperaturen er der indbygget et kølesystem, der fordeler køleluften rundt og langs snekkecylinderen. Køleluften ledes bort i modsatte ende af varmelegemet. Røggasserne er i dette koncept ikke i kontakt med snekkecylinderen. Varmeoverførslen sker

DGC-rapport 21 derfor ved ledning og stråling fra den inderste overflade af varmelegemet, der grænser op til snekkecylinderen. Kølesystemet kan med fordel ændres i dette koncept, så det køler inde på snekkecylinderen. Dermed kan varmelegemet opbygges uden den inderste spalte, hvor kun køleluften blæses ind. Endvidere er der ikke behov for et køleluftaftræk, da luften kan blæses ind til snekkecylinderen og selv diffundere bort. Fordele Dette koncept har samme fordele som Brænderkoncept-1a. Dog er konstruktionen mere komplekst opbygget. Ulemper Den største svaghed i mange gasforbrugende apparater er antændingen. Dette koncepts største svaghed er formentligt også antændingen af gassen. Da fibertrådnettet er smalt (for at tilpasse effekten), kan der opstå problemer med at antænde brænderen i hele trådnettet. Varmefordelingen vil herefter ikke være jævn. Antændes gasserne ikke korrekt, vil der, hvis udluftningen af varmelegemet ikke er tilstækkelig, kunne opstå eksplosionsfare i forbindelse med ophobning af premix i konstruktionen. Konklusion Der arbejdes ikke videre med dette koncept.

DGC-rapport 22 6.3 Brænderkoncept-2: Indirekte fyret røggasopvarmning Beskrivelse Som Figur 10 viser, baseres dette brænderkoncept på central forbrænding af gassen. Røggasserne fordeles herefter til varmelegemerne, som er lukkede og afskærmet fra opstillingsrummet. Røggasserne varmer snekkecylinderen op, og varmen fordeles til plastsmelten. En gasbrænder med dette koncept kan levere varmen til samtlige varmelegemer monteret på sprøjtestøbemaskinen. I princippet kan den levere varme til flere sprøjtestøbemaskiner ad gangen. Regulering af effekten sker ved at justere røggasmængden til varmelegemerne vha. en elektrisk styret ventil placeret før hvert varmelegeme. Temperaturen reguleres med en køleluftblæser (fremgår ikke af skitsen), der via et kølerørsystem leverer køleluft til varmelegemerne, hvis temperaturen bliver for høj. Figur 10 Principskitse af røggasopvarmede varmelegemer til plastsmeltning Fordele Primært er fordelen ved dette koncept, at der kan opnås en meget jævn temperaturfordeling, idet røggasserne fordeles jævnt i varmelegemet. Snekken er ikke i nærheden af forbrændingszonen og udsættes dermed ikke for termisk stråling fra flammen, hvilket bidrager til at holde en jævn temperaturfordeling.

DGC-rapport 23 Brænderen er en standardkomponent, der er kommercielt tilgængelig. Det betyder, at den er testet og anvendt i andre sammenhænge. Derfor kan god stabilitet og driftsikkerhed forventes. Ulemper Den største ulempe er, at der i varmefordelingssystemet vil gå en del energi tabt som følge af ledningstab ved transport af røggasserne fra brænderen frem til varmelegemerne. Mange reguleringsventiler vil gøre konstruktionen dyr og dermed forringe konkurrenceevnen med elektriske varmelegemer. Hver ventil skal være elektrisk styret, således at den præcist kan indstille den tilførte effekt til varmelegemet. Indregulering og normal daglig drift bliver uhensigtsmæssigt kompleks. Ved at have flere varmelegemer koblet til den samme brænder i et sammenhængende forsyningssystem, vil røggasflowet til alle varmelegemerne påvirkes hver gang der ændres på flowet til en enkelt brænder. Det vil derfor være meget svært at indstille og efterfølgende ændre på den tilførte effekt til varmelegemerne. Konklusion Der arbejdes ikke videre med dette koncept.

DGC-rapport 24 6.4 Brænderkoncept-3: Indirekte fyret olieopvarmning Beskrivelse Dette koncept fungerer ved at olie, der cirkulerer i et kredsløb som skitseret i Figur 11, opvarmer snekkecylinderen. Varmelegemerne består af en lukket tank, hvorigennem olien cirkuleres, så der sikres en jævn temperaturfordeling på hele snekkecylinderen. Olien cirkuleres fra varmelegemet til en varmeveksler, hvor røggasser opvarmer olien. En gasbrænder leverer den fornødne varme via røggaserne. Luftkøling kan etableres ved at blæse luft ned langs snekkecylinderen i mellemrummet mellem varmelegeme og snekkecylinder. Alternativt kan der indbygges kølekanaler gennem varmelegemet, så køleluft kan blæses radiært ind på snekkecylinderen. Temperaturen og effekten reguleres via gasbrænderen og kølesystemet. Figur 11 Indirekte olieopvarmning af plastgranulat i ekstruder Fordele En stor fordel ved dette princip er, at der ved cirkulation af olie rundt om snekken kan opnås meget jævn temperaturfordeling. Den lukkede oliebeholder, der fungerer som varmelegeme, er en forholdsvis simpel konstruktion. Det skal dog sikres, at olien ikke står stille i områder af beholderen. Brænderen er en standardvare, der må forventes at være stabil og driftsikker.

DGC-rapport 25 Ulemper Olietemperaturen vil være langsom at regulere. Ønskes temperaturen sænket, vil det derfor kræve stort energiforbrug til køling via køleluft, indtil olietemperaturen er faldet. Der kræves cirkulationspumpe til at transportere olien rundt i kredsløbet. Det vil påvirke driftsøkonomien væsentligt, da pumpen skal være i konstant drift. Pga. cirkulationssystemet og varmeveksleren vil der være varmetab og dermed en reduktion af energieffektiviteten. Sammenholdes ulemperne, vil dette varmelegeme ikke kunne konkurrere med de eksisterende elvarmelegemer. Konklusion Der arbejdes ikke videre med dette koncept.

DGC-rapport 26 6.5 Brænderkoncept-4: Direkte fyret rørbrænder med oliekredsløb Beskrivelse Brænderen er opbygget af to halvparter, der hver er udstyret med en varmespiral til fordeling af varmen. På Figur 12 er den ene halvpart vist. Halvparten er lukket, idet olie cirkuleres i den for at forbedre varmefordelingen omkring snekkecylinderen. Brænderen er placeret umiddelbart før varmspiralen. Røggasserne ledes ind i varmespiralen i den ene ende af varmelegemet og trækkes ud i den modsatte ende. Figur 12 Skitse af direkte fyret varmelegeme med rørbrænderprincip Fordele Varmefordelingen i dette princip kan blive meget god, idet varmen både fordeles via varmespiralen og via den cirkulerede olie. Idet brænderen placeres tæt på varmelegemet, vil der være minimalt varmetab og dermed sandsynlighed for høj effektivitet. Røggasser kan evt. anvendes til at forvarme forbrændingsluften for derved at øge effektiviteten.

DGC-rapport 27 Ulemper Varmelegemet er opbygget med et oliekredsløb, der kræver kontinuert pumpedrift. Det vil forøge driftsomkostningerne væsentligt. Temperaturregulering og indregulering kan være besværlig, da der er stor træghed indbygget i systemet. Produktionsmæssigt er det kompliceret at forme rørbrænderen i den ønskede spiralform. Brænderkoncept-4 kan også bygges op uden oliekredsløb, men med et køleluftsystem der erstatter det. Det vil kræve, at spiralen i hele længden er i stand til at fordele varmen jævnt. Der vil utvivlsomt være en tendens til, at varmeafgivelsen vil være størst ved indløbet af rørspiralen og mindst ved udløbet. Denne tendens kan delvist modvirkes ved at sende køleluften ind i medstrøm med røggasretningen. Køleeffekten vil være størst ved indløbet. Efterhånden som køleluften opvarmes ned langs snekkecylinderen, vil køleeffekten aftage, samtidig med at varmeeffekten aftager. Om det er tilstrækkelig til at få en jævn varmefordeling, vil kræve detaljerede varmeovergangsberegninger, som ikke gennemføres i dette projekt. Konklusion Der arbejdes ikke videre med dette koncept.

DGC-rapport 28 6.6 Brænderkoncept-5: Direkte fyret enhed opbygget med lamelbrænder og forbrændingsluftforvarmning Beskrivelse Brænderen er opbygget af en øvre og nedre halvpart, så montage og demontage muliggøres. Med bolte placeret i begge sider af konstruktionen holdes de to dele sammenpresset. Brænderen er placeret i den nedre halvpart i hele længderetningen. Røggasserne passerer op, rundt om snekkecylinderen og afgiver varme. Efterfølgende ledes røggasserne gennem konstruktionen og medvirker til at forvarme forbrændingsluften. Forbrændingsluften ledes gennem konstruktionens to parter og føres ud gennem fire symmetrisk placerede studse monteret på den nedre part. Herfra returneres den og mikses med naturgas og føres frem til brænderen via et rør monteret på siden af konstruktionen. Røggasserne ledes til aftræk via fire studse placeret på den nedre part. I den øvre part er der monteret afstandsjusterbare bolte til regulering af afstanden mellem snekkecylinder og brænderkonstruktionens indre overflade. En principskitse af konstruktionen ses i Figur 13 nedenfor.

DGC-rapport 29 Figur 13 Principskitse af strømningsforhold i brænderkonstruktion Fordele Denne konstruktion er forholdsvis let at fabrikere og at udføre service på. Montage og afmontering kan foretages uden brug af specialværktøj. Varmeoverførslen til snekkecylinderen foregår direkte fra energien i røggasserne. Forbrændingsluftforvarmning giver brænderen en forbedret energiøkonomi. Endvidere kan temperaturfordelingen justeres både vha. afstandsjusteringsboltene og ved at ændre på gas/luftblandingen. Ved at røggasserne passerer gennem konstruktionen to gange som vist på Figur 13, forbedres temperaturfordelingen i konstruktionen. Køleluft kan uden problemer kobles til konstruktionen. Det er endvidere en fordel, at forbrændingen foretages i et lukket forbrændingskammer.

DGC-rapport 30 Ulemper Fordi brænderen er placeret i bunden af konstruktionen og dermed stråler på undersiden af snekkecylinderen, er det sandsynligt, at der skal monteres en stråleskærm for at undgå skævvridning af temperaturfordelingen. Figur 14 Brænderkoncept med lamelbrænder og forbrændingsluftforvarmning Der kan desuden være behov for, at røggasserne skal suges ud af konstruktionen vha. aftræksblæser. Det vil betyde en mindre forøgelse af driftsudgifterne. Røggasserne er i direkte kontakt med snekkecylinderen. Hvorvidt det er en ulempe, der kan give korrosionsskader mv., vil afhænge af snekkecylinderens materiale. Konklusion Der arbejdes videre med dette koncept i projektet. Der vil blive opbygget en prototype af konstruktionen, som skal funktionstestes i DGC s laboratorium.