Gasfyret plastsmeltning til sprøjtestøbemaskiner J.nr. 1273/01-0016 Delrapport 3: Konstruktion og funktionsbeskrivelse af prototypegasbrænder Projektrapport Januar 2007
Gasfyret plastsmeltning til sprøjtestøbemaskiner J.nr. 1273/01-0016 Delrapport 3: Konstruktion og anvendelse af prototypegasbrænder René Thiemke Dansk Gasteknisk Center a/s Hørsholm 2007
Titel : Gasfyret plastsmeltning til sprøjtestøbemaskiner Rapport kategori : Projektrapport Forfatter : René Thiemke Dato for udgivelse : Januar 2007 Copyright : Dansk Gasteknisk Center a/s Sagsnummer : 722.50; H:\722\50\Delrapport 3\Delrapport 3_final.doc Sagsnavn : EFP-Plast ISBN : 978-87-7795-321-7
DGC-rapport 1 Indholdsfortegnelse Side 1 Forord... 2 2 Konklusion... 3 3 Summary... 4 4 Konstruktionsbeskrivelse... 5 4.1 Materialer... 11 4.2 Tilslutninger... 12 4.2.1 Gas... 12 4.2.2 Luft... 12 4.2.3 El... 13 4.2.4 Aftræk... 13 5 Funktionsbeskrivelse... 14 6 Sikkerhed... 17
DGC-rapport 2 1 Forord Denne rapport udgør delrapport 3 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. 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
DGC-rapport 3 2 Konklusion I denne rapport beskrives den brænderkonstruktion, som vi har valgt at arbejde videre med i projektet. Der er til forsøgsmæssig anvendelse bygget en prototype af konstruktionen. Den interne brænder har et design som en lamelbrænder med en ydelse på 2-10 kw. Konstruktionen er af hensyn til service og montage bygget med en øvre og nedre halvpart. Af hensyn til varmepåvirkningen fra røggasserne er materialet i konstruktionen højtemperaturfast stål. Justering af temperaturprofilen foretages via fire justeringsbolte, der kan løfte eller sænke brænderen i forhold til ekstruderens overflade. Sikkerheden i brænderen varetages af flammeovervågningen, der lukker for gastilførslen, hvis flammen svigter. Brænderkonstruktionens design er udformet af DGC og Replast og tager udgangspunkt i plastbranchens funktionskrav samt energiøkonomi.
DGC-rapport 4 3 Summary This report describes the physical construction of the gas burner. The power of the internal burner is a 2-10 kw. Due to assembly and access to service on the internal burner, the construction has been designed in an upper and lower half part. The high temperatures of the flue gasses require the construction material to be high temperature resistant steel. It is possible to adjust the temperature profile by adjusting the distance between the burner and the surface of the mould flow ejection machine. Safety is very important. Therefore, the flames are surveyed and the gas flow stopped if no flame is detected. The construction, created by DGC and Replast, has been designed to fulfil requirements from the mould flow industry and to minimize loss of energy.
DGC-rapport 5 4 Konstruktionsbeskrivelse På baggrund af kriterier beskrevet i Delrapport 2: Kravspecifikationer og konstruktionsoplæg til gasbrænder er der udvalgt en konstruktion, som der i projektet arbejdes videre med. Der er blevet designet og efterfølgende fabrikeret en prototypebrænder, som er vist på Figur 1. Det valgte brænderkoncept kombinerer direkte fyring med forbrændingsluftforvarmning. Energimæssigt vil det derfor være det alternativ, der har den størst mulige udnyttelsesprocent og dermed den bedste driftsøkonomi. Figur 1 Billede af prototypen af brænderkonstruktionen Konstruktionen består af to halvparter, en øvre og nedre. Med denne opbygning gøres det let at montere og demontere konstruktionen i forbindelse med serviceeftersyn. I den nedre halvpart er brænderen monteret og der findes tilgang for premixgas. Brænderen i den nedre halvpart er konstrueret som den lamelbrænder, der er vist på Figur 2.
DGC-rapport 6 Figur 2 Lamelbrænderdesign I længderetningen fylder den hele konstruktionen ud, så flammen og dermed varmen fordeles jævnt i snekkecylinderens længderetning. Brænderen er dimensioneret til at levere en effekt på 2-10 kw. Hvis større effekt ønskes installeret, kan der lægges flere lameller mellem vinkeljernene, der er vist boltet sammen på Figur 2. Tændelektrode og ionisering er placeret i en position umiddelbart over brænderen, hvor flammen står. Den aktuelle montage fremgår af Figur 9 som den elektriske tilslutning i enden af konstruktionen I den nedre halvpart er der monteret aftræk og udgange for forvarmet forbrændingsluft. Fire aftræk til den forvarmede forbrændingsluft og fire aftræk til røggasserne. Antallet af aftræk er monteret af hensyn til symmetrien i konstruktionen og for at opnå så jævn varmefordeling på snekkecylinderen som muligt. For at adskille luft og røggasstrømningerne, er konstruktionen bygget op med tre lag (se Figur 3), hvorimellem forbrændingsluft og røggasser kan passere uden at blive blandet.
DGC-rapport 7 I den øvre halvpart er der som i den nedre også tre lag til adskillelse af forvarmet forbrændingsluft og røggasser. På toppen af den øvre part er der monteret tre indløb for forbrændingsluft. For lettere at kunne samle den øvre og nedre halvpart er der på konstruktionen monteret et indgreb, som vist på tværsnittet i Figur 3. Figur 3 Indgreb mellem øvre og nedre halvpart I hver ende af brænderkonstruktionen er der monteret to bueformede pladestykker, der spændes fast med bolte. Den inderste buediameter svarer til snekkecylinderens ydre diameter. Pladerne kan udskiftes og nye plader monteres med anden indre buediameter, der passer til en anden snekkecylinderstørrelse. Pladestykkerne afskærer røggasserne fra at trænge ud i opstillingsrummet.
DGC-rapport 8 Figur 4 Pladestykker til afskærmning af røggasser Brænderkonstruktionen er opbygget af delene, som vises på Figur 5.
DGC-rapport 9 Figur 5 Samletegning (exploded view) Til justering af brænderkonstruktionens position i forhold til snekkecylinderen er der monteret fire gevind i konstruktionen. Ved at skrue fire bolte i gevindene kan konstruktionen hæves og sænkes i forhold til snekkecylinderen. Princippet fremgår af Figur 6.
DGC-rapport 10 Figur 6 Princippet for justering af brænderafstand til snekkecylinder På figuren kan det ses at ved at skrue boltene i, hæves konstruktionen i forhold til snekkecylinderen, fordi boltene hviler på toppen af snekkecylinderen. Da den nedre halvpart (ikke vist på Figur 6) er spændt fast til den øvre halvpart, vil den ligeledes blive hævet i forhold til snekkecylinderen. Det betyder, at brænderens afstand til snekkecylinderen kan justeres. Samtidig kan arealet, hvorigennem røggassen passerer, forøges eller mindskes, som det vises på Figur 7. Figur 7 Justering af røggas passagens areal
DGC-rapport 11 På figuren viser det grønne areal mellemrummet mellem snekkecylinderen og inderste lag i konstruktionen, hvor røggasserne kan passere. Konstruktionen er vist i et tværsnit i længderetningen. 4.1 Materialer Materialerne i konstruktionen vælges på baggrund af temperaturpåvirkningerne under drift. Det betyder, at konstruktionen inde ved forbrændingen består af højtemperaturfast stål af typen Sandvik 253 MA (se Figur 8). Materialerne i den øvrige del af konstruktionen er stål af typen Sandvik 316, da denne del af konstruktionen ikke udsættes for samme høje temperaturer. Figur 8 Ståltyper i konstruktion
DGC-rapport 12 4.2 Tilslutninger På Figur 9 ses en skitse af tilslutningerne, der indledningsvis er monteret på konstruktionen ved laboratorieforsøgenes opstart. Senere er tilslutningerne ændret som følge af resultater fra laboratorieforsøg. Figur 9 Tilslutninger (oprindelige) 4.2.1 Gas Til at producere varmen, der skal smelte plastgranulatet i ekstruderen, anvendes naturgas. Gassen tilføres konstruktionen som vist på Figur 9. Gassen blandes med forvarmet og ikke-forvarmet forbrændingsluft. Blandingen antændes af den elektriske tilslutning (tændelektrode). 4.2.2 Luft Konstruktionen har to lufttilførsler. Via tårnene øverst på konstruktionen strømmer luft, der gennem konstruktionen opvarmes og blandes som forvarmet forbrændingsluft med gassen. Endvidere er der en tilslutning, der føres direkte til gasrøret uden at blive forvarmet. Forvarmningen af luften foretages af energibesparelsesmæssige hensyn, hvorimod den ikkeforvarmede luft tilføres af forbrændingstekniske (tænding og stabil flamme) årsager.
DGC-rapport 13 4.2.3 El De elektriske tilslutninger består af en tændelektrode monteret som vist på Figur 9 koblet til en fyrboks. Elektroden fungerer bådes som tændelektrode og som flammeovervågning. Den er en væsentlig komponent i konstruktionens sikkerhed, idet den antænder gassen og samtidigt overvåger, at der står en stabil flamme i brændkammeret. Hvis flammen ikke kan detekteres, afbrydes gassen. 4.2.4 Aftræk Aftrækket er placeret i konstruktionens nedre part. Der er fire udløb fra konstruktionen, der samles parvist, som vist på Figur 9.
DGC-rapport 14 5 Funktionsbeskrivelse Konstruktionen er designet til at fungere efter følgende princip. Gas og luft premixes og tilføres til konstruktionen ved den på siden monterede studs. Forvarmet luft kan tillige blandes med gassen. Premixblandingen trænger fra premix-kammeret i bunden af konstruktionen op gennem lamelbrænderen ind i brændkammeret. Umiddelbart over lamelbrænderen er der monteret en tændelektrode, der ud over at antænde gassen også fungerer som flammeovervågning. Det er meget vigtigt, at premixkammeret og brændkammeret er helt isoleret fra hinanden, bortset fra passagen gennem lamelbrænderen. Er der utætheder, vil gassen kunne antændes i premix-kammeret med en ukontrolleret flamme og varmeafgivelse til følge. Figur 10 Principdiagram
DGC-rapport 15 For at undgå overophedning af undersiden af snekkecylinderen som følge af stråling er der monteret en plade over lamelbrænderen, der fungerer som strålingsskjold. Hvis pladen bevirker, at det nederste område på snekkecylinderen ikke opvarmes, kan der bores små huller i pladen, så røggasserne kan strømme op til området. Røggasserne strømmer rundt om snekkecylinderen og opvarmer den (og dermed også plastsmelten). Som følge af varmeafgivelsen afkøles røggasserne gradvist gennem passagen rundt om snekkecylinderen. Det vil med denne konstruktion betyde, at temperaturen falder på toppen af snekkecylinderen. For at modvirke denne tendens kan tværsnitsarealet, hvorigennem røggasserne passerer, reguleres (se Figur 7). Ved at sænke konstruktionen ned mod snekkecylinderen, så passagen på toppen af cylinderen mindskes, og passagen neden for cylinderen dermed øges, kan røggashastigheden forøges på toppen. Med en øget røggashastighed vil varmeovergangen til snekkecylinderen stige. På denne måde kan der kompenseres for røggassens gradvise afkøling. Til justering af konstruktionens position i forhold til snekkecylinderen benyttes de tidligere omtalte bolte. Røggasserne forlader brændkammeret gennem en åbning på toppen af 1. lag (se Figur 10) og strømmer ned i mellemrummet mellem 1. og 2. lag. Passagen af røggasserne på ydersiden af 1. lag medvirker til at udjævne varmefordelingen. Samtidigt varmer røggasserne 2. lag i konstruktionen op. Fra fire positioner i bunden af konstruktionen transporteres røggasserne til aftræk. Forbrændingsluft blæses ind i konstruktionen i toppen (se Figur 10). Gennem passagen i konstruktionen opvarmes luften af det opvarmede 2. lag. Det er vigtigt, at 2. lag er tæt, da der ellers vil blandes røggasser i luften. Forbrændingsluften, der nu er forvarmet, føres til premix-kammeret hvor den blandes med naturgas og evt. forbrændingsluft, der ikke er forvarmet. Den ikke-forvarmede forbrændingsluft benyttes for dels at sikre, at forbrændingen kører ved det rigtige luftoverskudstal, dels for i perioder, hvor der er behov for køling (når brænderen er slukket), at kunne levere dette. Forvarmningen af forbrændingsluften bevirker på den ene side, at energiøko-
DGC-rapport 16 nomien forbedres, og på den anden side at forbrændingsluften afkøler konstruktionens overflade. Den indfyrede effekt reguleres (2-10 kw) ved at justere gasflowet. I laboratorieopstillingen foretages justeringen ved at åbne/lukke for en kugleventil på gastilførslen. I en industriinstallation skal reguleringen ske automatisk. Overvågning af plastsmeltens temperatur skal kobles til styringen af gasflowet, så gassen lukkes (eller flowet reduceres), hvis temperaturen overstiger et fastsat maksimum.
DGC-rapport 17 6 Sikkerhed Sikkerheden i konstruktionen kan deles op i forbrændingsteknik og personsikkerhed. I en industriinstallation skal kravene i Gasreglement B-4 overholdes. Dvs. der skal opbygges en gasrampe med de nødvendige delkomponenter så som afspærringsventiler, gasfilter, trykregulator, sikkerhedsventil, trykovervågning og magnetventiler. Forbrændingen i konstruktionens brændkammer skal overvåges med henblik på at undgå farlige situationer. Overvågningen af forbrændingen varetages af en flammeovervågning, der er koblet til en fyrboks, som igen er koblet til gasrampen (magnetventilerne). Hvis flammen svigter, sendes et signal til fyrboksen, som herefter vil afbryde gassen ved at lukke magnetventilerne. Forbrændingen skal ligeledes afbrydes, hvis der af trykovervågningen i gasrampen registreres et over- eller undertryk i forhold til det fastsatte driftstryk. Personsikkerhed omhandler forbrændingsprodukter i opstillingsrummet og risiko for forbrændingsskader. I denne konstruktion sikres mod, at røggasserne trænger ud i opstillingsrummet ved at spænde endepladerne (se Figur 4) tæt omkring snekkecylinderen. Der kan evt. tætnes med et ikkebrændbart filtermateriale. For at undgå forbrændingsskader er konstruktionen bygget op, så der i det yderste mellemrum strømmer kold luft, der medvirker til at holde overfladetemperaturen på konstruktionen nede. Derudover kan der isoleres omkring konstruktionen med et ikke-brændbart materiale.