LÄMPÖKÄSITTELYUUNIEN ENERGIATEHOKKUUDEN PARANTAMINEN

Abstract

Lämpökäsittelyuunit kuluttavat paljon energiaa, joten pienillä energiataloutta parantavilla ratkaisulla voidaan saavuttaa merkittäviä taloudellisia säästöjä. Tämän opinnäytetyön tarkoituksena oli selvittää matalaemissiivisen pinnoitteen vaikutus vanhan maakaasukäyttöisen uunin energiatehokkuuteen. Tarkoitus oli myös verrata energian kulutusta täydellä ja vajaalla uunipanoksella. Ennen varsinaisten koemittausten aloittamista uunin toimintoja mitattiin, mittaustuloksia analysoitiin ja analysoinnin tuloksena uunia huollettiin ja säädettiin. Lämpökäsittelyuuneissa lämpö siirtyy kappaleeseen ympäristöstä tai päinvastoin lämpösäteilyllä (yli 90 %), joten lämpösäteilylle alttiit pinnat vaikuttavat merkittävästi uunien energiatalouteen. Lämpösäteilyn osuessa seinämien eristemateriaaleihin säteily absorboituu, heijastuu tai menee pinnan läpi. Pinnan emissiivisyys  määritetään pinnan lähettämän säteilyn ja samassa lämpötilassa olevan mustan kappaleen lähettämän säteilyn osamääränä. Emissiivisyyskerroin on yksi mustalla kappaleella, joka absorboi ja emittoi kaiken pintaan osuneen säteilyn. Eristysmateriaalien emissiivisyys on lämpökäsittelyuunien lämpötiloissa 0,4. Eristysmateriaalien emissiivisyyttä voidaan nostaa jopa 0,9:ään emissiivisillä pinnoitteilla. Heijastavilla pinnoitteilla sen sijaan pienennetään eristysmateriaalin emissiivisyyttä, jolloin pinnan lämpösäteilyn absorbtio pienenee ja heijastuminen suurenee. Työssä mitattiin pinnoittamattomalla ja pinnoitetulla uunilla koekappaleiden ja uunin lämpötiloja, jäännöshappea, häkää ja kaasunkulutusta sekä suoralla että hitaalla nos-tolla. Työssä vertailtiin myös uunipanoksen painon vaikutusta nousuaikaan ja energi-ankulutukseen. Opinnäytetyössä tehtyjen kokeiden perusteella uunin ehdottomasti tärkein energian-säästöllinen ja lämpötilan nousua nopeuttava toimenpide on mitata ja säätää polttimien ilma-kaasusuhde oikeaksi. Tuotannon nopeamman virtautuksen kannalta uunin panostaminen kannattaa suorittaa kuumaan uunin, vaikka puolikkaalla uunipanoksella. Lopputuloksena tämä opinnäytetyö tarjoaa Sulzer Pumps Finland Oy:lle mahdollisuuden ympäristöystävällisempään ja energiatehokkaampaan lämpökäsittelyyn ja lyhentää tuotantoaikaa prosessin jatkuvalla virtautuksella

Heat treatment furnaces require a lot of energy and even small improvements in ener-gy efficiency can lead to considerable savings. The purpose of this work was to inves-tigate the effect of low emissivity coatings on energy efficiency of an old heat treat-ment furnace. Another goal was to investigate the effect of load size. Before the actual comparative measurements the furnace, was analyzed, repaired, and adjusted accordingly for optimized operation. In heat treatment, furnaces heat transfer between surroundings and objects is mainly through radiation (over 90 %), so surfaces play a major role in heat transfer. When ra-diation hits surfaces, it can be absorbed, reflected, or it can penetrate them. Surface emissivity  is defined by surface emitted radiation divided by radiation emitted by a black object. Emissivity is one for a black object that absorbs and emits all radiation hitting the surface. Emissivity of insulation materials in heat treatment temperatures is 0.4. Emissivity can be increased to 0.9 with high emissivity coatings. Reflecting coatings lower the emissivity of surfaces and which decreases absorption and increases reflection. The measurements conducted for this thesis included temperatures of furnace and test pieces, excess oxygen, carbon monoxide, and gas consumption with restricted and full heating power. The effect of load weight on heating speed and energy consumption was investigated. During these experiments is was found out that the most important factor for energy efficiency and heating speed was excess oxygen related to air/fuel -ratio. For faster product flow, a batch should be charged into the hot furnace even with half load. As a result, this work enables Sulzer Pumps Finland Oy to use a more environment friendly and energy-efficient heat treatment process with shorter production time us-ing continuous flow of material.