Projekt 22303/01

Energieoptimierte Heizkörperfertigung durch fertigungsintegrierte Prozesskontrolle zur Dichtheitsprüfung

Projektträger

Döbeln Elektrowärme GmbH
Eichbergstr. 9
04720 Döbeln
Telefon: 03431/655-230

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Bei der derzeitige Heizkörperfertigung sind Aufheiz-, Abkühl-, und Nachtrocknungsstufen nötig. Ziel ist es den Fertigungsprozess technologisch und energetisch zu optimieren. Die Prozesswärme soll nach dem Löten so hoch gehalten werden, dass noch im warmen Zustand (ca. 80°C) die Dichtheitsprüfung erfolgen kann. Damit wird die Feuchteaufnahme des stark hygroskopischen Füllstoffes vermieden und der energieintensive Nachtrocknungsprozess sowie die prozessexterne Dichtheitsprüfung als separate Arbeitsoperation entfallen. Gemäß dieser Zielstellung ist eine neuartige Prüftechnologie zur Dichtheitsprüfung unter erhöhter Temperatur von Heizkörpern zu entwickeln.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden1. Ermittlung aller prozessbestimmenden Parameter bei der Heizkörperherstellung unter Beachtung der Dichtheitsprüfung
2. Konzipierung einer Prüfmethode zur Dichtheitsprüfung unter Nutzung von Formiergas
3. Entwicklung von Lösungsvarianten für ein Prüfstandskonzept
4. Bautechnische Realisierung des Prüfstandes und Inbetriebnahme als Funktionsmuster
5. Durchführung von Dichtheitsprüfungen und Bestimmung der Leistungsparameter
6. Entwicklung eines Prüfalgorithmus zur exakten Definition der Dichtheit unter Berücksichtigung der Eigenemission der Heizkörper nach dem Lötprozess
7. Integration des Versuchsstandes in den bestehenden Produktionsablauf, Durchführung von Versuchen unter Praxisbedingungen
8. Erarbeitung eines neuen Fertigungsablaufes unter Einbeziehung einer Online-Dichtheitsprüfung
9. Definition der Leistungsparameter der Prüftechnologie als Qualitätsstandart bei der Produktzertifizie-rung
10. Nachweis der energetischen Einsparungseffekte durch Wegfall der Nachtrocknungsstrecke


Ergebnisse und Diskussion

Zur Dichtheitsprüfung werden Differenzdruckverfahren, Nachströmmessverfahren , Prüfverfahrne unter Nutzung eines Testgases, Unterwasserprüfverfahren und Ultraschallprüfverfahren eingesetzt. In dem im Unternehmen vorhandenen separaten Prüfgerät werden Heizkörper im abgekühlten Zustand unter Nut-zung der Drückluft geprüft, wobei der Druckabfall zeitabhängig ausgewertet wird. Durch den im Heizkörper befindlichen Füllstoff aus stark hygroskopischen Material sind Prüfverfahren, die aufsteigende Luft-blasen aus Wasser detektieren und Ultraschallunterwasserverfahren nicht anwendbar. Das Verlöten von Flansch, Fühlerrohr und Heizkörper erfolgt in einem Lötofen bei einer Temperatur von 920°C. An der Entnahmestelle besitzen die Teile noch eine Temperatur von 70° C bis100° C. Nach etwa 20 Minuten beginnt im Heizkörper eine starke Feuchtigkeitsaufnahme. Deshalb sind die Teile innerhalb von 15 Minuten zu prüfen und zu verschließen.
Bei den Prüfverfahren unter Nutzung eines Testgases wird eine Seite des Flansches damit beaufschlagt. Werden an der anderen Seite Spuren des Testgases nachgewiesen, dann deutet dies auf eine Undichtigkeit hin. Als Testgas wurde ein Formiergas mit 95% Stickstoff und 5% Wasserstoff gewählt. Gegenüber Helium ist dieses Testgas um ein Dreiviertel billiger.
Das eingesetzte Sensormodul erkennt Wasserstoffkonzentrationen von wenigen ppm (parts per million) bis in den Volumenprozentbereich. Das Sensorelement ist ein spezieller Halbleitergassensor, der sich durch eine hohe Selektivität und Empfindsamkeit zu Wasserstoff auszeichnet. Das Sensorelement wird im beheizten Zustand betrieben, wobei das Wirkprinzip auf der Leitfähigkeitsänderung einer sensitiven Halbleiteschicht bei Gasen beruht. Die sichere Erkennung von undichten Heizkörpern setzt eine Detektionszeit von 15 Sekunden voraus. Die Temperaturspanne, der zu prüfenden Teile, kann zwischen Raumtemperatur und 100° C liegen.
Es wurde ein Versuchsmuster für einen Dichtheitsprüfstand entwickelt, gefertigt und erprobt. Der Prüfvorgang ist durch die Schritte Füllen, Halten und Detektieren charakterisiert. Neben diesen Haupttätigkeitszeiten liegen die Nebentätigkeitszeiten Einlegen in das Prüfgerät, Schließen der Prüfkammer, Spülen der Formiergaskammer und Entnehmen des Werkstücks aus dem Prüfgerät vor.
Mit Haupt- und Nebentätigkeitszeit dauert ein Prüfzyklus 40 Sekunden. Der Dichtheitsprüfstand besteht aus vier Prüfkammern. Die Sensorkammern wurden so gelegt, dass Ausdunstungen von Wasserstoff aus dem Lötprozess das Messergebnis nicht beeinträchtigen können. Da die Detektiergrenze und die Arbeitsplatzkonzentration in einem sehr engen Bereich liegen, wurde eine Umstellung von einer absoluten zu einer relativen Schwelleneinstellung vorgenommen. Die Steuerung sendet am Anfang der Messung ein Signal. Danach wird der Anstieg der Formiergaskonzentration gemessen. Die Vorgegebenen Leistungsparameter wurden mit dem Prüfstand erreicht.
Durch die Online- Prüfung verkürzt sich die Technologie nach dem Löten des Heizkörpers. Abkühlzeit, Transport und Nachtrocknung sowie die benötigte Lagerkapazität werden eingespart. Dabei bringt die entfallende Nachtrocknung von 4 Stunden bei 180°C im Wärmeofen das größte Energieeinsparpotenzial. Mit der Änderung der Technologie werden im Jahr 126 700 kWh Energie eingespart. Aus der 100%igen Qualitätskontrolle resultiert die Vermeidung von Reklamationen am Endgerät. Es wird angestrebt, durch die Optimierung der anderen Produktionsprozesse eine Wärmeofengruppe vom Netz zu nehmen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Es ist vorgesehen, die Ergebnisse des Projekts in der Fachpresse zu veröffentlichen.


Fazit

Für eine temperaturunabhängige Dichtheitsprüfung sind Prüfverfahren mit einem Testgas einsetzbar. Formiergas hat gegenüber Helium preisliche Vorteile. Mit dieser Lösung konnte eine Online-Produktion mit den Arbeitsgängen Löten , Prüfen und Verschließen realisiert werden. Ein Prototyp wurden gefertigt und getestet. Durch den Wegfall der Arbeitsgänge Abkühlen, Transportieren und Nachtrocknen leistet diese Technologie neben der Energieeinsparung einen Beitrag für den produktionsintegrierten Umweltschutz.