Projekt 22577/02

Energieeffizienter Induktionsheizer mit Supraleitertechnologie – 2. Phase: Prototypenbau und Systemerprobung

Projektträger

Bültmann GmbH
Hönnestr. 31
58809 Neuenrade
Telefon: +49 2394/18231

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Dieses Projekt schließt an eine erste Design Phase an unter AKZ 22577/01, abgeschlossen im März 2006. Gesamtprojektziel war die Entwicklung einer neuartigen Induktionsheizer-Technologie für die Erwärmung von Nicht-Eisenmetallen (Kupfer, Aluminium oder Messing). Es wird ein Wirkungsgrad oberhalb von 90 % erwartet, im Vergleich zu < 60 % bei konventionellen Anlagen ein gewaltiger Sprung.
Das Prinzip basiert auf einer durch einen Motor erzeugten Relativbewegung des Metallstücks in einem durch Supraleiter erzeugten magnetischen Gleichfeld (DC).
Ziel dieser Projektphase war, das in der ersten Phase geplante System in einem funktionalen Prototypen umzusetzen, um hieran die erwarteten Einsparungspotentiale und die praktische Umsetzbarkeit zu untersuchen und zu zeigen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Entwicklungsarbeiten im Rahmen der ersten Projektphase führten zu einer im industriellen Umfeld umsetzbaren Lösung, die sowohl die technischen als auch wirtschaftlichen Rahmenparametern erfüllen. Die hier zur Umsetzung verwendeten Ergebnisse basieren auf umfangreichen 3D FEM Simulationen. Nach Aufbau der Anlage wurden die FEM Berechnungsmodelle weiter verfeinert, basierend auf Messergebnissen an der Anlage. Diese Modelle dienen der weiteren Auslegung von Anlagen.
Hierzu wurden intensive Tests mit unterschiedlichen Materialien durchgeführt (Cu, Al, Messing) und mit den FEM Rechnungen verglichen.
Gleichzeitig wurde anhand der Messungen Energieströme und Verbrauch überprüft. Trotz nicht optimaler therm. Isolation wurde eine Erwärmungseffizienz von bis zu 80 % gemessen. Dabei konnten gleichzeitig Optimierungspotentiale identifiziert werden.
Die Technologie zeigte dabei gleichzeitig erhebliche technische Vorteile gegenüber existierenden Technologien, wie z.B. homogene Erwärmung


Ergebnisse und Diskussion

Im Prinzip gilt es nur ein rundes Werkstück aus Metall durch Bewegung in einem mittels Hochtemperatur-Supraleitern erzeugten DC Magnetfeld zu erwärmen.
Im Rahmen der Tests der Anlage wurden zahlreiche Experimente durchgeführt. Kupfer stellte sich wegen der hohen zu erreichenden Temperatur und der damit verbundenen geringen Festigkeit als sehr ehrgeizig heraus. Für Al wurden ähnliche Experimente mit vergleichbaren Ergebnissen auf einem niedrigeren Temperaturniveau erzielt.
Besonderes Augenmerk wurde auf folgende Punkte gelegt:
¢ Das Material kann reproduzierbar auf die gewünschte Zieltemperatur erhitzt werden
¢ Deformationen am Block und die mechanische Belastbarkeit
¢ Die radiale Temperaturverteilung
¢ Plausibilität der Temperaturmessung
¢ Verhalten der Anlage unter Dauereinsatz
¢ Betrachtung des Energieeinsatzes und -verbrauchs
Instrumentierte Blöcke dienten zur Temperaturkalibration und Kontrolle. Oberflächenbeschädigungen können in geringem Umfang akzeptiert werden, so dass eine stirnseitige Anpressung möglich ist. Zusätzlich hierzu müssen ökonomische Faktoren, Betriebssicherheit und technische Durchführbarkeit berück-sichtigt werden.
Am Prototypen wurden folgende wichtige Punkte gezeigt:
¢ Erwärmungstemperaturen von 1.000 °C konnten erfolgreich getestet werden.
¢ Die Pyrometermessung kann für die Versuche gut verwendet werden.
¢ Die Durchwärmung des Blocks war sehr gut, besser als erwartet.
¢ Die Energiebilanz zeigte eine Anfangseffizienz von ca. 70 %, die bei warmer Anlage auf über 80 % anstieg.
¢ Die rechnerisch nachvollzogene Energiebilanz identifiziert neben dem Getriebe die Wärmeabgabe in der Wärmekammer als größten Verlust.
¢ Passive Wärmeisolation ist wichtig. Dickere Isolation an den Flanschen mit Wärmeabführung zum Schutz der Lager.
Somit konnten alle Ziele des Vorhabens, die im labormäßigen Probebetrieb umsetzbar waren, erreicht werden.
Die Inbetriebnahme und der Dauerbetrieb der supraleitenden Komponenten war dabei bedingt durch gute Vorarbeiten ohne Schwierigkeiten und für einen industriellen Einsatz geeignet.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Neben der Präsentation auf der Hannovermesse 2006 und 2007 wurde ein Vortrag zur Technologie auf der Fachtagung Strangpressen der DGM im Oktober 2007 gehalten. Für 2008 sind weitere Messeauftritte in Deutschland und USA geplant (Essen, Düsseldorf, Hannover, Orlando). Zurzeit finden zahlreiche Kundenvorführungen am Prototypen statt.
Wie erwartet, ist in diesem Marktbereich mit einer sehr konservativen Haltung zu rechnen, die neben der Prinzipvorführung auch Dauertests und Referenzen verlangt.


Fazit

Im Projekt wurden die Grundlagen zur Einführung der Technologie durch die Umsetzung in eine Prototypenanlage gelegt. Schwieriger stellt sich die Markteinführung dar, da Vertrauen an einer kritischen Stelle in einer Fertigungsanlage gefasst werden muss. Das Konsortium schätzt sich glücklich, auch hierfür einen Partner gefunden zu haben. Nach Umrüstung der nicht produktionstauglichen Anlage außerhalb des Projektes ist der Einsatz an einer Extrusionspresse Anfang 2008 geplant.
Die erwarteten Energieeinsparungen konnten bereits am noch nicht produktionsreifen Prototyp nachgewiesen werden. Gleichzeitig zu dem Vorteil des geringeren Energieverbrauchs konnten Erwärmungsvorteile für den Anwender gezeigt werden.