Fűtőelemek kemencékhez
Kb. 400 °C felett a hőátadás túlnyomóan sugárzással történik. A méretezés a védőcső hőmérséklete és a tér hőmérsékletmezejének egyenletessége alapján történik, nem a beépített teljesítmény alapján.
Bemeneti adatok
- A tér méretei és a bélés vastagsága
- Üzemi hőmérséklet és a megengedett egyenletességi eltérés
- A terhelés tömege és fajhője, valamint a betöltési ciklus
- Atmoszféra: levegő, védőgáz, oldószergőz, sók
- Az üzemmód: folyamatos vagy szakaszos, és a megengedett felfűtési idő
A hőmérleg
A beépített teljesítményt a folyamat hőmérlegéből határozzuk meg, az elektrotermikus berendezések tervezésében szokásos formában:
Pt = (P1 + P2 + P3) · fs
P1, a terhelés felfűtése —P1 [kW] = m [kg] · cp [kJ/kg·K] · ΔT [K] / τ [s]P2, halmazállapot-változás, ha van —P2 [kW] = m [kg] · r [kJ/kg] / τ [s], aholraz olvadás- vagy párolgáshőP3, a burkolaton át távozó hőveszteség —P3 [W] = λ [W/m·K] · A [m²] · ΔT [K] / δ [m], aholδa szigetelés vastagságafs, biztonsági tényező — 1,10…1,30, a bemeneti adatok bizonytalansága és a tér nyitásainak gyakorisága szerint
Átmeneti üzemben P1 és P2 a méretező; állandósult üzemben P3. A két üzemmódot külön ellenőrizzük, és a beépített teljesítmény a nagyobbik.
Kemencéknél a P3 nem korrekciós tag: állandósult üzemben a teljes felvett teljesítmény a bélésen, az ajtón és a cserélt levegőn át távozó veszteséget fedezi. Az üzemi teljesítményt a szigetelés minősége, a beépített teljesítményt a kezdeti felfűtéshez és a betöltés utáni visszaálláshoz megkövetelt idő határozza meg.
A hőátadás mechanizmusa
Az elem és a terhelés között sugárzással átadott hőáram a Stefan–Boltzmann-törvényt követi:
q = ε · σ · (T14 − T24), ahol σ = 5,67 · 10−8 W/m²·K4, a hőmérsékletek kelvinben
A negyedik hatványtól való függés magyarázza, miért haladja meg kb. 400 °C felett a sugárzás határozottan a konvekciót, és miért kerül a felületek emissziós tényezője — oxidált acéloknál jellemzően 0,7…0,9 — közvetlenül a számításba. E küszöb alatt, recirkulációs kemencéknél a kényszerkonvekció marad a fő mechanizmus, és visszatérünk az α szerinti méretezéshez.
A gyakorlati következmény: az elem hőmérséklete mindig magasabb a tér hőmérsékleténél, a hőátadáshoz szükséges különbséggel. A kemence névleges hőmérséklete szerint választott elem anyagában alulméretezett.
Az ötvözet kiválasztása
| Kivitelezés | Tartomány a védőcsövön | Alkalmazások |
|---|---|---|
| Hőálló rozsdamentes acél | 500–600 °C-ig | szárítók, festőkemencék, alacsony hőmérsékletű hőkezelések |
| Incoloy® | 600 °C felett | oxidáló vagy karburáló atmoszférák, hőkezelések |
| Csupasz Ni-Cr vagy Fe-Cr-Al fűtőszál | a határt a vezető adja | bélelt terek, magas hőmérsékletek, kerámia tartókra szerelve |
Az atmoszféra megváltoztatja a kritériumot: a redukáló, a kéntartalmú és az illékony sókat tartalmazó közegek azonos hőmérsékleten is más választást kívánnak, mint a tiszta levegő.
Zónákra bontás
A tér hőmérsékletmezeje nem egyenletes: a veszteségek az ajtónál és a csőátvezetéseknél koncentrálódnak, a terhelés nem középen van, hosszú tereknél pedig függőleges rétegződés lép fel. Két vagy három zóna, mindegyik saját hőelemmel és szabályozókörrel, hatékonyabban csökkenti az egyenletességi eltérést, mint a beépített teljesítmény növelése.
A zónákra bontás szabályozott felfűtési rámpát is lehetővé tesz, ami korlátozza a bélés hősokkját és az indítási áramcsúcsot.
Vezérlés
Zónánként hőelem, PID-szabályozó és félvezetős kapcsolású beavatkozó. Az elektromechanikus kontaktor csak kis, alacsony pontossági igényű tereknél elfogadható: szoros szabályozásnál a műszakonkénti kapcsolásszám néhány hónap alatt tönkreteszi. A tirisztoros vezérlés teljes hullámú üzemmódban történik, ha a hálózat engedi, vagy fázishasításosban, ahol folyamatos szabályozás kell.
A szabályozókör fölé független, saját érzékelős, kézi visszaállítású hőmérséklet-határolót írunk elő, a szabályozóétól külön csatornán.
Infravörös sugárzás
Ha a hőterhelés az alkatrész felületén van — bevonatok szárítása, formázás előtti előmelegítés, polimerizáció —, az infravörös sugárzó közvetlenül a felületre ad át hőt, a levegő közvetítése nélkül. Kis időállandója szakaszos üzemű sorokhoz teszi alkalmassá. Tömegben egyenletességet kívánó hőkezelésekhez a fűtőelemes, kényszerrecirkulációs kemence marad a megoldás.
Ellenőrzések és szabványi besorolás
- EN 60335-1 — szivárgó áram legfeljebb 0,75 mA/kW, készülékenként legfeljebb 5 mA; villamos szilárdság 1250 V-tal, 1 percig vizsgálva az aktív részek és a test között.
- EN 60529 — védettség. Normál kivitel IP 40; alumínium kapocsdobozzal IP 66, vízsugaras mosáshoz és állandó nedvességhez.
- Táplálás — kis teljesítménynél 230 V egyfázisú; egyébként 3~230 V delta vagy 3~400 V csillag. A fázisok megengedett aszimmetriáját a fokozatokra bontásnál ellenőrizzük.
- Túlmelegedés elleni védelem — üzemi termosztát plusz független, kézi visszaállítású határoló, saját érzékelővel, úgy szerelve, hogy ne ugyanazt a zónát mérje, mint a szabályozó.
Kivitelezés
Az Electricfor importőrei vagyunk; a spanyol gyártó Rubíban (Barcelona) 1918 óta saját maga gyártja a fűtőelemeit. Az elemeket a tér geometriájára gyártatjuk, a hőmérséklet és az atmoszféra által előírt ötvözettel, igény esetén zónánkénti vezérlőszekrénnyel. A határidőt az ajánlatban erősítjük meg.
Küldje el a bemeneti adatokat — a tér méretei, üzemi hőmérséklet, atmoszféra, terhelés és ciklus. Vagy írjon WhatsAppon.
Lásd még az infravörös sugárzókat, az ATEX fűtőelemeket és a légfűtő kaloriferek oldalát.
Gyakori kérdések
Milyen hőmérsékletig használhatók a védőcsöves elemek?
A kritérium a védőcső hőmérséklete, nem a téré. Kb. 500-600 °C-ig a védőcsövön hőálló rozsdamentes acélokkal dolgozunk; e felett Incoloy típusú ötvözetekkel. Magasabb hőmérsékleten kerámia tartókra szerelt csupasz Ni-Cr vagy Fe-Cr-Al fűtőszálra váltunk, ahol a határt a huzal adja, nem a burkolat.
Miért uralkodik a sugárzás magas hőmérsékleten?
Mert a sugárzó hőáram a Stefan–Boltzmann-törvény szerint az abszolút hőmérséklet negyedik hatványával nő, míg a konvekció a hőmérséklet-különbséggel nagyjából lineárisan. Kb. 400 °C felett a sugárzás válik meghatározó mechanizmussá, és a felületek emissziós tényezője többet számít, mint a levegő sebessége.
Mi teszi szükségessé a zónákra bontást?
A veszteségek és a terhelés egyenetlensége. Az ajtó melletti zóna többet veszít, a betét nincs középen, hosszú tereknél pedig függőleges rétegződés lép fel. Két vagy három, saját hőelemmel és szabályozókörrel rendelkező zóna érezhetően kisebb egyenletességi eltérést ad, mint ugyanaz a teljesítmény koncentráltan.
Mikor indokolt az infravörös a hagyományos fűtőelem helyett?
Ha a hőterhelés az alkatrész felületén van, nem a tömegében: bevonatok szárítása, formázás előtti előmelegítés, polimerizáció. A sugárzó közvetlenül, sugárzással ad át hőt, kis időállandóval, ezért szakaszos üzemű sorokhoz alkalmas. Tömegben egyenletességet kívánó hőkezelésekhez a kényszerkonvekciós kemence marad.