Möglichkeiten Aluminiumplatten zu erhitzen

Hallo Leute,

ich habe folgendes Problem welches ich gerne in einer Art Brainstorming mit euch diskutieren würde. Einerseits habe ich schon eine konkrete Vorstellung der Lösung, andererseits möchte ich es vermeiden andere Möglichkeiten aus den Augen zu verlieren.

Problem:
In einer Fertigungsstrasse müssen Aluminiumplatten verschiedener Größe erhitzt werden.

Technische Vorraussetzungen:
Produkte - gewalzte Aluminiumplattten, 0,3-0,5mm stark, 0,4mx0,4m - 2mx2m groß.
Die zu erreichende Temperatur beträgt 260° für ca. 30s.

Die Platten müssen in die vorhandene Fertigungsstrasse eingebunden werden. D.h. sie müssen mit einer Geschwindigkeit von ca. 60cm/s flach z.B. auf einem Kettenband durch den Ofen laufen.

Die Platten dürfen nur leichtem mechanischem Druck durch die Transporteinrichtung ausgesetzt sein. Die Oberfläche darf auf keinem Fall beschädigt werden.

Das Erhitzen soll möglichst schnell und energiesparend vor sich gehen.
Es soll so wenig Wärme wie möglich an die Umgebungsluft abgegeben werden, da die weiteren Geräte im Raum empfindlich auf schon leicht erhöhte Temperaturen reagieren.

Das Absaugen von Gesundheits- und Umweltschädlichen Gasen muss möglich sein. Absaugvorrichtung ist vorhanden.

Der Ofen sollte bei nichtgebrauch abschaltbar sein. Trotzdem sollte er in einer Zeit von max. 1min voll einsatzbereit sein.

Zur Zeit wird ein Elektroofen benutzt. Dieser soll ersetzt werden. Von einem Gasofen bitte ich auch abzusehen.

Alle anderen physikalischen Möglichkeiten eine Metallplatte zu erhitzen dürfen benutzt und angedacht werden.

Wie würdet ihr die Platten heizen?

Gruß, Chris

Hi Sonic,

da käme mir spontan die Idee, die Alu-Platten irgendwie durch (hochfrequente) Induktion zu erwärmen. Der Vorteil würde darin liegen, dass nur die Platte selbst erhitzt wird, aber nicht die Umgebung. Weiß jetzt allerdings nicht, wie es da mit der benötigten Leistung bzw. mit dem Wirkungsgrad einer Induktionsheizung aussehen würde.

Gruß,

Martin

Die Induktionsheizung wäre auch mein persönlicher Favorit gewesen. Nur hochfrequent bereitet mir Kopfschmerzen. 1. wegen EMV und 2. wegen dem Skineffekt weil sich auf der Oberfläche eine Schicht befindet welche zwar erhitzt, aber nicht verbrannt werden soll. Obwohl, das wäre ja, falls man es entsprechend regeln könnte noch energiesparender...

Noch ein Punkt zur Diskussion ;-)

Gruß, Sonic

Induktion wirkt hier nicht bei Hochfrequenz. Man kann zumindest kaum über 10- 20kHz gehen um die Energie in die Platte zu bringen. (Skintiefe)

Die Feldverteilung ist auch nicht ganz einfach, wenn man unterschiedlich große Stücke erwärmen will. Zum Glück verteilt sich die Wärme recht gut wenn die Platten nicht zu dünn sind.

Wie genau soll es denn werden? Ist es zur Verformung?
Manfred

Zitat:

---

Zitat von Manf

Induktion wirkt hier nicht bei Hochfrequenz. Man kann zumindest kaum über 10- 20kHz gehen um die Energie in die Platte zu bringen. (Skintiefe)

Die Feldverteilung ist auch nicht ganz einfach, wenn man unterschiedlich große Stücke erwärmen will. Zum Glück verteilt sich die Wärme recht gut wenn die Platten nicht zu dünn sind.

Wie genau soll es denn werden? Ist es zur Verformung?
Manfred

---

Nein, nicht zur Verformung.
Die Aluminiumplatten sind auf einer Oberfläche vorbehandelt und mit einer speziellen Schicht versehen. Zuviel will/darf ich nicht verraten.

Durch die Erhitzung der Aluplatten wird diese Schicht haltbarer gemacht.
Bei uns herrscht im Ofen eine Temperatur von 260°, der Hersteller gibt eine Temperatur von bis zu 270° an.

Die Fläche zwischen Aluplatte und der Beschichtung ist unter anderem auch Mikrostrukturiert. Der Hersteller gibt leider keine Auskünfte darüber raus, aber für mich sieht es bei 100x Vergrößerung so aus, wie wenn dort Aluminiumdampf in kleinen Tröpfchen kondensiert wurde.
Leider weis ich daher auch nicht ob diese Mikrostrukturierung von einem magnetischen Feld beeinflusst würde, falls dort Feldspitzen auftreten würden wie bei einem elektrischen Feld. Also dort punktuell die Oberseite der aufgedampften Halbkügelchen geschmolzen würde. Das würde die Funktion der Aluplatten verhindern.

Wegen der Feldverteilung - Ich hatte angedacht mehrere Induktionsheizfelder in eine Reihe quer zur Laufrichtung zu bauen und vorher grob mit einem CNY70 vor jedem Feld abzufragen ob es angeschaltet werden muss oder nicht. Die Position auf dem Laufband ist nämlich leider auch nicht immer gleich ;-( da die Platten zur Kontrolle bzw. nachbehandlung manchmal auch vom Band genommen werden und wieder drauf gelegt werden.

Die Platten sind 0,3 - 05mm dick.

Ich bin mir aber noch nicht im Klaren wie ich die Spulen aufbaue und anordne.

Gruß, Chris

Wenn das Alu an der Oberfläche nicht massiv ist, dann werden die niederfrequenten Induktionsströme dort weniger Erwärmung bewirken und die Erwärmung erfolgt vom inneren der Platte aus. Das wäre ja bei 0,3-0,5mm noch ganz annehmbar.

Sicher wird es auch helfen, sich einmal Induktions-Kochfelder anzuschauen damit man nicht alles selbst erfinden muss. Andererseits gehen die ja besser mit Eisentöpfen. Kennst Du Dich mit Induktions-Küchenherden aus? Wie ist der Feldlinienverlauf, die Intensitätsverteilung, und die Frequenz?
Manfred

Ja, nach denen hab ich schon geschaut. Hersteller für Induktionswicklungen für diese Herde hab ich gefunden. Das sind einfach nur flache Wicklungen in einer Ebene aus Kupferlitze. So wie ich das verstanden habe werden die bei Netzfrequenz betrieben. Geometrisch sind die Wicklungen sehr einfach. Durchmesser ca. = der Kochplatte, Spiralförmig in einer Ebene gewickelt. Die Letzte Wicklung hat einen Durchmesser von ca. 10cm der Rest bis zur Mitte ist frei.

Für mich wäre es sehr interessant abschätzen zu können wieviel Strom ich brauche um per induktion so eine Platte zu erwärmen. Im Moment sind 2 Elektrodurchlauföfen in Betrieb mit 18KW bzw. 20KW. Für jede Plattengröße.

Die Mikrostrukturierung der Oberfläche beläuft sich in einem Größenbereich von ca. 10um schätze ich. Mit dem blosen Auge erkennt man das nicht. Die Oberfläche wirkt einfach weis und stumpf. Erst unter einem Mikroskop (100x vergrößert) erkennt man die Struktur. Dadurch nehme ich stark an das die ca. 4/10 mm starke Platte bei der Erwärmung dominiert. Es sollten nur keine lokalen Hitzemaxima durch Feldspitzen entstehen. Die Mikrostruktur muss also erhalten bleiben.

Gruß, Chris

Zitat:

---

Geometrisch sind die Wicklungen sehr einfach. Durchmesser ca. = der Kochplatte, Spiralförmig in einer Ebene gewickelt. Die Letzte Wicklung hat einen Durchmesser von ca. 10cm der Rest bis zur Mitte ist frei.

---

Die Feldlinien sind dann toroidförmig, die Frage ist noch, wie sie geführt sind. Oben im Topf gibt es die Wirbelströme, gibt es unten bis seitlich Dynamoblech oder sonst eine Abschrimung? Ein Schlüsselbund in der Tasche einer Person vor dem Herd soll ja auch nicht zu heiß werden.

Die Leistung bei konventioneller Erwärmung ist eine Grenze. Die andere Grenze ist die durchlaufende Wärmekapazität des Nutzmaterials pro Zeit und die Temperaturdifferenz. Dazwischen soll es sich abspielen. Wie weit liegen die denn auseinander?
Manfred

Hallo zusammen,

wenn ich mich richtig erinnere war da mal was mit einem Hemholtz-Spulenpaar...
Aber wie es dimensioniert sein müßte etc. bin ich jetzt auch überfragt...

Und: Aus welchem Material ist das Band und dessen Führungen? Wird da dann nix induziert und erwärmt?

Zitat:

---

Zitat von Manf

Zitat:

---

Geometrisch sind die Wicklungen sehr einfach. Durchmesser ca. = der Kochplatte, Spiralförmig in einer Ebene gewickelt. Die Letzte Wicklung hat einen Durchmesser von ca. 10cm der Rest bis zur Mitte ist frei.

---

Die Feldlinien sind dann toroidförmig, die Frage ist noch, wie sie geführt sind. Oben im Topf gibt es die Wirbelströme, gibt es unten bis seitlich Dynamoblech oder sonst eine Abschrimung? Ein Schlüsselbund in der Tasche einer Person vor dem Herd soll ja auch nicht zu heiß werden.

Die Leistung bei konventioneller Erwärmung ist eine Grenze. Die andere Grenze ist die durchlaufende Wärmekapazität des Nutzmaterials pro Zeit und die Temperaturdifferenz. Dazwischen soll es sich abspielen. Wie weit liegen die denn auseinander?
Manfred

---

Ok, dann rechne ich mal ,-)

Im aktuellen Ofen durchlaufen die Platten eine Strecke von 2200mm mit einer Geschwindigkeit von 600mm/min, also ca. 12mm/s. Daraus folgt, dass die Platten ca. 183s im Ofen bleiben, also ca. 3min. Die Genaue Zeit muss ich stoppen. 3min kommt mir doch ein bisschen lang vor. Aber so hab ich die Zahlen im Kopf ;-(

Im Ofen herrschen 260°C, am Anfang und am Ende wahrscheinlich ein bisschen weniger, weil der Ofen da offen ist.

Alu (rein) hat 0.9KJ/Kg*K. Im Raum (klimatisiert) herrschen mehr oder weniger) konstante 20°. Also müsste das Material um ca. 240°K erwärmt werden. 1m^2 wiegt ca. 1,08Kg, also benötigt man ca. 288KJ/m^2 um die Platten zu erwärmen ca. 0,08KW/h. Der aktuelle Ofen hat eine Leistungsaufnahme von 18KW, also ist der Spielraum mehr als groß genug ;-) Falls ich keinen Scheiß gerechnet habe ,-)

Die Abschirmung sollte im Endzustand um das ganze Gerät gehen. Also eine geschlossene Einheit. Da darf man dann auch direkt davor stehen ;-)

Gruß, Sonic

ich würde eine IR-Erhitzung den vorzug geben .

Vorteile :

1) sehr schnelle Erhitzung
2) Berecih der Erhitzung kann sehr genau eingegrenzt werden
3) Kaum Abwärme
4) Temperatur und Temperaturverlauf sehr genau steuerbar
5) Temp auch über 300 Grad ohen prob. erreichbar

Wir setzten solche UV-Strahler in der Reflow-Technik ein
um Bauteile ein und auszulöten . (Bleifrei)

IR-Heiztechnologie mit mittelwelligen Strahlern ermöglicht eine gleichmäßige Wärmeverteilung

siehe auch :

http://dbindustrie.work.svhfi.de/AI/...8da82a5e8a.pdf
http://www.ersa.de/de/produkte/smt_b...0850f5fb0028d8

Zitat:

---

Falls ich keinen Scheiß gerechnet habe ,-)

---

Welche Wärmekapazität oder Masse an Alu geht pro Sekunde in den Ofen und wird um 240K erwärmt? Das gibt die Nutzleistung an.

Die Heizleistung liegt bei 18kW? oder ist das die maximale Heizleistung des geregelten Ofens?
Manfred

Zitat:

---

Zitat von Manf

Zitat:

---

Falls ich keinen Scheiß gerechnet habe ,-)

---

Welche Wärmekapazität oder Masse an Alu geht pro Sekunde in den Ofen und wird um 240K erwärmt? Das gibt die Nutzleistung an.

Die Heizleistung liegt bei 18kW? oder ist das die maximale Heizleistung des geregelten Ofens?
Manfred

---

Naja, V ca. 10mm/s -> 0,0004m*0,5m*0,01m/s * 2700Kg/m^3 = 0,0054Kg/s minimal, und 0,0004m*2m*0,01m/s * 2700Kg/m^3 = 0,0216Kg/s maximal.

Also max. 5,76KJ/s, oder?

Stimmt die Dichte für Alu die ich angenommen hab? Kommt mir schon ein bisschen leicht vor.

Die 18KW beziehen sich auf die Angabe auf dem Typenschild, also die Leistungsaufnahme des gesamten Ofens, inkl. Regelung. Der zweite Ofen hat sogar eine Leistungsaufnahme von 20KW.

Die Sache mit den Infrarotstrahlern scheint mir interessant aber zu aufwändig. Sie unterscheidet sich allerdings nicht grundlegend vom Elektroofen. Dort wird die Wärme auch größtenteils durch Strahlung übertragen. Laut http://de.wikipedia.org/wiki/Induktionsofen ist die Wärmeübertragung dabei nur 8W/cm^2, induktiv sind es 30000W/cm^2.
Das ist um den Faktor 3750 besser.

Gruß, Sonic

Zitat:

---

Also max. 5,76KJ/s, oder?

---

kJ/s könnte man auch als W bezeichnen und hat damit 1/3 der maximalen Heizleistung des Ofens.
Gibt es Meßkurven über die Leistungsaufnahme im Betrieb? Anheizzeit und Betriebsdauer? Nur zur Betrachtung der Effizienz, scheint aber nicht so ganz fürchterlich schlecht zu sein.

Ist das eine Pulverbeschichtung, also Lackierung?
Manfred

Zitat:

---

Zitat von Manf

Zitat:

---

Also max. 5,76KJ/s, oder?

---

kJ/s könnte man auch als W bezeichnen und hat damit 1/3 der maximalen Heizleistung des Ofens.
Gibt es Meßkurven über die Leistungsaufnahme im Betrieb? Anheizzeit und Betriebsdauer? Nur zur Betrachtung der Effizienz, scheint aber nicht so ganz fürchterlich schlecht zu sein.

Ist das eine Pulverbeschichtung, also Lackierung?
Manfred

---

Ne, Messkurven hab ich noch keine.

Anheizzeit? Du bist gut ,-) Das Ding läuft Tag und Nacht durch. Das isses ja. Die Plattenfertigung muss aber just in time möglich sein. Durch die lange Anheizzeit, schätze mal ne gute halbe Stunde mindestens, würde im weiteren Fertigungsprozess zuviel Zeit vergehen.

Durch die induktive Lösung würde die Anheizzeit auf ein Minimum reduziert. Das würde sich auch noch lohnen wenn die Induktive Heizung noch mehr KWs verbraten würde als der jetzige Ofen...
Dann würde fast nur soviel Energie verbraucht wie nötig.

Nein, es handelt sich nicht um eine Pulverbeschichtung.

Gruß, Sonic

Zitat:

---

Das Ding läuft Tag und Nacht durch.

---

Aha, jetzt, und die Platten werden nur ab und zu durchgeschoben.

Induktion oder Strahlung

Wie sieht es denn mit der Absorbtion von Wärmestrahlung aus?
Ist die kontrollierbar, wird der Temperaturverlauf ab einer bestimmten Leistung räumlich, zeitlich instabil. Das müßte sich ja mal an einem Reststück testen lassen.
Manfred

[quote="Manf"]

Zitat:

---

...
Wie sieht es denn mit der Absorbtion von Wärmestrahlung aus?
Ist die kontrollierbar, wird der Temperaturverlauf ab einer bestimmten Leistung räumlich, zeitlich instabil. Das müßte sich ja mal an einem Reststück testen lassen.
Manfred

---

Wie genau meinst du das?

Ein Teststück müsste ich mir erst mal organisieren, müsste aber möglich sein.

Gruß, Sonic

Ganz grob zunächst, es ja schwierig ein Stück Alufolie durch Bestrahlung zu erhitzen.
Ein anschaulicher Vergleich ist vielleicht ein Stück weißes Papier das mit einem Brennglas erhitzt wird. Es reflektiert ganz gut und wenn ein schwarzer Punkt auf der bestrahlten Fläche ist, dann fängt es dort an zu brennen bevor das umgebende Papier richtig warm ist.

Kann das bei den Platte auch passieren, dass sie sich durch eine Struktur auf der Oberfläche ungleichmäßig erwärmt werden?

Die nächste Stufe ist dann die Veränderung die zur Nichtlinearität führen kann. Wird die Oberfläche durch Erwärmen verändert?
Wenn nein, dann könnte man sich die ganze Aktion vielleicht sparen. O:)
Wenn ja, erhöht die Veränderung die Absorbtion?
Dann könnte es instabil werden. -> Neues Verfahren zur Herstellung von Wellblech O:)
Manfred

Zitat:

---

Zitat von Manf

Ganz grob zunächst, es ja schwierig ein Stück Alufolie durch Bestrahlung zu erhitzen.
Ein anschaulicher Vergleich ist vielleicht ein Stück weißes Papier
...
Kann das bei den Platte auch passieren, dass sie sich durch eine Struktur auf der Oberfläche ungleichmäßig erwärmt werden?

---

Achso ;-) Ja, das kann passieren.

Zitat:

---

Zitat von Manf

Die nächste Stufe ist dann die Veränderung die zur Nichtlinearität führen kann. Wird die Oberfläche durch Erwärmen verändert?
Wenn nein, dann könnte man sich die ganze Aktion vielleicht sparen. O:)
Wenn ja, erhöht die Veränderung die Absorbtion?
Dann könnte es instabil werden. -> Neues Verfahren zur Herstellung von Wellblech O:)
Manfred

---

Also die Oberfläche des Alu nicht, die der Schicht schon.
Die Absorbtion wird für sichtbares Licht auf jeden Fall verändert, für IR-Kann ich dir's nicht sagen.

Wellblech gibts jetzt schon, blos entspannt sich die Lage nach dem Abkühlen wieder. Bei Bestrahlung mach ich mir nur sorgen das die unterschiedliche Flächigkeit der Schicht schaden nimmt.
Um große Flächen der Schicht zu erhitzen braucht es mehr w/cm^2 als bei kleineren im um Bereich. Ich befürchte um das in akzeptabler Zeit zu schaffen ist die Energie/s so groß, dass die feinen Strukturen wegbrennen.

Obwohl, muss ich nochmal genau drüber nachdenken, kann leider Gottes auch wieder ganz anders sein. Beim Erhitzen wird die eigentliche Schicht durch eine Schutzschicht geschützt.. Möglich das die auch bei der Wärmeaufnahme eine Rolle spielt...

Ein Teststück muss her, kann aber dauern...

Gruß, Sonic