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Thema: Möglichkeiten Aluminiumplatten zu erhitzen

  1. #1
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie
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    Möglichkeiten Aluminiumplatten zu erhitzen

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    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
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  2. #2
    Erfahrener Benutzer Begeisterter Techniker
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    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

  3. #3
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie
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    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
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  4. #4
    Super-Moderator Lebende Robotik Legende Avatar von Manf
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    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

  5. #5
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie
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    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
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  6. #6
    Super-Moderator Lebende Robotik Legende Avatar von Manf
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    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

  7. #7
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie
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    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
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  8. #8
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    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

  9. #9
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    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?

  10. #10
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie
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    Zitat Zitat von Manf
    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
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