Конвекция или инфракрасное излучение?

В данной статье мы рассмотрим два типа нагрева на примере подогрева частей статора электродвигателя при производстве.

Статоры двигателей обычно покрывают смолой или эпоксидными смолами, которые предварительно нагревают до нанесения покрытия. Затем вся деталь проходит заключительную стадию пост-нагрева/отверждения. Чтобы определить наиболее подходящий метод термообработки для этой детали, важно задать несколько вопросов о сфере применения.

Следуйте одному методу выбора способа нагрева для процесса или продукции. Как и многие другие изделия, которые необходимо нагревать, статор электродвигателя имеет участки большой массы и материалы конструкции, чувствительные к перегреву. Как лучше нагреть такую ​​деталь, не создавая дефектов?

В начале каждого процесса нагрева следует задать вопрос: «Какой метод нагрева лучше всего подходит для этой детали или процесса?» Доступно множество вариантов нагрева, и в этой статье мы сравним два: газовый конвектор и кварцевый инфракрасный обогрев. Оба метода нагрева эффективны, но, конечно, ни один из них не эффективен для каждого типа деталей. В этой статье также будут рассмотрены некоторые вопросы, возникающие в начале проекта, и предложены ответы на эти вопросы. Тот же самый процесс проверки можно использовать для большинства других применений нагрева.

Чтобы сделать некоторые сравнения, статор электродвигателя переменного тока будет использоваться в качестве образца на протяжении всей статьи. В этом примере эталонная деталь будет весить приблизительно 13 килограмм и производиться со скоростью 30 деталей в час. Статор был выбран в качестве репрезентативной детали, поскольку статоры двигателей обычно покрыты диэлектрическими композитами или эпоксидными смолами. Детали предварительно нагреваются перед нанесением покрытия, а затем проходят заключительную стадию последующего нагрева/отверждения.

 

Конвекция или инфракрасное излучение?

 

Итак, каков «правильный» метод термической обработки для этого типа продукта? 

Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо оценить ряд факторов. Они включают:

  • Сколько продукта будет переработано?
  • Как часть будет передана?
  • В чем основные отличия конвекционного и инфракрасного нагрева для прогрева этой детали?
  • Сколько времени потребуется для эффективного нагрева этой детали?

Производительность и размер системы нагрева.

Чтобы начать анализ, вес каждой детали и общий вес, подлежащий обработке в час, используются для определения тепловой нагрузки. Рассчитанное на основе почасовой ставки и выраженное в Джоулях в час, уравнение тепловой нагрузки выглядит следующим образом:

Тепловая нагрузка = Вес/час x Удельная теплоемкость x Изменение температуры

Результаты этого расчета используются для определения параметров системы нагрева.

Метод транспортировки деталей.

Затем необходимо определить, как детали будут удерживаться, загружаться и транспортироваться к источнику тепла и мимо него. Наличие хорошего доступа к детали для воздушного потока или хорошей прямой видимости детали для инфракрасной энергии оптимизирует нагрев детали.

В случае статора двигателя переменного тока удержание и вращение части перед источником тепла является ключом к тому, чтобы оба метода нагрева работали. При вращении статора тепло воздействует на деталь со средней скоростью воздействия, а не нагревает только одну область детали. Если деталь неподвижна, то контроль инфракрасных обогревателей или конвекционного нагрева воздуха имеет решающее значение, чтобы избежать перегрева детали в любом конкретном месте.

Различия между конвекционным и инфракрасным нагревом детали.

Характеристики конвекционного (горячего воздуха) нагрева и инфракрасного (лучистого) нагрева влияют на то, как нагревается деталь. Чтобы понять разницу, рассмотрим простую аналогию: предположим, вы видите черный крашеный металлический стул теплым летним днем. Если металл находится в тени, теплый ветерок может нагреть его до температуры окружающей среды. Это похоже на конвекцию. Затем, если вы переместите кресло в солнечное место, вы вскоре заметите, что сиденье и другие части, находящиеся под прямыми солнечными лучами, стали намного горячее. Лучистый солнечный свет подобен инфракрасному нагреву. Он нагревает то, что видит, а участки в тени не нагреваются.

Возвращаясь к примеру статора двигателя переменного тока, для конвекционного нагрева форма и ориентация детали менее важны, чем при инфракрасном нагреве, поскольку тепло распространяется движущимся воздухом и может циркулировать вокруг детали под разными углами. При конвекционном нагреве в печи поддерживается постоянная температура, а воздух с высокой скоростью распределяет тепло между деталями. Чем чаще воздух в зоне обогрева переворачивается, тем равномернее будет температура во всей зоне нагрева. Аналогично, чем интенсивнее воздух циркулирует в зоне нагрева, тем быстрее деталь нагревается до желаемой температуры.

При конвекции нагрев детали происходит за счет воздуха, проходящего мимо статора, и энергии, поглощаемой деталью. Перегрев обычно не является проблемой, если есть хороший воздушный поток, потому что воздушный поток распределяет тепло и снижает вероятность появления горячих точек. На рис. 1 показано, как нагрев посредством конвекции может создавать горячую сторону во время нагрева.

 

Графики температуры при конвекции

РИСУНОК 1. Температурный профиль процесса нагрева показывает, как конвекционный нагрев может создавать горячую сторону во время нагрева, в зависимости от направления воздушного потока и от того, вращается ли деталь.

 

Часто утверждают, что одним из недостатков конвекционного нагрева является то, что скорость нагрева зависит от массы и часто медленнее по сравнению с другими методами нагрева. При газовом конвекционном отоплении важно, чтобы часть воздуха выбрасывалась за счет продуктов горения (газа), чтобы не создавать небезопасную атмосферу внутри нагревательной камеры.

Когда в качестве источника тепла выбрано инфракрасное тепло, для оптимального нагрева статора потребуется прямая видимость от излучателя до детали. Номинальная мощность кварцевого нагревателя и расстояние от электронагревателя до детали определяют скорость нагрева статора.

Уникальным фактором инфракрасного нагрева является то, что цвет детали влияет на скорость ее нагрева. Это связано с коэффициентом излучения детали, который является мерой способности объекта излучать или поглощать инфракрасную энергию по сравнению с черным телом. Статор двигателя будет нагреваться с разной скоростью из-за ламинированного стального сердечника и разного коэффициента излучения медной обмотки. Разницу в скорости нагрева двух материалов можно увидеть на рисунке 2.

 

Графики температуры при инфракрасном нагреве

 

РИСУНОК 2. Разницу в скорости нагрева двух материалов можно увидеть на этом температурном профиле, иллюстрирующем процесс инфракрасного нагрева.

Нагрев инфракрасной энергией может быть наиболее эффективным и действенным источником обогрева, но он также может вызвать проблемы, когда температура поверхности становится слишком высокой. Инфракрасное излучение основано на кондуктивном нагреве для передачи тепла от более горячей внешней поверхности внутрь детали. Единственный способ увеличить скорость нагрева после выбора типа излучателя - это иметь более высокую температуру внешней поверхности, которая будет проводить больше энергии в защищенные области детали. Если не контролировать, эти температуры могут подняться довольно высоко и представляют собой черную кривую, показанную на рис. 2. Контроль температуры обычно происходит путем контроля температуры самой детали, а не температуры воздуха. Это связано с тем, что теоретически воздух не нагревается (обратите внимание на красную кривую на рис. 2).

Если имеется достаточно времени для нагрева статора, оба метода нагрева будут очень эффективно работать до тех пор, пока существует контроль подводимого тепла. Когда желательно, чтобы время было минимальным, а скорость нагревания максимальной, будут проявляться различия в методах нагрева.

Время, необходимое для нагрева продукта.

Если ответ на вопрос «Сколько времени потребуется для нагрева продукта?» неизвестно, его можно узнать, определив тепловой профиль детали. Это делается с помощью регистратора данных, термопар и детали. Температура детали измеряется путем установки термопар на деталь в стратегических точках и записи данных во время нагрева детали.

Два различных тепловых профиля были сделаны с использованием эталонного статора. Как отмечалось ранее, на рис. 1 показан процесс конвекционного нагрева, а на рис. 2 — процесс инфракрасного нагрева. На графике кривых нагрева каждая кривая соответствует данным, получаемым с одной из шести термопар, которые считывают температуру в каждом из шести мест:

  • Стальная поверхность статора.
  • Внутри стального корпуса статора (заглубленная в сталь).
  • Три отдельных расположения медной обмотки.
  • Температура окружающего воздуха.

На обоих рисунках профиль нагрева показывает три периода:

  • Зона предварительного нагрева.
  • Моделируемое время покрытия в окружающем воздухе.
  • Зона постнагрева.

Время и температура изменяются в основном во время отверждения, когда инфракрасный нагрев показывает гораздо более высокую температуру поверхности в течение всего цикла нагрева.

Также важно отметить, что максимальная температура кривой конвекционного нагрева никогда не превышает максимальную настройку печи. Фактически, в течение указанного времени он остается ниже этой настройки.

Для сравнения, профиль инфракрасного нагрева показывает значительно более высокую температуру на поверхности и в скрытых термопарах стали статора. Возможно, это покажется удивительным, но медная обмотка, имеющая меньшую массу, чем стальной корпус статора, нагревается не так сильно, как можно было бы ожидать. Это связано с разницей в коэффициентах излучения меди и стали.

Результирующая разница в скорости нагрева может быть как положительной, так и отрицательной в зависимости от желаемого результата.

Детали с конвекционным нагревом могут занять больше времени, чтобы достичь желаемой температуры в зависимости от массы детали, но никогда не превышают эту температуру. Вся деталь тщательно прогревается с помощью конвекционного нагрева за отведенное время.

 

Конвекция или инфракрасное излучение?

 

Инфракрасное тепловое отверждение достигает гораздо более высоких температур в зоне последующего нагрева, что может соответствовать целям некоторых процессов. Однако в случае статора двигателя чрезмерное тепло создает неравномерно нагретую часть с температурами, которые могут повредить некоторые неметаллические материалы, используемые в сборке двигателя.

Как уже отмечалось, желаемый результат зоны нагрева определяет наилучший метод нагрева для данного продукта. В случае отверждения покрытий на статоре двигателя как неравномерный нагрев, так и перегрев могут привести к браку деталей. Если выбран конвекционный нагрев, необходимо позаботиться о том, чтобы избежать горячих точек и обеспечить достаточный нагрев детали, что может потребовать более длительного времени нагрева. Если выбран инфракрасный нагрев, необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать горячих точек и перегрева.

В заключение вы можете задаться вопросом: «Какой метод нагревания наиболее эффективен?» С точки зрения энергопотребления использование электрического инфракрасного нагрева вместо газовой конвекционной печи снижает некоторые требования к вытяжке, поскольку продукты сгорания от сжигания газа не нужно выводить из камеры.

Чтобы сравнить затраты, необходимо рассчитать среднюю скорость использования энергии для инфракрасного нагрева по сравнению со стоимостью газа, потребляемого в печи, на основе конкретных рабочих температур процесса, времени работы, размера, количества и веса продукта. Местный тариф на газ и стоимость электроэнергии (кВтч) используются для сравнения тепловой энергии, потребляемой при нагреве, и для определения того, какой метод наиболее эффективен для используемых деталей. Как оказалось, сегодня статоры электродвигателей переменного тока нагревают обоими методами.

Компания Элемаг производит инфракрасные кварцевые и прочие нагреватели, а также готовое инфракрасное оборудование для сушки и отверждения покрытий. Обращайтесь к нам по телефону или через форму на сайте и мы ответим на все ваши вопросы по нагреву.



2022-02-01





Все статьи