UNTERSTÜTZTER DRAHT

Die typischerweise verwendete Drahtoberflächenlast und in vielen Fällen auch die Elementoberflächenlast sind in der Tabelle Geräteelementtypen aufgeführt. Die Elementoberflächenlast ist definiert als die Nennleistung geteilt durch den Teil der Oberfläche des Elements, der sich in der Nähe des stromführenden Drahtes befindet und daher eine erhöhte Temperatur aufweist.

In diesen Tabellen ist in der Regel nicht eine einzige Zahl, sondern eine Reihe von Werten für die Flächenlast angegeben. Die Auswahl innerhalb dieses Bereichs hängt von den Anforderungen an das Element sowie von der Spannung, Nennleistung und den verfügbaren Abmessungen ab. Eine hohe Spannung und eine niedrige Nennleistung führen zu einem dünnen Draht, der bei gleicher Temperatur eine kürzere Lebensdauer als ein dicker Draht hat und daher eine geringere Drahtoberflächenbelastung erfordert.

DRAHTTEMPERATUR

Bei eingebetteten und unterstützten Elementtypen hängt die Drahttemperatur sowohl vom Draht als auch von der Oberflächenbelastung des Elements ab. Für hängende Elementtypen kann die Elementoberflächenlast in den meisten Fällen nicht definiert werden. Zusätzlich zur Oberflächenlast beeinflussen Faktoren wie die Umgebungstemperatur, die Wärmeableitungsbedingungen sowie das Vorhandensein und die Anordnung anderer Elemente die Drahttemperatur, was wiederum die Wahl des Drahtes und der Elementoberflächenbelastungen beeinflusst.

OBERFLÄCHENLAST

Bei der Berechnung eines Elements sind Spannung und Nennleistung normalerweise bekannt. Die Drahtoberflächenbelastung wird dann gemäß den in der Tabelle aufgeführten Werten gewählt . Die Drahtoberfläche ergibt sich aus dem Verhältnis zwischen der Nennleistung und der Drahtoberflächenbelastung.

OBERFLÄCHE UND WIDERSTAND

Nach der Berechnung des Widerstandes im kalten Zustand wird das Verhältnis zwischen Oberfläche und Widerstand ermittelt. Dieses Verhältnis ist für alle Drahttypen und Abmessungen in diesem Handbuch angegeben, sodass der richtige Drahtdurchmesser anhand der Tabellen leicht ermittelt werden kann.

WENDEL- UND DRAHTDURCHMESSER

Um eine problemlose Herstellung der Wendel zu gewährleisten, muss das Verhältnis zwischen Wendel- und Drahtdurchmesser (O/d) berechnet werden. Idealerweise sollte dieses Verhältnis im Bereich von 5 bis 12 liegen. Bei unterstützten Elementen muss dieses Verhältnis mit der Verformungskurve im Diagramm verglichen werden . Wenn Wendellänge und -durchmesser bekannt sind, kann die Wendelsteigung anhand der Formel (10) im Anhang geschätzt werden. Normalerweise beträgt sie das 2- bis 4-fache des Drahtdurchmessers. Bei Quarzrohrheizungen wird normalerweise eine kleinerere Steigung verwendet. In solchen Elementen können voroxidierte Wendeln aus Kanthal® FeCrAl mit einer geringen Wicklung eingesetzt werden.

Bei einem geraden Draht auf einer Gewindefeuerstange und vielen hängenden Elementen ist die Drahtlänge festgelegt. Anhand der Tabellen in diesem Handbuch können Sie den Widerstand pro Meter berechnen und den Drahtdurchmesser ermitteln. Ergibt sich dadurch eine hohe Oberflächenbelastung mit Band, kann ein breiteres und dünneres Band gleichen Querschnitts gewählt werden.

ROHRDRATHELEMENT

Die Berechnung eines metallummantelten Rohrelements ist komplexer, da sich der Widerstand durch die Kompression des Elements um 10 bis 30 % verringert. Bei solchen Elementen wird zunächst die Rohroberflächenbelastung anhand des Verwendungszwecks ermittelt. Die Belastung der Drahtoberfläche ist normalerweise um das 2- bis 4-Fache höher. Nachdem der Widerstand aus Nennleistung und Spannung berechnet wurde, muss dieser um 10 bis 30 % erhöht werden, um den Widerstand nach dem Aufwickeln zu erhalten. Durch die Reduzierung des Elements verringert sich die Drahtoberfläche um 2 bis 7 %. Auch wenn sich durch die Kompression beim Walzen die Rohrlänge vergrößert, bleibt die Rohroberfläche oftmals unverändert.

Geräteberechnungen: Beispiele

Ofenberechnungen

Konstrukteure von Geräten, die Materialien für elektrische Widerstandsheizungen verwenden, müssen feststellen, welches Material und welche Form den spezifischen Heizanforderungen gerecht wird. Der allgemeine Ansatz besteht darin, mit der erforderlichen Betriebstemperatur und Leistung, der verfügbaren Spannung und dem Platz für die Heizelemente zu beginnen. Anschließend wird ein geeignetes Material und ein Elementtyp ausgewählt und die Elementparameter berechnet. Siehe physikalische und mechanische Eigenschaften (Kanthal®-Legierungen und Nikrothal®-Legierungen) und Konstruktionsfaktoren (Allgemeine Faktoren und Ofenspezifische Faktoren).

In diesem Abschnitt werden die relevanten Konstruktionsberechnungen für Spiraldrahtelemente und Wellband- und Draht-Elemente beschrieben. Detaillierte Symbole, Definitionen und Formeln finden Sie im Anhang.

Oberflächenlast des Elements

Eine erhöhte Oberflächenbelastung führt zu einer höheren Elementtemperatur im Vergleich zur Umgebung. Somit wird die Oberflächenbelastung durch die maximal zulässige Elementtemperatur begrenzt. Die maximal zulässige Oberflächenbelastung verringert sich mit zunehmender Ofentemperatur und hängt von Faktoren wie der maximalen Elementtemperatur, der Elementverformung und den Stromgrenzen ab.

Die Oberflächenlast beeinflusst die Bauweise des Elements auf zwei gegensätzliche Arten. Wenn die Oberflächenlast reduziert wird, ist ein größeres und teureres Element erforderlich; ein solches Element weist jedoch einen geringeren Materialverbrauch auf, was zu einer längeren Lebensdauer führt. Das Ziel besteht darin, eine Oberflächenlast zu wählen, die ein optimales Gleichgewicht zwischen Standzeit und Elementkosten bietet.

Die Oberflächenlast eines Heizelements, p, entspricht seiner Leistung, P, geteilt durch seine Oberfläche, A:
\(p = P/A \)

Im metrischen System wird die Oberflächenlast in der Regel in W/cm² angegeben, im imperialen System in W/in². Die Elementtemperatur ist der wichtigste Faktor für die Lebensdauer eines Elements und wird durch die Umgebungstemperatur und die Oberflächenlast bestimmt. Da Kanthal®-Legierungen bei höheren Temperaturen als Nikrothal®-Legierungen betrieben werden können, erreichen sie eine höhere Oberflächenbelastung bei gleicher oder längerer Lebensdauer als Nikrothal®.

Zur Ermittlung der maximalen Flächenlast gibt es drei Kriterien:

• Elementtemperatur
• Formstabilität (insbesondere bei Kanthal®-Legierungen)
• Strom

Je freier die Elementform ausstrahlt, desto höher die maximale Flächenlast. Daher kann das Element vom Typ ROB (Rod Over Bend – Stab über Biegung) am höchsten belastet werden, gefolgt vom gewellten Bandelement. Der Spiraltyp ist verdeckter und weist eine geringere maximale Flächenlast auf. Spiralen auf Rohren können höher belastet werden als Spiralen in Nuten.

Die nachstehenden Grafiken zeigen die empfohlenen Flächenlasten für Kanthal®- und Nikrothal®-Legierungen in industriellen Öfen. Da Kanthal®-Legierungen bei höheren Temperaturen als Nikrothal®-Legierungen verwendet werden können, kann eine höhere Flächenlast akzeptiert werden, ohne die Lebensdauer des Elements zu gefährden. Auch die Bauweise des Elements ist von entscheidender Bedeutung. Je freier die Elementform ausstrahlt, desto höher die maximale Flächenlast. Daher kann das Element vom Typ ROB (gewellter schwerer Draht, auf der Oberfläche montiert) am höchsten belastet werden, gefolgt vom gewellten Bandelement.

Heizwendel auf Keramikrohren können einer höheren Last standhalten als Heizwendel in Nuten. Die Werte in den Diagrammen auf Seite 51 gelten für folgende Auslegungsbedingungen:

Elementtypen A (schwerer Draht) und B (Band):

• Minimale Banddicke: 2,5 mm
• Minimaler Drahtdurchmesser: 5 mm
• Mindeststeigung: 50 mm bei maximaler Wellenhöhe und maximaler Flächenbelastung

Maximal empfohlene Wellenhöhe:

• < 900°C: 300 mm
• 1.000 °C: 250 mm
• 1.100 °C: 200 mm
• 1.200 °C: 150 mm
• 1.300 °C: 100 mm

Bei feineren Drahtdurchmessern und geringeren Banddicken müssen geringere Flächenbelastungen und kleinere Wellenhöhen gewählt werden, um eine Elementverformung und nachfolgende
kürzere Lebensdauer des Elements.

Elementtyp C:

• Drahtelement auf Keramikrohr
• Minimaler Drahtdurchmesser: 3 mm

Elementtyp D:

• Draht- und Bandelement in Nuten
• Minimaler Drahtdurchmesser: 3 mm
• Minimale Banddicke: 2 mm

Maximal empfohlene Oberflächenlasten für Nikrothal®-Legierungen in industriellen Öfen

Maximal empfohlene Oberflächenlasten für Kanthal® A-1-, Kanthal® AF- und Kanthal® APM-Legierungen in industriellen Öfen

Hinweis: Die Diagramme gelten für die Thyristorsteuerung. Für die Ein/Aus-Steuerung sollten geringere Flächenlasten gewählt werden (ca. -20 %).

Konstruktion von Drahtelementen

Drahtberechnungen: Beispiele