月: 2023年7月

Was ist faserverstärkter Kunststoff?

Faserverstärkte Kunststoffe sind Faser-Kunststoff-Verbunde.

Faserverstärkte Kunststoffe werden durch Mischen von Matrixharzen wie Epoxidharzen mit Verstärkungsmaterialien wie Glasfasern hergestellt und sind als leichte und starke Materialien weit verbreitet. Sie werden auch in der Raumfahrtindustrie für Flugzeuge und andere Transportkomponenten, Baumaterialien, Sportgeräte, Raketen und Satellitenkomponenten verwendet.

Die physikalischen Eigenschaften von faserverstärkten Kunststoffen variieren je nach dem verwendeten Matrixharz und dem Verstärkungsmaterial. Es ist daher wichtig, das für die jeweilige Anwendung am besten geeignete faserverstärkte Kunststoffe auszuwählen.

Anwendungen von faserverstärkten Kunststoffen

Faserverstärkte Kunststoffe werden in Flugzeugen und anderen Transportmitteln, chemischen Lagertanks, Baumaterialien, Sportgeräten und sogar in Raketen und Satelliten verwendet.

Die faserverstärkten Kunststoffe werden je nach zugesetzter Verstärkung unterschiedlich bezeichnet und weisen verschiedene Eigenschaften auf. Faserverstärkte Kunststoffe mit Glasfasern sind GFK.

GFK hat eine höhere spezifische Festigkeit als metallische Werkstoffe, ist leichter und durch den Glasanteil nicht leitend. CFK hingegen, das Kohlenstofffasern enthält, ist fester und härter als GFK, leitet aber Strom. Allen faserverstärkten Kunststoffen ist jedoch gemeinsam, dass sie leicht und fest sind.

Aufbau von faserverstärkten Kunststoffen (FRP)

Faserverstärkte Kunststoffe bestehen aus einem Matrixharz und einem Verstärkungsmaterial. Als Matrixharze werden ungesättigte Polyesterharze, Epoxidharze und Vinylesterharze verwendet.

Die ungesättigten Polyesterharze haben den Vorteil, dass sie sich leicht formen lassen und eine ausgezeichnete Wasserbeständigkeit aufweisen. Durch den Zusatz von Halogenen kann die Flammbeständigkeit erhöht werden.

Epoxidharze haben eine ausgezeichnete Säure- und Alkalibeständigkeit und chemische Beständigkeit, sind aber schwer zu formen. Vinylesterharze sind leicht zu formen und haben eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit, Bis-A-Harze haben eine schlechte Lösemittelbeständigkeit, aber eine ausgezeichnete Säure- und Laugenbeständigkeit, und Novolakharze haben eine schlechte Oxidationsbeständigkeit, aber eine ausgezeichnete Lösemittel- und Wärmebeständigkeit.

Arten von faserverstärkten Kunststoffen

Glasfasern, Kohlenstofffasern und Aramidfasern werden als Verstärkungsstoffe in faserverstärkten Kunststoffen verwendet. GFK mit Glasfasern hat eine höhere spezifische Festigkeit als Metall, ist nicht leitend und relativ kostengünstig.

CFK aus Kohlenstofffasern hingegen ist fester, leichter und härter als GFK, aber auch leitfähig. AFRP mit Aramidfasern ist leichter und fester, aber weniger gut zu verarbeiten.

Aufgrund der unterschiedlichen chemischen Strukturen der verschiedenen Verstärkungen ist auch ihre Korrosionsbeständigkeit sehr unterschiedlich. Die Eigenschaften von GFK ändern sich auch mit der Qualität der verwendeten Glasfasern. Das in faserverstärkten Kunststoffen am häufigsten verwendete E-Glas hat einen sehr niedrigen Alkalimetallgehalt und eine ausgezeichnete Wasserbeständigkeit, aber bei Kontakt mit starken Säuren werden Bestandteile wie Al und Ca ausgelaugt, und es kommt zu Rissen.

Kohlenstofffasern hingegen werden von starken oxidierenden Chemikalien angegriffen, können aber in den meisten Umgebungen problemlos verwendet werden. Aramidfasern neigen bei Kontakt mit alkalischen Chemikalien aufgrund ihrer Amidbindungen ebenfalls zur Hydrolyse und werden durch UV-Licht leicht abgebaut.

Weitere Informationen zu faserverstärkten Kunststoffen (FRP)

Verarbeitbarkeit von faserverstärkten Kunststoffen

Faserverstärkte Kunststoffe aus Kohlenstofffasern (CFK) werden durch Imprägnieren der Kohlenstofffasern mit flüssigem, wärmehärtendem Epoxidharz, Ausschneiden von halbgehärteten Platten, Druckbeaufschlagung und Aushärtung in einem Autoklaven hergestellt. Diese Methode erfordert jedoch, dass die Fasern mit dem Matrixharz infiltriert werden, was ihre Anwendung bei thermoplastischen Harzen mit hoher Viskosität erschwert.

Andererseits werden Methoden zum Formen von CFK mit thermoplastischen Harzen noch erforscht, z. B. wird das Pressformen in Betracht gezogen. Bei diesem Verfahren werden Kohlenstofffasern, die thermoplastisches Harz enthalten, in einer Form erhitzt, transportiert und gepresst, dann abgekühlt und zur Verarbeitung geschnitten.

Allerdings gibt es bei diesem Verfahren noch einige Probleme, wie z. B. die Notwendigkeit einer Methode, CFK mit hoher Festigkeit sauber und ohne Klingenverschleiß zu schneiden.

Was ist ein ATX-Netzteil?

Ein ATX-Netzteil ist ein Computer-Netzteil oder ein Netzteil mit ATX-Spezifikationen.

ATX ist eine Abkürzung für “Advanced Technology eXtended”, einen Standard für Personal Computer, der 1995 von der Intel Corporation in den USA eingeführt wurde und heute in vielen Desktop-Computern verwendet wird. Der Begriff wird auch für Netzteile usw. verwendet.

ATX-Netzteile werden zur Umwandlung von handelsüblichem Wechselstrom (AC) in Gleichstrom verwendet. Der umgewandelte Gleichstrom wird dann an die CPU, die Hauptplatine und andere Computerkomponenten weitergeleitet. ATX-Netzteile sind auch für den Überstromschutz und die Rauschunterdrückung zuständig.

Anwendungen von ATX-Netzteilen

ATX-Netzteile werden hauptsächlich als Netzteile für Personal Computer verwendet, vor allem in Desktop-PCs, wobei es eine breite Palette von Computertypen von Full-Tower bis Mini-Tower gibt. Die Aufgabe eines ATX-Netzteils in einem PC besteht darin, die internen Geräte und die über den Bus versorgten Peripheriegeräte mit Strom zu versorgen.

Da der Gesamtstromverbrauch je nach der Konfiguration und den Spezifikationen des PCs variiert, wird ein ATX-Netzteil mit einer Stromversorgungskapazität ausgewählt, die den berechneten Strombedarf übersteigt. Je nach Betriebsumgebung und Anwendung ist es ratsam, ein Netzteil mit einer großzügigen Stromversorgungskapazität zu wählen.

Funktionsweise von ATX-Netzteilen

ATX-Netzteile bestehen aus einem Gehäuse, einem Schaltnetzteilkreis, einem Kühlkörper und einem Lüfter.

1. Gehäuse

ATX-Netzteile haben ein Metallblech- oder Lochblechgehäuse, von dem eine Seite nach außen hin offen sein soll. Auf der freien Seite befindet sich eine Eingangsbuchse für das handelsübliche Netzteil, während die Stromversorgungsdrähte, die aus Steuersignalleitungen bestehen, an der Innenseite des Computers angebracht sind. Am Ende der Stromversorgungsleitung ist in der Regel eine Buchse für den Anschluss der Drähte angebracht.

2. Schaltnetzteilschaltungen

Schaltnetzteile wandeln Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) um, der in handelsüblichen Netzteilen verwendet wird und sorgen für eine stabile Versorgung. Sie bestehen hauptsächlich aus einem Gleichrichter und einem Glättungskondensator. Der Gleichrichter führt die AC/DC-Umwandlung durch und der Glättungskondensator stabilisiert die Wellenform. Der Gleichrichter gibt während des Betriebs Wärme ab und benötigt einen Kühlmechanismus.

3. Kühlkörper

Kühlkörper sind Kühlelemente, die aus Aluminium bestehen. Sie tragen dazu bei, die vom Gleichrichter im Stromversorgungskreislauf erzeugte Wärme zu verteilen und abzuführen. Sie nehmen ein großes Volumen im Inneren des Gehäuses ein.

4. Kühlgebläse

Kühlventilatoren sind Bauteile, die kühle Luft auf die Kühlkörper blasen, um diese zu kühlen. Ein oder zwei Kühllüfter sind an jeder Seite des Gehäuses angebracht und blasen Luft von der exponierten Seite des Gehäuses. Da warme Luft aufsteigt, wird sie normalerweise von der Seite des Gehäuses eingeblasen und von oben ausgeblasen.

Weitere Informationen zu ATX-Netzteilen

1. Anschlussbelegung von ATX-Netzteilen

ATX-Netzteile haben einen Standard für Ausgänge, der als Pinbelegung bezeichnet wird. Dieser Standard definiert die Pin-Anordnung der Kabelanschlüsse im Detail und gilt für verschiedene Kabel wie Motherboard-Kabel und SATA-Kabel.

Jeder Pin hat eine andere Ausgangsspannung, wobei Ausgangsspannungen von 5 V und 12 V weit verbreitet sind. Jeder Pin ist entsprechend seiner Ausgangsspannung farblich gekennzeichnet, z. B. orange für 3,3 V, rot für 5 V usw. Es muss darauf geachtet werden, dass nicht der falsche Pin an ein Gerät angeschlossen wird, da dies einen Fehler verursachen kann.

Aus Sicherheitsgründen sind ATX-Netzteile so konstruiert, dass sie an die Hauptplatine angeschlossen werden und keinen Strom an den einzelnen Pins ausgeben, es sei denn, die Hauptplatine erlaubt dies. Es ist jedoch möglich, einen Stromfluss zu simulieren, indem ein Pin namens PS_ON kurzgeschlossen wird, der z. B. zum Testen von ATX-Netzteilen verwendet wird.

2. Größe von ATX-Netzteilen

Die Größe von ATX-Netzteilen ist durch Normen definiert, wobei die am häufigsten verwendeten Netzteile 150 mm breit und 86 mm hoch sind. Die Tiefe ist nicht spezifiziert, so dass es verschiedene Größen gibt, aber 155 mm und 158 mm sind gängige ATX-Netzteile mit dieser Tiefe.

Zu den ATX-Netzteilen gehören auch SFX-Netzteile, bei denen es sich um standardisierte Netzteile für kleinere Gehäuse handelt. SFX-Netzteile kommen in Frage, wenn Sie ein kleines PC-Gehäuse verwenden möchten. Allerdings haben SFX-Netzteile im Allgemeinen eine geringere Ausgangskapazität als ATX-Netzteile, so dass bei der Verwendung von Hochleistungsgrafikkarten usw. Vorsicht geboten ist.

Was ist ein Hochspannungs-Phasendetektor?

Ein Hochspannungs-Phasendetektor ist ein Gerät, mit dem überprüft werden kann, ob die Phasendrehung einer Hochspannungsleitung (600 V AC oder mehr) eine umgekehrte oder positive Phase hat.

Sie werden hauptsächlich in Hochspannungsnetzen eingesetzt und spielen eine wichtige Rolle bei der Gewährleistung der Sicherheit der Stromversorgung. In Stromnetzen werden häufig dreiphasige Wechselstromversorgungen (in der Regel 50 oder 60 Hz) verwendet; diese Geräte erkennen, welche der drei Phasen einer dreiphasigen Versorgung in welcher Reihenfolge ankommen, und sorgen dafür, dass sie in der richtigen Phasenfolge angeschlossen werden.

Die Trennungsabstände für Arbeiten in unmittelbarer Nähe von Hochspannungen sind in den Arbeitsschutzvorschriften festgelegt. Hochspannungsdetektoren sind ebenfalls so lang ausgelegt, dass ein Abstand von mindestens 30 cm eingehalten werden kann.
　
Sie werden ebenfalls hauptsächlich für Kabelanlagen verwendet und haben die Form von zwei miteinander verbundenen Detektoren, so dass zwei Kabel geprüft werden können. Während die meisten Niederspannungs-Phasendetektoren die Phasendrehung prüfen, indem sie drei Phasen zusammenklemmen, sind Hochspannungs-Phasendetektoren der Einfachheit halber so geformt, dass sie die Phasendrehung von zwei Phasen prüfen.

Anwendungen von Hochspannungs-Phasendetektoren

Hochspannungs-Phasendetektoren werden in der Energieversorgung und im Bauwesen eingesetzt.

1. Energieversorgung

Diese Geräte werden eingesetzt, um die Sicherheit der Stromversorgung zu gewährleisten, indem sie die richtige Phasenfolge und den richtigen Anschluss im Stromnetz feststellen. Bei falscher Phasenfolge oder fehlenden Phasen warnen Phasendetektoren und erkennen Probleme frühzeitig.

In Hochspannungsnetzen sind häufig Transformatoren und Elektromotoren an der Sekundärseite angeschlossen. Wenn die Phasendrehung vertauscht wird, drehen sich alle angeschlossenen Elektromotoren rückwärts.

Ein solcher Unfall kann zum Ausfall von Pumpen, Ventilatoren usw. führen, die die Last der Elektromotoren darstellen. Rotierende Industrieanlagen sind oft teuer und können erhebliche Verluste verursachen. Wenn eine Phasenverschiebung festgestellt wird, ist es wichtig, die Verkabelung wieder anzuschließen.

2. Bauarbeiten

Wird bei Bauarbeiten eingesetzt, z. B. bei der Installation neuer Geräte. Mit Hilfe von Hochspannungs-Phasendetektoren kann überprüft werden, ob die Phasendrehung wie vorgesehen erfolgt.

Funktionsweise der Hochspannungs-Phasendetektoren

Ein Hochspannungs-Phasendetektor wird mit einer dreiphasigen Wechselstromversorgung gespeist. Diese kommt in der Regel aus dem Stromnetz oder von einem Generator. Die drei eingehenden Phasen werden erfasst und jede Phase wird über spezielle Sensoren und Schaltkreise überwacht.

Die drei erfassten Phasen werden miteinander verglichen. Wenn die Phasen in der richtigen Phasenfolge angeschlossen sind, sind der Phasenzyklus und die Phasendifferenz konstant. Die Ergebnisse werden häufig über Anzeigetafeln oder Indikatoren visualisiert.

Sind die Phasen in der richtigen Phasenfolge angeschlossen, leuchten die Lampen und Anzeigen auf der Anzeigetafel auf. Ist die Phasenfolge vertauscht oder fehlt eine Phase, wird eine Warnung oder ein Alarm ausgegeben, um Sie auf das Problem aufmerksam zu machen.

Arten von Hochspannungs-Phasendetektoren

Phasendetektoren werden grob in zwei Kategorien eingeteilt: berührende Phasendetektoren und berührungslose Phasendetektoren. Der berührungslose Typ ist der häufigste Typ von Hochspannungs-Phasendetektoren.

1. Kontaktbehafteter Typ

Hochspannungs-Phasendetektoren mit Kontakt sind Geräte, die den Stromversorgungskreislauf physisch kontaktieren, um den Phasenzustand festzustellen: Sie werden direkt an die nicht isolierten Teile der drei Phasen angeschlossen, messen die Stromversorgungsspannung und prüfen die Phasendrehung direkt anhand der Phasendifferenz.

Diese Methode wird häufig in dreiphasigen Niederspannungsstromkreisen mit 200 V und 400 V verwendet. Bei der Anwendung in Hochspannungsnetzen wird der Niederspannungsteil über einen Messwandler gemessen. Produkte, die einen direkten Kontakt mit den Hochspannungsklemmen herstellen, werden selten verkauft, da ein versehentlicher Erdschluss oder Kurzschluss der Hochspannung einen starken Funken verursachen kann, der äußerst gefährlich ist.

2. Berührungsloser Typ

Berührungslose Hochspannungs-Phasendetektoren sind Geräte, die den Phasenstatus ohne physischen Kontakt erkennen. Derzeit sind berührungslose Phasendetektoren sowohl für Nieder- als auch für Hochspannung der Mainstream, und die meisten Produkte sind für Hochspannung berührungslos.

Das Prinzip basiert auf elektrostatischer Induktion. Das Innere des Phasendetektors weist einen hohen Widerstand auf und wird über den menschlichen Körper geerdet, um einen geschlossenen Stromkreis zu bilden. Die vom Stromkreis induzierte Spannung wird in diesem geschlossenen Stromkreis erfasst und die Phasendifferenz zwischen den induzierten Spannungen der beiden Phasen ermittelt.

Niederspannungs-Phasendetektoren bestehen im Allgemeinen aus drei Zangen, sodass die Phasendrehung der drei Phasen überprüft werden kann. Hochspannungs-Phasendetektoren werden jedoch häufig so konstruiert, dass sie die Phasendifferenz zwischen zwei Phasen erfassen können, da eine Isolationsstrecke erforderlich ist und das Gehäuse des Phasendetektors sehr groß ist; es müssen drei Messungen an jeder der drei Phasen durchgeführt werden, zwei an jeder der drei Phasen, und die Phasendetektoren müssen in der Lage sein, die Phasendifferenz zwischen zwei der drei Phasen zu erfassen.

Was ist eine Hochfrequenz-Stromversorgung?

Eine Hochfrequenz-Stromversorgung ist eine Stromversorgung, die eine konstante Spannung mit einer Frequenz von mehreren kHz bis mehreren hundert kHz ausgibt.

Die Stromversorgungsarten werden nach ihren Schaltelementen eingeteilt, wobei einige Transistoren und andere Vakuumröhren verwenden. Die Vakuumröhrenmethode wird schon seit langem verwendet und verwendet große Senderöhren und Transformatoren, was die Größe des Netzteils erhöht.

Bei der Transistor-Methode hingegen wurden in jüngster Zeit Wechselrichter mit MOSFETs entwickelt, deren Vorteile in der geringeren Größe und dem höheren Wirkungsgrad des Netzteils liegen. Hochfrequenz-Netzteile werden hauptsächlich zur Erwärmung von Gegenständen durch Induktion eingesetzt.

Zu den industriellen Anwendungen gehören Abschrecken, ERW-Rohrschweißen, Erwärmung dünner Stahlplatten sowie Plasmaerzeugung und -reinigung.

Anwendungszwecke von Hochfrequenz-Stromversorgungen

Hochfrequenz-Stromversorgungen werden zur Erzeugung von Wirbelströmen für die Erwärmung von Gegenständen bei der Hochfrequenz-Induktionserwärmung eingesetzt. Spezifische Anwendungen sind:

• Erwärmung durch Mikrowellen und elektromagnetische Induktion
• Plasma-Erzeugung
• Modifizierung von Oberflächen
• Reinigung

Einsatz in der Halbleiter- und Flüssigkristallherstellung, MEMS-Herstellung, Solarzellenherstellung, Plasmareinigung, Stahl- und Schmiedeindustrie. Auch in der Industrie für neue Werkstoffe, in der Lebensmittelproduktion, bei der Herstellung von Baumaterialien, bei der Holztrocknung, in der medizinischen Thermotherapie, in der Elektronik, im Automobilbau, bei der Vinylschmelze und in anderen Industriezweigen wird es zunehmend eingesetzt.

Hochfrequenz-Stromversorgungen zur Plasmaerzeugung regen das Plasma durch ein hochfrequentes elektrisches Feld an, das die Ionen und Elektronen, die das Plasma bilden, erhitzt. Sie werden auch zur Entwicklung von Funktionswerkstoffen eingesetzt, indem Oberflächen wie polymere Werkstoffe bestrahlt werden, um die Art der funktionellen Gruppe auszuwählen oder die Radikalspezies auf der Oberfläche zu kontrollieren.

Funktionsweise der Hochfrequenz-Stromversorgung

Um eine Hochfrequenz-Stromquelle zu erzeugen, muss die eingespeiste Wechselstromquelle einmal in Gleichstrom umgewandelt, durch einen Wechselrichter geleitet und dann wieder in Wechselstrom umgewandelt werden. Zunächst wird die Wechselstromquelle mithilfe von Brückendioden in Gleichstrom umgewandelt.

Eine Brückendiode ist ein Element, das aus sechs in einer Brücke verbundenen Dioden besteht. Durch die Invertierung der negativen Spannungsseite der Wechselstromversorgung kann eine Gleichspannung ausgegeben werden. Die Gleichspannung wird dann mit Hilfe eines Schaltelements, das an einen Anpasstransformator angeschlossen ist, in eine Rechteckwelle umgewandelt.

Die Spannung wird dann entsprechend der Anzahl der Transformatorwicklungen umgewandelt und schließlich in einem Resonanzkreis in Wechselstrom umgewandelt.

Arten von Hochfrequenz-Stromversorgungen

Hochfrequenz-Stromversorgungen (Stromrichter) werden nach ihren Schaltelementen eingeteilt.

1. Thyristor-Stromrichter

Als schwingendes Element werden Thyristoren verwendet. Sie eignen sich für kommerzielle Stromversorgungsfrequenzen bis zu 10 kHz und hohe Spannungen, mit großen Elementen.　　　　

2. Bipolartransistor-Stromrichter

Geeignet für kleine Oszillatoren von 500 W bis 2 kW. Das Element ist klein und wird für handliche Typen usw. verwendet.

3. IGBT-Stromrichter

IGBT steht für Insulated Gate Bipolar Transistor. Sie haben große Elemente und sind für Hochstromanwendungen und Serienschwingkreise geeignet. Frequenz 10 kHz bis 50 kHz, für große Leistungen.

4. MOSFET-Stromrichter

MOSFET steht für Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor. Sie eignen sich für Hochfrequenzanwendungen und sind kleiner als andere Bauelemente. Frequenzen von 100 kHz bis 400 kHz sind üblich, und sie sind nicht für große Leistungen geeignet.

5. Vakuumröhren

Geeignet für Hochfrequenzanwendungen, selbsterregter Schwingungstyp mit Frequenzen von 100 kHz bis 10 MHz. Die Geräte sind aufgrund der Verwendung großer Senderöhren und großer Transformatoren größer.

Sonstige Informationen über Hochfrequenz-Stromversorgungen

Arten der Steuerung von Stromversorgungen

1. Spannungssteuerung
Hierbei handelt es sich um eine Steuerungsmethode, bei der Elemente zur Unterdrückung der Gleichspannung verwendet werden, wie z. B. Thyristoren. Sie eignet sich für das Quenchen, da die Frequenz fest ist und die Stromeindringtiefe festgelegt werden kann.

Die Schaltung ist komplex und teuer, da sie eine Abflachung mit einem Stromversorgungskondensator erfordert.

2. Stromregelung
Auf der Oszillatorseite ist der Ausgangsstromwert konstant, da die Frequenz durch automatische Anpassung des Lastwiderstands an den angezeigten Stromwert variiert wird. Die Oszillatorfrequenz ändert sich also ständig.

3. Leistungsregelung
Der Wert der Eingangsleistung wird durch Multiplikation des Spannungs- und Stromwerts des Gleichstromteils berechnet. Der Ausgang wird dann im Verhältnis zum angezeigten Wert geregelt.

4. PWM-Steuerung
Dies ist eine Steuerungsmethode, die in kleinen Oszillatoren zu finden ist. Es handelt sich um eine Regelungsmethode, bei der die Impulsbreite (Tastverhältnis) variiert wird, während der Zyklus konstant bleibt.

Was ist eine Hochfrequenz-Induktionserwärmungsanlage?

Eine Hochfrequenz-Induktionserwärmungsanlage ist ein Gerät, das durch Hochfrequenz-Induktion erwärmt.

Wenn Wechselstrom durch eine Spule fließt, die einen Metallkörper enthält, wird durch den in der Spule fließenden Strom ein Magnetfeld erzeugt, wobei Induktionsverluste, d. h. Hystereseverluste, auftreten und Wärme erzeugt wird. Gleichzeitig entstehen in dem durch den Wechselstrom veränderten Magnetfeld aufgrund der elektromagnetischen Induktion Wirbelströme, d. h. Wirbelströme. Diese Wirbelströme erzeugen Joule-Wärme, die Wirbelstromverluste verursacht.

Hochfrequenz-Induktionserwärmungsanlagen nutzen die beiden Erwärmungsprinzipien Hystereseverlust und Wirbelstromverlust. Die Energie, die dem zu erwärmenden Objekt pro Flächen- und Zeiteinheit zugeführt wird, ist groß, was eine Hochgeschwindigkeitserwärmung ermöglicht.

Anwendungen von Hochfrequenz-Induktionserwärmungsanlagen

Die Hochfrequenz-Induktionserwärmung kann Leiter wie Metalle berührungslos erwärmen und wird daher häufig zum Schmelzen, Härten und Löten von Metallen verwendet. Ein bekanntes Beispiel sind Induktionskochfelder. Andere Anwendungen sind Harze, Holz, Textilien, Lebensmittel und Medizin.

Bei thermoplastischen Kunststoffen kann die Induktionserwärmung zum Schweißen von Harzen verwendet werden, während diese in eine Form gepresst werden. In der Lebensmittelproduktion können hochfrequente Induktionserwärmungsanlagen bei der Verarbeitung großer Mengen von Lebensmitteln in Fertigungsstraßen eingebaut werden, um ein schnelles Auftauen der Lebensmittel zu ermöglichen.

Im medizinischen Bereich werden Hochfrequenz-Induktionserwärmungsmethoden auch bei der Entwicklung der Thermotherapie von Krebs und anderen Behandlungen eingesetzt.

Funktionsweise der Hochfrequenz-Induktionserwärmungsanlagen

Die Hochfrequenz-Induktionserwärmung ist eine Methode zur Erwärmung von Gegenständen durch elektromagnetische Induktion. Sie kann als direkte oder indirekte Erwärmungsmethode klassifiziert werden, je nachdem, ob der zu erwärmende Gegenstand direkt oder über einen leitenden Behälter mit elektrischem Strom durchflossen wird.

1. Direkte Heizmethoden

Im Allgemeinen wird nach den Gesetzen der elektromagnetischen Induktion, wenn ein Wechselstrom durch eine Spule fließt, ein magnetischer Fluss erzeugt, der durch die Mitte der Spule verläuft und die Außenseite umgibt. Um zu verhindern, dass sich dieser Magnetfluss verändert, werden im Metall Wirbelströme erzeugt.

Abhängig von der Stärke dieser Wirbelströme und dem elektrischen Widerstand des Metalls wird im Metall Joule-Wärme erzeugt. Bei der direkten Erwärmung werden die Wirbelströme direkt im Metall erzeugt, sodass das zu erwärmende Objekt direkt erwärmt werden kann.

2. Indirektes Erwärmungsverfahren

Bei der indirekten Erwärmung können beim Erwärmen von Isolatoren wie Keramik keine Wirbelströme im erwärmten Objekt erzeugt werden. Eine indirekte Beheizung kann daher dadurch erreicht werden, dass das zu beheizende Objekt in einen leitfähigen Behälter gestellt und der Behälter beheizt wird.

Um die Heizleistung zu erhöhen, wird der Abstand zwischen der äußeren Form des zu beheizenden Objekts und der Heizspule verringert, wodurch die übertragene Flussdichte erhöht wird. Außerdem wird die Erwärmung durch die Steuerung der Frequenz der Wechselstromversorgung zwischen einigen zehn Hz und Hunderten von kHz erreicht.

Weitere Informationen zu Hochfrequenz-Induktionserwärmungsanlagen

1. Vorteile 

Gleichmäßige Erwärmung
Die Wärme wird durch Widerstandserwärmung gegen die durch elektromagnetische Induktion erzeugten Wirbelströme erzeugt, sodass das erwärmte Objekt gleichmäßig von innen erwärmt wird.

Schnelle Erwärmung
Durch die Steuerung des Senders können die Hochfrequenzwellen sofort auf das zu erwärmende Objekt übertragen werden, und aufgrund der internen Selbsterhitzung ist eine schnelle Erwärmung möglich. Im Vergleich zu Heizöfen, die Wärme von außen zuführen, ist dies eine kostengünstige Produktionsmethode mit hervorragender Produktivität, die keine Standby-Heizung benötigt.

Selektive Erwärmung
Auch bei Verbundwerkstoffen wie Aluminiumlegierungen und mit Stahl plattiertem Stahl kann nur der Teil des Verbundwerkstoffs mit dem höchsten elektrischen Widerstand selektiv erwärmt werden.

Hohe Energie-Effizienz
Bei allgemeinen Erwärmungsöfen erfolgt die externe Erwärmung durch Verbrennung oder Heizelemente, was zu Energieverlusten führt, da nicht nur das erwärmte Material, sondern auch die Ofenkomponenten und die Atmosphäre übermäßig erwärmt werden. Bei Hochfrequenz-Induktionserwärmungsanlagen wird nur das zu behandelnde Objekt durch Selbsterwärmung erwärmt, sodass keine Abfälle entstehen und die Wärmebehandlung mit hoher Energieeffizienz durchgeführt werden kann.

2. Nachteile 

Teure Kapitalinvestition
Die Hochfrequenz-Induktionserwärmung hat den Nachteil, dass die anfänglichen Investitionen teuer sind, da die Hochfrequenz-Stromversorgung und die Steuergeräte teuer sind und Geräte zur Verhinderung des Austretens elektromagnetischer Strahlung in die Umgebung erforderlich sind.

Geringe Formselektivität
Wenn das elektrische Feld des zu erwärmenden Objekts ungleichmäßig wird, wird auch die Erwärmung selbst ungleichmäßig, was zu ungleichmäßigen Temperaturen führt, die im schlimmsten Fall zu Problemen wie dem Schmelzen führen können. Daher sollte das zu erwärmende Objekt eine sehr symmetrische Form haben, z. B. einen Zylinder, während es schwierig ist, komplexe Formen wie Kanthölzer oder Zahnräder gleichmäßig zu erwärmen.

Individuelle und partielle Erwärmung
Die Hochfrequenz-Induktionserwärmung ist eine Methode zur Erwärmung des gesamten oder nur eines Teils des zu erwärmenden Objekts mit Hilfe einer beliebig geformten Spule, die das zu erwärmende Objekt gleichmäßig erwärmt. Aus diesem Grund handelt es sich im Grunde um ein Fließverfahren in einem Stück, was bedeutet, dass eine chargenweise Massensimultanverarbeitung wie bei der externen Erwärmung nicht möglich ist. Je nach Produkt und Produktionsbedingungen kann dies auch den Nachteil einer geringeren Produktivität haben.

Was ist ein Hochpräzisions-Thermometer?

Hochpräzisions-Thermometer sind Präzisions-Temperaturmessgeräte, die unter den Thermometern die Temperatur mit hoher Genauigkeit messen können.

Es wird in Verbindung mit einem Temperatursensor verwendet. Durch die Verwendung des Messgeräts selbst zusammen mit einem Temperaturfühler können genaue Temperaturmessungen vorgenommen werden. Sie werden daher zur Temperatureinstellung und Thermometerkalibrierung verwendet.

Als Temperatursensoren werden thermoelektrische Sensoren und Widerstandsthermometer verwendet, die jeweils unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, sodass es wichtig ist, den richtigen Temperatursensor für die jeweilige Anwendung auszuwählen.

Anwendungen von Hochpräzisions-Thermometern

Hochpräzisions-Thermometer werden zur Kalibrierung von Thermometern verwendet. Durch den Einsatz einer Kombination von Temperatursensoren wird die Temperatur eingestellt und die Kalibriertemperatur des Thermometers im täglichen Gebrauch überprüft, um sicherzustellen, dass sie korrekt ist. Hochpräzisions-Thermometer haben jedoch den Nachteil, dass sie teurer sind als gewöhnliche Thermometer und aufgrund ihrer Größe weniger bequem zu handhaben sind.

Die korrekten, vom Temperatursensor vorkalibrierten Temperaturdaten werden in einem Speicher oder bei Hochpräzisions-Thermometern, die keinen eingebauten Speicher haben, in einem externen Speicher abgelegt. Durch das Auslesen der Daten aus diesem Speicher kann das Thermometer mit hoher Präzision gemessen werden.

Funktionsweise von Hochpräzisions-Thermometern

Die in der Industrie am häufigsten verwendeten Temperatursensoren sind Thermoelemente und Widerstandsthermometer.

1. Thermoelement-Temperaturfühler

Ein Thermoelement-Temperatursensor ist ein Temperatursensor, der zwei verschiedene Metallleiter miteinander verbindet. Die Temperatur wird genau gemessen, indem die Spannung mit Hilfe des Seebeck-Effekts gemessen wird, bei dem eine Spannung zwischen den Metallen erzeugt wird, wenn ein Temperaturunterschied an den Kontaktpunkten der verschiedenen Metalle auftritt, wodurch eine thermoelektromotorische Kraft entsteht.

Die kompakte Größe des Thermoelements ermöglicht es, Temperaturen auch bei hohen Temperaturen zu messen, und die Ansprechzeit ist sehr schnell. Es wird oft missverstanden, dass nur die Spitze des Thermoelements (wo die verschiedenen Metalldrähte zusammengeklebt sind) der messende Teil ist, aber da die zwischen den verschiedenen Metalldrähten erzeugte elektromotorische Kraft das Messobjekt ist, ist die Temperaturdifferenz einschließlich des Leiterteils wichtig. Die Temperaturtoleranz ist größer als die von Widerstandsthermometern.

2. Temperatursensoren mit Widerstandsthermometer

Temperatursensoren mit Widerstandsthermometer nutzen das Prinzip, dass der elektrische Widerstand eines Metalls mit steigender Temperatur zunimmt. Als Drahtmaterial wird hochreines Platin oder Nickel verwendet.

Im Vergleich zu Thermoelementen können sie nicht bei hohen Temperaturen eingesetzt werden und haben einen engeren Erfassungsbereich. Sie können jedoch Temperaturen mit sehr hoher Genauigkeit im niedrigen bis mittleren Temperaturbereich messen und haben eine hohe Stabilität.

Die allgemeinen Toleranzen von Thermometern sind in Normen festgelegt. Hochpräzisions-Thermometer ähneln im Prinzip den gewöhnlichen Thermometern, verwenden jedoch eine höhere Thermometerklasse und sind kalibriert, um die Genauigkeit zu gewährleisten.

Weitere Informationen zu Hochpräzisions-Thermometern

1. Messfehler von Hochpräzisions-Thermometern

Auch wenn ein Thermometer noch so streng nach den Spezifikationen kalibriert ist, kann es nicht die richtige Temperatur messen, wenn die Messung nicht für die Umgebung geeignet ist. Typische Fehlerfaktoren sind die folgenden.

Fehlerfaktoren für Widerstandstemperaturmesselemente

• Auswirkungen der Selbsterhitzung durch den Stromfluss
• Auswirkungen von Temperaturschocks aufgrund von Temperaturänderungen des Messobjekts
• Auswirkungen von Vibrationen und Stößen

Weitere Faktoren sind die Auswirkungen anormaler Spannungen und Ströme (z. B. Blitzschlag, Hochspannungsentladungen usw.) und die Auswirkungen eines niedrigen Isolationswiderstands.

2. Fehlerfaktoren von Thermoelementen

Die Fehlerfaktoren für die am häufigsten verwendeten Thermoelemente vom Typ K sind:

Oxidation in einer reduzierenden Atmosphäre
Wenn Thermoelemente vom Typ K in einer reduzierenden Hochtemperaturatmosphäre zwischen 800 und 1000 °C verwendet werden, kann der Messwert um mehrere hundert °C abweichen. Dies liegt daran, dass die Oberflächenoxidschicht des auf der +-Seite des Thermoelementes vom Typ K verwendeten Chromeldrahtes durch die reduzierende Atmosphäre reduziert wird und anschließend zu NiCr2O4 oxidiert. Insbesondere Wasserstoffgas dringt bei hohen Temperaturen in einige Metallschutzrohre ein, sodass es wichtig ist, Mantelmaterialien mit geringer Wasserstoffdurchlässigkeit zu verwenden.

Auswirkung der Zwischentemperatur des Mantels (Shunt-Fehler)
Wenn das Schutzrohr mit einem heißeren Teil als der zu messenden Temperatur in Berührung kommt, wird die Temperatur höher sein als die des zu messenden Teils. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Isolationswiderstand der anorganischen Füllungen im Inneren des Mantels bei Temperaturen über 800 °C abnimmt. Es ist sinnvoll, auf die Installationsmethode zu achten und einen Mantel mit einem größeren Außendurchmesser zu wählen, um den Isolationsabstand zwischen den Litzen zu vergrößern.

Unvermeidliche Fehler bei Thermoelementen des Typs K (Kurzstreckenbestellung)
Wenn Thermoelemente vom Typ K bei Temperaturen zwischen 300 und 550 °C verwendet werden, können sich die EMK-Eigenschaften ändern und Fehler auftreten. Dies ist auf die metallurgische Struktur der Chromel-Legierung zurückzuführen, die die EMK bei Temperaturen zwischen 300 und 550 °C erhöht. Eine Erwärmung über 650 °C stellt die ursprünglichen Eigenschaften wieder her.

Äußere elektrische Einflüsse
Geräusche, die von Generatoren, Motoren usw. erzeugt werden, können Fehler verursachen. Um die Auswirkung des Rauschens zu minimieren, sind geschirmte Ausgleichsleitungen zu verwenden. Werden keine abgeschirmten Ausgleichsleiter verwendet oder wird eine Zweipunkt-Erdung verwendet, kann die Abschirmwirkung verringert werden und stattdessen können induzierte Ströme aufgenommen werden.

Auswirkungen der Nichtverwendung eines Ausgleichsleiters
Thermoelemente messen nicht die Temperatur an der Spitze, sondern die „Temperaturdifferenz“ zwischen der Spitze und dem daran angeschlossenen Leiter, die die elektromotorische Kraft darstellt. Daher ist der Teil des Thermoelements, der mit dem Leiter verbunden ist, der emf-erzeugende Teil. Die Verwendung von Thermoelementdrähten für alle Zwecke ist jedoch kostspielig und der Widerstandswert ist zu hoch, daher werden Ausgleichsleiter verwendet.

Ein Ausgleichsleiter ist ein Leiter, der fast die gleiche Thermospannung hat wie das Thermoelement, mit dem er verbunden ist. Manchmal wird das Prinzip des Thermoelements missverstanden und ein normaler Leiter anstelle eines Ausgleichsleiters verwendet, oder es wird der falsche Leiter eingesetzt.

Hinzu kommt, dass sowohl Widerstandsthermometer als auch Thermoelemente zur Temperaturmessung durch Berührung eingesetzt werden, sodass auf die Art der Berührung und die äußere Umgebungstemperatur geachtet werden muss.

Was ist polymere Flockungsmittel?

Polymere Flockungsmittel sind polymere Wirkstoffe, die die Oberflächenladung von in Wasser suspendierten Partikeln neutralisieren und die Partikel zum Ausflocken bringen.

Sie werden hauptsächlich zur Koagulation und Ausfällung von Schwebeteilchen verwendet, die Verschmutzungen im Abwasser verursachen. Die durch polymere Flockungsmittel ausgefällten Sedimente können vom Wasser getrennt und durch Entwässerung oder Filtration behandelt werden.

Polymere Flockungsmittel können anionisch, kationisch, nichtionisch oder amphoter sein, je nach der Oberflächenladung der zu flockenden Partikel. Sie sind in Pulver- und Emulsionsform erhältlich, wobei Pulverformen einfacher zu handhaben sind, Emulsionen sich jedoch besser in Wasser auflösen lassen.

Anwendungen von polymeren Flockungsmitteln

Polymere Flockungsmittel werden zur Eindickung und Volumenreduzierung (Volumenverringerung) von Schlämmen in der Industrie, z. B. bei den folgenden Anwendungen, und bei der Erzaufbereitung eingesetzt.

• Anionische Flockungshilfsmittel
  Werden häufig in Industrien eingesetzt, die mit anorganischen Stoffen umgehen, wie z. B. in der Metallindustrie, im Bauwesen, im Bergbau, in der Keramikindustrie, in der Zellstoff- und Papierindustrie, in der chemischen Industrie und in der Lebensmittelindustrie.
• Kationische Flockungshilfsmittel
  Industrien, die mit organischen Stoffen umgehen, z. B. menschliche Abfälle, Abwässer, Papiermasse, Lebensmittel usw. Werden häufig in Industrien eingesetzt, die mit organischen Stoffen wie menschlichen Abfällen, Abwasser, Papierbrei, Lebensmitteln usw. umgehen.
• Nichtionische Flockungsmittel
  Werden für saure Abwässer verwendet.
• Amphotere Flockungshilfsmittel
  Werden verwendet, wenn kationische Flockungsmittel unzureichend sind.

Polymere Flockungsmittel werden nicht für die Wasseraufbereitung verwendet. Rückstände von polymeren Flockungsmitteln können eine organische Verunreinigung von Ionenaustausch- und Umkehrosmoseanlagen verursachen.

Funktionsweise der polymeren Flockungsmittel

Der Mechanismus, durch den polymere Flockungsmittel die Flockung und Ausfällung bewirken, ist folgender:

1. Gerinnung
   Zunächst wird ein anorganisches Koagulationsmittel (z. B. Polyaluminiumchlorid (PAC), Eisensulfat usw.), das eine den Partikeln im Wasser entgegengesetzte Ladung aufweist, zugeführt, um die Oberflächenelektrisierung der Schwebeteilchen zu neutralisieren. Die in diesem Stadium gebildete Masse, d. h. die Feinflocke, wird als Grundflocke bezeichnet.
2. Flockung
   Dem Wasser, in dem sich die Grundflocke gebildet hat, wird ein polymeres Flockungsmittel zugesetzt. Die aktiven Gruppen (z. B. die Polyacrylamidstruktur) des polymeren Flockungsmittels treten mit den kleinen Flocken in Wechselwirkung, wodurch die kleinen Flocken adsorbiert und vernetzt werden, als ob sie sich im Polymer verfangen hätten, und zu groben Flocken anwachsen.

Bei der Fällung muss darauf geachtet werden, dass der pH-Wert eingestellt wird. Der Grund dafür ist, dass die Ausfällung ohne eine geeignete pH-Umgebung nicht stattfinden kann und die Gefahr besteht, dass sich die Flocken nach der Ausfällung wieder auflösen. Wird außerdem mehr polymere Flockungsmittel als erforderlich zugegeben, so wird die Adsorption an das polymere Flockungsmittel vorweggenommen, was zu einer unzureichenden Vernetzung führt und die Koagulation erschwert.

Der geeignete pH-Wert für jedes Flockungsmittel ist wie folgt:

• Anionische Flockungsmittel: pH 7-12
• Kationische Flockungsmittel: pH 4-8
• Nichtionische Flockungsmittel: pH 4-8

Arten von polymeren Flockungsmitteln

Polymere Flockungsmittel lassen sich nach ihrer Ionizität und Form einteilen.

1. Ionische Eigenschaften

Wie bereits erwähnt, können polymere Flockungsmittel je nach der Ladung, die sie tragen, anionisch (Anionen), kationisch (Kationen), nichtionisch (Nichtionen) oder amphoter sein. Anionische und nichtionische Typen werden hauptsächlich zur Vernetzung von Partikeln, die durch anorganische und organische Koagulanzien eine basische Flocke gebildet haben, und zur Grobflocke verwendet. Kationische polymere Flockungsmittel werden häufig zur Entwässerung von biologischem Klärschlamm verwendet.

2. Form

Polymere Flockungsmittel werden in fester Pulverform und als Emulsionsprodukte vertrieben. Pulverförmige Produkte sind für den Transport und die Lagerung leichter zu handhaben, doch ist bei ihrer Verwendung wegen ihrer geringen Löslichkeit Vorsicht geboten. In der Regel wird das Pulver in kleinen Mengen in Wasser gegeben und gerührt. Wird eine große Menge auf einmal zugegeben, quillt nur die Oberfläche auf und die ungelösten Teilchen können aneinander haften und eine große Masse bilden.

Auch die Auflösung selbst dauert länger als bei einer Emulsion und man muss eine Weile mit dem Rühren warten. Außerdem nimmt die Pulverform Feuchtigkeit auf und darf nicht in Wasser gelagert werden. Aus diesem Grund ist es sinnvoller, Emulsionsprodukte zu verwenden, wenn polymere Flockungsmittel im Freien gelagert werden.

Emulsionsprodukte lassen sich leichter auflösen als Pulverprodukte und lösen sich relativ schnell auf. Es ist jedoch zu beachten, dass es weniger Typen als Pulver gibt und sie möglicherweise nicht für spezielle Rohwässer geeignet sind.

Auswahl eines geeigneten polymeren Flockungsmittels

Um das am besten geeignete polymere Flockungsmittel auszuwählen, müssen verschiedene Bedingungen berücksichtigt werden. Dazu gehören verschiedene Faktoren wie die Zusammensetzung des zuzugebenden Rohwassers, der pH-Schwankungsbereich, die optimale Zugabemenge, die Temperatur zum Zeitpunkt der Verwendung und der Einspeisepunkt der Anlage. In vielen Fällen wird der Typ zwischen Sommer- und Winterbetrieb gewechselt.

Bei der Auswahl werden Koagulations-Sedimentationstests (z.B. Jar-Tester, Cylinder-Tester) und Entwässerungstests (z.B. Zentrifugalentwässerungstest, Bandpressenentwässerungstest) durchgeführt, um die geeignete Marke und die geeigneten Behandlungsbedingungen auszuwählen, gefolgt von Tests an der tatsächlichen Anlage.