Thermische geleiding van staal

[Bram Steijn]

Goede middag allemaal,
 
Ik zit met een dilemma: momenteel loop ik stage in een bedrijf waar stalen producten worden geproduceerd.
Een van de behandelingen aan deze producten is dat de draad doormiddel van een inductie oven wordt opgewarmd tot ca 400 graden celcius. deze temperatuur wordt gemeten door een infrarood camera. Deze camera meet de temperatuur aan de buitenkant van de stalen staaf.
 
Nu is mijn vraag: het moet toch te berekenen zijn binnen hoeveel seconde de kern en de buitenkant ongeveer de zelfde temperatuur hebben bereikt? of hoever deze van elkaar achterlopen.
 
Ik heb gedacht om dit proef ondervindelijk vast te stellen door een gat in een staaf te boren en aan de binnenkant en de buitenkant een thermokoppel te hangen. dan de draad van buitenaf op te warmen en kijken wat de binnenste thermokoppel aan verschil weergeeft.
 
Ik weet dat staal goed warmte geleid, maar heb eerlijk gezegd geen idee in welke mate dit pratisch merkbaar is.
 
waarom wil ik dit weten?
Voor een proces tijdens de productie moet de staaf opgewarmd worden tot 400 graden celcius, daarna moet deze ook weer afgekoeld worden om niet te warm verwerkt te worden.
 
de opstelling is vrij simpel: de staaldraad gaat eerst door een inductie oven en wordt daarna gekoeld. er is gebleken dat de afstand van de oven tot de koelbak een dermate effect heeft op het materiaal. daarnaast wordt er getwijfeld over verschillende ovens en de opwarm capaciteit van de draad.
 
ik wil simpelweg een idee krijgen wat de kern temperatuur ongeveer is als ik de buitenkant opgewarmd heb tot 400 graden celcius. ik snap dat tijdens het opwarmen de kern ook al deels opgewarmd wordt. maar als ik uit ga van de worst case senario: en de begin temperatuur van de kern als 20 graden celcisu pak en de buitenkant als 400 graden celcius welke temperatuur heeft de kern dan na bv. 2 seconden?
 
als voorbeeld neem ik even een diameter van 8mm (het product is dus rond)
 
Groetjes Bram,
 
Ik hoop dat jullie mij een beetje in de goede richting kunnen wijzen, want ik vind helaas niks over formules over warmteoverdracht icm tijd.
 
 

[dannypje]

Ik denk dat je aanpak om met thermokoppels te werken zeker niet slecht is.
 
Je zou ook misschien iets kunnen doen met de formule Q=mc(delta t).
 
Hierbij is Q de energie die nodig is om m massa staal met warmtecoefficient c (van staal) op te warmen van (bvb.) kamertemperatuur tot de gewenste eindtemperatuur (delta t).
 
En aangezien Q in Joule (of Watt.seconden) staat, kan je bij gegeven wattage van de oven berekenen hoeveel seconden daarvoor nodig is.
Maar dit is uiteraard heel theoretisch, zonder rekening te houden met bijvoorbeeld de efficientie van de warmte-overdracht in de oven, noch de vorm van het materiaal, en waarschijnlijk nog een aantal parameters die ik hier vergeet.
 
Hoop dat je hiermee toch al een beetje aan de slag kan.

[king nero]

Als je met inductie werkt, zal de warmte van binnenin komen (bij gangbare frequenties), en zal de kern waarschijnlijk niet "achterlopen" op het buitenoppervlak.
 
Weet ook dat IR-metingen aan grote foutmarges onderhevig zijn, en sterk afhankelijk van het oppervlak.

[Thionyl]

Met een thermo-koppel ok, maar bedenk wel dat je je draden en het th-koppel keramisch moet gaan isoleren. 

[Bram Steijn]

Ik denk dat je aanpak om met thermokoppels te werken zeker niet slecht is.
 
Je zou ook misschien iets kunnen doen met de formule Q=mc(delta t).
 
Hierbij is Q de energie die nodig is om m massa staal met warmtecoefficient c (van staal) op te warmen van (bvb.) kamertemperatuur tot de gewenste eindtemperatuur (delta t).
 
En aangezien Q in Joule (of Watt.seconden) staat, kan je bij gegeven wattage van de oven berekenen hoeveel seconden daarvoor nodig is.
Maar dit is uiteraard heel theoretisch, zonder rekening te houden met bijvoorbeeld de efficientie van de warmte-overdracht in de oven, noch de vorm van het materiaal, en waarschijnlijk nog een aantal parameters die ik hier vergeet.
 
Hoop dat je hiermee toch al een beetje aan de slag kan.

Hmm.. thanks voor je reactie!
 
Helaas is het inderdaad iets ingewikkelder, de camera zet namelijk een system in werking waarbij verschillende parameters van de oven gewijzigd worden; onder andere frequentie, vermogen etc worden continue gewijzigd adhv de gemeten temperatuur

Als je met inductie werkt, zal de warmte van binnenin komen (bij gangbare frequenties), en zal de kern waarschijnlijk niet "achterlopen" op het buitenoppervlak.
 
Weet ook dat IR-metingen aan grote foutmarges onderhevig zijn, en sterk afhankelijk van het oppervlak.

Dit is ook wat ik begrepen had, maar blijkbaar speelt er ook nog iets mee als het skin effect. dit zou er voor zorgen dat de "stroom?" vooral buiten in de draad zich zou samen komen en hier vooral voor een opwarming zorgen?
 
Als dit niet zo is hoor ik het graag

Met een thermo-koppel ok, maar bedenk wel dat je je draden en het th-koppel keramisch moet gaan isoleren. 

 
Hoe bedoel je dit precies?

[Thionyl]

Omdat rubber smelt, bijvoorbeeld?

[Michel Uphoff]

waarbij verschillende parameters van de oven gewijzigd worden; onder andere frequentie, vermogen etc worden continue gewijzigd adhv de gemeten temperatuur.

 
Dat skin effect is (naast de materiaaleigenschappen) sterk afhankelijk van de frequentie. Heb je een indicatie van het toegepaste frequentiebereik?

[Bram Steijn]

 
Dat skin effect is (naast de materiaaleigenschappen) sterk afhankelijk van de frequentie. Heb je een indicatie van het toegepaste frequentiebereik?

 
Deze zou ik wel kunnen achterhalen, maar volgens electro hier in het bedrijf is het skin effect naast frequentie afhankelijk van onder andere de stroom, de werkspoel en nog wat andere zaken. Daarnaast zou de frequentie ook wisselen wanneer de temperatuur automatisch bijgesteld wordt (omdat de camera een te warm of koude product temperatuur meet).
 
Heeft het zin deze frequentie te achterhalen of heeft het skin effect ook veel te maken met deze andere zaken en aangezien deze niet direct een vaste waarde hebben dus niet zo veel zeggen over het skin effect?
 
Vind dit wel erg interessant!

[Bram Steijn]

Met een thermo-koppel ok, maar bedenk wel dat je je draden en het th-koppel keramisch moet gaan isoleren. 

 
 

Omdat rubber smelt, bijvoorbeeld?

Ahh inderdaad! ik zie dat er natuurlijk ook verschil in thermokoppels zit. Ik ging uit van twee metalen draadjes, zonder kunststof mantel.

[Thionyl]

Heb even gekeken naar mijn thermokoppels. De één had een rubber oid isolatie en de andere een soort glasvezel kous. (Voltcraft THT 650) Die meet van -40 - +650 Gr C. Vrij goedkoop dingetje, maar misschien wel geschikt voor jouw doel. Vooral ook omdat de "meet"draad bijna een meter is. Thermo-koppel is ca 2,5 x 0,9 mm (draad ook zo ongeveer) , dus kun je het te boren gaatje ook redelijk klein houden. Maar er zullen nog wel kleinere te koop zijn. 

[Bram Steijn]

Heb even gekeken naar mijn thermokoppels. De één had een rubber oid isolatie en de andere een soort glasvezel kous. (Voltcraft THT 650) Die meet van -40 - +650 Gr C. Vrij goedkoop dingetje, maar misschien wel geschikt voor jouw doel. Vooral ook omdat de "meet"draad bijna een meter is. Thermo-koppel is ca 2,5 x 0,9 mm (draad ook zo ongeveer) , dus kun je het te boren gaatje ook redelijk klein houden. Maar er zullen nog wel kleinere te koop zijn. 

Dankjewel! ik moet even kijken wat ze hier precies hebben liggen. Maar opzich is het idee achter deze proef wel oke? of zie ik wat zaken over het hoofd die er voor zorgen dat het doen van deze proef nutteloos is?
Verder heb ik nog even gerekend aan het skin effect, op Wikipedia staat een formule en hierin is af te leiden dat de frequentie wel degelijk een groot effect heeft op dit skin effect.
 
In de meest ideale wereld is de skin diepte de straal van mijn op te warmen draad toch? dus bij een draad van D=10mm zou ik het liefste een skin hebben van 5mm. wat gebeurt er als deze skin groter is al de straal? wordt de kern dan te warm?

[Thionyl]

Of dat skin-effect echt je meting beïnvloedt? Misschien ook een kwestie van de oven even uit te zetten en dan te kijken wat de temp. is, cq de meter aangeeft. Zonder freq. geen skin effect, lijkt me. Voor de rest, nee, zie geen echte problemen. Succes ermee. Maar brandt je niet  

[Michel Uphoff]

In de meest ideale wereld is de skin diepte de straal van mijn op te warmen draad toch? dus bij een draad van D=10mm zou ik het liefste een skin hebben van 5mm. wat gebeurt er als deze skin groter is al de straal? wordt de kern dan te warm?

 

Nee, juist het omgekeerde vind dan plaats. Om een grote penetratiediepte te krijgen moet de frequentie sterk omlaag, en dan wordt de golflengte groot. Het materiaal wordt dan 'transparant' voor het magnetisch veld en de energie-overdracht wordt heel laag. Op de site van Fluxtrol (klik) kan je in hun on-line introductiecursus veel informatie vinden over de penetratiediepte, frequentie en bijbehorende formules.

[Back2Basics]

 
... het skin effect. dit zou er voor zorgen dat de "stroom?" vooral buiten in de draad zich zou samen komen en hier vooral voor een opwarming zorgen?
 
 

 
Ze hebben mij vroeger verteld dat 'stroom' zich voornamelijk op de buitenrand van een geleider verzamelt. De verklaring was dat de negatieve ladingen van de deeltjes, elkaar afstoten, en omdat er op de buitenrand het meeste plaats is, of de grootste afstand is tussen twee deeltjes met dezelfde lading, gaan die deeltjes juist daar zitten.
 
Ik kan me nog herinneren dat ik indertijd aan de docent vroeg waarom er dan geen holle draden op de markt waren, aangezien het materiaal in het midden toch geen geleidende functie had. Ik weet niet meer wat daarop de reaktie was.

[Bram Steijn]

 

Nee, juist het omgekeerde vind dan plaats. Om een grote penetratiediepte te krijgen moet de frequentie sterk omlaag, en dan wordt de golflengte groot. Het materiaal wordt dan 'transparant' voor het magnetisch veld en de energie-overdracht wordt heel laag. Op de site van Fluxtrol (klik) kan je in hun on-line introductiecursus veel informatie vinden over de penetratiediepte, frequentie en bijbehorende formules.

dankjewel voor de link! hier staat het e.e.a inderdaad erg goed uitgelegd!

 
Ze hebben mij vroeger verteld dat 'stroom' zich voornamelijk op de buitenrand van een geleider verzamelt. De verklaring was dat de negatieve ladingen van de deeltjes, elkaar afstoten, en omdat er op de buitenrand het meeste plaats is, of de grootste afstand is tussen twee deeltjes met dezelfde lading, gaan die deeltjes juist daar zitten.
 
Ik kan me nog herinneren dat ik indertijd aan de docent vroeg waarom er dan geen holle draden op de markt waren, aangezien het materiaal in het midden toch geen geleidende functie had. Ik weet niet meer wat daarop de reaktie was.

Klopt inderdaad, ik hoorde laatst iemand die zei dat de draden van een electriciteitsmast ook hol zijn en gevuld met olie zijn.